量子隧穿实验揭示粒子如何打破光速

哈特曼，以及在他之前于1932年进行尝试的勒罗伊·阿奇博尔德·麦科尔（LeRoy Archibald MacColl），采用了最简单的方法来衡量量子隧穿所需的时间。哈特曼计算了在自由空间中的粒子与必须越过势垒的粒子从A点到B点最可能的时间之差。他通过考虑垒位如何改变透射波包峰值的位置，使这一计算成为可能。

但是，除了暗示势垒可以使粒子加速以外，这个方法还存在一个问题。你不能简单地比较一个粒子波包的初始峰值和最终峰值。计算粒子最有可能的出发时间（当钟形曲线的峰值位于A点）与最有可能的到达时间（当峰值达到B点）的差值并不能告诉你任何单个粒子的飞行时间，因为在B点探测到的粒子并不一定从A点出发。在最初的概率分布中，它可能处于任何位置，包括钟形曲线的前端，这里更接近势垒。这就给了它一个迅速到达B点的机会。

量子隧穿：当波包撞上势垒时，它的一部分会反射，另一部分则隧穿通过势垒。

由于粒子的确切轨迹不可知，研究人员开始寻求一种更具概率性的方法。他们考虑了这样一个事实：当一个波包撞击一个势垒之后，在每一个瞬间，粒子都有一些概率处于势垒内部（也有一些概率不在）。然后，物理学家将每一时刻的概率相加，再得出平均的隧穿时间。

至于如何测量概率，从20世纪60年代末开始，物理学家们便设想了各种各样的思维实验。在这些实验中，“时钟”可以附于粒子本身。如果每个粒子的时钟只在势垒内滴答作响，而且你可以读取许多透射粒子的时钟，那它们就将显示不同的时间范围，平均之后变得到隧穿时间。

当然，所有这些都说起来容易做起来难。雷蒙·拉莫斯（Ramon Ramos）是7月份发表在《自然》杂志上那篇论文的第一作者，他说：“他们只是想出了一些疯狂的主意来测量这段时间，并且认为这永远不会发生。现在科学已经进步了，我们很高兴能将这个实验变成现实。”

嵌入式时钟

尽管物理学家从20世纪80年代就开始测量隧穿时间，但是近年来兴起的超精确测量始于2014年，由苏黎世联邦理工学院的乌苏拉·凯勒（Ursula Keller）实验室率先实现。她的团队使用一种名为“阿秒钟”（attoclock）的技术来测量隧穿时间。在凯勒的阿秒钟中，来自氦原子的电子遇到了一个势垒，而这个势垒就像时钟的指针一样在适当位置转动。电子隧穿最常发生在电子势垒处于某一特定方向的时候，我们称这个方向为阿秒钟的“正午”。然后，当电子从势垒中出现时，它们会被踢向一个取决于此时势垒排列的方向。为了测量隧穿时间，凯勒的团队测量了“正午”（对应大多数隧穿事件开始的时间）与大部分出射电子的角度之间的角差。他们测量到了50阿秒（1阿秒为十亿分之一秒的十亿分之一，即1×10^-18秒）的差值。

在2019年发表的论文中，利特文亚克的团队改进了凯勒的阿秒钟实验，将氦原子换成了更简单的氢原子。他们测量到的时间甚至更短，最多为2阿秒，这表明隧穿效应几乎是瞬间发生的。

然而，一些专家后来得出结论，认为阿秒钟测量的时间长度并不能很好地代表隧穿时间。曼佐尼于2019年发表了一篇对测量结果的分析论文，认为这种方法与哈特曼关于隧穿时间的定义一样存在缺陷：从事后的角度看，从势垒中隧穿而出的电子可以说原本就领先一步。

与此同时，斯坦伯格、拉莫斯与他们在多伦多大学的同事大卫·施皮林斯（David Spierings）和伊莎贝尔·雷切科特（Isabelle Racicot）进行了一项更有说服力的实验。

这种替代方法利用了许多粒子的自旋属性。在量子力学中，自旋是粒子的内禀性质，由此可以产生一个磁场。在测量时，自旋就像一个箭头，只能指向上或下。但在测量之前，自旋可以指向任何方向。正如爱尔兰物理学家约瑟夫·拉莫尔（Joseph Larmor）在1897年发现的那样，当粒子处于磁场之中时，自旋的角度会旋转，或称“进动”（precesses）。多伦多大学的研究小组便利用这种进动来充当所谓“拉莫尔钟”的指针。

当一个铷原子穿过一个磁势垒时，它的自旋会发生进动。物理学家通过测量这种进动，获得了该原子在势垒内部停留的时间。

研究人员使用一束激光作为势垒，并开启其中的磁场。然后，他们准备了自旋朝特定方向排列的铷原子，并让这些原子向势垒漂移。接下来，他们测量了从势垒另一侧出来的原子的自旋。测量任何单个原子的自旋总是会返回一个“上”或“下”的模糊答案。但是通过反复测量，收集到的测量结果将会揭示原子在势垒内部进动角度的平均值——以及它们通常在那里停留的时间。

研究人员报告称，铷原子在势垒内的平均时间为0.61毫秒，与20世纪80年代理论预测的拉莫尔钟时间一致。这比原子在自由空间中运动的时间还要短。因此，这些计算表明，如果势垒足够厚，加速会使原子隧穿的速度比光速还快。

谜题而非悖论

阿尔伯特·爱因斯坦在1907年意识到，他提出的相对论使超越光速的通信成为不可能。想象两个人，爱丽丝和鲍勃，以极高的速度分开。由于相对论，他们各自的钟表报时不同。一个结果是，如果爱丽丝向鲍勃发送一个比光还快的信号，而鲍勃立即向爱丽丝发送一个超光速的回复，那么鲍勃的回复就能在爱丽丝发送初始信息之前到达她那里。“已经实现的效果先于原因，”爱因斯坦写道。

专家们普遍相信，量子隧穿并没有真正打破因果关系，但对于为什么不会的确切原因还没有达成共识。“我觉得我们对这个问题的看法并不是完全统一的，”斯坦伯格说，“这是一个谜，而不是悖论。”

有些很好的猜想被证明是错误的。曼佐尼在21世纪初听说超光速隧穿问题后，与一位同事重新对此进行了计算。他们认为，如果考虑相对论效应（对于快速移动的粒子，时间会变慢），隧道效应会降至亚光速。“让我们惊讶的是，超光速隧穿也是可能存在的，”曼佐尼说，“事实上，这个问题在相对论量子力学中更为极端。”

（编辑：应用网_阳江站长网）

【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容!