トロント大学（エフレイム・スタインバーグ教授率いるグループ）と、グリフィス大学（オーストラリア）の理論学者ハワード・ワイズマン博士らによる共同研究チームは、逆説的な量子効果が実在することを実験で裏付けた。原子雲を無事に通り抜けた光子は、原子の中に平均して負の励起時間を生じさせるという。
実験の要点
研究者たちは、極めて微弱な共鳴光のパルス（実質的には光子）を、冷却されたルビジウム原子の雲に照射した。共鳴周波数において、原子は光子を吸収・再放出し、一時的に励起状態に移行するはずである。
この際、ほとんどの光子は散乱してしまうが、ごく一部はそのまま通り抜ける。課題となったのは、これら通り抜けた光子が、原子の内部で励起状態としてどれほどの時間を「過ごした」のかという点だった。
通常の測定を行うと、その行為自体が効果を壊してしまう（量子ゼノン効果）。そこで用いられたのが「弱測定」という手法である。原子雲に別の非常に弱い補助レーザーを通し、そのわずかな位相のずれを測定することで、原子が平均してどの程度励起されたかを特定した。この手法は過程をほとんど乱さない一方で、膨大な統計データを必要とする。
数千万回に及ぶサイクル（数十時間の測定）と、光子が実際に原子雲を通り抜けて検出されたケースのみを抽出する「ポストセレクション（後選択）」を経て、研究者たちは明確な結果を得ることに成功した。
「負の時間」の平易な解説
ここで言う「負の時間」とは、無事に通り抜けた光子との相互作用によって、原子が励起状態にあった平均時間を指している。
その測定値は負の結果となった（例えば、狭帯域パルスの通常の正の励起時間に対して約－0.8倍など）。
これは、以下のことを意味するわけではない。
- 光子が過去に遡って旅をしたこと。
- 因果律が破られたこと。
- 通常の意味で、光子が到達する「前」に原子が励起されたこと。
むしろ、以下のことを示唆している。
従来、負の群遅延（光パルスのピークが理論上の想定よりも早く媒体から出る現象）は、単なるパルス形状の変化として説明されることが多かった。つまり、媒体がパルスの後方を「切り落とし」、前方の縁だけが通過するためにそう見えるのだという考え方である。そのため、これは数学的な産物に過ぎず、物理的な実体を伴う相互作用時間ではないと見なされてきた。
今回の実験において、研究者たちは原子そのものに問いかけた。「通り抜けた光子の影響で、君たちはどれほどの時間励起されていたのか」と。
原子たちの答えは、「負の時間」であった。そしてその回答は、光子の到達状況から算出された負の群遅延と正確に一致したのである。
したがって、負の時間とはパルス形状が見せる幻想ではない。それは物質の状態において直接的な物理的現象として現れている。量子力学においては、弱値の概念を通じて、通り抜けることに成功した光子の平均的な「相互作用時間」は、確率振幅の干渉によって実際に負になり得るのだ。
核心の簡単な説明：量子世界において、光子は硬い玉のようにではなく、確率の波として振る舞う。原子雲を通過する際、量子波は原子と相互作用し、波の重ね合わせや打ち消し合いといった干渉効果を生じさせる。光子が媒体を無事に通り抜ける際、その波動的性質が重なり合うことで、原子が励起状態にある確率は数学的にマイナスの領域へと入り込むのである。
ここでの「負の時間」とは、無事に通過した粒子に対し、波の干渉が相互作用時間を差し引く様子を示す、量子固有の物理量に他ならない。
なぜこれが重要なのか
この成果は、負の群遅延が単なる数学的なトリックではなく、量子的な光と物質の真の物理的特性であることを証明している。この効果は以前から理論的に予測されており、1993年の光子トンネル実験（これもスタインバーグ氏が参加）でも観測されていたが、当時はその物理的意味が疑問視されていた。
原子たちが実際にこの負の時間を感じ取っていることが示された今、もはや疑念の余地はほとんどない。
研究者たちは、これがタイムマシンではないことを強調している。これは弱測定とポストセレクションを用いた標準的な量子物理学における特異な性質に過ぎない。散乱された光子も含めた全体像で見れば、因果律と時間の正値性は維持されているのである。
研究チームは今後、散乱された光子をより詳しく調査し、統計全体の中で正の時間と負の時間がいかに相殺し合っているのかを解明する計画だ。
