物理学家发现量子力学的基本方程后不久,就发现了量子隧穿成为了该理论所允许的最奇怪的现象之一。
量子隧穿显示了电子等粒子与更大物体的差别很大。把球扔到墙上,球向后反弹;让它滚到山谷的底部,它留在那里。但粒子偶尔会穿过墙壁。正如两位物理学家在年《自然》杂志上写到的,它有可能“滑过山峰并从山谷中逃脱”,这是最早的量子隧穿描述之一。
物理学家很快发现,粒子穿过屏障的能力解决了许多谜团。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克服它们的相互排斥和融合,产生阳光。
但是物理学家对此感到好奇——最初是温和的,然后是病态的。他们想知道,粒子穿过屏障需要多长时间?
问题是答案没有道理。
量子隧穿时间的第一个初步计算是在年出版的。甚至更早的刺痛也可能是私下进行的,但是“一旦得到答案,您就无法理解,就不会发布它,”多伦多大学的物理学家艾弗莱姆·斯坦伯格(AephraimSteinberg)指出。
直到年,德克萨斯仪器(TI)公司的一位半导体工程师托马斯·哈特曼(ThomasHartman)撰写了一篇论文,明确包含了令人震惊的数学含义。
哈特曼发现障碍似乎是粒子前进的捷径。当有粒子穿过隧道时,与没有障碍物的情况相比,行程花费的时间更少。更令人惊讶的是,他计算得出,增厚屏障几乎不会增加粒子穿过它的时间。这意味着,在具有足够厚的屏障的情况下,粒子可以比在相同距离内穿过空白空间的光线更快地从一侧跳到另一侧。
简而言之,量子隧穿似乎允许比光速更快地传播,这在物理上是不可能的。
斯坦伯格说:“在发生哈特曼效应之后,人们开始担心了。”
讨论持续了数十年,部分原因是隧穿时间问题似乎在量子力学的一些最神秘的方面引起了争议。以色列魏兹曼科学研究所的理论物理学家埃利·波拉克(EliPollak)说:“这是时间问题的一部分,我们如何测量量子力学中的时间,以及它的意义是什么。”物理学家最终得出了至少10个关于隧穿时间的数学表达式,每个数学表达式都反映了对隧穿过程的不同观点。没有人解决这个问题。
但是,随着一系列精确的实验在实验室中精确测量隧穿时间的推动,隧穿时间问题正在卷土重来。
在7月《自然》杂志上报道的最受称赞的测量中,斯坦伯格在多伦多的小组使用了所谓的拉莫尔时钟法来测量铷原子穿过排斥激光场所花费的时间。
澳大利亚拉里夫斯大学物理学家伊戈尔·利特维努克(IgorLitvinyuk)说:“拉莫尔时钟是测量隧穿时间的最好、最直观的方法,并且是去年第一个很好地测量隧穿时间的实验。”
明尼苏达州康考迪亚学院的理论物理学家路易斯·曼佐尼(LuizManzoni)也发现拉莫尔时钟的测量令人信服。他说:“他们测量的实际上是隧道时间。”
最近的实验使得一个尚未解决的问题引起了新的