量子力学的奇特规则允许粒子偶尔穿过看似不可穿透的屏障,这称为量子隧穿效应。在量子力学的基本方程发现后,物理学家就发现了允许这样奇怪的现象存在。
“量子隧穿”表明诸如电子之类的粒子与宏观的物体完全不同。向墙扔一个球,球会向后反弹;要使球越过一屏障,需要球从此屏障顶上越过。但是,粒子有时会直接穿过屏障。
粒子这种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、太阳中的氢核如何克服它们的相互排斥和融合而产生阳光,等。
但是,粒子穿过屏障具体需要多长时间?这是物理学家们一直想认知的问题。这个问题首先于年有第一个初步的计算。直到年,德州仪器(TI)的一位半导体工程师、托马斯·哈特曼(ThomasHartman)撰写了一篇明确包含数学含义、令人震惊的论文。
该论文指出,当粒子穿过隧道时,与没有障碍的情况相比,所花费的时间更少。他计算得出,加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,粒子可以从一侧跳到另一侧的速度比在相同距离内穿过空白空间的光还要快。
这在物理上是不可能的。讨论持续了数十年,部分原因是穿隧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:“这是什么是时间,我们如何在量子力学中测量时间以及它的含义的普遍问题的一部分。”
随着一系列精确的实验在实验室中精确测量穿隧时间,穿隧时间问题又提到物理学家们的研究课题上。
在今年7月《自然》杂志上报道的广受称赞的测量中,多伦多大学物理学家艾弗莱姆·斯坦伯格(AephraimSteinberg)研究小组使用了一种称为拉莫尔时钟(Larmorclock)法,来测量铷原子穿过排斥激光场所花费的时间。
去年在《自然》杂志上报道另一种穿隧测量的澳大利亚拉里夫斯大学物理学家伊戈尔·利特维努克(IgorLitvinyuk)说:“拉莫尔时钟是测量穿隧时间的最好、最直观的方法,并且是第一个很好地测量穿隧时间的实验。”
也发现拉莫尔时钟的测量令人信服的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)说:“他们所测量的确实是穿隧时间。”
最近的实验使一个尚未解决的问题引起了新的