摘要：光与物质的相互作用在过去一个多世纪里始终是物理学的核心主题。从爱因斯坦关于光电效应的开创性研究，到量子电动力学与腔量子光学的成熟，人们不断探寻光子与原子在量子层面的互动方式。在这些探索中，有一个问题因其细腻而引人注目：当光子穿过由原子组成的介质时，它究竟以原子

光与物质的相互作用在过去一个多世纪里始终是物理学的核心主题。从爱因斯坦关于光电效应的开创性研究，到量子电动力学与腔量子光学的成熟，人们不断探寻光子与原子在量子层面的互动方式。在这些探索中，有一个问题因其细腻而引人注目：当光子穿过由原子组成的介质时，它究竟以原子激发态的形式存在了多长时间？

这个问题的复杂性在于，光子并不像经典粒子那样遵循可见的轨迹。它可能被原子吸收并再度发射，也可能在不同路径间发生干涉，甚至出现负延迟这样看似反常的现象。为了回答这一问题，发表在APL Quantum的一项研究中，研究者们借助了弱测量、散射理论以及色散系统中的群延迟等现代量子工具。

设想一束单光子打在一团两能级原子上。它有可能被原子吸收，使原子从基态跃迁到激发态，并在稍后通过自发辐射释放能量。但如果光子最终成功从另一端透射出来，那么在介质内部究竟发生了什么呢？一种直觉是，光子仿佛从未与原子发生过作用，只是径直穿过；另一种可能则是，它在介质中被暂时储存在原子激发态中，然后又以光子的形式释放出来。事实上，量子力学的答案介于二者之间。光子在介质中的历史并不能简单描述为“经过”或者“停留”，而需要借助测量方式来赋予时间的意义。

为了刻画光子在原子激发态中停留的时间，研究者采用了弱测量理论。在弱测量框架下，对原子激发态占据的探测是以极弱的方式进行的，这样既不会强行让系统坍缩，又能在大量实验平均中得到有效的结果。通过将激发态的弱值随时间积分，并结合光子最终的结果（是透射还是散射），人们得以定义所谓的“激发时间”。这种定义并不是在跟踪光子的轨迹，而是从整体概率幅和后选条件出发，对“在激发态中存在多久”这个问题赋予可操作的物理含义。

经过严格分析发现，激发时间有三种不同的表现。如果不区分光子最终的命运，那么平均的激发时间与散射概率成正比：原子越有可能将光子散射出去，光子在激发态上停留的平均时间也就越长。而当我们只考虑那些最终透射成功的光子时，激发时间恰好对应于光子在介质中经历的群延迟。群延迟是由透射相位随频率的变化决定的，在常见的色散介质中表现为光波包的滞后或提前。

令人惊讶的是，这种延迟可能为负，从而意味着透射光子的激发时间也可以是负值。这种“反常”并不是物理上的悖论，而是量子干涉与弱测量的自然结果。至于那些被散射的光子，它们的激发时间则包含了两部分：一部分是光子在传播过程中累积的群延迟，另一部分是散射过程本身所带来的 Wigner 延迟。三者之间还存在一致的关系：总体的平均激发时间等于透射与散射两类激发时间，按各自发生概率加权之后的总和。

负激发时间也许最让人难以接受，但它实际上是量子干涉的直接体现。当光子穿过原子云时，它既可能直接透射，也可能先被原子激发再重新发射。这两种路径会携带不同的相位，在特定条件下产生相消干涉，结果就是在后选条件下测得的“停留时间”出现了负值。这种现象并不意味着光子真的提前穿越了介质，而是量子力学允许的数学结果。它揭示了光子与原子之间复杂的相互作用方式，同时也说明时间在量子体系中并不是单纯的流逝量，而是与测量方式和干涉效应紧密相关的量子属性。

实验结果已经为这些理论提供了支撑。通过弱测量方法，人们观察到即使是最终透射的光子，也在原子中留下了短暂的激发痕迹。这说明透射并不意味着光子从未与原子相互作用，而是它们之间确实发生过能量与相位的交换。此外，在原子系综与光学腔中进行的群延迟测量实验，反复观测到了正延迟与负延迟的存在，与理论所预测的激发时间特性高度一致。

这些研究不仅加深了我们对光在共振介质中传播过程的理解，也为量子存储、慢光器件以及基于冷原子的光子调控提供了新的理论依据。同时，它们展现了弱测量的独特力量，使我们得以从量子层面对“时间”这种在经典物理中看似简单的概念进行重新审视。光子激发时间的研究提醒我们：在量子力学中，时间并不像位置或动量那样有直接的算符表示，而必须通过间接的测量方式去揭示其物理内涵。

综上所述，光子在穿过一团原子时，确实会以原子激发态的形式存在一段时间。平均而言，这段时间与散射的概率紧密相关；对于透射光子，它等于群延迟，可以是正的、负的或零；对于散射光子，它则等于群延迟与 Wigner 延迟的总和。这一问题带我们深入量子力学的核心，展现了光与原子之间的微妙交织。光子既不是简单地“绕过”原子，也不是必然被“困在”原子中，而是通过量子叠加与干涉，在激发态与光场之间留下了一段既短暂又复杂的存在。

来源：百味科学