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粒子|量子隧穿实验揭示粒子如何打破光速( 二 )


最近的实验使人们重新注意到一个尚未解决的问题 。 在哈特曼发表论文后的60年里 ， 无论物理学家如何小心翼翼地重新定义隧穿时间 ， 或者在实验室里如何精确地进行测量 ， 他们都发现量子隧穿总是表现出哈特曼效应 。 量子隧穿几乎绝对是超光速的 。
“一个隧穿粒子怎么可能比光速还快？”利特文亚克说 ， “在进行测量之前 ， 这纯粹是理论上的推测 。 ”
什么时间？
隧穿时间很难精确测量 ， 因为现实本身就是如此 。 在宏观尺度上 ， 一个物体从A到B所需要的时间等于距离除以物体的速度 。 但是量子理论告诉我们 ， 同时精确地了解距离和速度是不可能的 。
在量子理论中 ， 一个粒子具有一系列可能的位置和速度 。 只有在测量时 ， 才能从这些选项中得出确定的属性 。 这一过程如何发生是物理学中最深刻的问题之一 。
因此 ， 在粒子撞击探测器之前 ， 它无处不在 ， 又处处都在 。 这使得我们很难判断粒子之前在某个地方（比如在某个势垒内）停留了多长时间 。 利特文亚克说：“你无法说明它在那里停留了多长时间 ， 因为它可以同时出现在两个地方 。 ”
为了在量子隧穿的背景下理解这个问题 ， 我们可以画一个钟形曲线来表示一个粒子的可能位置 。 这个钟形曲线称为波包（wave packet） ， 其中心位置是A 。 现在想象一下 ， 波包像海啸一样向势垒移动 。 量子力学方程描述了波包如何在碰到势垒时一分为二 。 大部分粒子反射回来 ， 朝向A运动 ， 但有一个较小的概率峰值会滑过屏障 ， 继续向B运动 。 因此 ， 这个粒子有机会被那里的探测器记录下来 。
然而 ， 当一个粒子到达B点时 ， 我们能否测量它的行程 ， 或者它在势垒中的时间？在这个粒子突然出现之前 ， 它是一个两部分的概率波——既反射又透射 。 它既进入了势垒又没有进入 。 “隧穿时间”的含义在这里变得模糊不清 。
然而 ， 任何从A点开始到B点结束的粒子都不可否认地会与两者之间的势垒相互作用 ， 而这种相互作用就像埃里·波拉克所说 ， “是时间上的东西” 。 问题在于 ， 究竟是多少时间？
20世纪90年代 ， 当斯坦伯格还是研究生时 ， 他就对量子隧穿时间问题有着“表面上的痴迷” 。 他解释说 ， 这个问题的根源在于时间的特殊性 。 物体有一定的属性 ， 比如质量或位置；但它们没有一个我们可以直接测量的内在“时间” 。 “我可以问你 ， ‘棒球的位置在哪里？’但是问‘棒球的时间是几点？’就没有意义了 ， ”斯坦伯格说 ， “时间不是任何粒子所拥有的属性 。 ”相反 ， 我们追踪世界上的其他变化 ， 比如时钟的滴答声（本质是位置的变化） ， 并将其中的增量称为时间 。
但是在量子隧穿的情况下 ， 粒子本身内部没有时钟 。 那么在测量时应该追踪哪些变化？物理学家已经发现了无数可能的隧穿时间衡量指标 。
隧穿时间
哈特曼 ， 以及在他之前于1932年进行尝试的勒罗伊·阿奇博尔德·麦科尔（LeRoy Archibald MacColl） ， 采用了最简单的方法来衡量量子隧穿所需的时间 。 哈特曼计算了在自由空间中的粒子与必须越过势垒的粒子从A点到B点最可能的时间之差 。 他通过考虑垒位如何改变透射波包峰值的位置 ， 使这一计算成为可能 。
但是 ， 除了暗示势垒可以使粒子加速以外 ， 这个方法还存在一个问题 。 你不能简单地比较一个粒子波包的初始峰值和最终峰值 。 计算粒子最有可能的出发时间（当钟形曲线的峰值位于A点）与最有可能的到达时间（当峰值达到B点）的差值并不能告诉你任何单个粒子的飞行时间 ， 因为在B点探测到的粒子并不一定从A点出发 。 在最初的概率分布中 ， 它可能处于任何位置 ， 包括钟形曲线的前端 ， 这里更接近势垒 。 这就给了它一个迅速到达B点的机会 。
粒子|量子隧穿实验揭示粒子如何打破光速


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