【新浪科技综合】量子隧穿是瞬时的吗？新浪科技综合2020-08-13 17:55:560阅
来源：原理
1927年 ， 德国物理学家弗里德里希·洪德（Friedrich Hund）在研究原子是如何结合形成分子时 ， 发现了量子世界中的一个极为神秘的现象：在某些特定条件下 ， 像原子、电子和其他量子尺度的粒子可以“穿越”本该不可逾越的障碍 ， 像幽灵一样穿“墙”而过 。
这些量子粒子所穿越的 ， 其实并不是是一个物质性的障碍 ， 而是可以限制这些粒子的势垒 。 例如一个被捕获的电子可以在不受外界影响的情况下逃脱束缚 ， 就像一个高尔夫球从球场的一个洞中突然消失 ， 再无缘无故地出现在另一个洞中 。
这种奇怪的现象 ， 就是量子隧穿 。
量子隧穿效应在许多过程中都起到了关键作用 ， 例如它使得太阳核心中的氢核可以靠得足够近 ， 从而聚变形成氦 ， 释放出光子 ， 如果没有量子隧穿效应 ， 太阳可能永远无法发出这些光子 。 自发现以来 ， 物理学家对这一有悖直觉的效应已有了较好的理解 ， 并将它用作于一些技术的基础 ， 例如量子计算技术 ， 以及能够成像单个原子的扫描隧道显微镜技术 。
然而 ， 对于量子隧穿过程中的一些细节 ， 物理学家们仍不甚了解 ， 例如量子隧穿的发生需要多长时间？这是一项难度非常大的任务 ， 因为量子隧穿过程所设计的时间尺度非常之小 ， 这对实验中用于计时的时钟的准确度和精确度将有着极高的要求 。
这一问题终于在2019年迎来了重大突破 。 由澳大利亚格里菲斯大学的物理学家Igor Litvinyuk领导的研究团队 ， 测得了氢原子中的电子隧穿出原子的速度 。
在实验中 ， 他们使用极短的激光脉冲照向原子 ， 这轻微地扰动了电子 ， 增加了电子隧穿的可能性 。 接着 ， 他们测量了激光脉冲的亮度何时达到峰值 ， 并假设这便是电子开始隧穿的时刻；当电子隧穿出原子时 ， 他们会测量电子的逃逸速度和方向 ， 再利用这些信息计算出它是何时从势垒的另一边出现的 。
最终他们测得 ， 电子在不超过1.8阿托秒的时间内就从原子中隧穿而出 ， 这是极短的一段时间 ， 即便是光 ， 在这段时间内也只能行进十亿分之几米 。 有人认为 ， 这几乎意味着 ， 量子隧穿过程是瞬间发生的 。 但这种说法其实存在争议 。 因为虽然从这项研究中 ， 物理学家测得的时间长度几乎为0 ， 但并不等同于说电子在势垒中存在的时间为0 。 而且关于电子在势垒中存在的时长问题 ， 在这项研究中并没有得到检测 。
【【新浪科技综合】量子隧穿是瞬时的吗？新浪科技综合2020-08-13 17:55:560阅】现在 ， 故事似乎有了新的进展 ， 由多伦多大学的物理学家Aephraim Steinberg领导的研究团队在《自然》杂志上发表了一篇新的研究 ， 报告了他们通过计算原子在一个势垒中存在的时长 ， 测得了量子隧穿所需的时间 。
在新的实验中 ， 研究人员利用蓝色激光构成的势垒 ， 将超冷的铷原子推入了激光势垒 。 他们通过利用原子的自旋 ， 将原子自身制成了微型的“秒表” 。 这些原子就像是一个个微小的旋转着的陀螺 ， 当它们通过磁场时 ， 陀螺的主干会稳定地绕圈摆动 。 通过跟追踪原子在磁场中的摆动方向 ， 就可以追踪时间 。 他们创造了一个只存在于势垒中的磁场 ， 测量了原子在进入这个势垒之前和之后的摆动位置 ， 然后根据测量结果计算出原子在这个激光势垒中大约停留了0.61毫秒 ， 然后才从另一侧“跳”了出来 。
这样的实验结果表明 ， 量子隧穿的持续时间并不为0 ， 而且势垒的厚度和原子的速度决定了原子在其中停留的时长 。
究竟哪个实验结果更接近真相？隧穿效应是接近瞬间发生 ， 还是需要若干毫秒的时间？这个问题或许没有简单的答案 。
这两种实验结果之间的差异 ， 源自于长期以来量子物理学对于如何在纳米尺度定义时间的争论 。 在过去一个世纪 ， 物理学家对时间作出过很多不同的定义 ， 单独来看 ， 这些定义都各有其意义 ， 然而有时它们又会做出互相矛盾的预测 。 这也是为何在过去的十年里出现了众多的争论 。
以量子隧穿为例 ， 有物理学家认为 ， 隧穿是不可能瞬间发生的 ， 因为实验设备具有天然的缺陷 ， 因此你永远不可能真的精确测得一个为0秒的过程；而有的物理学家则对“量子粒子在势垒中存在的时间”是否是一个具有完整意义的概念都表示质疑 。 我们知道 ， 量子粒子的一些属性是不明确的 ， 它们以概率的形式存在 。 如果把粒子想象成是一种在空间中扩散的波 ， 它的确切位置是不确定的 ， 例如它可能有50%的概率在这个位置 ， 50%的概率在另一个位置 。 这些模糊的属性使我们难以判断粒子究竟是在何时“进入”或“离开”了势垒 。 如此一来 ， 也就无法判断量子过程是在何时开始、何时停止的了 。
所以究竟哪一个实验结果是对的？或许它们都对 。 Litvinyuk对此就回应道 ， 尽管他们为量子隧穿所需的时长描绘了两幅截然不同的图景 ， 但他认为这两个实验结果之间并没有什么争议或差异 。 因为他们所使用的时间定义实际上是不同的 。
Steinberg表示 ， 未来 ， 他希望能更细致地研究原子穿越势垒的轨迹 ， 从而得知粒子在势垒的开端、之中、末尾所花的时间 。 而这其中也涵盖了一个颇有争议的问题 ， 因为并不是所有的物理学家都认同原子“处于势垒之内”的说法 。
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