“负时间”，真实存在

据西班牙《阿贝赛报》网站8月16日报道，尽管至今尚无人能够精准阐释时间究竟是什么，但我们大体都清楚，秒、分钟、小时乃至一整年，都是人类用来量化时间流逝的单位，时间永远向前，由过去奔赴未来。事物发生的顺序不可更改，比如行驶100公里，我们一定是出发之后才抵达目的地，绝不可能先到达、再出发。 简单来说，负时间并不存在。至少在现实世界与日常生活体验中是如此。可它果真不存在吗？一支国际科研团队刚刚通过实验证明，在玄妙的量子力学世界里，粒子与物质发生相互作用时，可以经历一段“小于零”的时间。研究人员成功测出了这种“负时间”，证实它并非光线带来的假象，而是真实存在的物理效应。该研究成果已发表于《物理评论快报》周刊。 为阐释这项发现，论文作者援引了希腊神话。近期克里斯托弗·诺兰的电影《奥德赛》上映，这一典故再度受到热议。荷马在史诗中记述，奥德修斯历经10年漫漫归途，从特洛伊回到伊萨卡故土，旅途中很长一段时间，他被困在仙女卡吕普索的海岛上。如果妻子珀涅罗珀追问他这段虚度的时光，奥德修斯或许会这样辩解：“算不上什么，甚至比零还要少。我和卡吕普索共处的时间是负5年。不然我怎么只用10年就回到家乡？你若是不信，可以去问她。” 在宏观世界，这只是天方夜谭，这套说辞放在奥德修斯身上片刻就会被戳穿。但在亚原子世界，上述情景确实会发生。研究人员解释道：“正如我们的实验所示，量子粒子和奥德修斯一样‘诡计多端’。不仅粒子的抵达时间会体现出，它和其他粒子的共处时长为负值，而且如果去询问那些与之发生作用的粒子，它们也会印证这一结论。” 这项全新实验以光子（构成光的量子粒子）作为对象，科学家让光子完成一项近乎不可能的穿越：穿过一团稠密的铷原子云。 铷原子会对特定光线产生共振效应，也就是说，光子的能量可以临时转移至原子，使原子受激。于是，光子会在原子云内部短暂“驻留”，之后再度被释放，继续向前传播。实现该过程的前提是，光子必须具备精准的能量，与铷原子激发所需的能量完全匹配。 海森堡不确定性原理在此发挥关键作用：我们无法同时精准测出一个粒子的位置与速度。一旦确定位置，就无从得知它的速度；知道速度，就无法确定位置。放到本实验中，如果光子的能量被限定得极其精确，它的时间属性就必然具备不确定性。换言之，光子并非一个点状的光微粒，而是一段持续时间较长的光脉冲。我们只能获知光子进入气体云的平均时刻，却无法锁定确切的进入瞬间。 发射这束延展的光子脉冲后，最常见的情况是，光子能量传递给铷原子，随后原子朝随机方向释放出新的光子。原始光子发生散射，永远无法抵达属于它的“伊萨卡”终点。 但部分光子能够直线穿透原子云，而此时就会出现违背常识的现象。科学家依据光子进入原子云的平均时间，结合光速，计算出光子抵达另一端探测器（即“伊萨卡”）的理论时刻。 实验结果令人震惊：光子实际到达时间远早于理论预期。它穿行速度极快，表现出在原子云内部经历了一段“负时间”；平均来看，光子在进入原子云之前就已经穿出。 该效应并非新近发现，数十年前就已为人所知，1993年一项著名实验就观测到该现象。但科学界此前并未认真看待“负时间”，原因在于存在一套平淡却合乎逻辑的解释：不妨把光子想象成一列1千米长的火车，驶入布满炸药的隧道（原子云）。 如果火车绝大部分被摧毁、发生散射，只有车头冲出隧道，幸存的车头部分就会远早于列车中心抵达隧道出口。物理学家过去认为，仅仅是光脉冲的“前端”完成穿越，制造出了负时间的错觉。 1993年那篇论文的作者之一、如今任职于多伦多大学并主导本次实验的埃夫赖姆·斯坦伯格并不满足于上述解读。他想要直接向铷原子“求证”，测出光子和原子相互作用的确切时长。 但量子物理当中，观测行为本身就会干扰被观测对象。如果以极高精度时刻追踪光子位置，就会阻断光子与原子的相互作用，这就是量子“芝诺效应”：持续被测量的量子系统会被“冻结”，不再发生演化。回到神话的比方：若是时刻紧盯仙女卡吕普索（原子），她就无法困住奥德修斯（光子）。 科研团队的解决方案是采用“弱测量”技术。他们向原子云发射一束亮度极低的次级激光，通过探测光线细微的相位偏移，判断原子是否处于受激状态。单次测量的结果没有意义，但对海量重复实验的结果做统计平均之后，就能在不破坏系统的前提下，得到精度极高的数据。 最终结果确凿无疑：从原子上直接测得的驻留时间，和光子提前抵达所体现出的负时间完全吻合。这不再是“火车车头”带来的视觉假象。这个负值对光子穿透的原子云产生了真实、可测量的直接物理效应。 这是否意味着，我们很快就能造出时间机器？很遗憾，答案是否定的。论文作者提醒，整套实验完全契合现有标准物理学框架。但这项里程碑无可辩驳地证明：“负时间”不只是数学推演的产物，也不是计算失误，而是我们所处宇宙时空结构的一项基础属性。 微信审核 | 陈 鹏 内容编审 | 宋媛 廉海东 微信编辑 | 郭庆娜 董磊 文章原文