北京時間 8 月 3 日消息，據(jù)國外媒體報道，所謂 “量子隧穿”（quantum tunneling）是指，一個粒子可以通過一條 “隧道”、穿過某個看似不可逾越的障礙。雖然量子隧穿效應(yīng)不會帶你穿過九又四分之三站臺的磚墻、登上霍格沃茨特快列車，但它始終是個令人迷惑、似乎與直覺相悖的現(xiàn)象。不過，多倫多的一些實驗物理學(xué)家近日首次測出了銣原子在穿越屏障過程中所花費的時間，研究結(jié)論發(fā)表在了 7 月 22 日的《自然》期刊上。
研究顯示，與近期一些新聞報道相反，量子隧穿并不是一種在瞬間發(fā)生的現(xiàn)象?！斑@是一次很美麗的實驗?！卑拇罄麃喐窭锓扑勾髮W(xué)的伊戈爾 · 利特文亞克指出。他也研究量子隧穿現(xiàn)象，不過并未參與此次研究，“僅僅開展此次實驗已經(jīng)是一項英勇的舉措了?！?/p>
要想理解量子隧穿現(xiàn)象是多么怪異，請你設(shè)想一個在平地上滾動的球。球滾著滾著，忽然遇到了一座圓形的小山丘。接下來會發(fā)生什么要取決于球滾動的速度。它要么會滾上山頂、然后從另一側(cè)滑下來；要么因能量不足，滾到一半就滾不動了，只好沿原路滾落。
不過，量子世界中的粒子并不會遇到這種情況。即使一個粒子所擁有的能量不足以攀上山頂，有時依然能抵達(dá)另一側(cè)山腳?！熬秃孟窳Ｗ釉谏降紫峦诹藯l隧道、然后從另一側(cè)鉆了出來一樣?！贝舜窝芯康墓餐髡?、多倫多大學(xué)的埃弗瑞姆 · 斯坦伯格指出。
要想理解這種怪異現(xiàn)象，最好從波函數(shù)角度來看待粒子。波函數(shù)是對粒子量子狀態(tài)的數(shù)學(xué)表達(dá)，會不斷演化和擴(kuò)展。利用波函數(shù)在任意時間點和空間點上的振幅，我們可以計算出在該時間點和空間點上找到該粒子的概率。根據(jù)其定義，這種概率在同一時間可以在多個位置上出現(xiàn)非零值。
若粒子遇上了一道能量屏障，粒子波函數(shù)的擴(kuò)展方式就會發(fā)生變化，開始在屏障內(nèi)部呈現(xiàn)指數(shù)級衰減。盡管如此，部分波函數(shù)還是會滲漏過去，其振幅在屏障的另一側(cè)并不會衰減至零。這樣一來，盡管概率很低，但還是有可能在屏障另一側(cè)探測到這個粒子。
自上世紀(jì) 20 年代晚期，物理學(xué)家便已經(jīng)知道了量子隧穿現(xiàn)象的存在。如今，該現(xiàn)象已經(jīng)成為了隧道二極管、掃描隧道顯微鏡、以及量子計算所用的超導(dǎo)量子比特等設(shè)備的核心。
自發(fā)現(xiàn)該效應(yīng)以來，實驗學(xué)家便一直想弄清量子隧穿的過程中究竟發(fā)生了什么。例如，1993 年，當(dāng)時同在加州大學(xué)伯克利分校的斯坦伯格、保羅 · 奎亞特和雷蒙德 · 齊奧探測到了穿過一道光線屏障的光子。這道屏障由一片特殊的玻璃制成，能夠反射 99% 的入射光子，還有 1% 的光子穿透了過去。與穿行了相同距離、但路上并未受阻的光子相比，從屏障中隧穿過去的光子到達(dá)的時間平均更早。也就是說，隧穿的光子的運動速度似乎超過了光速。
詳盡分析顯示，從數(shù)學(xué)角度來看，隧穿光子的波函數(shù)的波峰（即最可能找到粒子之處）的確會做超光速運動。不過，自由傳播的光子和隧穿光子的波函數(shù)的最前端到達(dá)探測器的時間是相同的，因此沒有違背愛因斯坦相對論?！安ê瘮?shù)的波峰的運動速度可以超過光速，不會造成信息或能量傳播速度超過光速的問題?！彼固共裰赋?。
利特文亞克和同事們?nèi)ツ臧l(fā)表的研究結(jié)果顯示，當(dāng)氫原子中的電子受到一個外電場（相當(dāng)于屏障）制約時，它們偶爾能穿過電場逃出去。隨著外電場的強(qiáng)度不斷振蕩，穿越過去的電子數(shù)量也會隨之增減，與理論預(yù)測一致。該研究團(tuán)隊證明，屏障強(qiáng)度達(dá)到最低值與隧穿電子數(shù)量達(dá)到最高值之間的時延最多為 1.8 阿秒（即 1.8 x 10–18 秒）。在 1 阿秒之內(nèi)，即使是光線也只能傳播一億分之三米，相當(dāng)于一個原子的直徑?！斑@段時延可能干脆就是零，或者可以以仄秒（10–21 秒）為單位計算?！崩匚膩喛酥赋?。
一些媒體報道稱，這項由格里菲斯大學(xué)開展的實驗說明，隧穿現(xiàn)象是在瞬息之間發(fā)生的。但這種說法并不準(zhǔn)確，可能在很大程度上與科學(xué)家對隧穿時間的理論定義有關(guān)。該團(tuán)隊測出的時延的確近似于零，但并不代表著電子在屏障內(nèi)部傳播的時間為零。利特文亞克和同事們尚未對量子隧穿的這一方面展開研究。
而斯坦伯格的新實驗正是從這一點入手的。他的團(tuán)隊對銣原子穿過屏障之前、在屏障內(nèi)部所耗的平均時長進(jìn)行了測量。而測得的時間長達(dá)毫秒級，絕不能用 “瞬息之間”來形容。
斯坦伯格和同事們先是將銣原子冷卻到 1 納開爾文左右，然后用激光使它們朝著一個方向緩慢移動。接著，他們用另一道激光擋住了銣原子的去路，創(chuàng)造了一道約 1.3 微米厚的光學(xué)屏障。關(guān)鍵在于，要測出一個粒子在穿過屏障之前、究竟在屏障內(nèi)部停留了多長時間。
為此，該團(tuán)隊制作了一臺所謂的 Larmor 鐘，利用一系列復(fù)雜的激光和磁場來操縱原子態(tài)的躍遷。理論上來說，應(yīng)該會發(fā)生如下情況：假設(shè)一個粒子原本在沿固定方向旋轉(zhuǎn)，就像鐘表的指針一樣。接著，這個粒子突然遇上了一道屏障，屏障中有一個磁場，導(dǎo)致 “指針”開始轉(zhuǎn)動。粒子在屏障內(nèi)部停留得越久，與磁場相互作用的時間就越長，“指針”轉(zhuǎn)動的幅度就越大。通過測量 “指針”轉(zhuǎn)動的幅度，便可得出粒子在屏障內(nèi)部運動的時長。
然而，假如與粒子相互作用的磁場強(qiáng)度足夠大、讓科學(xué)家可以準(zhǔn)確算出粒子在屏障內(nèi)部的耗時，其量子態(tài)便會坍塌，對粒子的隧穿過程造成干擾。
因此，斯坦伯格的團(tuán)隊采用了一種名叫 “弱測量”的手段：讓一組狀態(tài)完全相同的銣原子同時到達(dá)屏障，進(jìn)入屏障后，這些原子會與一個弱磁場發(fā)生微弱的相互作用。這種相互作用并不會對原子隧穿造成干擾，但會導(dǎo)致每個原子的 “指針”以無法預(yù)測的幅度發(fā)生轉(zhuǎn)動。一旦這些原子離開屏障，便可測得其 “指針”的轉(zhuǎn)動幅度。取所有原子 “指針”轉(zhuǎn)動幅度的平均值，便可將其理解為單個原子的代表值。以這種 “弱測量”手段為基礎(chǔ)，研究人員發(fā)現(xiàn)，實驗中的原子在屏障內(nèi)部所耗的時長約為 0.61 毫秒。
他們還驗證了量子力學(xué)的另一條奇怪預(yù)言：隧穿粒子的能量越低、或者運動速度越慢，在屏障內(nèi)部的耗時就越短。這一結(jié)論看上去與直覺相悖，因為按照我們對日常生活的認(rèn)知，速度越慢的粒子在屏障內(nèi)部的運動時間應(yīng)當(dāng)越長才對。
此次研究中對粒子 “指針”旋轉(zhuǎn)幅度的測量方式令利特文亞克大感震撼?！拔視簳r沒看出什么漏洞?！钡廊槐３种?jǐn)慎態(tài)度，“不過，這與粒子隧穿時長之間的關(guān)聯(lián)還需要進(jìn)一步解讀?！?/p>
加州大學(xué)伯克利分校的量子物理學(xué)家伊爾凡 · 薩迪奇則對此次實驗采用技術(shù)的精密程度感到震驚?！拔覀冋谀慷靡豁椓瞬黄鸬某删?。如今我們終于擁有了合適的工具，可以對上世紀(jì)的各項哲學(xué)思考展開驗證?！?/p>
利特文亞克研究的共同作者薩特亞 · 塞納達(dá) · 恩德爾提也贊同這一點：“Larmor 鐘無疑是解答隧穿時間問題的正確方法。此次實驗的設(shè)計非常巧妙?！?/p>
斯坦伯格也承認(rèn)，他們團(tuán)隊對實驗結(jié)果的解讀必然會遭到一些量子物理學(xué)家的質(zhì)疑，特別是那些對 “弱測量”方式持懷疑態(tài)度的科學(xué)家。盡管如此，他仍認(rèn)為此次實驗明確揭示了一些隧穿時長的真相?！叭绻捎谜_的定義，那么量子隧穿現(xiàn)象絕不是在瞬間發(fā)生的，只是速度極快而已，這兩者之間有著關(guān)鍵區(qū)別?！?/p>
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