科学家最新证明：量子隧穿并不是一种瞬间发生的现象
北京时间 8 月 3 日消息，据国外媒体报道，所谓 “量子隧穿”（quantum tunneling）是指，一个粒子可以通过一条 “隧道”、穿过某个看似不可逾越的障碍。虽然量子隧穿效应不会带你穿过九又四分之三站台的砖墙、登上霍格沃茨特快列车，但它始终是个令人迷惑、似乎与直觉相悖的现象。不过，多伦多的一些实验物理学家近日首次测出了铷原子在穿越屏障过程中所花费的时间，研究结论发表在了 7 月 22 日的《自然》期刊上。
研究显示，与近期一些新闻报道相反，量子隧穿并不是一种在瞬间发生的现象。“这是一次很美丽的实验。”澳大利亚格里菲斯大学的伊戈尔 · 利特文亚克指出。他也研究量子隧穿现象，不过并未参与此次研究，“仅仅开展此次实验已经是一项英勇的举措了。”
要想理解量子隧穿现象是多么怪异，请你设想一个在平地上滚动的球。球滚着滚着，忽然遇到了一座圆形的小山丘。接下来会发生什么要取决于球滚动的速度。它要么会滚上山顶、然后从另一侧滑下来；要么因能量不足，滚到一半就滚不动了，只好沿原路滚落。
不过，量子世界中的粒子并不会遇到这种情况。即使一个粒子所拥有的能量不足以攀上山顶，有时依然能抵达另一侧山脚。“就好像粒子在山底下挖了条隧道、然后从另一侧钻了出来一样。”此次研究的共同作者、多伦多大学的埃弗瑞姆 · 斯坦伯格指出。
要想理解这种怪异现象，最好从波函数角度来看待粒子。波函数是对粒子量子状态的数学表达，会不断演化和扩展。利用波函数在任意时间点和空间点上的振幅，我们可以计算出在该时间点和空间点上找到该粒子的概率。根据其定义，这种概率在同一时间可以在多个位置上出现非零值。
若粒子遇上了一道能量屏障，粒子波函数的扩展方式就会发生变化，开始在屏障内部呈现指数级衰减。尽管如此，部分波函数还是会渗漏过去，其振幅在屏障的另一侧并不会衰减至零。这样一来，尽管概率很低，但还是有可能在屏障另一侧探测到这个粒子。
自上世纪 20 年代晚期，物理学家便已经知道了量子隧穿现象的存在。如今，该现象已经成为了隧道二极管、扫描隧道显微镜、以及量子计算所用的超导量子比特等设备的核心。
自发现该效应以来，实验学家便一直想弄清量子隧穿的过程中究竟发生了什么。例如，1993 年，当时同在加州大学伯克利分校的斯坦伯格、保罗 · 奎亚特和雷蒙德 · 齐奥探测到了穿过一道光线屏障的光子。这道屏障由一片特殊的玻璃制成，能够反射 99% 的入射光子，还有 1% 的光子穿透了过去。与穿行了相同距离、但路上并未受阻的光子相比，从屏障中隧穿过去的光子到达的时间平均更早。也就是说，隧穿的光子的运动速度似乎超过了光速。
详尽分析显示，从数学角度来看，隧穿光子的波函数的波峰（即最可能找到粒子之处）的确会做超光速运动。不过，自由传播的光子和隧穿光子的波函数的最前端到达探测器的时间是相同的，因此没有违背爱因斯坦相对论。“波函数的波峰的运动速度可以超过光速，不会造成信息或能量传播速度超过光速的问题。”斯坦伯格指出。
利特文亚克和同事们去年发表的研究结果显示，当氢原子中的电子受到一个外电场（相当于屏障）制约时，它们偶尔能穿过电场逃出去。随着外电场的强度不断振荡，穿越过去的电子数量也会随之增减，与理论预测一致。该研究团队证明，屏障强度达到最低值与隧穿电子数量达到最高值之间的时延最多为 1.8 阿秒（即 1.8 x 10–18 秒）。在 1 阿秒之内，即使是光线也只能传播一亿分之三米，相当于一个原子的直径。“这段时延可能干脆就是零，或者可以以仄秒（10–21 秒）为单位计算。”利特文亚克指出。
一些媒体报道称，这项由格里菲斯大学开展的实验说明，隧穿现象是在瞬息之间发生的。但这种说法并不准确，可能在很大程度上与科学家对隧穿时间的理论定义有关。该团队测出的时延的确近似于零，但并不代表着电子在屏障内部传播的时间为零。利特文亚克和同事们尚未对量子隧穿的这一方面展开研究。
而斯坦伯格的新实验正是从这一点入手的。他的团队对铷原子穿过屏障之前、在屏障内部所耗的平均时长进行了测量。而测得的时间长达毫秒级，绝不能用 “瞬息之间”来形容。
斯坦伯格和同事们先是将铷原子冷却到 1 纳开尔文左右，然后用激光使它们朝着一个方向缓慢移动。接着，他们用另一道激光挡住了铷原子的去路，创造了一道约 1.3 微米厚的光学屏障。关键在于，要测出一个粒子在穿过屏障之前、究竟在屏障内部停留了多长时间。
为此，该团队制作了一台所谓的 Larmor 钟，利用一系列复杂的激光和磁场来操纵原子态的跃迁。理论上来说，应该会发生如下情况：假设一个粒子原本在沿固定方向旋转，就像钟表的指针一样。接着，这个粒子突然遇上了一道屏障，屏障中有一个磁场，导致 “指针”开始转动。粒子在屏障内部停留得越久，与磁场相互作用的时间就越长，“指针”转动的幅度就越大。通过测量 “指针”转动的幅度，便可得出粒子在屏障内部运动的时长。
然而，假如与粒子相互作用的磁场强度足够大、让科学家可以准确算出粒子在屏障内部的耗时，其量子态便会坍塌，对粒子的隧穿过程造成干扰。
因此，斯坦伯格的团队采用了一种名叫 “弱测量”的手段：让一组状态完全相同的铷原子同时到达屏障，进入屏障后，这些原子会与一个弱磁场发生微弱的相互作用。这种相互作用并不会对原子隧穿造成干扰，但会导致每个原子的 “指针”以无法预测的幅度发生转动。一旦这些原子离开屏障，便可测得其 “指针”的转动幅度。取所有原子 “指针”转动幅度的平均值，便可将其理解为单个原子的代表值。以这种 “弱测量”手段为基础，研究人员发现，实验中的原子在屏障内部所耗的时长约为 0.61 毫秒。
他们还验证了量子力学的另一条奇怪预言：隧穿粒子的能量越低、或者运动速度越慢，在屏障内部的耗时就越短。这一结论看上去与直觉相悖，因为按照我们对日常生活的认知，速度越慢的粒子在屏障内部的运动时间应当越长才对。
此次研究中对粒子 “指针”旋转幅度的测量方式令利特文亚克大感震撼。“我暂时没看出什么漏洞。”但他依然保持着谨慎态度，“不过，这与粒子隧穿时长之间的关联还需要进一步解读。”
加州大学伯克利分校的量子物理学家伊尔凡 · 萨迪奇则对此次实验采用技术的精密程度感到震惊。“我们正在目睹一项了不起的成就。如今我们终于拥有了合适的工具，可以对上世纪的各项哲学思考展开验证。”
利特文亚克研究的共同作者萨特亚 · 塞纳达 · 恩德尔提也赞同这一点：“Larmor 钟无疑是解答隧穿时间问题的正确方法。此次实验的设计非常巧妙。”
斯坦伯格也承认，他们团队对实验结果的解读必然会遭到一些量子物理学家的质疑，特别是那些对 “弱测量”方式持怀疑态度的科学家。尽管如此，他仍认为此次实验明确揭示了一些隧穿时长的真相。“如果采用正确的定义，那么量子隧穿现象绝不是在瞬间发生的，只是速度极快而已，这两者之间有着关键区别。”
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