量子隧穿效應真的能打破光速嗎?

2020-12-04 火星科普

如果把一個小球扔向一堵堅固的牆壁，那麼，它肯定會撞上牆壁，然後反彈回來。在經典物理學中，一個足夠強的屏障會阻止其他物體從中穿過。但在量子力學來看，情況並非如此。如果把小球換成微小的量子粒子，把固體牆壁換成量子力學勢壘。那麼，粒子就會有一定的概率穿過勢壘，它們最終會在勢壘的另一邊被探測到，此即為量子隧穿效應。這就好像把小球扔向牆壁，小球徑直穿過，完全不受牆壁的阻礙。

根據《自然》（Nature）雜誌最近刊載的一項研究[1]，物理學家首次成功地測出量子隧穿過程的耗時，並發現這是瞬間完成的。然而，這並不意味著量子隧穿的速度比光速還快。因為相對論表明，沒有什麼速度能打破光速。

每當談及量子世界之時，很多人可能會想到微小的粒子都在快速運動，並且互相碰撞。但量子世界並非是這個樣子，它們是反直覺的。由於不確定性原理，我們不可能同時知道一個粒子的位置和動量，我們只能用概率來全面描述它們。

量子隧穿效應

這意味著如果把一個量子粒子放在任意一個位置，然後問「它現在在哪裡？」由於粒子的量子性質，這意味著它的位置是由一個波函數定義的，而這是不確定的，它只能給出在某個位置找到粒子的概率。

量子物理的這種反直覺的奇異性質並不是我們的測量設備存在局限性，沒有能力測出來，而是這就是世界的基本性質。在測量之前，沒有什麼是確定的，只有概率。

考慮量子隧穿效應，如果在一個系統中，粒子會有一定的概率從量子勢壘的一邊穿到另一邊，那麼，這個躍遷的速度就會受到限制。也許它取決於勢壘的大小，勢壘的厚度，或者其他一些與之物理性質有關的因素。畢竟，在這個宇宙中，一切都應該受到光速的限制。

氫原子

最簡單的設置就是把一個粒子，比如電子，束縛在一個受限的系統中，比如氫原子。那麼，電子就會有一個有限且非零的概率從氫原子中隧穿到一種無束縛的狀態。通過使用設備對其成像，就能精確地測量從一個束縛態隧穿到一個非束縛態所需要的時間間隔。

澳大利亞阿秒科學院的物理學家已經做到了這一點，他們通過實驗發現，這種最簡單的量子隧穿過程最多需要1.8阿秒（1.8×10-18秒）。如果以光速前進這個時間，行進的距離大約只有5.4埃米（5.4×10^-10米）。結果表明，在實驗不確定度範圍內，理論與瞬時隧穿是一致的。

儘管這對於量子限制電晶體的實際應用具有不小的意義，但需要強調的是，這裡的「瞬時」並不意味著它違反了愛因斯坦的相對論。

這不像日常生活經驗那樣，我們不能認為某一瞬間可以說「這個粒子在這裡」，然後，過了一段很短的時間之後，又說「這個粒子現在在那裡」，不能用距離變化量除以時間變化量來計算出所謂的超光速。這個實驗僅僅表明，在這個隧穿躍遷過程中，沒有基本的量子延遲。

但這個實驗也有助於揭示物理學家是如何設法利用多粒子系統來製造一種超光速的幻覺，這是大家喜聞樂見的。假設有一組量子粒子，它們聚在一起形成一束脈衝，然後，它們以隧穿或其他方式穿過某種勢壘。結果發現，勢壘另一邊檢測到的脈衝似乎表明，其運動速度似乎超過了光速！

那麼，這是否意味著粒子能以無限快的速度運動，打破光速，穿過一個有限且非零厚度的量子力學勢壘？這就是經常出現的誤解，很多人誤以為這打破了光速。

然而，這裡所發生的一切只出現在通過量子隧穿效應穿過勢壘的一部分量子粒子，而脈衝中的大多數粒子的作用與飛向牆壁的小球相同——它們會反彈，無法到達目的地。如果能把能穿過勢壘的粒子提前，有傾向性地切斷脈衝後面的粒子，結果就會錯誤地測量出比光速還快的速度。但事實是，沒有單個粒子能真正打破光速。

那麼，這項新研究到底意味著什麼呢？

簡單來說，量子隧穿本身的過程，也就是從量子勢壘一邊的束縛態到另一邊的非束縛態的躍遷過程，不需要任何額外的時間。然而，在給定的時間內運動一定距離仍然受到愛因斯坦相對論的限制，這種限制適用於任何情況下的每一個粒子。

這項研究真正令人振奮的地方在於，物理學家直接對單個粒子進行了測量，並證明了量子隧穿過程本身沒有固有的量子延遲。但要說超光速，這僅限於幻想。

參考文獻

U. Satya Sainadh, Han Xu, Xiaoshan Wang, et al., Attosecond angular streaking and tunnelling time in atomic hydrogen, Nature, 2019, arXiv:1707.05445.

相關焦點

  • 實驗表明:量子隧穿效應真的能打破光速
    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。
  • 量子隧穿並沒有打破光速
    如果你把網球換成量子粒子，把固體牆換成任何量子力學勢壘，粒子穿過勢壘的概率是有限的，粒子最終會在勢壘的另一邊被探測到。就好像你把網球扔向牆壁，它徑直穿過，完全不受牆壁的阻礙。科學家們首次成功地測量了量子隧穿過程的耗時，並發現這是瞬間完成的。但這並不意味著它的速度比光速還快。如果你讓一個經典的粒子，比如籃球或網球，落到像桌子一樣堅硬的表面上，你可以肯定它會反彈回來。
  • 疊加態、光速極限和量子隧穿效應都已經被證實,我們卻難以接受
    光速極限說到它就不能不提愛因斯坦，他在提出相對論的時候就點出了光速是宇宙萬物的極限速度。質能方程告訴我們，物體包含的能量有多大，它的速度就有多大。光由光子組成，它是沒有質量的。換句話來說，它的質量全都轉化成了能量，這樣它才能擁有極限速度。
  • 量子隧穿實驗揭示粒子如何打破光速
    物理學家最終推導出至少10種有關隧穿時間的數學表達式，而每一種都反映了隧穿過程的不同視角。當然，這些數學表達式都沒能解決這一問題。　　現在，量子隧穿時間的問題又回來了，一系列在實驗室中精確測量隧穿時間的精巧實驗推動了這方面的進展。
  • 量子隧穿展示了粒子是如何打破光速的
    Hartman 發現，在量子隧穿中，屏障似乎是捷徑。當有粒子發生量子隧穿時，與沒有障礙物的情況相比，花費的時間更少。更令人驚訝的是，他計算得出，屏障增厚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間的光線更快地從一側穿到另一側。簡而言之，量子隧穿似乎比光速更快，這在物理上是不可能的。
  • ​量子隧穿展示了粒子是如何打破光速的
    簡而言之，量子隧穿似乎比光速更快，這在物理上是不可能的。Steinberg 說：「在 Hartman 效應之後，人們開始懷疑這件事了。」自 Hartman 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穿時間，無論他們在實驗室中進行了多精確的測量，他們都發現量子隧穿始終具有 Hartman 效應。隧穿似乎無法解釋，它絕對是超光速的。「 [粒子隧穿] 怎麼可能比光快？」 Litvinyuk 說。「直到進行測量為止，這純粹是理論上的。」
  • 神秘的量子隧穿效應,居然讓粒子學會了穿牆術～
    不過，在微觀世界裡，粒子們卻真的會穿牆術，而這就是著名的量子隧穿效應。舉個例子，假如人在趕路，前面有一座大山擋住了去路，那麼人如果要前往大山的另外一邊，那麼你就只能翻過山去。但是對於粒子而言，它可以直接穿過去，即使能量不足，也可以穿山而過。這就是粒子穿牆術——量子隧穿效應。
  • 「量子隧穿」展示了粒子如何破壞光速
    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。
  • 最新量子實驗打破光速!
    超光速的兩個現象： 一、打破因果關係（結果先於原因）。比如，某人從A地點出發去往B地點。依照傳統觀念（低於光速運動），他應先離開A地點然後才會到達B地點。但是，若他以超光速運動，結果在他尚未離開A地點之前就已達到B地點。 二、導致時間倒流（時間向後流逝）。
  • 「量子隧穿」實驗展示了粒子是如何打破光速的
    「量子隧穿」展示了像電子這樣的粒子與更大的物體之間的深刻區別。往牆上扔一個球，它會彈回來，讓它滾到山谷的底部，它就呆在那裡。但是粒子偶爾會穿過牆壁。正如兩位物理學家在1928年的《自然》雜誌上所寫的那樣，它有可能「滑過大山，逃離山谷」，這是對量子隧穿的最早描述之一。
  • 量子隧穿及它的作用
    量子力學不同地預測，這粒子可以概率性地從區域 A穿越到區域 C。好像一個人從大山隧道裡通過一般。如下圖：那麼通進量子隧穿效有那些應用例子是我們知道的？我們知道根據相對論，任何物質速度都不會超過光速。理論上如果超過光速，時間將會出現倒流。據報導，兩位科學家聲稱，利用量子隧穿效應，找到了讓光突破自己速度限制的方法。兩位科學家的實驗是讓微波光粒子通過兩個稜鏡並進行觀測得出。
  • 氫分子量子隧穿效應假說!
    水中這快速原子運動是通過量子隧穿機制實現的。隧穿只能用量子物理來描述，這是一種控制微觀世界的物理定律。雖然用通俗的語言來解釋它並不容易，但我們所以這麼做，是因為沒有這個概念，無法弄清楚生物體中氫的各種獨特特性。 一、什麼是量子隧穿效應？
  • 數學中的量子隧穿效應
    在量子力學中，電子等微觀粒子穿過「牆壁」的現象，就是量子隧穿效應
  • 世界上真的有「穿牆術」嗎?量子隧穿效應,告訴你真實答案
    而在量子力學則是相反的說法，在量子力學之中的解釋，則是如果將我們個體變成量子，那麼即使我們沒有足夠的勢能，我們也是有機會從牆之中穿過的。這是因為牆之中其實也是有縫隙的。只不過我們肉眼看不到。什麼是量子隧穿效應而今天，我們要說的就是量子學之中的量子隧穿效應。
  • 量子隧穿是瞬時的嗎？
    量子隧穿效應在許多過程中都起到了關鍵作用，例如它使得太陽核心中的氫核可以靠得足夠近，從而聚變形成氦，釋放出光子，如果沒有量子隧穿效應，太陽可能永遠無法發出這些光子。自發現以來，物理學家對這一有悖直覺的效應已有了較好的理解，並將它用作於一些技術的基礎，例如量子計算技術，以及能夠成像單個原子的掃描隧道顯微鏡技術。
  • 量子隧穿是瞬時的嗎?
    量子隧穿效應在許多過程中都起到了關鍵作用，例如它使得太陽核心中的氫核可以靠得足夠近，從而聚變形成氦，釋放出光子，如果沒有量子隧穿效應，太陽可能永遠無法發出這些光子。自發現以來，物理學家對這一有悖直覺的效應已有了較好的理解，並將它用作於一些技術的基礎，例如量子計算技術，以及能夠成像單個原子的掃描隧道顯微鏡技術。
  • 沒有量子隧穿效應,就沒有五彩繽紛的生命
    然而在微觀世界，「量子穿牆術」時刻在發生。                            一個人要到達一座山的另一邊，需要從山腳爬到山頂，又從山頂下到另一邊山腳。但是，如果你是一個「量子人」，就不用那樣費勁，可以直接穿山而過。一個微觀粒子，能夠穿透比它強得多的能量壁壘，就好像有人幫它挖了一個隧道似的，所以這種效應被科學家趣稱為隧道效應，或者稱為量子隧穿效應。
  • 量子隧穿效應，真實存在的粒子穿牆術
    量子隧穿效應，在量子物理學的世界中，微觀粒子可以穿越障礙物，就算粒子的能量不足，這個機率也非常大，我們的科學家把這種粒子運動的現象叫做量子隧穿效應量子隧穿效應的具體由來！粒子的作用力以及勢壘，限定了粒子的運動軌跡，在我們空間中存在著勢壘，因此當粒子穿越的時候，就要消耗一定的能量，如果能量不足那麼就穿越不了勢壘，但事實並不是這樣的，量子隧穿效應的發現，讓我們知道粒子就算能量不足也可以！
  • 量子的隧穿效應 ——再往下差不多就屬於物理學家的地盤了
    即便是我們擺脫了材料學上的問題，我們依然會被另外一個問題所難住，那就是存在於微觀世界的量子隧穿效應。即微觀世界裡邊的量子穿牆術。        在量子力學中，量子隧穿效應是一種量子的特性，如電子等微觀粒子能夠穿過他們本來無法通過的【牆壁】的現象。在經典的牛頓力學中，這種情況是不會出現的。
  • 真實存在的「穿牆術」——量子隧穿效應
    這就是我們今天要講的，在量子世界裡真實存在的「穿牆術」——量子隧穿效應（Quantum tunneling effect）。 看到這裡可能有人會問了，以上所述只是理論上的東西，那有沒有實例證明量子隧穿效應真實存在呢？