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能量势垒越厚 量子隧穿时越快 甚至能超越光速

早在开始完善基础量子理论的时候,物理学家就意识到:量子力学,你不对劲。比如说,"量子隧穿"就显示出电子等粒子与宏观物体有多么深刻的区别。就像1928年两位物理学家在《自然》杂志上描述的那样——那是对隧道最早的介绍之一,量子隧穿是量子物理学中一个已经得到充分验证的现象:一个粒子可以在能量不足的情况下穿越某处屏障。

教科书上最常用的一个类比例子就是山脚下的小球:在经典物理学中,你需要赋予小球足够的动能才能让它滚动到山顶,然后再顺坡滚动到山的另一边。但是在量子物理学中,由于物体的位置和动量具有“不确定性”的制约关系——这是量子力学中的核心概念,因此小球可以用更少的能量穿山而过,到达山的另一边。

物理学家很快意识到,量子隧穿现象能够解开众多谜团。它解释了各种化学键和放射性衰变,也解释了太阳中的氢核如何能够克服斥力而融合,产生太阳光。

紧接着,物理学家们又开始好奇了——一开始是温和的,后来是病态的。他们想知道,粒子穿过障碍物时花费了多少时间?

麻烦的是,答案没有意义。

第一个关于隧道时间的初步计算出现在1932年的出版物上。还有很多科学家在私下里交流和讨论,但"当你得到一个无法理解的答案时,你就不会公布它"。

直到1962年,德州仪器公司一位名叫托马斯·哈特曼的半导体工程师写了一篇论文,明确地展示了数学演算背后令人震撼的物理意义。

哈特曼发现,障碍物带来了捷径。当粒子进入隧道时,行程所需的时间比没有障碍物时更短。更令人吃惊的是,他计算出,如果有足够厚的屏障,粒子可以从一边跳到另一边,比光在空旷的等距空间中运动得还要快。

"哈特曼效应之后,人们就开始担心了。"多伦多的物理学家Aephraim Steinberg说道。因为这个结论直接违背了当时的狭义相对论。

但是基于当时的科技水平,科学家还无法用实验来验证这一点。但随着实验室中精确测量隧道时间的精湛技术的诞生,隧道时间问题卷土重来。

问题是,很难界定粒子通过隧道的时间。对于宏观物体,记录从A点到B点需要的时间,只要在开始和结束时按两下秒表即可。但量子理论中,距离和速度的精确值都是被禁止事项。

在量子理论中,一个粒子以概率波的形式占据一系列可能的位置和速度。量子力学方程描述了波包在撞上障碍物后如何一分为二。但有一个较小的概率峰值可以越过障碍物,继续向B走去。

之前,有科学家想出一种办法:基本思路就是在障碍物的另一侧放上“板子”,当粒子隧穿过来后,撞到板子发出Duang的一声,就可以作为隧穿结束的标志(当然,实际上不会用板子,也不会发出撞击声。实际上是某种粒子的旋转方向被撞歪)

2019年的实验报告中,有团队改进了上面的方法,得出结论:隧穿效应几乎是瞬间发生的——就像是游戏里的闪现一样。

但是,上述方法本质上并未解决问题。当一个粒子到达B时,它的旅程,或者说它在障碍物中的时间是多少?在它突然出现之前,粒子是一个两部分的概率波——既有反射波,也有传输波。它既进入了屏障,又没有进入屏障。"隧道时间"的含义不清不楚。

我们可以问一个粒子的位置,但是没法问一个粒子的时间。位置是粒子可以拥有的属性,而时间不是。时间必须和外在的某些东西联系起来才有意义。

从20世纪60年代末开始,人们设想了各种思想实验,在粒子本身附加"时钟"。如果每个粒子的随身计时器只当它在障碍物中时才计时,读数会显示出一系列不同的时间。但平均值就可以理解为隧道时间。

当然,这一切说起来容易做起来难。"他们只是想出了如何测量这个时间的疯狂想法,并认为它永远不会实现,"值得庆幸的是,"现在科学进步了"。

现在我们可以通过电子的自旋的前后状态来估算它所经过的时间。

7月《自然》报道的迄今为止最被认可的测量实验里,多伦多的Steinberg小组使用所谓的Larmor时钟方法来测量铷原子穿过排斥性激光场所需的隧道时间。铷原子在屏障内的平均时间为0.61毫秒,与20世纪80年代理论预测的时间一致。

澳大利亚格里菲斯大学的物理学家Igor Litvinyuk说:"Larmor钟是测量隧道时间的最佳和最直观的方法。"

明尼苏达州康科迪亚学院的理论物理学家Luiz Manzoni也认为Larmor时钟法的结果令人信服。"他们测量的确实是隧道时间。"

通行时间0.61毫秒,虽说不是瞬时,但也比在没有障碍物时,铷原子通过相同距离的时间更加短暂。如果障碍物更厚,则用时还会更少,最终可以超越光速。

虽然依据现代版的狭义相对论,我们可以允许事物在“表象”上超越光速,只要它不携带信息——否则就会破坏基本的因果关系,但它仍然十分怪异。而且我们也无法理解,为何隧穿效应不能用来携带信息。(根据相对论,既然它能够超越光速,那它就应该无法携带信息,但应该存在一个具体的物理机制来保证相对论这一大原则成立)

从这个角度看,量子隧穿比另一个更加著名的超光速作用——量子纠缠更加诡异。

责任编辑: 李华   来源:新浪 转载请注明作者、出处並保持完整。

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