物理学家表明，量子隧道不是瞬间的

虽然它不会让你越过砖墙，登上9/4站台去搭乘霍格沃茨快车，但量子隧道-在量子隧道中，粒子通过一个看似不可逾越的障碍-仍然是一个令人困惑的、违背直觉的现象。现在，多伦多的实验物理学家使用铷原子来研究这种效应，他们首次测量了这些原子通过障碍物的时间。他们的发现发表在7月22日的“自然”杂志上。

研究人员已经表明，量子隧道不是瞬时的-至少在某种程度上是对这一现象的思考-尽管最近的头条新闻暗示情况并非如此。“这是一个美丽的实验，”澳大利亚格里菲斯大学的伊戈尔·利特维纽克(Igor Litvinyuk)说，他从事量子隧道研究，但没有参与这次演示。“仅仅做到这一点就是一项英勇的努力。”

要欣赏量子隧道到底有多奇怪，可以考虑一个在平地上滚动的球，它遇到了一个小而圆的小山丘。接下来会发生什么取决于球的速度。要么它会到达顶端，然后从另一边滚下来，要么它会爬到半山腰，然后再滑下来，因为它没有足够的能量越过顶端。

然而，这种情况并不适用于量子世界中的粒子。即使一个粒子没有足够的能量越过山顶，有时它仍然会到达相反的一端。该研究的合著者、多伦多大学的Aephraim Steinberg说：“这就像是粒子在山下挖了一条隧道，然后出现在另一边。”

理解这种怪异之处最好的方法是用它的波函数来思考粒子，波函数是它的量子态的数学表示。波函数演化和扩展。它在任何时间点和空间点的振幅可以让你计算当场找到粒子的概率-如果你进行测量的话。根据定义，此概率可以在多个地方同时为非零。

如果粒子遇到能量屏障，这种遭遇会改变波函数的扩散，波函数开始在势垒内指数衰减。即便如此，其中一些会渗出，其振幅在障碍物的远侧也不会变为零。因此，仍然有一个有限的可能性，无论多么小，探测到的粒子超出势垒。

自20世纪20年代末以来，物理学家就已经知道了量子隧道效应。今天，这种现象是隧道二极管、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。

自从它被发现以来，实验者们一直在努力更清楚地了解隧道施工过程中到底发生了什么。例如，1993年，当时在加州大学伯克利分校(University of California，Berkeley)工作的斯坦伯格(Steinberg)、保罗·奎亚特(Paul Kwiat)和焦立中(Raymond Chiao)探测到了穿过光障的光子(一块特殊的玻璃，反射了99%的入射光子；其中1%通过了光障)。平均而言，隧穿光子比行进距离完全相同但没有障碍物阻挡的光子到达得更早。隧穿光子的速度似乎比光速还快。

仔细的分析表明，从数学上讲，它是隧道光子波函数的峰值(最有可能找到粒子的地方)，是以超光速运动的。然而，无障碍光子和隧穿光子的波函数的前沿同时到达它们的探测器，因此没有违反爱因斯坦的相对论。斯坦伯格说：“在没有信息或能量的情况下，波函数的峰值可以比光快。”

去年，Litvinyuk和他的同事们发表的结果显示，当氢原子中的电子受到外部电场的限制时，它们有时会穿透电场，这种电场的作用就像一个屏障。正如理论预测的那样，随着外场强度的振荡，隧穿电子的数量也在增加。研究小组确定，在势垒达到最小值和电子隧道通过的最大数量之间的时间延迟最多为1.8阿秒(1.8x10-18秒)。即使是以每秒约30万公里的速度传播的光，在一阿秒内也只能超过30万亿分之一米，或者说大约一个原子的大小。Litvinyuk说：“[时间延迟]可以是零，也可以是几个泽普秒(10-21秒)。”

一些媒体报道有争议地声称格里菲斯大学的实验表明隧道是瞬间发生的。这种混乱与隧道时间的理论定义有很大关系。研究小组测量的延迟类型当然几乎为零，但这一结果并不等同于说电子在势垒中没有花费时间。利特维纽克和他的同事们还没有研究过量子隧道的这一方面。

斯坦伯格的新实验声称可以做到这一点。他的团队测量了铷原子在穿过障碍物之前在障碍物中平均停留了多长时间。时间只有一毫秒的量级--远远谈不上瞬间。

斯坦伯格和他的同事首先将铷原子冷却到大约1纳米开尔文，然后用激光诱使它们向单一方向缓慢移动。然后，他们用另一种激光阻挡了这条路径，形成了一道大约1.3微米厚的光学屏障。诀窍是测量一个粒子在隧道通过时在障碍物中花费了多长时间。

为了做到这一点，该团队建造了一个所谓的Larmor时钟的版本，使用复杂的激光和磁场组合来操纵原子状态转换。原则上，事情是这样发生的：想象一个粒子，它的自旋点指向某个方向--把它想象成一个时钟指针。粒子遇到障碍物，其内部是一个磁场，使时钟指针旋转。粒子在障碍物中停留的时间越长，它与磁场的相互作用就越多，手的旋转也就越多。旋转的数量是对在障碍物中花费的时间的度量。

不幸的是，如果粒子与足够强的磁场相互作用，以正确编码经过的时间，它的量子态就会坍塌。这种崩溃会中断隧道传输过程。

因此，斯坦伯格的团队求助于一种被称为弱测量的技术：一组准备相同的铷原子接近障碍物。在势垒内部，原子会遇到一个微弱的磁场，而且几乎不会与之相互作用。这种弱相互作用不会扰乱隧穿。但它会导致每个原子的时钟指针移动一个不可预测的量，一旦该原子离开势垒，就可以测量到这个量。取整体的钟针位置的平均值，你会得到一个可以被解释为代表单个原子的正确值的数字-尽管人们永远不可能对单个原子进行这种测量。基于如此微弱的测量，研究人员发现，他们实验中的原子在势垒内的时间约为0.61毫秒。

他们还验证了量子力学的另一个奇怪的预测：隧穿粒子的能量越低，或运动越慢，它在势垒中花费的时间就越少。这一结果是违反直觉的，因为在我们对世界如何运转的日常观念中，一个较慢的粒子预计会在屏障中停留更长的时间。

Litvinyuk对时钟指针旋转的测量结果印象深刻。“我看不出这里面有什么漏洞，”他说。但他仍持谨慎态度。他说：“最终，它与隧道开挖时间的关系如何，仍有待解释。”

加州大学伯克利分校(University of California，Berkeley)的量子物理学家伊尔凡·西迪奇(Irfan Siddiqi)对这项实验的技术复杂性印象深刻。他说：“我们现在看到的是相当令人惊讶的，因为我们有工具来测试上个世纪的所有这些哲学沉思。”

萨蒂亚·赛纳德·昂杜尔蒂(Satya Sainadh Undurti)曾是利特维纽克团队的成员，现在海法的以色列理工学院工作，她对此表示赞同。“拉莫钟当然是询问隧道时间问题的正确方式，”他说。本文搭建的实验就是一种巧妙而干净利落的实现方式。

斯坦伯格承认，他的团队的解释将受到一些量子物理学家的质疑，特别是那些认为弱测量本身是可疑的人。尽管如此，他认为这个实验清楚地说明了隧道掘进的时间。“如果你使用正确的定义，它不是真正的瞬间。它可能会非常快，“他说。“我认为这仍然是一个重要的区别。”