量子力學的奇特規則允許粒子偶爾穿過看似不可穿透的屏障，這稱為量子隧穿效應。在量子力學的基本方程發現後，物理學家就發現了允許這樣奇怪的現象存在。
「量子隧穿」表明諸如電子之類的粒子與宏觀的物體完全不同。向牆扔一個球，球會向後反彈；要使球越過一屏障，需要球從此屏障頂上越過。但是，粒子有時會直接穿過屏障。
粒子這種穿過屏障的能力解決了許多謎團，它解釋了各種化學鍵和放射性衰變、太陽中的氫核如何克服它們的相互排斥和融合而產生陽光，等。
但是，粒子穿過屏障具體需要多長時間？這是物理學家們一直想認知的問題。這個問題首先於1932年有第一個初步的計算。直到1962年，德州儀器（TI）的一位半導體工程師、託馬斯·哈特曼（Thomas Hartman）撰寫了一篇明確包含數學含義、令人震驚的論文。
該論文指出，當粒子穿過隧道時，與沒有障礙的情況相比，所花費的時間更少。他計算得出，加厚屏障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，粒子可以從一側跳到另一側的速度比在相同距離內穿過空白空間的光還要快。
這在物理上是不可能的。討論持續了數十年，部分原因是穿隧時間問題似乎在量子力學的一些最神秘的方面引起了爭議。以色列魏茲曼科學研究所的理論物理學家埃利·波拉克（Eli Pollak）說：「這是什麼是時間，我們如何在量子力學中測量時間以及它的含義的普遍問題的一部分。」
隨著一系列精確的實驗在實驗室中精確測量穿隧時間，穿隧時間問題又提到物理學家們的研究課題上。
在今年7月《自然》雜誌上報導的廣受稱讚的測量中，多倫多大學物理學家艾弗萊姆·斯坦伯格（Aephraim Steinberg）研究小組使用了一種稱為拉莫爾時鐘（Larmor clock）法，來測量銣原子穿過排斥雷射場所花費的時間。
去年在《自然》雜誌上報導另一種穿隧測量的澳大利亞拉裡夫斯大學物理學家伊戈爾·利特維努克（Igor Litvinyuk）說：「拉莫爾時鐘是測量穿隧時間的最好、最直觀的方法，並且是第一個很好地測量穿隧時間的實驗。」
也發現拉莫爾時鐘的測量令人信服的明尼蘇達州康考迪亞學院的理論物理學家、路易斯·曼佐尼（Luiz Manzoni）說：「他們所測量的確實是穿隧時間。」
最近的實驗使一個尚未解決的問題引起了新的關注。時間是什麼？穿隧時間很難確定。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，距離和速度的精確的認知是不確定的。
在量子理論中，粒子具有一系列可能的位置和速度。在這些選項中，確定的屬性在測量時會以某種方式定型。最深層的問題之一是如何發生的。
結果是，在粒子撞擊檢測器之前，它無處不在。這使得很難說粒子先前在某處，例如在屏障內，呆了多長時間。利特維努克說：「你無法說出它在那裡度過的時間，因為它可以同時在兩個地方停留。」
想像一個鐘形曲線，它表示粒子的可能位置。此鐘形曲線（稱為波包）位於位置A的中心。現在，可以看到波包向屏障行進。量子力學方程式描述了撞到障礙物後波包如何分裂為兩個。它大部分會反射，朝A方向移動。但是，較小的概率峰會穿過障礙物並一直朝B方向移動。因此，粒子有機會在該位置的檢測器中測到，如下面動畫所示。
但是，當粒子到達B時，關於它的行程或它在障礙中的時間可以怎麼描述？在它突然出現之前，粒子是一個由兩部分組成的概率波：既反射又透射。「穿隧時間」的含義不清楚。然而，任何始於A且終止於B的粒子都不可否認地與它們之間的屏障相互作用，並且這種相互作用「是及時的」。
斯坦伯格解釋說，麻煩源於時間的特殊性質。對象具有某些特徵，例如質量或位置。但是它們沒有我們可以直接測量的內在「時間」。 「我可以問你，『棒球的位置是什麼？』但問『『棒球的時間是什麼？』是沒有道理的。」 「時間不是任何粒子所擁有的財產。」相反，我們跟蹤世界上的其它變化，例如時鐘的滴答聲（最終是位置的變化），並稱這些時間增量。
在穿隧場景中，粒子本身內部沒有時鐘。怎麼辦？哈特曼採用了最簡單的方法來測量穿隧的耗時，計算了自由空間中從A到B的粒子與必須穿過屏障的粒子最有可能到達的時間之差，通過考慮屏障如何移動透射波包峰的位置來做到這一點。
但是，這種方法有一個問題，不能簡單比較粒子波包的初始和最終峰值。記錄粒子最可能的離開時間（鐘形曲線的峰值位於A時）與粒子最可能的到達時間（峰值達到B時）之間的差，並不會告訴任何粒子的飛行時間，因為在B處檢測到的粒子不一定從A處開始。
由於粒子的確切軌跡是未知的，因此研究人員尋求了一種更具概率的方法。他們考慮波包撞到障礙物後，在每個瞬間都有一定的可能性使粒子進入障礙物。然後，物理學家會在每個瞬間總結出概率，以得出平均隧穿時間。
如何測量概率？從1960年代末開始構想了各種思想實驗，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中時才滴答，並且閱讀了許多已傳輸粒子的時鐘，它們將顯示不同的時間範圍，但是平均值給出了隧穿時間。
當然，所有這些都說來容易做起來難。最新的《自然》雜誌研究論文的主要作者、拉蒙·拉莫斯（Ramón Ramos）說：「他們只是想出了一個瘋狂的想法，以為這次將如何測量，並認為這將永遠不會發生。」 「現在科學進步了，我們很高興使這個實驗成為現實。」
嵌入式時鐘
最近超高精度測量隧穿時間的興起始於2014年，在蘇黎世瑞士聯邦理工學院的烏蘇拉·凱勒（Ursula Keller）的實驗室。她的團隊使用所謂的原子時鐘來測量隧道傳輸時間。在凱勒的鐘表中，來自氦原子的電子遇到了一個障礙物，該障礙物像鍾針一樣旋轉。當勢壘處於特定方向時，電子最常隧穿。然後，當電子從勢壘中出來時，它們被踢的方向取決於當時勢壘的排列。為了衡量隧穿時間，凱勒團隊測量了大多數隧穿事件開始時，與大多數外向電子的角度之間的角度差，測量出相差50阿秒，1阿秒為10的負18次方秒。
在去年報導的工作中，利特維努克的研究小組通過將氦原子轉換為更簡單的氫原子，改進了凱勒的原子鐘實驗。他們測量的時間甚至更短，最多為兩個阿秒，這表明隧穿效應幾乎是瞬間發生的。
自此以後，一些專家得出結論，鍾度測量的持續時間並不是隧穿時間的良好替代。曼佐尼去年發表了對測量結果的分析，他說這種方法的缺陷與哈特曼的隧穿時間定義相似：現在看來，可以說電子束幾乎立即衝出勢壘 。
同時，斯坦伯格、拉莫斯和他們在多倫多的同事戴維·斯皮林斯、伊莎貝爾·拉西科特進行了一項更具說服力的實驗。
這種替代方法利用了許多粒子具有稱為自旋的固有磁性。旋轉就像只測量向上或向下。但是在測量之前，它可以指向任何方向。正如愛爾蘭物理學家約瑟夫·拉莫爾（Joseph Larmor）在1897年發現的那樣，當粒子處於磁場中時，自旋角旋轉或「進動」。多倫多團隊利用這一進動來充當被稱為拉莫爾時鐘的時鐘。
研究人員使用雷射束作為屏障，並打開了其中的磁場。然後他們製備了自旋在特定方向上排列的銣原子，並使這些原子向勢壘漂移。接下來，他們測量了另一側出現的原子的自旋。測量任何單個原子的自旋總是返回「上」或「下」的模糊答案。但是要一遍又一遍地進行測量，收集的測量結果將揭示出原子在勢壘內部時平均旋轉了多少個自旋角，從而知道它們通常在其中停留了多長時間。
研究人員報告說，計算表明，如果將屏障的厚度設置得真的很厚，斯坦伯格說，加速將使原子從一側到另一側的隧穿速度比光快。
一個謎，不是悖論
1907年，愛因斯坦意識到他的相對論使超過光速交流成為不可能。想像兩個人，張三和李四，高速分開。基於相對論，它們的時鐘指示不同的時間。結果是，如果張三向李四發送了一個比光速快的信號，而李四立即向張三發送了超光速的回覆，則李四的回覆可能會在張三發送初始消息之前到達張三。愛因斯坦寫道：「所取得的結果將在原因之前。」
專家們普遍認為，量子隧穿效應並不能真正消除因果關係，但是對於為什麼不這樣的確切原因尚無共識。斯坦伯格說：「我覺得我們沒有完全統一的思考方式。」 「那裡有一個謎，而不是悖論。」
曼佐尼重新進行了計算。他認為，如果考慮到相對論效應（對於快速移動的粒子，時間會變慢），將看到穿隧速度下降。「令我們驚訝的是，那裡也可能有超光速隧道。」 「實際上，相對論量子力學中的問題更加嚴重。」
研究人員強調，這種方式類似於讓愛因斯坦感到困擾的「遠距離詭異動作」。怪異動作是指相距較遠的粒子被「糾纏」的能力，對一個粒子的測量可以立即確定這兩者的屬性。
但是，令人驚訝的是，關於超光速隧道技術的研究很少。劍橋大學研究穿隧時間問題的格蕾絲·菲爾德說：「使用穿隧技術，不必處理兩個單獨的系統，它們的狀態以這種怪異的方式聯繫在一起。」 「正在處理一個穿越太空的單一系統。這樣，似乎比糾纏更奇怪。」
在9月發表於《新物理學》上的一篇論文中，波拉克小組認為，由於統計原因，超光速隧道技術不允許超光速信號傳輸。但是，為什麼不能在超厚壁壘上爆炸成噸的粒子，以希望它能超光速通過？斯坦伯格同意這種情況的統計觀點，他認為單個隧道粒子無法傳達信息。信號需要細節和結構，任何發送詳細信號的嘗試始終比通過不可靠的障礙物更快地通過空中發送。
通過探究許多隧穿粒子，科學家們正在繪製「廬山」的面目，比起一個世紀前的量子力學先驅者，更為生動。斯坦伯格表示，這些發展使人有進一步的認知，儘管量子力學享有盛譽，「當您看到粒子的最終位置時，它確實為您提供了比以前所做工作還要更多的信息。」
參考：quantamagazine.org/quantum-tunnel-shows-particles-can-break-the-speed-of-light-20201020/