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粒子|量子隧穿实验揭示粒子如何打破光速( 四 )


研究人员报告称 ， 铷原子在势垒内的平均时间为0.61毫秒 ， 与20世纪80年代理论预测的拉莫尔钟时间一致 。 这比原子在自由空间中运动的时间还要短 。 因此 ， 这些计算表明 ， 如果势垒足够厚 ， 加速会使原子隧穿的速度比光速还快 。
谜题而非悖论
阿尔伯特·爱因斯坦在1907年意识到 ， 他提出的相对论使超越光速的通信成为不可能 。 想象两个人 ， 爱丽丝和鲍勃 ， 以极高的速度分开 。 由于相对论 ， 他们各自的钟表报时不同 。 一个结果是 ， 如果爱丽丝向鲍勃发送一个比光还快的信号 ， 而鲍勃立即向爱丽丝发送一个超光速的回复 ， 那么鲍勃的回复就能在爱丽丝发送初始信息之前到达她那里 。 “已经实现的效果先于原因 ， ”爱因斯坦写道 。
专家们普遍相信 ， 量子隧穿并没有真正打破因果关系 ， 但对于为什么不会的确切原因还没有达成共识 。 “我觉得我们对这个问题的看法并不是完全统一的 ， ”斯坦伯格说 ， “这是一个谜 ， 而不是悖论 。 ”
有些很好的猜想被证明是错误的 。 曼佐尼在21世纪初听说超光速隧穿问题后 ， 与一位同事重新对此进行了计算 。 他们认为 ， 如果考虑相对论效应（对于快速移动的粒子 ， 时间会变慢） ， 隧道效应会降至亚光速 。 “让我们惊讶的是 ， 超光速隧穿也是可能存在的 ， ”曼佐尼说 ， “事实上 ， 这个问题在相对论量子力学中更为极端 。 ”
研究人员强调 ， 只要不允许发出超光速信号 ， 超光速隧穿就不是问题 。 这一点与爱因斯坦感到困惑的“鬼魅般的超距作用”类似 。 超距作用指的是相距遥远的粒子具有相互“纠缠”的能力 ， 因此对一个粒子的测量可以同时确定两个粒子的属性 。 这种远距离粒子之间的即时联系并不会产生矛盾 ， 因为它不能用来从一个粒子向另一个粒子发送信号 。
不过令人惊讶的是 ， 相比物理学家对超距作用的绝望程度 ， 对超光速隧穿的研究却很少令人过于惊诧 。 “对于量子隧穿 ， 你不是在处理两个独立的系统 ， 它们的状态也不是以一种令人毛骨悚然的方式联系在一起 ， ”在剑桥大学研究隧穿时间问题的格雷斯·菲尔德（Grace Field）说 ， “你是在处理一个在空间中行进的单一系统 。 在某种程度上 ， 它似乎比纠缠状态还要古怪 。 ”
在一篇发表在9月份《新物理学期刊》（New Journal of Physics）上的论文中 ， 埃里·波拉克和两位同事认为 ， 超光速隧穿之所以不允许发送超光速信号 ， 是出于统计学的原因：尽管在极厚势垒中发生的隧穿非常快 ， 但这种事件发生的概率是极其低的 。 信号发送者总是倾向于通过自由空间发送信号 。
但是 ， 为什么不能在超厚势垒上爆炸大量的粒子 ， 希望其中一个能以超光速通过呢？难道仅仅一个粒子就不足以传达信息并打破物理学定律吗？斯坦伯格赞同这种情况的统计学观点 ， 但认为单个隧穿粒子无法传递信息 。 一个信号需要细节和结构 ， 在尝试发送任何一个详细信号时 ， 通过空气发送总是比通过一个不可靠的势垒更快 。
波拉克表示 ， 这些问题将是未来研究的主题 ， “我相信斯坦伯格的实验将会推动更多的理论 。 未来研究会通向哪里 ， 我不知道 。 ”
这些思考将带来更多的实验 ， 有些实验已经在斯坦伯格的计划清单上 。 他表示 ， 通过确定磁势垒中不同区域的磁场位置 ， 他的团队计划探测的“不仅包括粒子在势垒中停留了多长时间 ， 还包括粒子是在势垒中哪里停留的” 。 理论计算预测 ， 铷原子大部分时间都在势垒的入口和出口附近 ， 但在势垒中间的时间很少 。 “这有点令人惊讶 ， 一点也不符合直觉 ， ”雷蒙·拉莫斯说道 。
通过探索大量隧穿粒子的平均经历 ， 研究人员描绘出了一幅关于势垒内部的画面 ， 比量子力学先驱在一个世纪前所预期的还要生动形象 。 在斯坦伯格看来 ， 尽管量子力学给人以不可思议的印象 ， 但这些进展让人们明白了一点：“当你看到一个粒子在哪里结束时 ， 你就会知道它之前在做什么 。 ”（任天）


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