物理學家證明 量子隧穿並不是一種瞬間發生的現象
2020年08月03日10:04

  8月3日消息,據國外媒體報導,所謂“量子隧穿”(quantum tunneling)是指,一個粒子可以通過一條“隧道”、穿過某個看似不可踰越的障礙。雖然量子隧穿效應不會帶你穿過九又四分之三站台的磚牆、登上霍格沃茨特快列車,但它始終是個令人迷惑、似乎與直覺相悖的現象。不過,多倫多的一些實驗物理學家近日首次測出了銣原子在穿越屏障過程中所花費的時間,研究結論發表在了7月22日的《自然》期刊上。

  研究顯示,與近期一些新聞報導相反,量子隧穿並不是一種在瞬間發生的現象。“這是一次很美麗的實驗。”澳州格里菲斯大學的伊戈爾·利特文亞克指出。他也研究量子隧穿現象,不過並未參與此次研究,“僅僅開展此次實驗已經是一項英勇的舉措了。”

  要想理解量子隧穿現像是多麼怪異,請你設想一個在平地上滾動的球。球滾著滾著,忽然遇到了一座圓形的小山丘。接下來會發生什麼要取決於球滾動的速度。它要麼會滾上山頂、然後從另一側滑下來;要麼因能量不足,滾到一半就滾不動了,只好沿原路滾落。

  不過,量子世界中的粒子並不會遇到這種情況。即使一個粒子所擁有的能量不足以攀上山頂,有時依然能抵達另一側山腳。“就好像粒子在山底下挖了條隧道、然後從另一側鑽了出來一樣。”此次研究的共同作者、多倫多大學的埃弗瑞姆·斯坦伯格指出。

  要想理解這種怪異現象,最好從波函數角度來看待粒子。波函數是對粒子量子狀態的數學表達,會不斷演化和擴展。利用波函數在任意時間點和空間點上的振幅,我們可以計算出在該時間點和空間點上找到該粒子的概率。根據其定義,這種概率在同一時間可以在多個位置上出現非零值。

  若粒子遇上了一道能量屏障,粒子波函數的擴展方式就會發生變化,開始在屏障內部呈現指數級衰減。儘管如此,部分波函數還是會滲漏過去,其振幅在屏障的另一側並不會衰減至零。這樣一來,儘管概率很低,但還是有可能在屏障另一側探測到這個粒子。

  自上世紀20年代晚期,物理學家便已經知道了量子隧穿現象的存在。如今,該現像已經成為了隧道二極管、掃瞄隧道顯微鏡、以及量子計算所用的超導量子比特等設備的核心。

  自發現該效應以來,實驗學家便一直想弄清量子隧穿的過程中究竟發生了什麼。例如,1993年,當時同在加州大學伯克利分校的斯坦伯格、保羅·奎亞特和雷蒙德·齊奧探測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製成,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、但路上並未受阻的光子相比,從屏障中隧穿過去的光子到達的時間平均更早。也就是說,隧穿的光子的運動速度似乎超過了光速。

  詳盡分析顯示,從數學角度來看,隧穿光子的波函數的波峰(即最可能找到粒子之處)的確會做超光速運動。不過,自由傳播的光子和隧穿光子的波函數的最前端到達探測器的時間是相同的,因此沒有違背愛因斯坦相對論。“波函數的波峰的運動速度可以超過光速,不會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去年發表的研究結果顯示,當氫原子中的電子受到一個外電場(相當於屏障)製約時,它們偶爾能穿過電場逃出去。隨著外電場的強度不斷振盪,穿越過去的電子數量也會隨之增減,與理論預測一致。該研究團隊證明,屏障強度達到最低值與隧穿電子數量達到最高值之間的時延最多為1.8阿秒(即1.8 x 10–18秒)。在1阿秒之內,即使是光線也只能傳播一億分之三米,相當於一個原子的直徑。“這段時延可能乾脆就是零,或者可以以仄秒(10–21 秒)為單位計算。”利特文亞克指出。

  一些媒體報導稱,這項由格里菲斯大學開展的實驗說明,隧穿現像是在瞬息之間發生的。但這種說法並不準確,可能在很大程度上與科學家對隧穿時間的理論定義有關。該團隊測出的時延的確近似於零,但並不代表著電子在屏障內部傳播的時間為零。利特文亞克和同事們尚未對量子隧穿的這一方面展開研究。

  而斯坦伯格的新實驗正是從這一點入手的。他的團隊對銣原子穿過屏障之前、在屏障內部所耗的平均時長進行了測量。而測得的時間長達毫秒級,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,然後用激光使它們朝著一個方向緩慢移動。接著,他們用另一道激光擋住了銣原子的去路,創造了一道約1.3微米厚的光學屏障。關鍵在於,要測出一個粒子在穿過屏障之前、究竟在屏障內部停留了多長時間。

  為此,該團隊製作了一台所謂的Larmor鍾,利用一系列複雜的激光和磁場來操縱原子態的躍遷。理論上來說,應該會發生如下情況:假設一個粒子原本在沿固定方向旋轉,就像鍾表的指針一樣。接著,這個粒子突然遇上了一道屏障,屏障中有一個磁場,導致“指針”開始轉動。粒子在屏障內部停留得越久,與磁場相互作用的時間就越長,“指針”轉動的幅度就越大。通過測量“指針”轉動的幅度,便可得出粒子在屏障內部運動的時長。

  然而,假如與粒子相互作用的磁場強度足夠大、讓科學家可以準確算出粒子在屏障內部的耗時,其量子態便會坍塌,對粒子的隧穿過程造成干擾。

  因此,斯坦伯格的團隊採用了一種名叫“弱測量”的手段:讓一組狀態完全相同的銣原子同時到達屏障,進入屏障後,這些原子會與一個弱磁場發生微弱的相互作用。這種相互作用並不會對原子隧穿造成干擾,但會導致每個原子的“指針”以無法預測的幅度發生轉動。一旦這些原子離開屏障,便可測得其“指針”的轉動幅度。取所有原子“指針”轉動幅度的平均值,便可將其理解為單個原子的代表值。以這種“弱測量”手段為基礎,研究人員發現,實驗中的原子在屏障內部所耗的時長約為0.61毫秒。

  他們還驗證了量子力學的另一條奇怪預言:隧穿粒子的能量越低、或者運動速度越慢,在屏障內部的耗時就越短。這一結論看上去與直覺相悖,因為按照我們對日常生活的認知,速度越慢的粒子在屏障內部的運動時間應當越長才對。

  此次研究中對粒子“指針”旋轉幅度的測量方式令利特文亞克大感震撼。“我暫時沒看出什麼漏洞。”但他依然保持著謹慎態度,“不過,這與粒子隧穿時長之間的關聯還需要進一步解讀。”

  加州大學伯克利分校的量子物理學家伊爾凡·薩迪奇則對此次實驗採用技術的精密程度感到震驚。“我們正在目睹一項了不起的成就。如今我們終於擁有了合適的工具,可以對上世紀的各項哲學思考展開驗證。”

  利特文亞克研究的共同作者薩特亞·塞納達·恩德爾提也讚同這一點:“Larmor鍾無疑是解答隧穿時間問題的正確方法。此次實驗的設計非常巧妙。”

  斯坦伯格也承認,他們團隊對實驗結果的解讀必然會遭到一些量子物理學家的質疑,特別是那些對“弱測量”方式持懷疑態度的科學家。儘管如此,他仍認為此次實驗明確揭示了一些隧穿時長的真相。“如果採用正確的定義,那麼量子隧穿現象絕不是在瞬間發生的,只是速度極快而已,這兩者之間有著關鍵區別。”(葉子)

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