量子隧穿允许粒子绕过能量障碍。人们提出了一种新的方法来测量粒子隧穿所需的时间，这可能会挑战之前关于超光速隧穿速度的断言。这种方法包括使用原子作为时钟来检测细微的时间差异。来源:SciTechDaily.com
量子物理学中有一种神奇的现象叫做隧道效应，粒子的运动速度似乎比光速还快。然而，来自达姆施塔特的物理学家认为，到目前为止，粒子隧穿所需的时间一直是不正确的。他们提出了一种阻止量子粒子速度的新方法。
在经典物理学中，有一些无法规避的硬性规则。例如，如果一个滚动的球没有足够的能量，它就不会翻过小山，而会在到达山顶之前转过身来，并改变方向。在量子物理学中，这一原理就没有那么严格了:一个粒子可以通过一个屏障，即使它没有足够的能量来越过它。它就像在隧道中滑动一样，这就是为什么这种现象也被称为“量子隧道”。听起来很神奇的东西其实有切实的技术应用，比如闪存驱动器。
量子隧道和相对论
过去，粒子隧穿速度超过光速的实验引起了一些关注。毕竟，爱因斯坦的相对论禁止超光速。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。达姆施塔特工业大学的物理学家Patrik Schach和Enno Giese采用了一种新的方法来定义隧穿粒子的“时间”。他们现在提出了一种新的测量时间的方法。在他们的实验中，他们用一种他们认为更适合隧道的量子特性的方法来测量它。他们在著名的《科学进展》杂志上发表了他们的实验设计。
波粒二象性和量子隧穿
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，它们表现得像粒子或像波。量子隧穿强调粒子的波动性质。一个“波包”向屏障翻滚，相当于一股汹涌的水流。波的高度表示粒子在这个位置出现的概率，如果它的位置被测量。如果波包碰到能垒，部分会被反射。然而，有一小部分穿透了屏障，并且粒子出现在屏障另一侧的概率很小。
稀土元素评估隧道速度
先前的实验观察到，一个光粒子穿过隧道后比一个自由路径的光粒子走了更远的距离。因此它会比光传播得更快。然而，研究人员必须确定粒子通过后的位置。他们选择了波包的最高点。
“但是粒子并不遵循经典意义上的路径，”Enno Giese说。不可能确切地说出粒子在某一特定时间的位置。这使得我们很难判断从A点到B点所需的时间。
隧道时间测量的新方法
另一方面，Schach和Giese则以阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)的一句话为指导:“时间就是你从时钟上读出的东西。”他们建议使用隧穿粒子本身作为时钟。第二个不隧穿的粒子作为参考。通过比较这两种自然时钟，可以确定在量子隧穿过程中时间的流逝是更慢、更快还是同样快。
粒子的波动特性有利于这种方法。波的振荡与时钟的振荡相似。具体来说，Schach和Giese建议使用原子作为时钟。原子的能级以一定的频率振荡。在用激光脉冲定位一个原子之后，它的能级开始同步振荡——原子钟启动了。然而，在隧穿过程中，节奏略有变化。第二个激光脉冲使原子的两个内部波相互干扰。探测到干扰使得测量两个能级波之间的距离成为可能，这反过来又精确地测量了经过的时间。
另一个不隧穿的原子作为参考来测量隧穿和非隧穿之间的时间差。两位物理学家的计算表明，隧穿粒子将显示出轻微的延迟时间。帕特里克·沙赫(Patrik Schach)说:“被挖出隧道的时钟比另一个稍微老一点。”这似乎与把超光速归因于隧道效应的实验相矛盾。
实施实验的挑战
沙赫说，原则上，这项测试可以用今天的技术进行，但这对实验者来说是一个重大挑战。这是因为要测量的时间差只有10-26秒左右，这是一个非常短的时间。物理学家解释说，这有助于使用原子云而不是单个原子作为时钟。也有可能放大这种效应，例如通过人为地增加时钟频率。
“我们目前正在与实验同事讨论这个想法，并与我们的项目合作伙伴保持联系，”吉泽补充说。很有可能很快就会有一个团队决定进行这项令人兴奋的实验。
参考文献:“拉姆齐时钟推动的隧道时间统一理论”，Patrik Schach和Enno Giese, 2024年4月19日，《科学进展》。DOI: 10.1126 / sciadv.adl6078
