量子隧穿展示了粒子是如何打破光速的

量子力學(xué)的基本方程剛被發(fā)現(xiàn)之后，物理學(xué)家很快就發(fā)現(xiàn)了該理論允許的最奇怪的現(xiàn)象之一——“量子隧穿”，它展示了像電子這樣的微小粒子與更大的物體有多么深刻的區(qū)別。當(dāng)你將小球砸向墻，它會彈回來;將小球滾下山谷，它在最終會停在山谷最底部。但是將小球換成粒子就可能完全不同了，粒子可能會穿透墻壁，或者像兩位物理學(xué)家在1928年的《自然》雜志上所寫的那樣，它有可能“穿過大山，逃離山谷”，這是對量子隧穿的最早描述之一。

物理學(xué)家很快發(fā)現(xiàn)，粒子穿越障礙物的能力解決了許多謎團(tuán)。它解釋了各種化學(xué)鍵和放射性衰變，以及太陽中的氫核如何克服它們之間的排斥并融合，從而產(chǎn)生陽光。

現(xiàn)在，物理學(xué)家們迫切想知道，一個粒子穿過障礙需要多長時間？即使這個問題的答案并沒有意義。

量子隧穿的時間最初的計算是在1932年出版的。甚至更早的研究也可能是私下進(jìn)行的，Aephraim Steinberg是多倫多大學(xué)的物理學(xué)家，他指出“早期研究得到了答案，可能人們無法理解，就沒有出版”。

直到1962年，德州儀器（TI）的一位半導(dǎo)體工程師托Thomas Hartman撰寫了一篇論文，明確闡述了這一數(shù)學(xué)理論的驚人含義。

Hartman發(fā)現(xiàn)，在量子隧穿中，屏障似乎是捷徑。當(dāng)有粒子發(fā)生量子隧穿時，與沒有障礙物的情況相比，花費(fèi)的時間更少。更令人驚訝的是，他計算得出，屏障增厚幾乎不會增加粒子穿過它的時間。這意味著，在具有足夠厚的屏障的情況下，粒子可以比在相同距離內(nèi)穿過空間的光線更快地從一側(cè)穿到另一側(cè)。

簡而言之，量子隧穿似乎比光速更快，這在物理上是不可能的。

Steinberg說：“在Hartman效應(yīng)之后，人們開始懷疑這件事了。”

這一討論持續(xù)了數(shù)十年，部分原因是量子隧穿時間問題似乎與量子力學(xué)的一些問題有所關(guān)聯(lián)。以色列魏茲曼科學(xué)研究所的理論物理學(xué)家埃利波拉克說：“這涉及到了時間是什么、我們?nèi)绾卧诹孔恿W(xué)中測量時間，以及它的具體含義等問題?！蔽锢韺W(xué)家最終得出了至少10個關(guān)于量子隧穿時間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，每個數(shù)學(xué)表達(dá)式都反映了對隧穿過程的不同觀點(diǎn)，但是沒有一個解決了這個問題。

隨著在實(shí)驗(yàn)室中精確測量量子隧穿時間的一系列精確實(shí)驗(yàn)的推動，量子隧穿時間問題現(xiàn)在已經(jīng)卷土重來。

多倫多大學(xué)的物理學(xué)家Aephraim Steinberg數(shù)十年來一直在研究隧道時間問題

在7月《自然》雜志上報道的飽受好評的量子隧穿時間測量中，Steinberg在多倫多的小組使用了所謂的拉莫爾時鐘法來測量銣原子穿過排斥激光場所花費(fèi)的時間。

澳大利亞拉里夫斯大學(xué)物理學(xué)家IgorLitvinyuk去年也在《自然》上發(fā)表過測量量子隧穿時間的論文，他說：“拉莫爾時鐘是測量隧道時間的最好、最直觀的方法，并且是第一個很好地測量量子隧穿時間的實(shí)驗(yàn)?！?/p>

明尼蘇達(dá)州康考迪亞學(xué)院的理論物理學(xué)家Luiz Manzoni也發(fā)現(xiàn)拉莫爾時鐘的測量令人信服。他說：“他們測量的就是隧穿時間?！?/p>

最近的實(shí)驗(yàn)使一個尚未解決的問題引起了新的關(guān)注。自Hartman發(fā)表論文以來的六十年中，無論物理學(xué)家多么仔細(xì)地重新定義隧穿時間，無論他們在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了多精確的測量，他們都發(fā)現(xiàn)量子隧穿始終具有Hartman效應(yīng)。隧穿似乎無法解釋，它絕對是超光速的。

“粒子隧穿怎么可能比光快？”Litvinyuk說?！爸钡竭M(jìn)行測量為止，這純粹是理論上的?！?/p>

隧穿時間代表什么？

隧穿時間很難確定，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)本身就是如此。

在宏觀尺度上，物體從A到B所需的時間只是距離除以物體的速度。但是量子理論告訴我們，距離和速度的運(yùn)算是不適用的。

在量子理論中，粒子具有一系列可能的位置和速度。只有在測量時才會得到粒子的某一位置和速度，而這是如何發(fā)生的才是最深層的問題。

也就是說，在粒子撞擊檢測器之前，它既無處不在，又沒有固定位置。很難說粒子在某個地方（例如在屏障內(nèi)）呆了多長時間。Litvinyuk說：“我們無法說出它穿過那里的時間，因?yàn)樗梢酝瑫r出現(xiàn)在兩個地方?！?/p>

為了理解隧穿環(huán)境中的問題，科學(xué)家畫了一個鐘形曲線，它表示粒子的可能位置。此鐘形曲線（稱為波包）以位置A的中心。曲線像波浪一樣向屏障行進(jìn)。量子力學(xué)方程式描述了撞到障礙物后波包如何分裂為兩個。它的大部分會反射回來，朝A方向移動。但是，較小的部分會穿過障礙物并繼續(xù)向B方向移動。因此，粒子有機(jī)會在該位置的檢測器中檢測到。

但是，當(dāng)粒子到達(dá)B時，該怎么描述它的行程或它穿過障礙的時間？在它突然出現(xiàn)之前，粒子是一個由兩部分組成的概率波-既反射又透射。它既可以說都進(jìn)入了障礙，又可以說沒有進(jìn)入。所以，“隧穿時間”的含義不清楚。

然而，任何始于A且終止于B的粒子都不可否認(rèn)地與它們之間的屏障發(fā)生了相互作用，并且這種相互作用“是與時間相關(guān)的”，如Pollak所說。問題是，這個時間代表了什么？

自20世紀(jì)90年代讀研究生以來，Steinberg一直對隧穿時間問題“很迷戀”，他解釋說，問題的根源在于時間的特殊性。一般來說，物體具有某些特征，例如質(zhì)量或位置。但是它們沒有我們可以直接測量的內(nèi)在“時間”。“我可以問你，‘棒球的位置在哪里？但是問‘棒球的時間是什么？是沒有意義的?！盨teinberg說。“時間不是任何粒子擁有的屬性。相反，我們通過世界上的其他變化，例如時鐘的滴答聲（最終是位置的變化），并稱這些是時間增量。”

波包遇到障礙后，一部分反射回來，另一部分穿過

但是在量子隧穿場景中，粒子本身內(nèi)部沒有時鐘。那么，應(yīng)該跟蹤哪些變化？物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)隧穿時間有無數(shù)可能的隧道時間代表。

隧穿時間

Hartman（和在他之前的LeRoy Archibald MacColl）采取了最簡單的方法來測量隧穿時間。Hartman計算了自由空間中從A到B的粒子與必須穿過障礙的最有可能到達(dá)的時間之差。他通過考慮屏障如何移動透射波包的位置來做到這一點(diǎn)。

但是這個方法有一個問題，除了它奇怪的暗示，障礙能加速粒子之外，你不能簡單地比較一個粒子波包的初始峰值和最終峰值。記錄粒子最可能的離開時間（鐘形曲線的峰值位于A時）和其最可能的到達(dá)時間（峰值達(dá)到B時）之間的差不代表任何單個粒子的飛行時間，因?yàn)樵贐處檢測到的粒子不一定從A處出發(fā)的。它在初始概率分布中的任何地方和任何地方，包括其前尾部，都非常接近障礙物。這給了它快速到達(dá)B的機(jī)會。

由于粒子的確切軌跡是未知的，因此研究人員尋求了一種更有概率的方法。他們考慮到一個事實(shí)，即波包撞到障礙物后，在每個瞬間都有一定的可能性使粒子進(jìn)入障礙物（而有可能不在障礙物之內(nèi)）。然后，物理學(xué)家會在每個瞬間總結(jié)出概率，以得出平均隧穿時間。

關(guān)于如何測量概率，從20世紀(jì)60年代末開始構(gòu)想了各種思想實(shí)驗(yàn)，其中“時鐘”可以附加到粒子本身上。如果每個粒子的時鐘僅在障礙物中滴答作響，并且能讀取許多已傳輸粒子的時鐘，它們將顯示不同的時間范圍。但是平均值給出了隧穿時間。

當(dāng)然，所有這些都說起來容易做起來難。最新的《自然》雜志的主要作者說：“他們只是想出了一次瘋狂的想法來測量隧穿時間，并且認(rèn)為它永遠(yuǎn)不會發(fā)生?，F(xiàn)在科學(xué)已經(jīng)進(jìn)步了，我們很高興使這個實(shí)驗(yàn)成為現(xiàn)實(shí)?！?h3>嵌入式時鐘

盡管物理學(xué)家們從20世紀(jì)80年代就開始測量隧穿時間，但是最近興起的超精確測量始于2014年，在蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Ursula Keller實(shí)驗(yàn)室。她的團(tuán)隊使用一種叫做attoclock的設(shè)備來測量隧穿時間。在凱勒的時鐘中，來自氦原子的電子遇到了一個屏障，該屏障像時鐘的指針一樣在某個地方旋轉(zhuǎn)。電子隧穿最常發(fā)生在電子屏障處于某一特定方向時，我們稱它為attoclock的正午。然后，當(dāng)電子從屏障中出現(xiàn)時，它們會被踢向一個取決于此時屏障排列的方向。為了測量隧穿時間，Keller的團(tuán)隊測量了正午（大多數(shù)隧穿事件開始的時間）與大部分出射電子的角度之間的角差。他們測量到了50阿秒，即十億分之一秒的差距。

在2019年的工作報告中，Litvinyuk的團(tuán)隊改進(jìn)了Keller的attoclock實(shí)驗(yàn)，將氦原子換成了更簡單的氫原子。他們測量的時間甚至更短，這表明隧穿效應(yīng)幾乎是瞬間發(fā)生的。

但一些專家后來得出結(jié)論，認(rèn)為attoclock的長度并不能很好地代表隧道開挖時間。Manzoni去年發(fā)表了一份測量分析報告，他說這種方法有缺陷，就像哈特曼的隧穿時間定義一樣：事后看來，電子通過隧穿幾乎可以立即脫離電子障礙，這就意味著電子已經(jīng)領(lǐng)先一步。

與此同時，Steinberg、Ramos和他們在多倫多的同事David Spierings和Isabelle Racicot進(jìn)行了一項(xiàng)更有說服力的實(shí)驗(yàn)。

這種替代方法利用了許多粒子具有稱為自旋的固有磁性這一事實(shí)。旋轉(zhuǎn)就像一個箭頭，只能被測量指向上或下。但在測量之前，它可以指向任何方向。正如愛爾蘭物理學(xué)家Joseph Larmor在1897年發(fā)現(xiàn)的那樣，當(dāng)粒子處于磁場中時，自旋的角度會旋轉(zhuǎn)，或稱“進(jìn)動”。多倫多的研究小組利用這種進(jìn)動來充當(dāng)一個叫做Larmor時鐘的指針。

研究人員使用一束激光作為他們的屏障，并打開其中的磁場。然后，他們準(zhǔn)備了自旋朝特定方向排列的銣原子，并讓這些原子向屏障漂移。接下來，他們測量了從另一邊出來的原子的自旋。測量任何單個原子的自旋總是返回一個“上”或“下”的模糊答案。但是反復(fù)測量，收集到的測量結(jié)果將會揭示原子在屏障內(nèi)時，旋進(jìn)角度的平均值——以及它們通常在那里停留的時間。

研究人員報告說，銣原子在屏障內(nèi)的平均時間為0.61毫秒，與20世紀(jì)80年代理論預(yù)測的Larmor時鐘時間一致。這比原子在自由空間中運(yùn)動的時間還要短。因此，計算表明，如果屏障非常厚，加速會使原子從一邊通過隧道到達(dá)另一邊，速度比光還快。

這是一個謎，而不是悖論

1907年，阿爾伯特愛因斯坦意識到他的全新相對論使得比光還快的通信無法實(shí)現(xiàn)。想象兩個人，愛麗絲和鮑勃，高速分開。由于相對論，他們的時鐘報時不同。一個結(jié)果是，如果愛麗絲向鮑勃發(fā)送一個比光還快的信號，而鮑勃立即向愛麗絲發(fā)送一個超光速的回復(fù)，那么鮑勃的回復(fù)就能在愛麗絲發(fā)送初始信息之前到達(dá)她那里?！耙呀?jīng)實(shí)現(xiàn)的效果先于原因，”愛因斯坦寫道。

專家們普遍相信量子隧穿并沒有真正打破因果關(guān)系，但對于為什么沒有的確切原因還沒有達(dá)成共識。Steinberg說：“我覺得我們對這個問題的看法并不是完全統(tǒng)一的。這是一個謎，而不是悖論?！?/p>

有些好的猜想是錯誤的。Manzoni在21世紀(jì)初聽說超光速隧穿問題后，與一位同事重新計算了這個問題。他們認(rèn)為，如果考慮相對論效應(yīng)（對于快速移動的粒子，時間會變慢），隧道效應(yīng)會降至亞光速?！白屛覀凅@訝的是，可能有超光速隧穿，”Manzoni說?！笆聦?shí)上，這個問題在相對論量子力學(xué)中更為嚴(yán)重?！?/p>

研究人員強(qiáng)調(diào)，只要不允許超光速信號，超光速隧穿就不是問題。在這一點(diǎn)上，它與讓愛因斯坦感到困擾的“遠(yuǎn)距離幽靈作用”相似。幽靈作用指的是相距遙遠(yuǎn)的粒子被“糾纏”的能力，因此對一個粒子的測量可以立即確定兩個粒子的屬性。這種遠(yuǎn)距離粒子之間的即時連接并不會產(chǎn)生矛盾，因?yàn)樗荒苡脕韽囊粋€粒子向另一個發(fā)送信號。

令人驚訝的是，人們對超光速隧穿的研究卻很少大驚小怪。在劍橋大學(xué)研究隧穿時間問題的GraceField說：“使用隧穿技術(shù)，你不是在處理兩個獨(dú)立的系統(tǒng)，它們的狀態(tài)以這種令人毛骨悚然的方式聯(lián)系在一起。你處理的是一個在太空旅行的單一系統(tǒng)。這樣看來，它似乎比戀愛糾葛還要古怪?！?/p>

在9月一篇發(fā)表在《新物理學(xué)雜志》中的論文中，Pollak和兩位同事認(rèn)為，由于統(tǒng)計原因，超光速的隧穿不允許超光速信號傳輸：盡管隧穿非常厚障礙發(fā)生的非?？欤泶┦录l(fā)生的可能性是非常低的。信號發(fā)送者總是希望通過自由空間發(fā)送信號。

但是，為什么不能在超厚屏障上爆炸大量的粒子，希望其中一個能以超光速通過呢？難道僅僅一個粒子就不足以傳達(dá)信息并打破物理學(xué)嗎？Steinberg贊同這種情況的統(tǒng)計學(xué)觀點(diǎn)，他認(rèn)為單個隧穿粒子無法傳遞信息。一個信號需要細(xì)節(jié)和結(jié)構(gòu)，任何試圖發(fā)送一個詳細(xì)的信號將總是通過空氣發(fā)送比通過一個不可靠的屏障更快。

Pollak說，這些問題是未來研究的主題?！拔蚁嘈臩teinberg的實(shí)驗(yàn)將會推動更多的理論。我不知道這會導(dǎo)致什么?！?/p>

這個思考將伴隨著更多的實(shí)驗(yàn)，包括Steinberg名單上的下一個實(shí)驗(yàn)。他說，通過確定磁屏障中不同區(qū)域的磁場位置，他和他的團(tuán)隊計劃探測“不僅粒子在磁屏障中停留了多長時間，而且粒子在磁屏障中停留了多長時間?！崩碚撚嬎泐A(yù)測，銣原子大部分時間都在屏障的入口和出口附近，但在屏障中間的時間很少。Ramos說：“這有點(diǎn)令人驚訝，一點(diǎn)也不直觀?！?/p>

通過探索許多隧穿粒子的平均實(shí)驗(yàn)，研究人員描繪出了一幅關(guān)于“屏障內(nèi)部”的更生動的畫面，這比量子力學(xué)先驅(qū)在一個世紀(jì)前所預(yù)期的還要生動。在Steinberg看來，盡管量子力學(xué)有著奇怪的名聲，但這些進(jìn)展讓人們明白了這一點(diǎn)：“當(dāng)你看到一個粒子在哪里結(jié)束時，你就會知道它以前在做什么?！?p>

（摘自美《深科技》）（編輯/多洛米）