太妙了，用旋轉度量時間！物理學家：神秘的量子隧穿並不是瞬時的

儘管它不能使你越過磚牆進入9¾站臺以趕上霍格沃茨特快列車，但量子隧道（即穿過看似無法逾越的障礙的粒子「隧道」）仍然是一個令人困惑、違反直覺的現象。現在，多倫多的實驗物理學家使用銣原子研究這種效應，並首次測量了銣原子在通過屏障過程中花費的時間。

這個發表在7月22日《自然》雜誌上的研究表明，至少在某種程度上，量子隧穿並不是瞬時的。

神奇的量子隧道

「這是一個美麗的實驗，」從事量子隧道研究的同行、澳大利亞格裡菲斯大學的伊戈爾·利特維努克說，「只是要做這是一項英勇的努力。」

要了解量子隧道的奇異之處，請考慮在平坦的地面上滾動的球遇到一個小的圓形小丘。

接下來會發生什麼取決於球的速度。因為它沒有足夠的能量來越過頂部，所以它要麼到達頂部然後在另一側向下滾動，要麼爬到一半的山坡上然後向下滑回。

但是，這種情況不適用於量子世界中的粒子。即使粒子沒有足夠的能量超過小丘的頂部，有時它仍然會到達另一端。

研究論文的共同作者，多倫多大學的Aephraim·Steinberg說：「這似乎是粒子在山下挖了一個隧道，然後出現在另一側。」

通過根據粒子的波函數，可以更好地理解這種奇怪現象。

波函數演化並擴散，而且它在任何時間和空間點上的振幅都可以讓你計算在那時和那裡發現粒子的概率。根據波函數，這個概率在許多地方可能不知一次不為零。

如果粒子遇到勢壘，則波函數會發生改變，從而開始在勢壘內部呈指數衰減。即使這樣，粒子中的一部分仍然會洩漏出去，並且其幅度在勢壘另一側不會變為零。因此，檢測到越過障礙物的粒子仍然具有有限的概率，儘管很小。

超光速？

自1920年代後期以來，物理學家就已經知道了量子隧穿。如今，這種現象已成為諸如隧道二極體、掃描隧道顯微鏡和用於量子計算的超導量子位等設備的核心。

自發現以來，實驗者一直在努力更清楚地了解隧道過程中發生的情況。例如，在1993年，當時加州大學伯克利分校的保羅·奎亞特和雷蒙德·喬奧都檢測到了光子通過光障的隧道效應（一塊特殊的玻璃反射了99％的入射光子，其餘1％進入了隧道）。平均而言，隧穿光子比經過完全相同的距離但不受障礙物阻擋的光子更早到達。隧道光子的傳播似乎快於光速。

仔細的分析表明，從數學上講，隧穿光子的波函數的峰值以超光速傳播。但是，不受阻礙的光子和隧穿光子的波函數的前沿都同時到達它們的檢測器，因此不會違反愛因斯坦的相對論。斯坦伯格說：「允許波函數的峰值快於光，而沒有信息或能量的傳播快於光。」

去年利特維努克和他的同事發表的研究結果表明，當氫原子中的電子受到充當阻擋層的外部電場的限制時，它們偶爾會穿過它。正如理論所預測的，隨著外場強度的振蕩，隧穿電子的數量也隨之增加。研究小組確定，從勢壘達到最小到隧穿最大電子之間的時間延遲最多為1.8阿秒（1阿秒等於10的負18次方秒）。甚至以每秒約30萬公裡的速度傳播的光，在一秒鐘內只能傳播超過十分之三米的十億分之一米，或者說大約一個原子的大小。

一些有爭議的媒體報導稱，格裡菲斯大學的實驗表明隧道是瞬時的。混亂與隧道時間的理論定義有很大關係。研究小組測得的延遲類型肯定幾乎為零，但是結果與說電子沒有在障礙中花費時間是不同的。利特維努克和他的同事們沒有研究量子隧道的這一方面。

非瞬時性

斯坦伯格的新實驗聲稱可以做到這一點。他的團隊測量了隧道內原子平均在通過屏障之前要花費多長時間。時間大約是毫秒，幾乎沒有瞬時發生。

斯坦伯格和他的同事們首先將原子冷卻到大約一個開爾文，然後用雷射誘導它們在一個方向上緩慢移動。然後，他們用另一臺雷射器阻擋了這條路徑，形成了約1.3微米厚的光學屏障。

為了測量粒子穿過隧道時在屏障中所花費的時間。該團隊使用複雜的雷射和磁場組合來構造原子態躍遷，從而構建了所謂的拉莫爾鐘的版本。

我們可以這樣理解拉莫爾鍾：想像一個粒子的自旋指向某個方向並將其視為鍾針。粒子遇到障礙物，並且在其內部是磁場，鍾針就會旋轉。粒子在屏障內停留的時間越長，它與磁場的相互作用就越多，鍾針的旋轉就越多。所以，旋轉量就可以作為時間的度量。

不幸的是，如果粒子與足夠強的磁場相互作用，則其量子態將崩潰，破壞隧穿過程。

因此，斯坦伯格的小組採用了一種稱為弱測量的技術，即勢壘內部的弱磁場不會干擾隧穿，卻仍會使原子的鐘針發生不可預測的移動。因此，一旦該原子離開障礙，就可以進行測量。取整體的鐘針位置的平均值，我們就會得到一個可以解釋為單個原子正確值的數字。基於這種微弱的測量，研究人員發現他們實驗中的原子在勢壘內部花費了約0.61毫秒。

他們還證實了對量子力學的另一種奇怪的預測：隧穿粒子的能量越低或運動越慢，則其在勢壘中所花費的時間就越少。這個結果是違反直覺的，因為在我們日常關於世界運轉方式的觀念中，預計較慢的粒子將在屏障中保留更長的時間。

斯坦伯格承認，他的團隊的解釋將受到一些量子物理學家的質疑，特別是那些認為微弱測量本身值得懷疑的量子物理學家。儘管如此，他認為實驗表明隧道時間沒有什麼確定性。「如果使用正確的定義，那並不是真正的瞬間。這可能非常快。」他說。「我認為那仍然是一個重要的區別。」