在量子物理的領域，科學家們常常會遇到一些看似荒謬的現象，這些現象挑戰了我們對現實的理解。比如，原子和分子有時表現得像粒子，有時又像波動；粒子之間可以通過一種被稱為“超距作用”的神秘力量相互關聯，即使它們相距甚遠；而量子物體甚至可以像《愛麗絲夢游仙境》中的切莎貓那樣，與自身的特性完全脫離。近期，由多倫多大學的丹妮拉·安古洛領導的研究團隊揭示了另一個令人驚奇的量子現象：光子，作為光的波粒二象性的體現載體，可以在經過冷卻原子云時消耗“負時間”。換句話說，光子似乎能夠在進入材料之前就已經離開，似乎挑戰了我們對時間的基本認識。

多倫多大學的物理學家艾弗拉希姆·斯坦伯格在社交媒體平臺X上發布了關于這項新研究的帖子，他提到：“光子消耗了正的時間，但我們的實驗觀察到光子可以讓原子在激發態中顯得消耗了負時間！”該研究于9月5日上傳至預印本服務器arXiv.org，目前尚未經過同行評審。

這一工作的靈感源于2017年，當時斯坦伯格和他的實驗室同事、博士生約西亞·辛克萊對光與物質的相互作用產生了濃厚的興趣，尤其關注一種稱為原子激發的現象。在這個過程中，光子穿過介質并被吸收，導致圍繞原子的電子躍遷到更高的能級。當這些激發態的電子回到原始狀態時，它們會以重新發射的光子形式釋放所吸收的能量，這一過程引入了光通過介質的觀測時間延遲。

辛克萊的團隊希望測量這種時間延遲（技術上稱為“群延遲”），并了解它是否依賴于光子的命運：光子是在原子云內部被散射和吸收，還是在沒有任何相互作用的情況下通過？辛克萊回憶道：“當時，我們對答案并不確定，我們認為這個基礎性的問題應該容易回答。但隨著與越來越多人的交流，我們意識到雖然每個人都有自己的直覺或猜測，但并沒有達成專家共識。”由于這些延遲的性質往往奇特且反直覺，一些研究者甚至認為這一現象對描述與光相關的任何物理屬性幾乎沒有意義。

經過三年的策劃，辛克萊的團隊終于開發出一種實驗設備來檢驗這個問題。他們的實驗涉及將光子射穿超冷銣原子云，并測量由此引起的原子激發程度。實驗中出現了兩個令人意外的結果：有時光子毫發無損地通過，但銣原子卻依然激發，激發的持續時間與光子被吸收時的時間完全相同。更為奇怪的是，當光子被吸收后，它們似乎幾乎瞬間被重新發射，甚至在銣原子返回基態之前，仿佛光子的離開速度比預期還要快。

為了對此現象進行解釋，該團隊與澳大利亞格里菲斯大學的理論物理學家霍華德·維斯曼展開了合作。最終，他們提出的理論框架表明，這些被傳輸光子在原子激發狀態所消耗的時間與光所獲得的預期群延遲之間存在完美的匹配，即使在某些情況下，看起來光子似乎在原子激發消退之前被重新發射。

為了理解這一看似荒謬的發現，可以將光子視作模糊的量子物體，任何給定光子的吸收和重新發射并不保證在固定的時間內發生，而是發生在一個模糊的、概率性的時間范圍內。正如實驗所示，這些時間值可以包含個別光子的傳輸時間為瞬時的情況，甚至更離奇的是，當光子在原子激發結束之前完成傳輸時，會導致負值的出現。

辛克萊對此表示：“我可以向你保證，我們對這個預測完全感到驚訝。”他提到群延遲與傳輸光子在原子激發中所消耗的時間之間的匹配。“當我們確信沒有犯錯后，斯坦伯格和其他團隊成員——此時我已轉到麻省理工學院做博士后——開始計劃后續實驗，以測試這個關于負停留時間的瘋狂預測，看看理論是否成立。”

安古洛領導的后續實驗可以通過考慮光子傳輸的兩種方式來理解。在一種情況下，光子“蒙住了眼睛”，完全忽視了原子，甚至沒有打個招呼；在另一種情況下，光子與原子相互作用，將其提升到更高的能級，然后被重新發射。斯坦伯格指出：“當你看到一個被傳輸的光子時，你無法確定發生了哪種情況。”因為光子是量子粒子，在量子領域中，兩種結果可以處于疊加狀態，即這兩件事情可以同時發生。“測量設備最終會處于測量零與測量某個小的正值的疊加狀態。”但這也意味著有時“測量設備會處于一種看似不是‘零’加上‘某個正值’，而是‘零’減去‘某個正值’的狀態，從而導致這一激發時間的值看起來是錯誤的，即負值。”

安古洛及其同事的實驗結果表明，當光子激發原子時，它們在介質中的移動速度比原子保持在基態時更快。值得注意的是，這一現象并不違反愛因斯坦狹義相對論所設定的“沒有任何東西可以以超光速傳播”的限制，因為光子并沒有傳遞任何信息。

辛克萊解釋說：“負時間延遲可能看起來悖論重重，但這意味著，如果你建立一個‘量子’時鐘來測量原子在激發態中花費的時間，在某些情況下，時鐘指針會向后而不是向前移動。”換句話說，光子被原子吸收的時間是負的。

盡管這一現象令人驚訝，它并未改變我們對時間本身的理解，但它再次證明了量子世界依然充滿驚喜。辛克萊表示：“[安古洛]和團隊的其他成員取得了令人印象深刻的成就，產生了一組美麗的測量結果。他們的結果引發了關于光子在吸收介質中旅行歷史的有趣問題，并需要重新解釋光學中群延遲的物理意義。”

這一發現為量子物理學領域增添了新的維度，同時也激發了科學界對光子行為的新思考。我們在探索量子世界的過程中，逐漸揭開了許多神秘面紗，讓我們期待未來更多的發現與突破。