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能量勢壘越厚 量子隧穿時越快 甚至能超越光速

早在開始完善基礎量子理論的時候,物理學家就意識到:量子力學,你不對勁。比如說,"量子隧穿"就顯示出電子等粒子與宏觀物體有多麼深刻的區別。就像1928年兩位物理學家在《自然》雜誌上描述的那樣——那是對隧道最早的介紹之一,量子隧穿是量子物理學中一個已經得到充分驗證的現象:一個粒子可以在能量不足的情況下穿越某處屏障。

教科書上最常用的一個類比例子就是山腳下的小球:在經典物理學中,你需要賦予小球足夠的動能才能讓它滾動到山頂,然後再順坡滾動到山的另一邊。但是在量子物理學中,由於物體的位置和動量具有「不確定性」的制約關係——這是量子力學中的核心概念,因此小球可以用更少的能量穿山而過,到達山的另一邊。

物理學家很快意識到,量子隧穿現象能夠解開眾多謎團。它解釋了各種化學鍵和放射性衰變,也解釋了太陽中的氫核如何能夠克服斥力而融合,產生太陽光。

緊接著,物理學家們又開始好奇了——一開始是溫和的,後來是病態的。他們想知道,粒子穿過障礙物時花費了多少時間?

麻煩的是,答案沒有意義。

第一個關於隧道時間的初步計算出現在1932年的出版物上。還有很多科學家在私下裡交流和討論,但"當你得到一個無法理解的答案時,你就不會公布它"。

直到1962年,德州儀器公司一位名叫托馬斯·哈特曼的半導體工程師寫了一篇論文,明確地展示了數學演算背後令人震撼的物理意義。

哈特曼發現,障礙物帶來了捷徑。當粒子進入隧道時,行程所需的時間比沒有障礙物時更短。更令人吃驚的是,他計算出,如果有足夠厚的屏障,粒子可以從一邊跳到另一邊,比光在空曠的等距空間中運動得還要快。

"哈特曼效應之後,人們就開始擔心了。"多倫多的物理學家Aephraim Steinberg說道。因為這個結論直接違背了當時的狹義相對論。

但是基於當時的科技水平,科學家還無法用實驗來驗證這一點。但隨著實驗室中精確測量隧道時間的精湛技術的誕生,隧道時間問題捲土重來。

問題是,很難界定粒子通過隧道的時間。對於宏觀物體,記錄從A點到B點需要的時間,只要在開始和結束時按兩下秒表即可。但量子理論中,距離和速度的精確值都是被禁止事項。

在量子理論中,一個粒子以概率波的形式占據一系列可能的位置和速度。量子力學方程描述了波包在撞上障礙物後如何一分為二。但有一個較小的概率峰值可以越過障礙物,繼續向B走去。

之前,有科學家想出一種辦法:基本思路就是在障礙物的另一側放上「板子」,當粒子隧穿過來後,撞到板子發出Duang的一聲,就可以作為隧穿結束的標誌(當然,實際上不會用板子,也不會發出撞擊聲。實際上是某種粒子的旋轉方向被撞歪)

2019年的實驗報告中,有團隊改進了上面的方法,得出結論:隧穿效應幾乎是瞬間發生的——就像是遊戲裡的閃現一樣。

但是,上述方法本質上並未解決問題。當一個粒子到達B時,它的旅程,或者說它在障礙物中的時間是多少?在它突然出現之前,粒子是一個兩部分的概率波——既有反射波,也有傳輸波。它既進入了屏障,又沒有進入屏障。"隧道時間"的含義不清不楚。

我們可以問一個粒子的位置,但是沒法問一個粒子的時間。位置是粒子可以擁有的屬性,而時間不是。時間必須和外在的某些東西聯繫起來才有意義。

從20世紀60年代末開始,人們設想了各種思想實驗,在粒子本身附加"時鐘"。如果每個粒子的隨身計時器只當它在障礙物中時才計時,讀數會顯示出一系列不同的時間。但平均值就可以理解為隧道時間。

當然,這一切說起來容易做起來難。"他們只是想出了如何測量這個時間的瘋狂想法,並認為它永遠不會實現,"值得慶幸的是,"現在科學進步了"。

現在我們可以通過電子的自旋的前後狀態來估算它所經過的時間。

7月《自然》報導的迄今為止最被認可的測量實驗裡,多倫多的Steinberg小組使用所謂的Larmor時鐘方法來測量銣原子穿過排斥性雷射場所需的隧道時間。銣原子在屏障內的平均時間為0.61毫秒,與20世紀80年代理論預測的時間一致。

澳大利亞格里菲斯大學的物理學家Igor Litvinyuk說:"Larmor鍾是測量隧道時間的最佳和最直觀的方法。"

明尼蘇達州康科迪亞學院的理論物理學家Luiz Manzoni也認為Larmor時鐘法的結果令人信服。"他們測量的確實是隧道時間。"

通行時間0.61毫秒,雖說不是瞬時,但也比在沒有障礙物時,銣原子通過相同距離的時間更加短暫。如果障礙物更厚,則用時還會更少,最終可以超越光速。

雖然依據現代版的狹義相對論,我們可以允許事物在「表象」上超越光速,只要它不攜帶信息——否則就會破壞基本的因果關係,但它仍然十分怪異。而且我們也無法理解,為何隧穿效應不能用來攜帶信息。(根據相對論,既然它能夠超越光速,那它就應該無法攜帶信息,但應該存在一個具體的物理機制來保證相對論這一大原則成立)

從這個角度看,量子隧穿比另一個更加著名的超光速作用——量子糾纏更加詭異。

責任編輯: 李華   來源:新浪 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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