北京時(shí)間 8 月 3 日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，所謂 “量子隧穿”(quantum tunneling)是指，一個(gè)粒子可以通過一條 “隧道”、穿過某個(gè)看似不可逾越的障礙。雖然量子隧穿效應(yīng)不會(huì)帶你穿過九又四分之三站臺(tái)的磚墻、登上霍格沃茨特快列車，但它始終是個(gè)令人迷惑、似乎與直覺相悖的現(xiàn)象。不過，多倫多的一些實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家近日首次測(cè)出了銣原子在穿越屏障過程中所花費(fèi)的時(shí)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(bào)道相反，量子隧穿并不是一種在瞬間發(fā)生的現(xiàn)象。“這是一次很美麗的實(shí)驗(yàn)。”澳大利亞格里菲斯大學(xué)的伊戈?duì)?· 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(shí)驗(yàn)已經(jīng)是一項(xiàng)英勇的舉措了。”
要想理解量子隧穿現(xiàn)象是多么怪異，請(qǐng)你設(shè)想一個(gè)在平地上滾動(dòng)的球。球滾著滾著，忽然遇到了一座圓形的小山丘。接下來會(huì)發(fā)生什么要取決于球滾動(dòng)的速度。它要么會(huì)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(dòng)了，只好沿原路滾落。
不過，量子世界中的粒子并不會(huì)遇到這種情況。即使一個(gè)粒子所擁有的能量不足以攀上山頂，有時(shí)依然能抵達(dá)另一側(cè)山腳。“就好像粒子在山底下挖了條隧道、然后從另一側(cè)鉆了出來一樣。”此次研究的共同作者、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(duì)粒子量子狀態(tài)的數(shù)學(xué)表達(dá)，會(huì)不斷演化和擴(kuò)展。利用波函數(shù)在任意時(shí)間點(diǎn)和空間點(diǎn)上的振幅，我們可以計(jì)算出在該時(shí)間點(diǎn)和空間點(diǎn)上找到該粒子的概率。根據(jù)其定義，這種概率在同一時(shí)間可以在多個(gè)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(huì)發(fā)生變化，開始在屏障內(nèi)部呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)衰減。盡管如此，部分波函數(shù)還是會(huì)滲漏過去，其振幅在屏障的另一側(cè)并不會(huì)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(cè)到這個(gè)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(cè)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(shí)間平均更早。也就是說，隧穿的光子的運(yùn)動(dòng)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(huì)做超光速運(yùn)動(dòng)。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(cè)器的時(shí)間是相同的，因此沒有違背愛因斯坦相對(duì)論。“波函數(shù)的波峰的運(yùn)動(dòng)速度可以超過光速，不會(huì)造成信息或能量傳播速度超過光速的問題。”斯坦伯格指出。
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(gè)外電場(chǎng)(相當(dāng)于屏障)制約時(shí)，它們偶爾能穿過電場(chǎng)逃出去。隨著外電場(chǎng)的強(qiáng)度不斷振蕩，穿越過去的電子數(shù)量也會(huì)隨之增減，與理論預(yù)測(cè)一致。該研究團(tuán)隊(duì)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(shí)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(gè)原子的直徑。“這段時(shí)延可能干脆就是零，或者可以以仄秒(10–21秒)為單位計(jì)算。”利特文亞克指出。
一些媒體報(bào)道稱，這項(xiàng)由格里菲斯大學(xué)開展的實(shí)驗(yàn)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(duì)隧穿時(shí)間的理論定義有關(guān)。該團(tuán)隊(duì)測(cè)出的時(shí)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(shí)間為零。利特文亞克和同事們尚未對(duì)量子隧穿的這一方面展開研究。
而斯坦伯格的新實(shí)驗(yàn)正是從這一點(diǎn)入手的。他的團(tuán)隊(duì)對(duì)銣原子穿過屏障之前、在屏障內(nèi)部所耗的平均時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行了測(cè)量。而測(cè)得的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)毫秒級(jí)，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(gè)方向緩慢移動(dòng)。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(cè)出一個(gè)粒子在穿過屏障之前、究竟在屏障內(nèi)部停留了多長(zhǎng)時(shí)間。
為此，該團(tuán)隊(duì)制作了一臺(tái)所謂的 Larmor 鐘，利用一系列復(fù)雜的激光和磁場(chǎng)來操縱原子態(tài)的躍遷。理論上來說，應(yīng)該會(huì)發(fā)生如下情況：假設(shè)一個(gè)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(gè)粒子突然遇上了一道屏障，屏障中有一個(gè)磁場(chǎng)，導(dǎo)致 “指針”開始轉(zhuǎn)動(dòng)。粒子在屏障內(nèi)部停留得越久，與磁場(chǎng)相互作用的時(shí)間就越長(zhǎng)，“指針”轉(zhuǎn)動(dòng)的幅度就越大。通過測(cè)量 “指針”轉(zhuǎn)動(dòng)的幅度，便可得出粒子在屏障內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的時(shí)長(zhǎng)。
然而，假如與粒子相互作用的磁場(chǎng)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(shí)，其量子態(tài)便會(huì)坍塌，對(duì)粒子的隧穿過程造成干擾。
因此，斯坦伯格的團(tuán)隊(duì)采用了一種名叫 “弱測(cè)量”的手段：讓一組狀態(tài)完全相同的銣原子同時(shí)到達(dá)屏障，進(jìn)入屏障后，這些原子會(huì)與一個(gè)弱磁場(chǎng)發(fā)生微弱的相互作用。這種相互作用并不會(huì)對(duì)原子隧穿造成干擾，但會(huì)導(dǎo)致每個(gè)原子的 “指針”以無法預(yù)測(cè)的幅度發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。一旦這些原子離開屏障，便可測(cè)得其 “指針”的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度。取所有原子 “指針”轉(zhuǎn)動(dòng)幅度的平均值，便可將其理解為單個(gè)原子的代表值。以這種 “弱測(cè)量”手段為基礎(chǔ)，研究人員發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中的原子在屏障內(nèi)部所耗的時(shí)長(zhǎng)約為 0.61 毫秒。
他們還驗(yàn)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(yùn)動(dòng)速度越慢，在屏障內(nèi)部的耗時(shí)就越短。這一結(jié)論看上去與直覺相悖，因?yàn)榘凑瘴覀儗?duì)日常生活的認(rèn)知，速度越慢的粒子在屏障內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)時(shí)間應(yīng)當(dāng)越長(zhǎng)才對(duì)。
此次研究中對(duì)粒子 “指針”旋轉(zhuǎn)幅度的測(cè)量方式令利特文亞克大感震撼。“我暫時(shí)沒看出什么漏洞。”但他依然保持著謹(jǐn)慎態(tài)度，“不過，這與粒子隧穿時(shí)長(zhǎng)之間的關(guān)聯(lián)還需要進(jìn)一步解讀。”
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(duì)此次實(shí)驗(yàn)采用技術(shù)的精密程度感到震驚。“我們正在目睹一項(xiàng)了不起的成就。如今我們終于擁有了合適的工具，可以對(duì)上世紀(jì)的各項(xiàng)哲學(xué)思考展開驗(yàn)證。”
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(diǎn)：“Larmor 鐘無疑是解答隧穿時(shí)間問題的正確方法。此次實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)非常巧妙。”
斯坦伯格也承認(rèn)，他們團(tuán)隊(duì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解讀必然會(huì)遭到一些量子物理學(xué)家的質(zhì)疑，特別是那些對(duì) “弱測(cè)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(shí)驗(yàn)明確揭示了一些隧穿時(shí)長(zhǎng)的真相。“如果采用正確的定義，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。”
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