量子隧穿是瞬時的嗎？
2020-08-18 原理
1927年，德國物理學家弗裡德裡希·洪德（Friedrich Hund）在研究原子是如何結合形成分子時，發現了量子世界中的一個極為神秘的現象：在某些特定條件下，像原子、電子和其他量子尺度的粒子可以「穿越」本該不可逾越的障礙，像幽靈一樣穿「牆」而過。
這些量子粒子所穿越的，其實並不是是一個物質性的障礙，而是可以限制這些粒子的勢壘。例如一個被捕獲的電子可以在不受外界影響的情況下逃脫束縛，就像一個高爾夫球從球場的一個洞中突然消失，再無緣無故地出現在另一個洞中。
這種奇怪的現象，就是量子隧穿。
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。
然而，對於量子隧穿過程中的一些細節，物理學家們仍不甚了解，例如量子隧穿的發生需要多長時間？這是一項難度非常大的任務，因為量子隧穿過程所設計的時間尺度非常之小，這對實驗中用於計時的時鐘的準確度和精確度將有著極高的要求。
這一問題終於在2019年迎來了重大突破。由澳大利亞格裡菲斯大學的物理學家Igor Litvinyuk領導的研究團隊，測得了氫原子中的電子隧穿出原子的速度。
在實驗中，他們使用極短的雷射脈衝照向原子，這輕微地擾動了電子，增加了電子隧穿的可能性。接著，他們測量了雷射脈衝的亮度何時達到峰值，並假設這便是電子開始隧穿的時刻；當電子隧穿出原子時，他們會測量電子的逃逸速度和方向，再利用這些信息計算出它是何時從勢壘的另一邊出現的。
最終他們測得，電子在不超過1.8阿託秒的時間內就從原子中隧穿而出，這是極短的一段時間，即便是光，在這段時間內也只能行進十億分之幾米。有人認為，這幾乎意味著，量子隧穿過程是瞬間發生的。但這種說法其實存在爭議。因為雖然從這項研究中，物理學家測得的時間長度幾乎為0，但並不等同於說電子在勢壘中存在的時間為0。而且關於電子在勢壘中存在的時長問題，在這項研究中並沒有得到檢測。
現在，故事似乎有了新的進展，由多倫多大學的物理學家Aephraim Steinberg領導的研究團隊在《自然》雜誌上發表了一篇新的研究，報告了他們通過計算原子在一個勢壘中存在的時長，測得了量子隧穿所需的時間。
在新的實驗中，研究人員利用藍色雷射構成的勢壘，將超冷的銣原子推入了雷射勢壘。他們通過利用原子的自旋，將原子自身製成了微型的「秒表」。這些原子就像是一個個微小的旋轉著的陀螺，當它們通過磁場時，陀螺的主幹會穩定地繞圈擺動。通過跟追蹤原子在磁場中的擺動方向，就可以追蹤時間。他們創造了一個只存在於勢壘中的磁場，測量了原子在進入這個勢壘之前和之後的擺動位置，然後根據測量結果計算出原子在這個雷射勢壘中大約停留了0.61毫秒，然後才從另一側「跳」了出來。
這樣的實驗結果表明，量子隧穿的持續時間並不為0，而且勢壘的厚度和原子的速度決定了原子在其中停留的時長。
究竟哪個實驗結果更接近真相？隧穿效應是接近瞬間發生，還是需要若干毫秒的時間？這個問題或許沒有簡單的答案。
這兩種實驗結果之間的差異，源自於長期以來量子物理學對於如何在納米尺度定義時間的爭論。在過去一個世紀，物理學家對時間作出過很多不同的定義，單獨來看，這些定義都各有其意義，然而有時它們又會做出互相矛盾的預測。這也是為何在過去的十年裡出現了眾多的爭論。
以量子隧穿為例，有物理學家認為，隧穿是不可能瞬間發生的，因為實驗設備具有天然的缺陷，因此你永遠不可能真的精確測得一個為0秒的過程；而有的物理學家則對「量子粒子在勢壘中存在的時間」是否是一個具有完整意義的概念都表示質疑。我們知道，量子粒子的一些屬性是不明確的，它們以概率的形式存在。如果把粒子想像成是一種在空間中擴散的波，它的確切位置是不確定的，例如它可能有50%的概率在這個位置，50%的概率在另一個位置。這些模糊的屬性使我們難以判斷粒子究竟是在何時「進入」或「離開」了勢壘。如此一來，也就無法判斷量子過程是在何時開始、何時停止的了。
所以究竟哪一個實驗結果是對的？或許它們都對。Litvinyuk對此就回應道，儘管他們為量子隧穿所需的時長描繪了兩幅截然不同的圖景，但他認為這兩個實驗結果之間並沒有什麼爭議或差異。因為他們所使用的時間定義實際上是不同的。
Steinberg表示，未來，他希望能更細緻地研究原子穿越勢壘的軌跡，從而得知粒子在勢壘的開端、之中、末尾所花的時間。而這其中也涵蓋了一個頗有爭議的問題，因為並不是所有的物理學家都認同原子「處於勢壘之內」的說法。
許多物理學家認為，量子理論表明，對一個量子系統進行的任何測量都會在本質上改變這個系統，從而阻礙我們了解客觀的現實。這種爭論被廣泛稱為量子力學的「測量問題」，它導致了對量子力學的許多解釋，還包括這樣一種觀點，即每當有人進行測量時，宇宙就會分裂成平行的分支。
儘管這兩個實驗結果都沒能徹底解決隧穿需要多長時間的問題，但它卻再次激起了自20世紀80年代以來便幾乎再無任何進展的關於對時間定義的爭論。那時的物理學家只能在理論上爭論對於時間的定義，缺乏可用來測量隧穿所需的時間的技術。但現在，物理學家有了兩種不同的用來測量隧穿時間的技術。分析和比較這兩種不同的系統，或將有助於物理學家更接近真相。
參考來源：
https://www.utoronto.ca/news/u-t-physicists-measure-duration-quantum-tunneling-first-time
https://www.wired.com/story/how-quickly-can-atoms-slip-ghost-like-through-barriers/
https://www.scientificamerican.com/article/quantum-tunneling-is-not-instantaneous-physicists-show/
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2490-7
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