加 拿 多 倫 多 大 學 的 艾 弗 萊 姆 · 斯 坦 伯 格 （Aephraim Steinberg） 研 究 團 隊 ， 與 澳 洲 格 里 菲 斯 大 學 的 理 論 學 家 霍 華 德 · 威 斯 曼 （Howard Wiseman） 合 作 ， 透 過 實 驗 證 實 了 一 項 弔 詭 的 量 子 效 應 。 在 平 均 情 況 下 ， 那些 成 功 穿 透 原 子 雲 的 光 子 ， 會 使 這 些 原 子 產 生 負 的 激 發 時 間 。
實 驗 核心 內 容
科 學 家 向 一 團 冷 銣 原 子 雲 發 射 了 極 微 弱 的 共 振 光 脈 衝 （ 本 質 上 即 為 光 子 ） 。 在 共 振 頻 率 下 ， 原 子 理 應 吸 收 並 重 新 發 射 光 子 ， 也 就 是 暫 時 進 入 激 發 態 。
此 時 大 部 分 的 光 子 都 會 被 散 射 。 然 而 ， 仍 有 少 部 分 光 子 會 直 接 穿 透 。 問 題 在 於 ， 這 些 穿 透 的 光 子 究 竟 以 激 發 態 的 形 式 在 原 子 內 部 「 停 留 」 了 多 久 。
一 般 的 測 量 方 式 會 破 壞 這 種 效 應 （ 即 量 子 芝 諾 效 應 ） 。 因 此 ， 研 究 團 隊 採 用 了 弱 測 量 技 術 ： 讓 另 一 道 極 微 弱 的 輔 助 雷 射 穿 過 雲 團 ， 並 透 過 其 微 小 的 相 位 偏 移 來 判 定 原 子 的 平 均 激 發 程度 。 這 幾 乎 不 會 干 擾 過 程 ， 但 需 要 龐 大 的 統 計 數 據 支 持 。
在 經 歷 了 約 數 千 萬 次 循 環 （ 數 十 小 時 的 測 量 ） 以 及 後 驗 選 擇 （ 僅 篩 選 出 光 子 確 實 穿 透 原 子 雲 並 被 偵 測 到 的 案 例 ） 後 ， 科 學 家 獲 得 了 明 確 的 結 果 。
淺 談 何 謂 「 負 時 間 」
這 裡 所 謂 的 「 負 時 間 」 ， 是 指 原 子 因 與 那 些 成 功 穿 透 的 光 子 產 生 交 互 作 用 ， 而 處 於 激 發 態 的 平 均 時 間 。
測 量 結 果 呈 現 負 值 （ 例 如 ， 對 於 窄 頻 脈 衝 ， 約 為 正 常 正 向 激 發 時 間 的 -0.8 倍 ） 。
這 並 不 代 表 ：
- 光 子 在 時 間 中 倒 流 ；
- 因 果 律 遭 到 破 壞 ；
- 原 子 在 一 般 意 義 上 的 光 子 抵 達 「 之 前 」 就 已 被 激 發 。
這 其 實 代 表 了 以 下 意 義 ：
過 去 ， 負 的 群 延 遲 （ 即 光 脈 衝 峰 值 離 開 介 質 的 時 間 早 於 「 預 期 」 ） 常 被 解 釋 為 單 純 的 脈 衝 形 狀 重 組 ： 介 質 「 切 斷 」 了 脈 衝 後 部 ， 導 致 只 有 前 沿 通 過 。 因 此 ， 這 在 當 時 看 來 更 像 是 一 種 數 學 產 物 ， 而 非 真 實 的 物 理 交 互 作 用 時 間 。
在 這 次 的 新 實 驗 中 ， 科 學 家 直 接 詢 問 了 原 子 本 身 ： 「 你 們 因 為 穿 透 的 光 子 而 被 激 發 了 多 久 ？ 」
原 子 給 出 的 回 答 是 ： 負 時 間 。 而 這 個 答 案 與 根 據 光 子 抵 達 時 間 測 得 的 負 群 延 遲 完 全 吻 合 。
由 此 可 見 ， 負 時 間 並 非 脈 衝 形 狀 造 成 的 幻 覺 。 它 在 物 質 狀 態 中 具 有 直 接 的 物 理 表 現 。 在 量 子 力 學 中 （ 透 過 弱 值 理 論 ） ， 對 於 成 功 穿 透 的 光 子 ， 其 平 均 「 交 互 作 用 時 間 」 確 實 可 能 因 機 率 幅 的 干 涉 而 呈 現 負 值 。
核 心 原 理 簡 單 說 明 ： 在 量 子 世 界 裡 ， 光 子 的 行 為 不 像 硬 球 ， 而 像 機 率 波 。 當 量 子 波 穿 過 原 子 雲 時 會 與 其 產 生 交 互 作 用 ， 形 成 干 涉 效 應 （ 波 的 相 加 或 相 減 ） 。 當 光 子 成 功 穿 透 介 質 時 ， 其 波 動 特 性 會 以 特 定 方 式 疊 加 ， 使 得 原 子 處 於 激 發 態 的 機 率 在 數 學 上 呈 現 負 值 。
此 處 的 「 負 時 間 」 是 一 個 特 殊 的 量 子 物 理 量 ， 揭 示 了 波 的 干 涉 如 何 抵 消 成 功 穿 透 粒 子 的 交 互 作 用 時 間 。
研 究 的 重 要 性
這 項 研 究 證 實 了 負 群 延 遲 是 量 子 光 與 物 質 的 真 實 物 理 特 性 ， 而 非 單 純 的 數 學 技 巧 。 該 效 應 雖 早 已 在 理 論 上 被 預 言 ， 且 1993 年 的 光 子 穿 隧 實 驗 （ 斯 坦 伯 格 亦 參 與 其 中 ） 也 曾 觀 察 到 類 似 現 象 ， 但 當 時 其 物 理 意 義 仍 備 受 質 疑 。
現 在 疑 慮 已 大 幅 減 少 ： 原 子 確 實 「 感 受 」 到 了 這 段 負 時 間 。
科 學 家 強 調 ： 這 並 非 時 光 機 。 這 是 標 準 量 子 物 理 在 處 理 弱 測 量 與 後 驗 選 擇 時 的 特 性 。 在 包 含 散 射 光 子 的 完 整 圖 像 中 ， 因 果 律 與 時 間 的 整 體 正 向 性 依 然 成 立 。
研 究 團 隊 計 畫 進 一 步 詳 細 研 究 那 些 被 散 射 的 光 子 ， 以 了 解 正 時 間 與 負 時 間 如 何 在 總 體 統 計 中 達 成 「 補 償 」 。
