量子隧道显示粒子可以打破光速

量子力学的基本方程刚被发现，物理学家就发现了该理论允许的最奇怪的现象之一。

“量子隧道”展示了像电子这样的粒子与更大的物体有多么深刻的不同。向墙上扔一个球，它会向后反弹；让它滚到谷底，它就会呆在那里。但偶尔会有粒子跳过墙。正如两位物理学家1928年在“自然”杂志上所写的那样，它有机会“滑过山脉，从山谷中逃脱”，这是对隧道挖掘的最早描述之一。

物理学家很快发现，粒子穿越障碍物的能力解开了许多谜团。它解释了各种化学键和放射性衰变，以及太阳中的氢核如何能够克服它们的相互排斥和融合，产生阳光。

但是物理学家变得好奇了--起初是温和的，后来是病态的。他们想知道，粒子穿过障碍物需要多长时间？

隧道掘进时间的第一次试算出现在1932年的印刷本上。多伦多大学的物理学家埃夫拉姆·斯坦伯格(Aephraim Steinberg)指出，即使是早先的刺伤事件也可能是私下进行的，但“当你得到一个你无法理解的答案时，你就不会公布它。”

直到1962年，德州仪器公司(Texas Instruments)的半导体工程师托马斯·哈特曼(Thomas Hartman)才写了一篇论文，明确地接受了这一数学的令人震惊的含义。

哈特曼发现障碍似乎是一条捷径。当粒子通过隧道时，旅行所需的时间比没有障碍物时要短。更令人惊讶的是，他计算出，加厚障碍物几乎不会增加粒子穿越该障碍物所需的时间。这意味着，有了足够厚的障碍物，粒子从一边跳到另一边的速度可以比同样距离的光在空白空间中传播的速度更快。

斯坦伯格说：“在哈特曼效应之后，人们就开始担心了。”

这场讨论持续了几十年，部分原因是隧道时间问题似乎触及了量子力学中一些最神秘的方面。以色列魏兹曼科学研究所(Weizmann Institute Of Science)的理论物理学家伊莱·波拉克(Eli Pollak)说，“这是一个普遍问题的一部分，即什么是时间，我们如何在量子力学中测量时间，以及它的意义是什么。”物理学家最终推导出了至少10个不同的隧道时间数学表达式，每个表达式反映了对隧道过程的不同观点。没有一个人解决了这个问题。

但隧道时间的问题正在卷土重来，一系列在实验室中精确测量隧道时间的专家实验推动了这一问题的卷土重来。

在7月份“自然”杂志上报道的迄今最受赞誉的测量中，斯坦伯格在多伦多的团队使用了所谓的拉莫钟方法来测量铷原子通过排斥激光场所需的时间。

澳大利亚格里菲斯大学(Griffith University)物理学家伊戈尔·利特维纽克(Igor Litvinyuk)说，“拉莫钟是测量隧道时间的最好、最直观的方法，而这个实验是第一个非常精确地测量隧道时间的方法。”去年，他在“自然”(Nature)杂志上报告了另一种隧道时间的测量方法。

明尼苏达州康科迪亚学院的理论物理学家路易斯·曼佐尼(Luiz Manzoni)也认为拉莫钟的测量结果令人信服。他说：“他们真正衡量的是隧道开挖时间。”

最近的实验使人们对一个悬而未决的问题产生了新的关注。自从哈特曼发表论文以来的60年里，无论物理学家多么仔细地重新定义了隧穿时间，或者他们在实验室里测量得多么精确，他们都发现量子隧穿总是表现出哈特曼效应。隧道工程似乎是无可救药的、强劲的超光速。

“(隧穿粒子)怎么可能比光速还快？”利特维纽克说。“在测量完成之前，这纯粹是理论上的。”

在宏观尺度上，物体从A到B需要多长时间，简单地说就是距离除以物体的速度。但是量子理论告诉我们，距离和速度的精确知识是被禁止的。

在量子理论中，粒子有一系列可能的位置和速度。在这些选项中，确定的属性在测量的瞬间以某种方式具体化。这是如何发生的，这是最深刻的问题之一。

其结果是，在粒子撞击探测器之前，它无处不在，没有特别之处。这使得我们很难判断粒子之前在某个地方停留了多长时间，比如在障碍物内。“你不能说它在那里呆了多长时间，”利特维纽克说，“因为它可以同时在两个地方。”

要在隧穿的背景下理解这个问题，可以想象一条钟形曲线，表示粒子的可能位置。这条钟形曲线，叫做波包，位于位置A的中心。现在想象一下，波包像海啸一样向障碍物移动。量子力学方程描述了波包在碰到障碍物时是如何一分为二的。其中大部分会反射，朝A方向飞回，但有一个较小的概率峰值滑过障碍物，继续朝B方向移动。因此，粒子有机会在那里的探测器中登记。

但是，当一个粒子到达B时，关于它的行程，或者它在势垒中的时间，我们能说些什么呢？在它突然出现之前，粒子是一个由两部分组成的概率波-既有反射的，也有透射的。它既进入了障碍，又没有进入。“掘进时间”的含义变得不清楚。

然而，不可否认，任何从A开始到B结束的粒子都会与中间的障碍物相互作用，正如波拉克所说，这种相互作用“在时间上是有意义的”。问题是，那是几点了？

斯坦伯格在20世纪90年代还是一名研究生时就对隧道时间问题“似乎有一种痴迷”，他解释说，这个问题源于时间的特殊性质。物体有一定的特性，比如质量或位置。但是它们没有我们可以直接测量的内在“时间”。“我可以问你，‘美国棒球的位置是什么？’但是问‘美国棒球比赛时间是几点？’是没有意义的。“。斯坦伯格说。“时间不是任何粒子都拥有的属性。”取而代之的是，我们跟踪世界上的其他变化，比如时钟的滴答声(最终是位置的变化)，并将这些时间增量称为时间增量。

但是在隧道情况下，粒子内部没有时钟。那么，应该跟踪哪些更改呢？物理学家们已经发现了无数可能的隧道时间替代物。

哈特曼(和他之前的勒罗伊·阿奇博尔德·麦科尔在1932年)采用了最简单的方法来测量隧道开挖需要多长时间。哈特曼计算了在自由空间中从A到B的粒子与必须穿越障碍物的粒子最有可能到达的时间之差。他是通过考虑栅栏如何移动传输的波包的峰值位置来做到这一点的。

但这种方法有一个问题，除了它奇怪的建议，即障碍物会加速粒子的速度。你不能简单地比较粒子波包的初始峰值和最终峰值。计时粒子最有可能离开的时间(钟形曲线的峰值位于A)和最可能到达的时间(峰值达到B)之间的差异并不能告诉你任何单个粒子的飞行时间，因为在B处检测到的粒子并不一定从A开始。它在初始概率分布中的任何地方都存在，包括它的前尾，它离障碍物要近得多。这给了它一个快速到达B的机会。

由于粒子的精确轨迹是不可知的，研究人员寻求了一种更具概率性的方法。他们考虑了这样一个事实，即在波包撞上障碍物之后，每个瞬间都有一定的概率粒子在障碍物内(也有一些可能性不在)。然后，物理学家将每个瞬间的概率相加，得出平均隧穿时间。

至于如何测量概率，从20世纪60年代末开始，人们构思了各种思维实验，在这些实验中，“时钟”可以附加到粒子本身。如果每个粒子的时钟只在障碍物中滴答作响，而你读到许多传输的粒子的时钟，它们将显示一系列不同的时间。但是平均数给出了隧道时间。

当然，所有这一切说起来容易做起来难。最近“自然”杂志论文的主要作者拉蒙·拉莫斯(Ramón Ramos)说：“他们只是想出一些疯狂的想法来衡量这一次，他们认为这永远不会发生。”“现在科学进步了，我们很高兴能让这个实验成为现实。”

虽然物理学家从20世纪80年代就开始测量隧道开挖时间，但最近超精密测量的兴起始于2014年，在瑞士联邦理工学院乌苏拉·凯勒(Ursula Keller)的实验室里。她的团队使用所谓的钟表来测量隧道时间。在凯勒的钟表中，来自氦原子的电子遇到了一个势垒，这个势垒就像钟表的指针一样在原地旋转。当势垒处于某一方向时，电子通常会隧穿--在钟表上称其为中午时分。然后，当电子从势垒中出现时，它们会被踢向一个取决于当时势垒排列的方向。为了测量隧穿时间，凯勒的团队测量了大多数隧穿事件开始的正午时间和大多数出射电子的角度之间的角度差。他们测量了50阿秒的差异，或者说十亿分之一秒的差异。

然后在2019年报告的工作中，Litvinyuk的团队通过从氦原子切换到更简单的氢原子，改进了凯勒的钟表实验。他们测量到的时间更短，最多只有两个阿秒，这表明隧道效应几乎是瞬间发生的。

但自那以后，一些专家得出结论，时钟测量的持续时间并不能很好地反映隧道时间。曼佐尼去年发表了一份对测量结果的分析，他说，这种方法的缺陷与哈特曼的隧道时间定义类似：事后看来，几乎立即从势垒隧道中钻出的电子可以说已经领先了一步。

与此同时，斯坦伯格、拉莫斯和他们在多伦多的同事大卫·施皮林斯和伊莎贝尔·瑞西科进行了一项更有说服力的实验。

这种可供选择的方法利用了这样一个事实，即许多粒子具有一种称为自旋的本征磁性。旋转就像一支只能测量向上或向下的箭。但在测量之前，它可以指向任何方向。正如爱尔兰物理学家约瑟夫·拉莫(Joseph Larmor)在1897年发现的那样，当粒子处于磁场中时，自旋的角度会旋转或“进动”。多伦多的研究小组利用这个进动来充当时钟的指针，这种时钟被称为拉莫钟(Larmor Clock)。

研究人员使用激光束作为障碍物，并打开其内部的磁场。然后，他们准备了自旋沿特定方向排列的铷原子，并将原子向势垒漂移。接下来，他们测量了从另一边出来的原子的自旋。测量任何单个原子的自旋总是会得到“向上”或“向下”的平淡无奇的答案。但一遍又一遍地测量，收集到的测量结果将揭示原子在势垒内时自旋的角度平均前进了多少，因此它们通常在那里停留了多长时间。

研究人员报告说，铷原子在障碍物内的平均时间为0.61毫秒，与20世纪80年代理论上预测的拉莫钟时间一致。这比原子在自由空间中移动所需的时间要短。斯坦伯格说，因此，计算表明，如果你把势垒变得真的很厚，加速会让原子以比光速更快的速度从一边隧道到另一边。

1907年，阿尔伯特·爱因斯坦意识到，他的全新相对论必然会使超光速通信变得不可能。想象一下两个人，爱丽丝和鲍勃，高速分开。由于相对性，他们的时钟显示不同的时间。一个结果是，如果爱丽丝向鲍勃发送一个超光速信号，鲍勃立即向爱丽丝发送超光速回复，鲍勃的回复可能会在爱丽丝发送她的初始消息之前到达她那里。爱因斯坦写道：“所取得的效果将先于事业。”

专家们普遍认为，挖隧道并不能真正打破因果关系，但对于不能打破因果关系的确切原因，目前还没有达成共识。斯坦伯格说：“我觉得我们对此并没有完全统一的思考方式。”“这里面有一个谜团，而不是一个悖论。”

一些正确的猜测是错误的。曼佐尼在21世纪初听说了超光速隧道问题后，与一位同事一起重新进行了计算。他们认为，如果计入相对论效应(快速运动粒子的时间会减慢)，他们会看到隧道效应降至亚光速。曼佐尼说：“令我们惊讶的是，那里也有可能有超光速隧道。”“事实上，在相对论量子力学中，这个问题更为严重。”

研究人员强调，只要不允许超光速信号，超光速隧道效应就不是问题。这在某种程度上类似于让爱因斯坦苦恼的“远距离幽灵行动”。诡异作用指的是相距遥远的粒子被“纠缠”的能力，因此对其中一个粒子的测量立即决定了两者的性质。远距离粒子之间的这种即时连接不会造成悖论，因为它不能用来从一个粒子到另一个粒子发出信号。

然而，考虑到人们对远距离怪异行为的担忧程度，令人惊讶的是，人们对超光速隧道效应几乎没有大惊小怪。在剑桥大学研究隧道时间问题的格蕾丝·菲尔德(Grace Field)说，“使用隧道技术，你要处理的不是两个独立的系统，它们的状态以这种可怕的方式联系在一起。”“你面对的是一个在太空中旅行的单一系统。在这种情况下，它几乎比纠缠更怪异。“

在9月份发表在《新物理杂志》上的一篇论文中，波拉克和两位同事认为，超光速隧穿不允许超光速信号，这是出于统计原因：尽管穿越极厚的障碍物的隧穿发生得非常快，但通过这样的障碍物发生隧穿事件的可能性非常低。信号员总是喜欢通过空闲空间发送信号。

然而，为什么你不能用数以吨计的粒子轰击超厚的障碍物，希望其中一个能以超光速通过呢？难道仅仅一个粒子就足以传达你的信息并打破物理学吗？斯坦伯格同意这种情况的统计观点，他认为单个隧穿粒子不能传递信息。信号需要细节和结构，任何发送详细信号的尝试都会比通过不可靠的屏障更快地通过空中发送。

波拉克说，这些问题是未来研究的主题。“我相信斯坦伯格的实验将推动更多的理论。这会导致什么结果，我不知道。“。

思考将与更多的实验同时进行，包括斯坦伯格清单上的下一个实验。他说，通过将磁场定位在障碍物的不同区域内，他和他的团队计划“不仅探测粒子在障碍物中停留的时间，还计划探测粒子在障碍物中的哪些地方停留。”理论计算预测，铷原子的大部分时间都花在了屏障的入口和出口附近，但在中间的时间很少。“这有点令人惊讶，一点也不直观，”拉莫斯说。

通过探索许多隧穿粒子的平均经验，研究人员正在描绘一幅比一个世纪前量子力学先驱们从未预料到的更生动的图景，描绘出“山中”发生的事情。在斯坦伯格看来，这些进展清楚地表明，尽管量子力学有着奇怪的名声，但“当你看到一个粒子最终在哪里时，它确实给了你更多关于它以前做过什么的信息。”