光子在穿過一團原子時，作為原子激發態存在了多長時間？

光與物質的相互作用在過去一個多世紀里始終是物理學的核心主題。從愛因斯坦關于光電效應的開創性研究，到量子電動力學與腔量子光學的成熟，人們不斷探尋光子與原子在量子層面的互動方式。在這些探索中，有一個問題因其細膩而引人注目：當光子穿過由原子組成的介質時，它究竟以原子激發態的形式存在了多長時間？

這個問題的復雜性在于，光子并不像經典粒子那樣遵循可見的軌跡。它可能被原子吸收并再度發射，也可能在不同路徑間發生干涉，甚至出現負延遲這樣看似反常的現象。為了回答這一問題，發表在APL Quantum的一項研究中，研究者們借助了弱測量、散射理論以及色散系統中的群延遲等現代量子工具。

光子與原子的相遇

設想一束單光子打在一團兩能級原子上。它有可能被原子吸收，使原子從基態躍遷到激發態，并在稍后通過自發輻射釋放能量。但如果光子最終成功從另一端透射出來，那么在介質內部究竟發生了什么呢？一種直覺是，光子仿佛從未與原子發生過作用，只是徑直穿過；另一種可能則是，它在介質中被暫時儲存在原子激發態中，然后又以光子的形式釋放出來。事實上，量子力學的答案介于二者之間。光子在介質中的歷史并不能簡單描述為“經過”或者“停留”，而需要借助測量方式來賦予時間的意義。

激發時間的定義

為了刻畫光子在原子激發態中停留的時間，研究者采用了弱測量理論。在弱測量框架下，對原子激發態占據的探測是以極弱的方式進行的，這樣既不會強行讓系統坍縮，又能在大量實驗平均中得到有效的結果。通過將激發態的弱值隨時間積分，并結合光子最終的結果（是透射還是散射），人們得以定義所謂的“激發時間”。這種定義并不是在跟蹤光子的軌跡，而是從整體概率幅和后選條件出發，對“在激發態中存在多久”這個問題賦予可操作的物理含義。

激發時間的不同情形

經過嚴格分析發現，激發時間有三種不同的表現。如果不區分光子最終的命運，那么平均的激發時間與散射概率成正比：原子越有可能將光子散射出去，光子在激發態上停留的平均時間也就越長。而當我們只考慮那些最終透射成功的光子時，激發時間恰好對應于光子在介質中經歷的群延遲。群延遲是由透射相位隨頻率的變化決定的，在常見的色散介質中表現為光波包的滯后或提前。

令人驚訝的是，這種延遲可能為負，從而意味著透射光子的激發時間也可以是負值。這種“反?！辈⒉皇俏锢砩系你Ｕ摚橇孔痈缮媾c弱測量的自然結果。至于那些被散射的光子，它們的激發時間則包含了兩部分：一部分是光子在傳播過程中累積的群延遲，另一部分是散射過程本身所帶來的 Wigner 延遲。三者之間還存在一致的關系：總體的平均激發時間等于透射與散射兩類激發時間，按各自發生概率加權之后的總和。

負時間的意義

負激發時間也許最讓人難以接受，但它實際上是量子干涉的直接體現。當光子穿過原子云時，它既可能直接透射，也可能先被原子激發再重新發射。這兩種路徑會攜帶不同的相位，在特定條件下產生相消干涉，結果就是在后選條件下測得的“停留時間”出現了負值。這種現象并不意味著光子真的提前穿越了介質，而是量子力學允許的數學結果。它揭示了光子與原子之間復雜的相互作用方式，同時也說明時間在量子體系中并不是單純的流逝量，而是與測量方式和干涉效應緊密相關的量子屬性。

實驗的支持

實驗結果已經為這些理論提供了支撐。通過弱測量方法，人們觀察到即使是最終透射的光子，也在原子中留下了短暫的激發痕跡。這說明透射并不意味著光子從未與原子相互作用，而是它們之間確實發生過能量與相位的交換。此外，在原子系綜與光學腔中進行的群延遲測量實驗，反復觀測到了正延遲與負延遲的存在，與理論所預測的激發時間特性高度一致。

更深遠的啟示

這些研究不僅加深了我們對光在共振介質中傳播過程的理解，也為量子存儲、慢光器件以及基于冷原子的光子調控提供了新的理論依據。同時，它們展現了弱測量的獨特力量，使我們得以從量子層面對“時間”這種在經典物理中看似簡單的概念進行重新審視。光子激發時間的研究提醒我們：在量子力學中，時間并不像位置或動量那樣有直接的算符表示，而必須通過間接的測量方式去揭示其物理內涵。

結論

綜上所述，光子在穿過一團原子時，確實會以原子激發態的形式存在一段時間。平均而言，這段時間與散射的概率緊密相關；對于透射光子，它等于群延遲，可以是正的、負的或零；對于散射光子，它則等于群延遲與 Wigner 延遲的總和。這一問題帶我們深入量子力學的核心，展現了光與原子之間的微妙交織。光子既不是簡單地“繞過”原子，也不是必然被“困在”原子中，而是通過量子疊加與干涉，在激發態與光場之間留下了一段既短暫又復雜的存在。