能量勢壘越厚,量子隧穿時越快,甚至能超越光速

2020-11-27 騰訊網

早在開始完善基礎量子理論的時候，物理學家就意識到：量子力學，你不對勁。

比如說，"量子隧穿"就顯示出電子等粒子與宏觀物體有多麼深刻的區別。就像1928年兩位物理學家在《自然》雜誌上描述的那樣——那是對隧道最早的介紹之一，量子隧穿是量子物理學中一個已經得到充分驗證的現象：一個粒子可以在能量不足的情況下穿越某處屏障。

教科書上最常用的一個類比例子就是山腳下的小球：在經典物理學中，你需要賦予小球足夠的動能才能讓它滾動到山頂，然後再順坡滾動到山的另一邊。但是在量子物理學中，由於物體的位置和動量具有「不確定性」的制約關係——這是量子力學中的核心概念，因此小球可以用更少的能量穿山而過，到達山的另一邊。

物理學家很快意識到，量子隧穿現象能夠解開眾多謎團。它解釋了各種化學鍵和放射性衰變，也解釋了太陽中的氫核如何能夠克服斥力而融合，產生太陽光。

緊接著，物理學家們又開始好奇了——一開始是溫和的，後來是病態的。他們想知道，粒子穿過障礙物時花費了多少時間？

麻煩的是，答案沒有意義。

第一個關於隧道時間的初步計算出現在1932年的出版物上。還有很多科學家在私下裡交流和討論，但 "當你得到一個無法理解的答案時，你就不會公布它"。

直到1962年，德州儀器公司一位名叫託馬斯·哈特曼的半導體工程師寫了一篇論文，明確地展示了數學演算背後令人震撼的物理意義。

哈特曼發現，障礙物帶來了捷徑。當粒子進入隧道時，行程所需的時間比沒有障礙物時更短。更令人吃驚的是，他計算出，如果有足夠厚的屏障，粒子可以從一邊跳到另一邊，比光在空曠的等距空間中運動得還要快。

"哈特曼效應之後，人們就開始擔心了。"多倫多的物理學家Aephraim Steinberg說道。因為這個結論直接違背了當時的狹義相對論。

但是基於當時的科技水平，科學家還無法用實驗來驗證這一點。但隨著實驗室中精確測量隧道時間的精湛技術的誕生，隧道時間問題捲土重來。

問題是，很難界定粒子通過隧道的時間。對於宏觀物體，記錄從A點到B點需要的時間，只要在開始和結束時按兩下秒表即可。但量子理論中，距離和速度的精確值都是被禁止事項。

在量子理論中，一個粒子以概率波的形式佔據一系列可能的位置和速度。量子力學方程描述了波包在撞上障礙物後如何一分為二。但有一個較小的概率峰值可以越過障礙物，繼續向B走去。

之前，有科學家想出一種辦法：基本思路就是在障礙物的另一側放上「板子」，當粒子隧穿過來後，撞到板子發出Duang的一聲，就可以作為隧穿結束的標誌(當然，實際上不會用板子，也不會發出撞擊聲。實際上是某種粒子的旋轉方向被撞歪)

2019 年的實驗報告中，有團隊改進了上面的方法，得出結論：隧穿效應幾乎是瞬間發生的——就像是遊戲裡的閃現一樣。

但是，上述方法本質上並未解決問題。當一個粒子到達B時，它的旅程，或者說它在障礙物中的時間是多少？在它突然出現之前，粒子是一個兩部分的概率波——既有反射波，也有傳輸波。它既進入了屏障，又沒有進入屏障。"隧道時間"的含義不清不楚。

我們可以問一個粒子的位置，但是沒法問一個粒子的時間。位置是粒子可以擁有的屬性，而時間不是。時間必須和外在的某些東西聯繫起來才有意義。

從20世紀60年代末開始，人們設想了各種思想實驗，在粒子本身附加 "時鐘"。如果每個粒子的隨身計時器只當它在障礙物中時才計時，讀數會顯示出一系列不同的時間。但平均值就可以理解為隧道時間。

當然，這一切說起來容易做起來難。"他們只是想出了如何測量這個時間的瘋狂想法，並認為它永遠不會實現，"值得慶幸的是，"現在科學進步了"。

現在我們可以通過電子的自旋的前後狀態來估算它所經過的時間。

7月《自然》報導的迄今為止最被認可的測量實驗裡，多倫多的Steinberg小組使用所謂的Larmor時鐘方法來測量銣原子穿過排斥性雷射場所需的隧道時間。銣原子在屏障內的平均時間為0.61毫秒，與20世紀80年代理論預測的時間一致。

澳大利亞格裡菲斯大學的物理學家Igor Litvinyuk說："Larmor鍾是測量隧道時間的最佳和最直觀的方法。"

明尼蘇達州康科迪亞學院的理論物理學家Luiz Manzoni也認為Larmor時鐘法的結果令人信服。"他們測量的確實是隧道時間。"

通行時間0.61毫秒，雖說不是瞬時，但也比在沒有障礙物時，銣原子通過相同距離的時間更加短暫。如果障礙物更厚，則用時還會更少，最終可以超越光速。

雖然依據現代版的狹義相對論，我們可以允許事物在「表象」上超越光速，只要它不攜帶信息——否則就會破壞基本的因果關係，但它仍然十分怪異。而且我們也無法理解，為何隧穿效應不能用來攜帶信息。(根據相對論，既然它能夠超越光速，那它就應該無法攜帶信息，但應該存在一個具體的物理機制來保證相對論這一大原則成立)

從這個角度看，量子隧穿比另一個更加著名的超光速作用——量子糾纏更加詭異。

https://www.quantamagazine.org/quantum-tunnel-shows-particles-can-break-the-speed-of-light-20201020/

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