量子隧穿实验揭示粒子如何打破光速

北京时间11约13日消息，最近的实验表明，当粒子通过量子力学的“隧道”穿过势垒时，它们的速度应该能够比光速更快。

就在量子力学的基本方程刚被发现之时，物理学家就发现了该理论允许的最奇怪的现象之一：量子隧穿（quantum tunneling）。该现象显示了电子等微观粒子与更大的物体之间可以有多么深刻的区别。当我们把皮球扔到墙上时，它会弹回来；当球滚到山谷的底部时，它就呆在那里。然而，粒子偶尔会越过或穿过“墙壁”（势垒）。正如两位物理学家在1928年的《自然》（Nature）杂志上所写的那样，粒子有可能“滑过大山，逃离谷底”，这是对隧穿效应最早的描述之一。

物理学家很快发现，粒子穿越障碍物的能力可以解决许多谜团。它解释了各种化学键和放射性衰变，以及太阳中的氢核如何克服彼此之间的排斥并融合，从而产生阳光。但物理学家们开始感到好奇。这种好奇起初是温和的，后来却有些病态。他们想知道，一个粒子穿过势垒需要多长时间？

麻烦在于，有关这个问题的答案都讲不通。

多伦多大学的物理学家阿弗雷·斯坦伯格几十年来一直在研究量子隧穿时间的问题。

科学家第一次试探性地计算隧穿时间是在1932年。甚至更早之前，可能也有人进行过私下的尝试，但正如加拿大多伦多大学的物理学家阿弗雷·斯坦伯格（Aephraim Steinberg）所说，“当你得到一个你无法理解的答案时，你就不会发表它。”

直到1962年，美国德州仪器公司的半导体工程师托马斯•哈特曼（Thomas Hartman）才发表了一篇论文，明确阐述了这一数学理论的惊人含义。

哈特曼发现，势垒似乎可以作为一条捷径。在粒子隧穿时，当有势垒存在时，所花的时间会更少。更令人吃惊的是，他计算出，势垒的增大几乎不会增加粒子穿越障碍物所需的时间。这意味着，如果势垒足够“厚”，粒子从一侧跳跃到另一侧的速度要比在真空中穿越同样距离的光还要快。

简而言之，量子隧穿似乎允许比光还快的旅行，但这在物理上是不可能的。“在哈特曼阐述该效应之后，人们就开始担心了，”斯坦伯格说道。

讨论持续了几十年，部分原因是隧穿时间问题似乎触及了量子力学中一些最神秘的部分。以色列威兹曼科学院的理论物理学家埃里·波拉克（Eli Pollak）说：“这涉及到诸多一般性问题，包括时间是什么？我们在量子力学中如何测量时间？它的意义是什么？”物理学家最终推导出至少10种有关隧穿时间的数学表达式，而每一种都反映了隧穿过程的不同视角。当然，这些数学表达式都没能解决这一问题。

现在，量子隧穿时间的问题又回来了，一系列在实验室中精确测量隧穿时间的精巧实验推动了这方面的进展。

《自然》杂志在今年7月份报道了迄今为止最受好评的量子隧穿测量实验，其中，斯坦伯格在多伦多的研究小组使用了名为“拉莫尔钟”（Larmor clock）的方法，测量了铷原子穿过排斥激光场需要多长时间。

澳大利亚格里菲斯大学的物理学家伊戈尔·利特文亚克（Igor Litvinyuk）说：“拉莫尔钟是测量隧穿时间的最佳和最直观的方法，而这个实验第一次非常精确地进行了测量。”在2019年，利特文亚克曾在《自然》杂志上报道了另一种测量隧穿时间的方法。

美国明尼苏达州康科迪亚学院的理论物理学家路易斯·曼佐尼（Luiz Manzoni）也认为，拉莫尔钟方法的测量结果令人信服。“他们测量的确实是隧穿的时间，”他说。

最近的实验使人们重新注意到一个尚未解决的问题。在哈特曼发表论文后的60年里，无论物理学家如何小心翼翼地重新定义隧穿时间，或者在实验室里如何精确地进行测量，他们都发现量子隧穿总是表现出哈特曼效应。量子隧穿几乎绝对是超光速的。

“一个隧穿粒子怎么可能比光速还快？”利特文亚克说，“在进行测量之前，这纯粹是理论上的推测。”

什么时间？

隧穿时间很难精确测量，因为现实本身就是如此。在宏观尺度上，一个物体从A到B所需要的时间等于距离除以物体的速度。但是量子理论告诉我们，同时精确地了解距离和速度是不可能的。

在量子理论中，一个粒子具有一系列可能的位置和速度。只有在测量时，才能从这些选项中得出确定的属性。这一过程如何发生是物理学中最深刻的问题之一。

因此，在粒子撞击探测器之前，它无处不在，又处处都在。这使得我们很难判断粒子之前在某个地方（比如在某个势垒内）停留了多长时间。利特文亚克说：“你无法说明它在那里停留了多长时间，因为它可以同时出现在两个地方。”

为了在量子隧穿的背景下理解这个问题，我们可以画一个钟形曲线来表示一个粒子的可能位置。这个钟形曲线称为波包（wave packet），其中心位置是A。现在想象一下，波包像海啸一样向势垒移动。量子力学方程描述了波包如何在碰到势垒时一分为二。大部分粒子反射回来，朝向A运动，但有一个较小的概率峰值会滑过屏障，继续向B运动。因此，这个粒子有机会被那里的探测器记录下来。

然而，当一个粒子到达B点时，我们能否测量它的行程，或者它在势垒中的时间？在这个粒子突然出现之前，它是一个两部分的概率波——既反射又透射。它既进入了势垒又没有进入。“隧穿时间”的含义在这里变得模糊不清。

然而，任何从A点开始到B点结束的粒子都不可否认地会与两者之间的势垒相互作用，而这种相互作用就像埃里·波拉克所说，“是时间上的东西”。问题在于，究竟是多少时间？

20世纪90年代，当斯坦伯格还是研究生时，他就对量子隧穿时间问题有着“表面上的痴迷”。他解释说，这个问题的根源在于时间的特殊性。物体有一定的属性，比如质量或位置；但它们没有一个我们可以直接测量的内在“时间”。“我可以问你，‘棒球的位置在哪里？’但是问‘棒球的时间是几点？’就没有意义了，”斯坦伯格说，“时间不是任何粒子所拥有的属性。”相反，我们追踪世界上的其他变化，比如时钟的滴答声（本质是位置的变化），并将其中的增量称为时间。

但是在量子隧穿的情况下，粒子本身内部没有时钟。那么在测量时应该追踪哪些变化？物理学家已经发现了无数可能的隧穿时间衡量指标。

隧穿时间

（编辑：应用网_阳江站长网）

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