原子如何快速通過屏障滑動，像幽靈穿牆一樣，不需要時間嗎？

1927年，德國物理學家弗裡德裡希·洪德（Friedrich Hund）試圖理解原子如何結合形成分子時，發現了量子力學中最令人著迷的方面之一。他發現，在某些條件下，自然界中的原子、電子和其他小粒子可以穿越物理屏障，這些屏障會混淆宏觀物體，像幽靈一樣穿過牆壁移動。按照這些規則，被捕獲的電子可以不受外界影響而逃脫約束，就像擺放在球場第一個洞中的高爾夫球突然消失，並出現在第二洞中而沒有任何人抬起球桿一樣。這種現象被稱為「量子隧道效應」。

從那時起，物理學家發現隧道效應在自然界中最引人注目的某些現象中起著關鍵作用。例如，量子隧道使太陽發光：它使恆星核心中的氫核緊密貼合在一起，融合成氦。許多放射性物質（例如鈾238）會通過隧穿噴射而分解成較小的元素。物理學家甚至利用隧道技術發明了用於原型量子計算機的技術，以及能夠對單個原子成像的所謂掃描隧道顯微鏡。

不過，專家仍無法詳細了解該過程。多倫多大學的物理學家今天發表在《自然》雜誌上，報告了有關量子隧穿的一種新的基本度量：需要多長時間。回到高爾夫類比，他們基本上是在打洞之間計時球的時間。「在實驗中，我們問，『給定的粒子在屏障中花費了多長時間？』」領導該項目的多倫多大學物理學家艾弗萊姆·斯坦伯格（Aephraim Steinberg）說。

原子的&34;不是物質壁或分隔物。為了限制原子，物理學家通常使用由光或可能看不見的機制（如電吸引或排斥）構成的力場。在這個實驗中，研究小組將紅寶石原子困在藍色雷射屏障的一側。雷射束中的光子形成了一個力場，推動紅寶石原子，以保持其被限制在空間內。他們發現，原子在光屏障上花了大約0.61毫秒，然後彈出另一邊。確切的時間取決於屏障的厚度和原子的速度，但他們的關鍵發現是，&34;物理學家拉蒙·拉莫斯說，他當時是斯坦伯格的研究生，現在是西班牙光子科學研究所的博士後研究員。

俄亥俄州立大學的物理學家亞歷山德拉·蘭德斯曼（Alexandra Landsman）說，這一結果與去年發表在《自然》雜誌上的一項實驗發現相矛盾。在那篇論文中，由澳大利亞格裡菲斯大學的物理學家領導的一個團隊提出了測量結果，表明隧道效應是瞬間發生的。

那麼哪個實驗是對的？隧穿是瞬間發生的還是大約需要一毫秒？答案可能不是那麼簡單。兩次實驗之間的差異源於量子物理學界關於如何保持時間在納米尺度上的長期分歧。「在過去的70、80年中，人們提出了很多時間定義。」蘭德斯曼說，「孤立地講，很多定義很有意義，但同時它們做出的預測相互矛盾。這就是為什麼在過去的十年中有如此多的辯論和爭議。一組研究團隊會認為一個定義是有意義的，而另一組研究團隊會認為另一個定義。」

物理學家在量子過程開始或停止的時間上存在分歧。當您記住量子粒子大多沒有確定的屬性並且以概率存在時，就可以看出其精妙之處，就像硬幣在空中翻轉既不是正面也不是反面，而是有可能一直存在直到它著陸為止。您可以將原子視為在空間中散布的原子，但未定義其確切位置，例如，可能有50％的可能性位於一個位置，而另一個位置的可能性為50％。有了這些模糊的屬性，將粒子「進入」或「退出」障礙視為什麼並不明顯。最重要的是，物理學家還面臨著另一項技術挑戰，即創建一種計時機制，該計時機制應足夠精確，以與粒子的運動一致地開始和停止。他說，斯坦伯格已經對該實驗進行了二十多年的微調，以達到所需的控制水平。

斯坦伯格（Steinberg）和拉莫斯（Ramos）的團隊通過利用稱為自旋的原子特性，將其原子基本上製成了秒表。基本上，您可以將原子視為微小的旋轉陀螺，當原子在磁場中移動時，其旋轉方向會穩定地旋轉。通過跟蹤原子在場中擺動的方向，您可以保持時間。他們創建了一個僅位於勢壘中的磁場，並測量了原子進入勢壘之前和之後的擺動位置，然後根據這些測量結果計算出隧穿時間。「我們為原子提供了一個內部時鐘，」拉莫斯說。

這種將時間保持在量子域中的方法——觀察粒子在磁場中有節奏地擺動——甚至有一個特殊的名字：「 拉莫爾時間（Larmor time）」，以愛爾蘭物理學家約瑟夫·拉莫爾（Joseph Larmor）的名字命名。 20世紀。

在2019年格裡菲斯大學的實驗中，物理學家測量了氫原子中的電子從原子中隧穿出來的速度。帶負電的電子被吸引到氫的正核上。這種吸引作用實質上將電子束縛在氫核附近，從而形成電勢壘。研究人員通過用極短的雷射脈衝使原子閃爍來稍微拉動電子，以增加其隧穿的可能性。他們測量了雷射脈衝何時達到亮度峰值，並假設那是電子開始隧穿的時間。然後，如果電子從原子中隧穿出來，他們將在探測器處測量逃逸的電子的速度和方向，並使用該信息來計算電子何時從勢壘的另一面出現。他們發現電子在不到十億分之一秒的十億分之一秒（2阿秒）內從原子中隧穿出來，並暗示它是瞬間發生的。這種涉及短雷射脈衝的方法稱為原子鐘技術。

蘭德斯曼（Landsman）認為，隧道不可能立即發生-一方面，考慮到他們固有的缺陷工具，物理學家不可能真正將過程精確地測量為零秒。她說：「我認為您無法通過實驗證明這一點。」

這兩個實驗都可能是正確的，因為兩個團隊實際上使用了不同的時間定義。格裡菲斯大學的物理學家伊戈爾·利特維努克（Igor Litvinyuk）在致有線實驗的一封電子郵件中寫道：「我們的結果與這項工作之間絕對沒有爭議或差異。」

儘管如此，這些小組仍繪製了兩幅截然不同的圖片，說明粒子要經過多長時間才能通過，這使自20世紀80年代以來幾乎沒有進行過的辯論恢復了活力。當時，物理學家在紙上就時間的定義爭論了很多，但他們沒有這項技術來測試隧道化需要多長時間。 蘭德斯曼說：「很長一段時間以來，這純粹是理論上的辯論。」

在未來的實驗中，斯坦伯格希望更精細地研究原子穿過勢壘時的軌跡。「我想知道，粒子在障礙物的開始、中間和末端花費了多長時間？」他說。這是一個有爭議的問題，因為並非所有的物理學家都會同意斯坦伯格的觀點，即原子永遠在「障礙之內」。許多物理學家認為，量子理論意味著對量子系統的任何測量都會固有地改變該系統，從而阻礙任何科學家了解客觀現實的能力。

利特維努克寫道：「我不太相信&39;是代表任何客觀現實的完全有意義的概念』。」關於是否可以準確觀察到現實的爭論被廣泛稱為量子力學的「測量問題」，它引發了對量子力學的多種解釋，其中包括一種觀念，即每當有人進行測量時，這個微觀宇宙都會分裂成平行的分支。

通過拉莫爾（Larmor）和totoclock實驗，物理學家現在擁有兩種截然不同的技術來測量隧道時間。蘭德斯曼說，雖然兩個實驗都無法解決隧道耗時的問題，但分析和比較這兩種不同的系統將有助於物理學家更接近事實。她說：「我認為這些實驗將激發該領域的更多研究。」聽起來像外星人，這種量子測試為構成我們周圍所有事物的基本過程提供了線索。