大发体育比分-量子隧穿是瞬时的吗?

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  来源:原理

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

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