物理學家發現量子力學的基本方程後不久，就發現了"量子隧穿"成為了該理論所允許的最奇怪的現象之一。
"量子隧穿"顯示了電子等粒子與更大物體的差別很大。把球扔到牆上，球向後反彈；讓它滾到山谷的底部， 它留在那裡。但粒子偶爾會穿過牆壁。正如兩位物理學家在1928年《自然》雜誌上寫到的，它有可能「滑過山峰並從山谷中逃脫」，這是最早的量子隧穿描述之一。
物理學家很快發現，粒子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，以及太陽中的氫核如何克服它們的相互排斥和融合，產生陽光。
但是物理學家對此感到好奇——最初是溫和的，然後是病態的。他們想知道，粒子穿過屏障需要多長時間？
問題是答案沒有道理。
量子隧穿時間的第一個初步計算是在1932年出版的。甚至更早的刺痛也可能是私下進行的，但是「一旦得到答案，您就無法理解，就不會發布它，」 多倫多大學的物理學家艾弗萊姆·斯坦伯格（Aephraim Steinberg）指出。
直到1962年，德克薩斯儀器（TI）公司的一位半導體工程師託馬斯·哈特曼（Thomas Hartman）撰寫了一篇論文，明確包含了令人震驚的數學含義。
哈特曼發現障礙似乎是粒子前進的捷徑。當有粒子穿過隧道時，與沒有障礙物的情況相比，行程花費的時間更少。更令人驚訝的是，他計算得出，增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，粒子可以比在相同距離內穿過空白空間的光線更快地從一側跳到另一側。
簡而言之，量子隧穿似乎允許比光速更快地傳播，這在物理上是不可能的。
斯坦伯格說：「在發生哈特曼效應之後，人們開始擔心了。」
討論持續了數十年，部分原因是隧穿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：「這是時間問題的一部分，我們如何測量量子力學中的時間，以及它的意義是什麼。」物理學家最終得出了至少10個關於隧穿時間的數學表達式，每個數學表達式都反映了對隧穿過程的不同觀點。沒有人解決這個問題。
但是，隨著一系列精確的實驗在實驗室中精確測量隧穿時間的推動，隧穿時間問題正在捲土重來。
在7月《自然》雜誌上報導的最受稱讚的測量中，斯坦伯格在多倫多的小組使用了所謂的拉莫爾時鐘法來測量銣原子穿過排斥雷射場所花費的時間。
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：「拉莫爾時鐘是測量隧穿時間的最好、最直觀的方法，並且是去年第一個很好地測量隧穿時間的實驗。」
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）也發現拉莫爾時鐘的測量令人信服。他說：「他們測量的實際上是隧道時間。」
最近的實驗使得一個尚未解決的問題引起了新的關注。自哈特曼發表論文以來的六十年中，無論物理學家多麼仔細地重新定義隧道時間，或者他們在實驗室中對其進行了精確測量，他們都發現量子隧穿始終具有哈特曼效應。隧道似乎無法治癒，堅固耐用。
「 隧穿粒子怎麼可能比光快？」利特維努克說，「直到進行測量為止，這純粹是理論上的。」
什麼是時間？
隧穿時間很難確定，因為現實本身就是如此。
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，距離和速度的精確知識是被禁止的。
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結晶，如何發生是物理學中最深層的問題之一。
結果是，在粒子撞擊檢測器之前，它無處不在。這使得很難說粒子以前在某個地方（例如在屏障內）呆了多長時間。利特維努克說：「您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同時停留。」
為了理解隧穿環境中的問題，請畫出一個鐘形曲線，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。現在看到，波包像海嘯一樣向屏障行進。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出現，從而被檢測到。
但是，當粒子到達B時，關於它的行程或它在屏障中的時間可以怎麼說？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，它都進入了障礙，又都沒有進入，「隧穿時間」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」，正如波拉克（Pollak）說的，這種相互作用"是及時的"。問題是，現在什麼時候？
自20世紀90年代成為研究生以來，斯坦伯格一直對隧穿時間問題「似乎很迷戀」，他解釋說，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？』但是問『棒球的時間是什麼？』是沒有道理的。」斯坦伯格說，「時間不是任何粒子擁有的'財產'。」相反，我們跟蹤世界上的其他變化，例如時鐘的滴答聲（最終是位置的變化），並稱這些為時間增量。
但是在隧穿傳輸場景中，粒子本身內部沒有時鐘。那麼，應該跟蹤哪些更改？物理學家沒有發現隧道時間的可能代理。
隧穿時間
哈特曼（和1932年在他之前的勒羅伊·阿奇博爾德·麥科勒（LeRoy Archibald MacColl）採取了最簡單的方法來測量隧穿的時間。哈特曼計算了自由空間中從A到B的粒子與必須穿過障礙的粒子最有可能到達的時間之間的差異。他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，這種方法除了有一個奇怪的結論，即障礙會加速粒子外，還有一個問題。您不能簡單地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）和其最可能的到達時間（峰值達到B時）之間的差，不會告訴您任何單個粒子的飛行時間，因為在B處檢測到的粒子不一定從A處開始。它在初始概率分布中的任何位置和任何地方，包括其前尾部，都非常接近障礙物。這給了它快速到達B的機會。
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有概率的方法。他們考慮到一個事實，即波包撞到障礙物後，在每個瞬間都有一定的可能性使粒子進入障礙物（而有可能不在障礙物之內）。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。
至於如何測量概率，從20世紀60年代末開始設想各種思想實驗，其中"時鐘"可以附著在粒子上。如果每個粒子的時鐘在障礙中只滴答作響，而您讀取了許多傳輸粒子的時鐘，它們將顯示一系列不同的時間。但平均值給出了隧穿時間。
當然，所有這些都說起來容易做起來難。最近的《自然》雜誌主要作者拉蒙·拉莫斯（RamónRamos）說：「他們只是提出了關於如何測量這次的瘋狂想法，並認為這將永遠不會發生。」 「現在科學已經進步了，我們很高興使這個實驗成為現實。」
嵌入式時鐘
儘管物理學家已經確定了20世界80年代以來的隧穿時間，但最近超高精度測量的興起始於2014年，地點是蘇黎世瑞士聯邦理工學院的烏蘇拉·凱勒（Ursula Keller）實驗室。她的團隊使用所謂的時鐘來測量隧穿傳輸時間。在凱勒（Keller）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——在正午時稱其為「中午」。然後，當電子從勢壘中出來時，它們被踢向的方向取決於當時勢壘的排列。為了衡量隧穿時間，凱勒（Keller）的團隊測量了「中午」（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。他們測量出相差50阿秒，即十億分之一秒的十億分之一。
然後在2019年報導的工作中，利特維努克（Litvinyuk）的小組通過將氦原子轉換為更簡單的氫原子，改進了凱勒（Keller）的原子鐘實驗。他們測量的時間甚至更短，最多為兩個原子秒，這表明隧穿效應幾乎是瞬間發生的。
但是，自那以後，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（Manzoni）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：事後看來，可以說電子束幾乎立即從阻擋層隧穿出來了。
同時，斯坦伯格、拉莫斯和他們在多倫多的同事戴維·斯皮林斯和伊莎貝爾·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的事實。旋轉就像只測量向上或向下的箭頭。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，粒子出現自旋角旋轉或「進動」。多倫多團隊使用這種進動來充當被稱為拉莫爾的時鐘。
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，一遍又一遍的測量，收集的測量結果將揭示平均旋轉的角度，而原子在屏障內，因此它們通常在那裡呆了多久。
研究人員報告說，銣原子平均在屏障內停留0.61毫秒，這與20世紀80年代理論上預測的拉莫爾時鐘時間一致。這比原子穿越自由空間所需的時間要少。因此，計算結果表明，如果將障礙物設置得真的很厚，斯坦伯格說，加速將使原子從一側隧穿到另一側的速度比光快。
一個謎，不是悖論
1907年，愛因斯坦（Albert Einstein）意識到他嶄新的相對論使光速旅行成為不可能。想像兩個人，愛麗絲和鮑勃，高速分開。由於相對性，它們的時鐘指示不同的時間。結果是，如果愛麗絲向鮑勃發送了一個比光速快的信號，而鮑勃立即向愛麗絲髮送了超光速的回覆，則鮑勃的回覆可能會在她發送初始消息之前到達愛麗絲。愛因斯坦寫道：「所取得的效果將在原因之前。」
專家們普遍相信，隧穿技術並不能真正打破因果關係，但是對於為什麼不這樣做的確切原因尚無共識。「我覺得我們沒有完全統一的思考方式。」 斯坦伯格說，「那裡有一個謎，而不是悖論。」
一些好的猜測是錯誤的。曼佐尼（Manzoni）在聽到21世紀初期的超光隧道問題時，與一位同事一起重新進行了計算。他們認為，如果考慮到相對論效應（對於快速移動的粒子，時間會變慢），他們會看到隧穿效應降到隧穿下速度。「令我們驚訝的是，那裡也可能有超光隧穿。」 曼佐尼說，「實際上，相對論量子力學中的問題更加嚴重。」
研究人員強調，只要不允許超腔信號傳輸，超腔隧穿就不會成為問題。這種方式類似於讓愛因斯坦感到困擾的「遠距離詭異動作」。詭異動作是指相距較遠的粒子被「纏結」的能力，因此對一個粒子的測量可以立即確定這兩者的屬性。遙遠的粒子之間的這種即時連接不會引起自相矛盾，因為它不能用於從一個信號傳遞到另一個信號。
但是，考慮到遠處的詭異動作而產生的糾纏，令人驚訝的是，關於超腔隧穿技術的研究很少。「使用隧穿技術，您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。」 劍橋大學研究隧穿時間問題的格雷斯·菲爾德說，「您正在處理一個穿越太空的單一系統。這樣，似乎比糾纏更詭異。」
在9月發表於《新物理學》上的一篇論文中，波拉克及其兩位同事認為，由於統計原因，超腔隧穿技術不允許超腔信號傳輸：即使通過極厚壁壘的隧穿發生速度非常快，發生隧穿事件的可能性通過這樣的障礙發生的可能性極低。發信號的人總是喜歡通過自由空間發送信號。
但是，為什麼您不能在超厚壁壘上發送成噸的粒子，以希望它能超光速通過？僅僅一個粒子就不足以傳達您的信息並破壞物理學嗎？斯坦伯格（Steinberg）同意這種情況的統計觀點，他認為單個隧穿粒子無法傳達信息。信號需要細節和結構，任何發送詳細信號的嘗試總是比通過不可靠的屏障更快地通過空氣發送。
波拉克說這些問題是未來研究的主題。「我相信斯坦伯格的實驗將推動更多理論的發展。」
與更多實驗一起進行思考，包括斯坦伯格名單上的下一個實驗。 他說，通過將磁場定位在屏障中不同區域內，他和他的團隊計劃探究「不僅粒子在屏障中停留的時間長短，而且還花費了該時間在屏障中的哪個位置」。 理論計算表明，銣原子的大部分時間都花在障礙物的入口和出口附近，而在中間的時間卻很少。拉莫斯說：「這有點令人驚訝，而且一點也不直觀。」
通過探究許多隧穿粒子的平均經驗，研究人員正在繪製「inside the mountain」發生的事物的圖像，比一個世紀前的量子力學先驅者更為生動。在斯坦伯格看來，這些發展使人們明白，儘管量子力學享有盛譽，「當您看到粒子的最終位置時，它確實為您提供了有關其以前所做工作的更多信息。」