突破光速：量子隧穿之谜
突破光速：量子隧穿之谜
量子物理学中有一种神奇的现象叫做隧道效应，粒子的运动速度似乎比光速还快。然而，来自达姆施塔特工业大学的物理学家认为，到目前为止，粒子隧穿所需的时间一直是不正确的。他们提出了一种新的测量时间的方法，这可能会改变我们对量子隧穿效应的理解。
量子隧道效应示意图。Credit: SciTechDaily.com
据德国达姆施塔特工业大学（Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, Germany）2024年5月18日提供的消息，突破光速:量子穿隧之谜（Breaking Light Speed: The Quantum Tunneling Enigma）。
量子物理学中有一种神奇的现象叫做隧道效应（tunneling），粒子的运动速度似乎比光速还快。然而，来自达姆施塔特工业大学的物理学家认为，到目前为止，粒子隧穿所需的时间一直是不正确的。他们提出了一种阻止量子粒子速度的新方法。
在经典物理学中，有一些无法规避的严格定律。例如，如果一个滚动的球缺乏足够的能量，它就不能翻过小山;相反，它会在达到峰值之前回落。在量子物理学中，这个原理并没有那么严格。在这里，一个粒子可以通过一个障壁，即使它没有足够的能量越过障壁。它的行为就像在隧道中滑动，这就是为什么这种现象也被称为“量子穿隧效应”（“quantum tunneling”）。这不仅仅是理论上的魔法，这种现象有实际应用，比如在闪存驱动器的操作中。
量子穿隧效应和相对论
过去，粒子穿隧速度超过光速的实验引起了一些关注。毕竟，爱因斯坦的相对论（Einstein’s theory of relativity）禁止超光速。因此，问题是在这些实验中是否正确地“停止”了穿隧效应所需的时间。达姆施塔特工业大学的物理学家帕特里克·沙赫（Patrik Schach）和恩诺·吉斯（Enno Giese）采用了一种新的方法来定义穿隧粒子的时间。他们现在提出了一种新的测量时间的方法。在他们的实验中，他们用一种他们认为更适合穿隧效应的量子特性的方法来测量它。他们在著名的《科学进展》（Science Advances）杂志网站上2024年4月19日发表了他们的实验设计——Patrik Schach, Enno Giese. A unified theory of tunneling times promoted by Ramsey clocks.Science Advances, 2024, 10(16): eadl6078DOI: 10.1126/sciadv.adl6078. Pub Date: 19 Apr 2024.https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl6078.
波粒二象性和量子穿隧效应
根据量子物理学，原子或光粒子等小粒子具有双重性质。根据实验的不同，它们表现得像粒子或像波。量子穿隧效应强调粒子的波动性。一个“波包”（“wave packet”）卷向屏障，相当于一股汹涌的水。波的高度表示粒子在这个位置出现的概率，如果它的位置被测量。如果波包碰到能垒，部分会被反射。然而，有一小部分穿透了屏障，并且粒子出现在屏障另一侧的概率很小。
重新评估穿隧速度
先前的实验观察到，一个光粒子穿过隧道后比一个自由路径的光粒子走了更远的距离。因此它会比光传播得更快。然而，研究人员必须确定粒子通过后的位置。他们选择了波包的最高点。
“但是，粒子并不遵循经典意义上的路径，”恩诺·吉斯不赞成。因为不可能确切地说出粒子在某一特定时间的位置，这使得我们很难判断从A点到B点所需的时间。
隧穿时间测量的新方法
另一方面，帕特里克·沙赫和恩诺·吉斯则受到爱因斯坦的一句话的指导:时间就是你从时钟上读出的东西（“Time is what you read off a clock.”）。他们建议使用隧穿粒子本身作为时钟。第二个不隧穿的粒子作为参考。通过比较这两种自然时钟，可以确定在量子隧穿效应中时间的流逝是更慢、更快还是同样快。
粒子的波动特性有利于这种方法。波的振荡与时钟的振荡相似。具体来说，帕特里克·沙赫和恩诺·吉斯建议使用原子作为时钟。原子的能级以一定的频率振荡。在用激光脉冲对原子进行定位后，原子的能级开始振荡，同时原子钟启动。然而，在隧穿过程中，其节奏略有变化。第二个激光脉冲使原子的两个内部波相互干扰。探测到干扰使得测量两个能级波之间的距离成为可能，这反过来又精确地测量了隧穿经过的时间。
另一个不隧穿的原子作为参考来测量隧穿和非隧穿之间的时间差。两位物理学家的计算表明，隧穿粒子将显示出轻微的延迟时间。帕特里克·沙赫说，“被隧穿的时钟比另一个稍微年长一些。”这似乎与把超光速归因于隧道效应的实验相矛盾。
实施实验的挑战
帕特里克·沙赫说，原则上，这项测试可以用今天的技术进行，但这对实验者来说是一个主要的挑战。这是因为要测量的时间差只有10-26秒左右，这是一个非常短的时间。物理学家解释说，这有助于使用原子云而不是单个原子作为时钟。也有可能放大这种效应，例如通过人为地增加时钟频率。
恩诺·吉斯补充说：“我们目前正在与实验同事讨论这个想法，并与我们的项目合作伙伴保持联系。”很有可能很快就会有一个团队决定进行这项令人兴奋的实验。
本研究QUANTUS+和INTENTAS项目由德国航空航天中心（German Aerospace Center / Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt简称DLR）、德国联邦经济事务和气候行动部（Federal Ministry for Economic Affairs and Climate Action / Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz简称BMWK）、德国联邦经济事务和能源部（Federal Ministry of Economic Affairs and Energy / Bundesministerium für Wirtschaft und Energie简称BMWi）提供资助；也得到了德国研究基金会在CRC 1227 (DQ-mat)中提供墨卡托奖学金{German Research Foundation [Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)] for aMercator Fellowshipwithin CRC 1227 (DQ-mat)}的资助。
