物理学家们提出了一种测量粒子隧穿时间的新方法

2024年05月19日 10:18 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

在量子物理学中的一种神奇现象--隧道现象中,粒子的移动速度似乎超过了光速。然而,来自达姆施塔特工业大学的物理学家认为,直到现在,粒子隧穿所需的时间一直被错误地测量。他们提出了一种阻止量子粒子速度的新方法。

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在经典物理学中,有一些硬性规定是无法规避的。例如,如果一个滚动的小球没有足够的能量,它就无法越过一座山,而是会在到达山顶之前掉头,并逆转方向。在量子物理学中,这一原则并不那么严格:粒子即使没有足够的能量越过障碍,也可以通过障碍。它就像在隧道中滑动一样,因此这种现象也被称为"量子隧道"。这种听起来神奇的现象在技术上有着切实的应用,例如在闪存驱动器中。

过去,粒子以比光还快的速度通过隧道的实验曾引起过一些关注。毕竟,爱因斯坦的相对论不认可比光速更快的速度。因此,问题是在这些实验中,隧穿所需的时间是否被正确地"停止"了。来自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-吉塞(Enno Giese)采用了一种新方法来定义隧道粒子的"时间"。他们现在提出了一种测量这种时间的新方法。在他们的实验中,他们采用了一种他们认为更适合隧穿量子性质的方法来测量时间。他们在著名的《科学进展》(Science Advances)杂志上发表了他们的实验设计。

波粒二象性与量子隧道

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,它们的行为既像粒子,也像波。量子隧道突出了粒子的波特性。一个"波包"向障碍物滚动,就像一股水流。波的高度表示如果测量粒子的位置,粒子在该位置实现的概率。如果波包撞上能量屏障,部分波包会被反射。然而,一小部分会穿透屏障,粒子出现在屏障另一侧的概率很小。

重新评估隧道挖掘速度

以前的实验观察到,光粒子在隧道中的移动距离比自由路径的光粒子要长。因此,它的传播速度要比光快。然而,研究人员必须确定粒子通过后的位置。他们选择了粒子波包的最高点。

但粒子并不遵循经典意义上的路径,由于不可能准确说出粒子在某个特定时间的具体位置。因此,很难说出从 A 到 B 所需的时间。

沙赫和吉塞则以爱因斯坦的一句话为指导:"时间就是你从时钟上读到的东西",他们建议使用隧道粒子本身作为时钟。第二个不隧穿的粒子作为参照物。通过比较这两个天然时钟,就可以确定量子隧穿过程中时间的流逝是较慢、较快还是同样快。

粒子的波特性为这一方法提供了便利。波的振荡类似于时钟的振荡。具体来说,沙赫和吉塞提议使用原子作为时钟。原子的能级以一定频率振荡。用激光脉冲照射原子后,原子的能级开始同步振荡--原子钟开始工作。然而,在隧穿过程中,节奏会发生轻微变化。第二个激光脉冲会导致原子的两个内波发生干涉。通过检测这种干涉,可以测量出两个能级波之间的距离,进而精确测量出时间的流逝。

第二个原子不会隧穿,它是测量隧穿与非隧穿之间时间差的参照物。两位物理学家的计算表明,隧穿粒子的时间会稍有延迟。帕特里克-沙赫说:"进入隧道的时钟比另一个时钟稍早一些。这似乎与将超光速归因于隧道效应的实验相矛盾。"

原则上,利用当今的技术就可以进行这项测试,但这对实验人员来说是一项重大挑战。这是因为需要测量的时间差只有 10-26秒左右,时间极短。物理学家解释说,使用原子云而不是单个原子作为时钟是有帮助的。此外,还可以通过人为提高时钟频率等方法来放大这种效应。

吉塞补充说:"我们目前正在与实验同事讨论这一想法,并与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开展这项激动人心的实验。"

编译来源:ScitechDaily

DOI: 10.1126/sciadv.adl6078

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