量子物理学家在奇特实验中发现“负时间”

葫芦科普 2024-10-10 10:13:56

在量子物理的领域,科学家们常常会遇到一些看似荒谬的现象,这些现象挑战了我们对现实的理解。比如,原子和分子有时表现得像粒子,有时又像波动;粒子之间可以通过一种被称为“超距作用”的神秘力量相互关联,即使它们相距甚远;而量子物体甚至可以像《爱丽丝梦游仙境》中的切莎猫那样,与自身的特性完全脱离。近期,由多伦多大学的丹妮拉·安古洛领导的研究团队揭示了另一个令人惊奇的量子现象:光子,作为光的波粒二象性的体现载体,可以在经过冷却原子云时消耗“负时间”。换句话说,光子似乎能够在进入材料之前就已经离开,似乎挑战了我们对时间的基本认识。

多伦多大学的物理学家艾弗拉希姆·斯坦伯格在社交媒体平台X上发布了关于这项新研究的帖子,他提到:“光子消耗了正的时间,但我们的实验观察到光子可以让原子在激发态中显得消耗了负时间!”该研究于9月5日上传至预印本服务器arXiv.org,目前尚未经过同行评审。

这一工作的灵感源于2017年,当时斯坦伯格和他的实验室同事、博士生约西亚·辛克莱对光与物质的相互作用产生了浓厚的兴趣,尤其关注一种称为原子激发的现象。在这个过程中,光子穿过介质并被吸收,导致围绕原子的电子跃迁到更高的能级。当这些激发态的电子回到原始状态时,它们会以重新发射的光子形式释放所吸收的能量,这一过程引入了光通过介质的观测时间延迟。

辛克莱的团队希望测量这种时间延迟(技术上称为“群延迟”),并了解它是否依赖于光子的命运:光子是在原子云内部被散射和吸收,还是在没有任何相互作用的情况下通过?辛克莱回忆道:“当时,我们对答案并不确定,我们认为这个基础性的问题应该容易回答。但随着与越来越多人的交流,我们意识到虽然每个人都有自己的直觉或猜测,但并没有达成专家共识。”由于这些延迟的性质往往奇特且反直觉,一些研究者甚至认为这一现象对描述与光相关的任何物理属性几乎没有意义。

经过三年的策划,辛克莱的团队终于开发出一种实验设备来检验这个问题。他们的实验涉及将光子射穿超冷铷原子云,并测量由此引起的原子激发程度。实验中出现了两个令人意外的结果:有时光子毫发无损地通过,但铷原子却依然激发,激发的持续时间与光子被吸收时的时间完全相同。更为奇怪的是,当光子被吸收后,它们似乎几乎瞬间被重新发射,甚至在铷原子返回基态之前,仿佛光子的离开速度比预期还要快。

为了对此现象进行解释,该团队与澳大利亚格里菲斯大学的理论物理学家霍华德·维斯曼展开了合作。最终,他们提出的理论框架表明,这些被传输光子在原子激发状态所消耗的时间与光所获得的预期群延迟之间存在完美的匹配,即使在某些情况下,看起来光子似乎在原子激发消退之前被重新发射。

为了理解这一看似荒谬的发现,可以将光子视作模糊的量子物体,任何给定光子的吸收和重新发射并不保证在固定的时间内发生,而是发生在一个模糊的、概率性的时间范围内。正如实验所示,这些时间值可以包含个别光子的传输时间为瞬时的情况,甚至更离奇的是,当光子在原子激发结束之前完成传输时,会导致负值的出现。

辛克莱对此表示:“我可以向你保证,我们对这个预测完全感到惊讶。”他提到群延迟与传输光子在原子激发中所消耗的时间之间的匹配。“当我们确信没有犯错后,斯坦伯格和其他团队成员——此时我已转到麻省理工学院做博士后——开始计划后续实验,以测试这个关于负停留时间的疯狂预测,看看理论是否成立。”

安古洛领导的后续实验可以通过考虑光子传输的两种方式来理解。在一种情况下,光子“蒙住了眼睛”,完全忽视了原子,甚至没有打个招呼;在另一种情况下,光子与原子相互作用,将其提升到更高的能级,然后被重新发射。斯坦伯格指出:“当你看到一个被传输的光子时,你无法确定发生了哪种情况。”因为光子是量子粒子,在量子领域中,两种结果可以处于叠加状态,即这两件事情可以同时发生。“测量设备最终会处于测量零与测量某个小的正值的叠加状态。”但这也意味着有时“测量设备会处于一种看似不是‘零’加上‘某个正值’,而是‘零’减去‘某个正值’的状态,从而导致这一激发时间的值看起来是错误的,即负值。”

安古洛及其同事的实验结果表明,当光子激发原子时,它们在介质中的移动速度比原子保持在基态时更快。值得注意的是,这一现象并不违反爱因斯坦狭义相对论所设定的“没有任何东西可以以超光速传播”的限制,因为光子并没有传递任何信息。

辛克莱解释说:“负时间延迟可能看起来悖论重重,但这意味着,如果你建立一个‘量子’时钟来测量原子在激发态中花费的时间,在某些情况下,时钟指针会向后而不是向前移动。”换句话说,光子被原子吸收的时间是负的。

尽管这一现象令人惊讶,它并未改变我们对时间本身的理解,但它再次证明了量子世界依然充满惊喜。辛克莱表示:“[安古洛]和团队的其他成员取得了令人印象深刻的成就,产生了一组美丽的测量结果。他们的结果引发了关于光子在吸收介质中旅行历史的有趣问题,并需要重新解释光学中群延迟的物理意义。”

这一发现为量子物理学领域增添了新的维度,同时也激发了科学界对光子行为的新思考。我们在探索量子世界的过程中,逐渐揭开了许多神秘面纱,让我们期待未来更多的发现与突破。

4 阅读:793
评论列表
  • 2024-10-14 21:45

    1951年,爱因斯坦在给他的好友贝索的信中,曾极度伤感地说过这么一段话:“什么是光量子?50年来我一直在认真思考着这个问题,可是哪怕连一步都没有接近答案。眼下像汤姆、迪克和哈利这样的人,都以为他们了解光量子,其实全都是错的!”“汤姆、迪克和哈利”是谁呢?他们就是“张三、李四和王五”。爱因斯坦没有指名道姓,但却囊括了所有人。我们知道,爱因斯坦因为用“光量子”概念成功解释了光电效应而获得了1921的诺贝尔物理学奖,但在30年后,他却坦言,自己从来都没有真正理解过光子是什么? 光真的有这么难理解吗?竟然困住了代表着人类智力巅峰的科学天才?为了深刻理解光的神秘和诡异,今天我们就盘点下关于光的4个,现今科学依旧无法解释的现象,看了这篇文章,你势必会对日常所见的光有一个全新的了解!一、光的部分反射现象。众所周知,光的本质就是电磁波,但同时具有粒子性。在日常生活中我们经常会见到,当一束光射入玻璃表面时,有一部分会发生反射现象,而另一部分会折射穿过玻璃,那么,反射光和折射光的比值是多少呢?

  • 2024-10-14 21:46

    光子论和相对论都是谬论!目前对粒子的加速手段都是靠电场或者磁场还有万有引力,而电磁场及引力的速度就等于光速,所以目前任何物质都不可能加速到光速,因为接近光速时电磁场对其作用力就按指数级变小了!这类似于异步电功机,在没有外力作用下旋转磁场永远都不能把转子加速到同步速度,因为当转子转速越接近旋转磁场速度时,旋转磁场对转子的作用力就越小。电磁场对粒子的加速也是同样道理。并非是其质量增加了,而是电磁场对其的作用力变小了!回旋加速器加速粒子时粒子速度接近光速时磁场对其的约束力变小也是这个道理,并非是其质量增加了,而是带电粒子在高速运动时同时会产生磁场,当磁场到达一定的强度就会出现磁饱和现象,这时回旋加速器对带电粒子的约束力就会迅速变小,从而无法继续对粒子进行加速。

  • 2024-10-14 22:02

    最终结论就是量子论就是谬论!它已经成为世界性物理学的灾难!浪费了大量科研资源!最终还是要到电磁波的本质属性上来。君不见几乎所有有关量子的描述都要用到相干涉、衍射、偏振这些只有波才有的特性吗?量子论中除了光之外有谁见到电子、中子、离子、分子、原子这些实物粒子达到过光速的?为什么只有光(假设的量子)一经出现即刻就能达到光速(不用额外加速)而其它(粒子)所谓的量子却永远都无法加速到光速?其实对比机械波原理也是一样的,一经产生就能达到其固有的速度。比如声波、水波等。水波是最直观的一种波动现象,其一经产生就能达到水波固有的速度,其虽然是水分子振动产生械波,但其一样具备所有波的属性!但其并不是水分的发射产生的(分子的直接流动)比如水枪发射。所以波就波粒子就是粒子并不存在(四不象的)所谓波粒两象性!量子谬论已经成为世界性物理学的灾难!

  • 2024-10-14 21:45

    光通过透明体时是受激辐射是有实验依据的。其实拉曼效应就是原子的受激辐射产生的。当光通过透明体时其实是透明体里的原子中的电子受激再辐射出光,这个推论是有实验依据的。当光通过带颜色的透明体时就会辐射出物体本身颜色的光,也就是拉曼效应光。拉曼效应实验就是物质受激辐射,所以它辐射出的是物质原子里电子固有频率的光。所以拉曼在发现拉曼效应时观察的海水颜色是蓝色的。其实水就是高度透明的蓝色物质,所以它受激辐射出固有频率蓝光。所以以前的理论说水是无色透明的物质是错误的!水其实就是蓝色高度透明的物质!只是在少量时辐射出的蓝光很少反射的都是它背后物质的颜色,所以就被误认为无色。还原光的电磁波属性后到此所有的之前无法解释的物理理论都可以通顺了!所谓的测不准原理,薛定谔的猫,光子论(量子),四不象的波粒两象性都将成为过去时。

  • 2024-10-14 21:44

    到目前为止人类连光的本质属性都没搞清楚更不要说控制单个光脉冲了!我的理论是根据电磁波原理(振荡电流产生电磁波)推导出光波是由单个电子振动产生的电磁波,一个电子振动一次产生一个光脉冲,一群电子振动产生一群光脉冲。你所说的所谓单光子目前人类还无法做到,因为人类到目前为止连控制一个原子都做不到更不要说控制一个电子。你所说的探测,目前所有的探测手段也只探测一群光波,因为目前所有的感光材料都要有一定量的光波作用才能体现出来。你所谓单光子双缝干涉实验实际上是一群光波在起作用,只是要达到一定的量才能在屏幕上显示出来。你再疏理一下所有的物理理论。如果还原光的电磁波属性,用光的电磁感应原理解释光电效应,解释黑体辐射现象(在光的电磁感应原理解释光电效应实验时说的光波作用于电子电子获得的能量就是一份份的,在效果上是不连续的)也就是说光的电磁感应原理也能解释黑体辐射实验。再有就是解释康普顿效应,是光激光辐射引起的,我认为光通透明体是光激辐射也就是入射光激发透明体的电子引起透明体物质的电子共振再发射出光波,晶体里的电子振频率受晶体原子影响,不同角度的电子受激后振荡频率不一样引起康普顿实验结果这样所有物理论都顺了

  • 2024-10-14 21:40

    光的本质属性就是电磁波!没有粒子性!用光的电磁感应原理能完美地解释光电效应实验。根据本人用光波的电磁感应原理解释光电效应实验可以推导出用偏振光做光电效应实验会对逸出电子方向产生影响,逸出电子的方向与入射光波包的切线方向相同,而实验证明推论完全正确!光的电磁感应原理导论1:光的波包的磁通变化率与光的频率成正比,所以光的波泡对电子的感应能力与光的频率成正比!与实验结果相符。而光子论的假设是无法解释逸出电子方向与入射光方向无关的实验事实,而且逸出电子方向可以与入射光方向相反,爱因斯坦的光子论假设是光子撞击电子产生光电效应的,按此推论逸出电子方向应该与入射光同向,而实验事实却是与入射光方向无关反而与偏振光的偏振方向有关。所有实验证明用光波包电磁感应原理解释光电效应实验才是正确的光子论是错误的,波粒两象性更是谎谬!所谓的电子双缝干涉实验我认为是电子撞击双缝产生的衍生物,我们可以用不同材质的金属材料来做双缝中间隔栅两侧也用不同的金属看还能不能产生双缝干涉现象就知道。最简单的原因光的双缝干涉实验是不怕观察的,为什么电子双缝干涉怕观察?那是因为光的双缝干涉是真正的双缝干涉电子双缝干涉是假的双缝干涉。

  • 2024-10-14 21:43

    光的电磁波理论遇到最大的难题就是解释光电效应实验。我已经成功地用电磁感应原理完美地解释了光电效应实验。而且还完美地解释了假设的光子撞击电子为什么电子的逸出方与入射光方向无关的问题。而用偏振光做光电效应实验却对逸出电子的逸出方向相关!而且还能解释少量逸出电子的能量与入射光的能量成倍增加。而这些把光假设成粒子是无法解释光电效应的这些实验结果的。唯有用电磁感应原理来解释光电效应实验才能完美地解释这些实验结果。既然不存在“光量子”何来的量子通信?如果真的存在量子纠缠,那么用电子纠缠来做量子通信是最容易实现的。先制备一对纠缠态的电子把其中一个电子用导体移动到另一端(可以是1米或几万K米),然后测量其中一个电子的状态另一个电子的状态就确定了,这样就可以做出真正的量子通信了!而不用激光来骗人了。目前世界上根本就没有人能做出真正的纠缠态电子对,所以只能用偏振光的交织说成是什么光子纠缠来骗人其实本质上还是激光通信。

  • 2024-10-14 21:41

    要理解光波我觉得可以和水波对应起来。把一潭平静的湖水看作是真空中的磁场,把一颗小石子看作是电子,当把一颗小石子投入平静的湖水时会激荡起水波,就象电子振动产生电磁波一样。水波观察起来就比电磁波直观多了。水波就是传递这颗小石子的能量波,相对于电磁波就是传递电子振动的能量波了。我对原子模型的理解是电子是以一定的固定阵列分布在原子核周围,在不同势能位电子振动的固有频率不同,所以不同原素会有对应的光谱线。拉曼效应就是原子的电子振动固有频率的最好证明。温度反映的就原子中电子振动程度。所有能量的传递都是靠电磁感应(电磁波)来传递的。光电效应就是电磁感应原理产生的。赫兹发现电磁波的实验其实就是最早的光电效应实验,只是其用的是不可见光(高频电磁波)。这样所有物理学理论都串联起来了,而且所有理论都通顺了!现有的原子模型也应该是错误的,电子并非绕核旋转,而是在某一固定阵列位置按固有频率在振动。

  • 2024-10-14 21:43

    所谓的光的双缝干涉一观察就会坍塌是某些科学家选择性眼瞎?因为用最简单最原始的实验无论你怎么观察双缝干涉条纹都不会消失。很简单用一黑纸皮刻2条相互靠近的双缝,在一个暗室用激光笔照射双缝选择适当的距离用白色的墙壁做屏幕即可,就可以稳定地观察到光的双缝干涉条纹。无论你用什么角度,用双眼或者用单眼观察干涉条纹都不会消失,无论用胶片相机还是数码相机拍照干涉条纹也不会消!何来的一观察就坍塌?也许他们的所谓观察是在双缝上装探测器,这样的所谓观察难道不是因为所装的探测器影响光干涉的条件吗?这种观察难道不是选择性眼瞎吗?我不明白为什么那么多科学家会选择性眼瞎!假如光是粒子是正确的,在双缝上装上探测器,当单个“光子”通过时如果进入探测器那么它就无法到达屏幕,因为按这个假设无论它是真正的粒子还是所谓的能量子它通过探测器时只有被它吸收了才能探测到,被探测器吸收了那它就无法去到荧屏。如果“光子”能通过探测器到达荧屏那么探测器就探测不到它!因此这种所谓的探测实验是根本做不出来的,电子双缝双实验原理也是一样的。能做出来就说明自称所谓的单“光子”或单电子是假的,而是有部分光波或电子被探测器捕获一部分通过双缝到达荧屏

  • 2024-10-10 23:35

    时间不能逆转,最基本的法则,原子具备吸收光子特性,你把原子冷却到超冷原子时,原子可能不会吸收光子,这是由于超冷原子其内部衰变短时变慢,不具备(少量)吸收光子特性,当宇宙达到“绝对零度”时,宇宙可能会坍塌,引发新的链式反应,不过宇宙想要达到“绝对零度”基本上是不可能的,除非宇宙有边界,空间有边界,你所谓的光子毫发无损的返回原来位置,应该是超冷铷原子被低温冷却短时失去特性,光子才能看似返回基态

    文竹 回复:
    看完了 很受启发 很有道理
  • 2024-10-14 21:42

    红移及蓝移现象是光源的移动造成的!光源移动相对于磁场在移动,光是电荷振动产生的电磁波,当光源移动的振动的电荷随之移动,当光源向远处移动时产生的电磁波波长就会变长就产生红移,当光源靠近时就会产生蓝移这种现充分证光是电磁波不是什么粒子!光子论就是谬论!!!

  • 2024-10-10 20:46

    时光可以倒流,咱重新穿越到大唐,拿下全球。

葫芦科普

简介:来自星星的小胖子