物理学家们提出了一种测量粒子隧穿时间的新方法

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