量子隧穿是瞬时的吗？

本文来自公众号：原理（ID：principia1687），作者：哼宝，题图来自：NASA

一

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。

二

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。

三

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。

四

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。

五

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。

许多物理学家认为，量子理论表明，对一个量子系统进行的任何测量都会在本质上改变这个系统，从而阻碍我们了解客观的现实。这种争论被广泛称为量子力学的“测量问题”，它导致了对量子力学的许多解释，还包括这样一种观点，即每当有人进行测量时，宇宙就会分裂成平行的分支。

尽管这两个实验结果都没能彻底解决隧穿需要多长时间的问题，但它却再次激起了自20世纪80年代以来便几乎再无任何进展的关于对时间定义的争论。那时的物理学家只能在理论上争论对于时间的定义，缺乏可用来测量隧穿所需的时间的技术。但现在，物理学家有了两种不同的用来测量隧穿时间的技术。分析和比较这两种不同的系统，或将有助于物理学家更接近真相。

参考来源：

https://www.utoronto.ca/news/u-t-physicists-measure-duration-quantum-tunneling-first-time

https://www.wired.com/story/how-quickly-can-atoms-slip-ghost-like-through-barriers/

https://www.scientificamerican.com/article/quantum-tunneling-is-not-instantaneous-physicists-show/

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2490-7

本文来自公众号：原理（ID：principia1687），作者：哼宝