新量子實驗測量光子與原子交互作用，證實「負時間」效應

長久以來被當成數學假象的量，其實能以 2 種完全不同方法測出一致結果。近日一項量子物理實驗證實光子穿越原子時可呈現負停留時間現象，即光子在進入物質雲後重新出現前，似乎花了「負」時間與原子相互作用。

研究團隊利用單光子脈衝穿過一團銣原子雲（rubidium cloud），當原子能階與光子能量「共振」，光子能量能暫時轉移給原子形成激發態，於原子雲「停留」一段時間再被釋放。

為了產生共振，光子必須具明確能量才能激發銣原子，但根據海森堡不確定性原理，如果光子能量被明確定義，那麼它的出入時間則不確定。也就是說，我們無法準確知道光子何時進入原子雲，只能知道它平均何時進入。

實驗最常見的結果是光子被原子散射（改變方向）而無法直線穿過，但也有少數成功直線穿過的光子，其到達時間卻比預期提早許多，對應為「負駐留時間」，這種現象早在 1993 年就已觀測到，但當時多數物理學家認為這只是假象——只有光脈衝最前端成功穿過，導致平均到達時間提早。

現在，一項新研究直接對原子進行測量，就像詢問光子是否真的在原子內停留過，但因精確測量原子會觸發量子芝諾效應（Zeno effect），破壞原有交互作用，因此研究人員改用弱測量技術：發射與單光子脈衝無關的微弱雷射光束穿過原子雲，藉由測量光束相位微小變化，探測原子是否處於激發態。

負時間是量子效應

經過數百萬次實驗並平均測量結果，團隊證實當光子直線穿過原子雲，原子被激發的平均駐留時間確實為負值，恰好等於光子平均到達時間推算出的負時間數值。

具體來說，新實驗證實負時間不是數學假象，而是對物理系統產生實際效應的量子現象，研究結果完全符合標準量子力學。

雖然該實驗僅限於特定共振條件下的冷原子系統，尚未推及其他量子交互作用情景，也不代表時間旅行成真，但直接測量這類負時間效應，正為「時間」在微觀尺度下的行為提供新觀察視角。

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（首圖來源：pixabay）