尽管你无法越过砖墙登上 9 号站台赶上霍格沃茨特快列车，但量子隧穿——粒子“隧穿”不可逾越的障碍——仍然是一个令人费解、违反直觉的现象。现在，多伦多的实验物理学家使用铷原子研究了这种效应，并首次测量了原子穿越障碍所花的时间。这项研究于 7 月 22 日发表在《自然》杂志上，表明至少在某种程度上，量子隧穿不是瞬时的。
神奇的量子隧道
“这是一个美丽的实验，”澳大利亚格里菲斯大学的量子隧道研究员伊戈尔·利特维努克说，“但做到这一点也需要付出英勇的努力。”
为了理解量子隧穿的奇妙之处，想象一下一个在平地上滚动的球遇到一个小而圆的小丘。
接下来会发生什么取决于球的速度。由于没有足够的能量越过山顶，它要么到达山顶然后从另一边滚下来，要么滑到半山腰然后滑下来。
但在量子世界中，粒子不会发生这种情况：即使粒子没有足够的能量越过小山顶，有时它仍然能够到达另一边。
多伦多大学的共同作者约翰内斯·施密特 ( ) 说：“这就好像粒子在山下挖了一条隧道，然后从另一边出来一样。”
从粒子的波函数角度可以更好地理解这种奇怪的现象。
波函数不断演化和扩散，其在时间和空间中任何一点的振幅都可以让你计算出当时找到粒子的概率。根据波函数的不同，这个概率可能在许多地方不止一次不为零。
如果粒子遇到势垒，波函数就会发生变化，在势垒内开始呈指数衰减。即便如此，一些粒子仍会泄漏出来，其振幅不会在势垒的另一侧变为零。因此，探测到穿过势垒的粒子的概率仍然有限网校头条，尽管这个概率很小。
超光速？
自 20 世纪 20 年代末以来，物理学家就已经发现了量子隧穿现象。如今，这一现象已成为隧道二极管、扫描隧道显微镜和用于量子计算的超导量子比特等设备的核心。
自这一发现以来，实验人员一直在努力更清楚地了解隧穿过程中发生的情况。例如，1993 年，当时就职于加州大学伯克利分校的 Paul Quiat 和 Joao 检测到了光子穿过光栅（一种特殊的玻璃，可反射 99% 的入射光子，而剩下的 1% 则进行隧穿）的隧穿。平均而言，隧穿光子比行进距离完全相同但未被光栅阻挡的光子更早到达。隧穿光子似乎比光速更快。
仔细分析后发现，从数学上讲，隧穿光子的波函数峰值比光速传播得更快。然而，不受阻碍的光子和隧穿光子的波函数前沿同时到达探测器，因此爱因斯坦的相对论并没有被违背。斯坦伯格说：“在信息或能量没有比光速传播得更快的情况下，波函数峰值的传播速度可以比光速快。”
去年，利特维努克和他的同事发表了研究结果，表明当氢原子中的电子被外部电场作为屏障限制时，它们偶尔会穿过它。随着外部场强度的振荡，隧穿电子的数量会增加，正如理论预测的那样。研究小组确定，屏障达到最小值和电子隧穿最大值之间的时间延迟最多为 1.8 阿秒。即使是以每秒约 30 万公里的速度传播的光，在一秒钟内也只能传播三十亿分之一米，或者大约一个原子的大小。
一些有争议的媒体报道称，格里菲斯大学的实验表明隧穿是瞬时的。这种混乱与隧穿时间的理论定义有很大关系。该团队测量的延迟类型当然接近于零，但结果与说电子在屏障中没有花费任何时间不同。利特维努克和他的同事没有研究量子隧穿的这个方面。
非瞬时
斯坦伯格的新实验声称可以做到这一点。他的团队测量了隧道中原子穿过屏障的平均时间。时间以毫秒为单位，几乎不是瞬间的。
斯坦伯格和他的同事首先将原子冷却到约 1 开尔文，并用激光诱导它们向一个方向缓慢移动。然后他们用另一束激光阻挡了那条路径，形成了一个约 1.3 微米厚的光学屏障。
为了测量粒子穿过屏障所花费的时间，研究小组构建了一个所谓的拉莫尔钟，使用激光和磁场的复杂组合来设计原子状态转变。
我们可以这样来思考拉莫尔钟：想象一个粒子，它的自旋指向某个方向，把它想象成一根钟针。粒子遇到一个障碍物，障碍物内部有一个磁场，钟针就会转动。粒子在障碍物内停留的时间越长，它与磁场的相互作用就越多，钟针转动得就越快。因此，旋转量可以作为时间的量度。
不幸的是，如果粒子与足够强的磁场相互作用，它的量子态就会崩溃，从而破坏隧穿过程。
因此时间空间物理学家，斯坦伯格的团队使用了一种称为弱测量的技术，其中屏障内的弱磁场不会干扰隧穿，但仍会导致原子的钟针不可预测地移动。因此，一旦该原子离开屏障，就可以进行测量。取整个钟针位置的平均值会给我们一个数字，该数字可以解释为单个原子的正确值。基于这种弱测量，研究人员发现他们实验中的原子在屏障内停留了大约 0.61 毫秒。
他们还证实了量子力学的另一个奇怪预测：能量越低或隧穿粒子的速度越慢，它在屏障中停留的时间就越短。这个结果是违反直觉的时间空间物理学家，因为在我们日常对世界运作方式的理解中，速度较慢的粒子应该在屏障中停留更长时间。
斯坦伯格承认，他的团队的解释会受到一些量子物理学家的质疑，尤其是那些认为弱测量本身就值得怀疑的人。不过，他认为实验表明，隧穿时间没有什么是确定的。“如果你使用正确的定义，它并不是瞬间发生的。它可以非常快，”他说。“我认为这仍然是一个重要的区别。”