yabo765|量子隧道实验揭示了粒子如何打破光速

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量子力学的奇异规则允许粒子偶尔穿过一个看似不可逾越的能量屏障。

新浪科技新闻,北京时间11: 00,13: 00左右,最近的实验表明,当粒子通过量子力学的“隧道”穿过屏障时,其速度应该比光速还快。

量子力学的基本方程一被发现,物理学家就发现了这个理论所允许的最奇怪的现象之一:量子隧穿。这一现象表明了电子等微观粒子和较大物体之间的差异有多深远。当我们把球扔在墙上时,它会反弹回来;当球滚到谷底时,它停留在那里。然而,粒子偶尔会越过或穿过“墙”(屏障)。正如两位物理学家在1928年的《自然》(自然)》杂志上所写的,粒子可能“滑过高山,从谷底逃逸”,这是对隧道效应最早的描述之一。

物理学家很快发现,粒子跨越障碍的能力可以解开很多谜团。它解释了各种化学键和放射性衰变,以及太阳中的氢原子核如何克服相互排斥而合并,从而产生太阳光。但是物理学家开始怀疑。这种好奇心开始是温和的,后来是病态的。他们想知道一个粒子需要多长时间才能越过障碍。

问题是这个问题的答案没有意义。

多伦多大学的物理学家阿弗雷特斯坦伯格几十年来一直在研究量子隧穿时间。

科学家们在1932年首次尝试性地计算了隧道时间。甚至更早的时候,可能有人私下试过,但正如多伦多大学物理学家阿弗雷特斯坦伯格所说,“当你得到一个你无法理解的答案时,你就不会发表它。”

直到1962年,托马斯,美国德州仪器公司的半导体工程师。托马斯哈特曼(Thomas Hartman)刚刚发表了一篇论文,明确阐述了这一数学理论的惊人意义。

哈特曼发现障碍似乎是一条捷径。粒子隧穿的时候,有势垒的时候,时间会少一些。更令人惊讶的是,他计算出势垒的增加几乎不会增加粒子穿越障碍物所需的时间。这意味着,如果屏障足够厚,粒子从一侧跳到另一侧的速度可以快于光在真空中传播相同距离的速度。

简而言之,量子隧道似乎允许比光更快的传播,但在物理上是不可能的。“哈特曼解释了这种效应后,人们开始担心,”斯坦伯格说。

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部分。以色列魏茨曼科学院的理论物理学家伊莱波拉克说:“这涉及到许多一般性问题,包括现在几点了?在量子力学中我们如何测量时间?其意义何在?”物理学家最终推导出了至少10个关于隧穿时间的数学表达式,每个表达式反映了隧穿过程的不同视角。当然,这些数学表达式都不能解决这个问题。

现在,量子隧穿时间的问题又回来了,实验室里一系列精确测量隧穿时间的精巧实验推动了这一领域的进展。

《自然》杂志在今年7月报道了迄今为止最受好评的量子隧穿测量实验,其中多伦多的斯坦伯格研究小组使用了一种叫做“拉莫尔钟”的方法来测量铷原子通过排斥激光场需要多长时间。

澳大利亚格里菲斯大学的物理学家伊戈尔帕克荣格苏利特维纽克(Igor Park Jung Su Litvinyuk)说:“拉莫尔钟是测量隧道时间的最佳和最直观的方法,这个实验是第一次非常精确地测量隧道时间。”2019年,Park Jung Su Vinyak在《自然》杂志上报道了另一种测量隧道时间的方法。

美国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)也认为拉莫尔钟法的测量结果是令人信服的。“他们真的测量了隧道挖掘时间,”他说。

最近的实验引起了人们对一个尚未解决的问题的注意。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,或者在实验室中如何精确地测量隧穿时间,他们都发现量子隧穿总是表现出哈特曼效应。量子隧穿几乎绝对超光速。

“一个隧穿粒子怎么可能比光速还快?”朴正苏文亚克说,“在测量之前,这纯粹是理论上的推测。”

什么时间?

隧道穿越时间很难精确测量,因为现实本身就是这样的。在宏观尺度上,物体从A到B所需要的时间等于距离除以物体的速度。但是量子论告诉我们,不可能同时准确地知道距离和速度。

在量子理论中,一个粒子有一系列可能的位置和速度。只有在测量时,才能从这些选项中获得某些属性。这个过程是如何发生的,是物理学中最深刻的问题之一。

所以粒子在撞击探测器之前,无处不在,无处不在。这就让我们很难判断一个粒子在某个地方(比如某个势垒)停留了多久。朴正苏温雅克说:“你无法解释它在那里呆了多久,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,我们可以画一条钟形曲线来表示一个粒子的可能位置。这个钟形曲线叫做波包,它的中心位置是a,现在想象一个波包像海啸一样向势垒移动。量子力学方程描述了波包遇到势垒时如何分裂成两个。大部分粒子反射回来,向A方向运动,但有一个小概率峰值会滑过障碍物,继续向b方向运动,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,我们能测量它在势垒中的行程或时间吗?在这个粒子突然出现之前,是一个两部分概率波——,经过反射和透射。它进入了屏障,没有进入。“隧道时间”的含义在这里变得模糊不清。

但是,从A点到B点的任何粒子,都不可否认地会与它们之间的势垒发生相互作用,而这种相互作用,正如伊莱波拉克所说,“是时间上的东西”。问题是,还有多少时间?

上世纪90年代,斯坦伯格在读研究生时,对量子隧穿时间有一种“肤浅的痴迷”。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,比如质量或者位置;但是他们没有一个我们可以直接测量的内部“时间”。“我可以问你,‘棒球的位置在哪里?’但是问‘棒球是什么时候?’“这毫无意义,”斯坦伯格说时间不是任何粒子所拥有的属性。“相反,我们跟踪世界上其他的变化,比如时钟的滴答声(本质上是位置的变化),称之为增量时间。

但是在量子隧穿的情况下,粒子本身内部没有时钟。那么测量时应该跟踪哪些变化呢?物理学家已经发现了无数可能的隧道时间测量方法。

隧穿时间

哈特曼和1932年在他之前尝试的勒罗伊阿奇博尔德麦克科尔采用了最简单的方法来测量量子隧穿所需的时间。哈特曼计算了自由空间中的一个粒子和一个必须从A点到B点穿过障碍物的粒子之间最可能的时间差.他通过考虑基位置如何改变发射波包的峰值位置,使得这种计算成为可能。

但是除了暗示屏障可以加速粒子,这个方法还是有问题的。你不能简单的比较一个粒子波包的初始峰值和最终峰值。计算最可能的出发时间(当钟形曲线的峰值在A点时)和最可能的到达时间(当峰值到达B点时)之差,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点开始,在初始概率分布中,它可能在任何位置,包括钟形曲线的前端,更接近势垒。这就给了它一个快速到达B点的机会。

量子隧穿:波包碰到势垒时,一部分会反射,另一部分会隧穿势垒。

由于粒子的确切轨迹未知,研究人员开始寻求一种更具概率性的方法。他们考虑的是这样一个事实,波包撞击势垒后,每一个时刻,粒子在势垒内都有一些概率(也有一些概率没有)。然后,物理学家将每个时刻的概率相加,得到平均隧穿时间。

至于如何测量概率,从20世纪60年代末开始,物理学家们就构想了各种思维实验。在这些实验中,“时钟”可以附着在粒子本身上。如果每个粒子的时钟只在势垒内滴答,你可以读取很多被传输粒子的时钟,它们会显示不同的时间范围,平均后得到隧穿时间。

当然,这些都是说起来容易做起来难。在《自然》年7月杂志上发表的论文的第一作者拉蒙拉莫斯说:“他们只是想出了一些疯狂的想法来衡量这一次,并认为这永远不会发生。现在科学进步了,我们很高兴把这个实验变成现实。”

嵌入式时钟

虽然物理学家在20世纪80年代就开始测量隧穿时间,但超精密测量始于2014年,最早是由苏黎世联邦理工学院的厄休拉凯勒实验室实现的。她的团队使用一种叫做attoclock的技术来测量隧道时间。在凯勒的阿秒中,来自氦原子的电子遇到了一个势垒,这个势垒就像时钟的指针一样转动到位。电子隧穿最常发生在电子势垒在某个方向的时候,我们称之为阿秒的“中午”。然后,当电子从势垒中脱出时,会被踢向一个方向,这个方向取决于此时势垒的排列。为了测量隧穿时间,凯勒的团队测量了“中午”(对应于大多数隧穿事件开始的时间)和大多数发射电子的角度之间的角度差。他们测量了50阿秒的差值(1阿秒是十亿分之一秒的十亿分之一,也就是1 10-18秒)。

在2019年发表的一篇论文中,Park Jung Su Wenak的团队改进了凯勒的阿秒实验,用更简单的氢原子代替了氦原子。他们测量的时间甚至更短,高达2阿秒,这表明隧道效应几乎是瞬间发生的。

然而,一些专家后来得出结论,用阿秒测量的时间长度不能很好地代表隧穿时间。Manzoni在2019年发表了一篇关于测量结果的分析论文,认为这种方法与哈特曼对隧穿时间的定义有相同的缺陷:从就业后的角度来看,电子隧穿出势垒可以说是领先了一步。

与此同时,斯坦伯格和拉莫斯,以及他们在多伦多大学的同事大卫斯皮尔灵斯和伊莎贝尔拉西科,进行了一项更有说服力的实验。

这种替代方法利用了许多粒子的自旋特性。在量子力学中,自旋是粒子的一种内在属性,可以产生磁场。测量时,自旋就像一个箭头,只能指向上或下。但是在测量之前,自旋可以指向任何方向。正如爱尔兰物理学家约瑟夫拉莫尔在1897年发现的那样,当一个粒子处于磁场中时,自旋角会旋转,或者说“进动”。多伦多大学的研究小组用这种进动作为所谓的“拉莫尔钟”的指针。

当铷原子通过磁垒时,它的自旋将进动。通过测量这种进动,物理学家可以得到原子停留在势垒内部的时间。

研究人员使用激光作为潜在的屏障,并打开其中的磁场。然后,他们制备了自旋排列在特定方向的铷原子,让这些原子向势垒漂移。接下来,他们测量了从屏障另一边出来的原子的自旋。测量任何单个原子的自旋总会得到一个“上”或“下”的模糊答案。但通过反复测量,收集到的测量结果会揭示出势垒内部原子的平均进动角——以及它们通常停留在那里的时间。

研究人员报告称,铷原子在屏障中的平均时间为0.61毫秒,这与20世纪80年代拉莫尔钟时间的理论预测一致。这比原子在自由空间运动的时间要短。因此,这些计算表明,如果势垒足够厚,加速度会使原子以比光速更快的速度隧穿。

谜题而非悖论

阿尔伯特爱因斯坦在1907年意识到他的相对论使得超越光速的交流成为不可能。想象两个人,爱丽丝和鲍勃,以非常高的速度分开。因为相对论,他们的钟报时不同。一个结果是,如果爱丽丝向鲍勃发送的信号比光还快,而鲍勃立即向爱丽丝发送的回复比光还快,那么鲍勃的回复就可以在爱丽丝发送初始消息之前到达爱丽丝。“取得的成就先于事业,”爱因斯坦写道。

专家们普遍认为,量子隧穿并没有真正打破因果关系,但对于它不会打破因果关系的确切原因却没有共识。“我认为我们在这个问题上的观点并不完全一致,”斯坦伯格说。“这是一个谜,不是一个悖论。”

一些好的猜想被证明是错误的。在听到21世纪初超光速隧道的问题后,manzoni和同事重新计算了一下。他们认为如果考虑相对论效应(对于快速运动的粒子,时间会变慢),隧道效应会降到亚光速。“令我们惊讶的是,超光速隧道也是可能的,”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FTL信号不被允许,FTL隧道就不是问题。这类似于爱因斯坦的“幽灵般的远距离动作”。超距作用是指距离较远的粒子相互“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性质。遥远粒子之间的这种瞬间联系不会产生矛盾,因为它不能用来将信号从一个粒子传递到另一个粒子。

然而令人惊讶的是,与物理学家对距离作用的绝望相比,对超光速隧穿的研究很少太令人惊讶。剑桥大学研究隧穿时间的格雷斯菲尔德说:“对于量子隧穿来说,你不是在处理两个独立的系统,它们的状态也没有以令人毛骨悚然的方式联系在一起。”。“你面对的是一个在太空旅行的单一系统。某种程度上,似乎比纠缠态还要诡异。”

在《新物理学期刊》年9月发表的一篇论文(《新物理学杂志》)中,伊莱波拉克(Eli Pollack)和两个同事认为,FTL隧道不被允许发送FTL信号的原因是由于统计原因:尽管隧道在极厚的障碍物中发生得非常快,但发生这种事件的概率极低。发送者总是倾向于通过自由空间发送信号。

但是,为什么我们不能在一个超厚的屏障上爆炸大量的粒子,希望其中一个能以超快的速度通过呢?一个粒子不足以传递信息,打破物理定律吗?斯坦伯格同意这种情况的统计观点,但认为单个隧穿粒子不能传递信息。信号需要细节和结构。当试图发送任何详细的信号时,通过空气发送总是比通过不可靠的屏障更快。

波拉克说,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广更多的理论。不知道未来的研究会走向何方。”

这些想法将导致更多的实验,其中一些已经在斯坦伯格的计划清单上。他说,通过确定磁障中不同区域的磁场位置,他的团队计划“不仅检测粒子在磁障中停留的时间,还检测粒子在磁障中停留的位置”。理论计算预测铷原子大部分时间都在屏障的入口和出口附近,而在屏障中间的时间很少。“这有点令人惊讶,一点也不直观,”雷蒙拉莫斯说。

通过探索大量隧穿粒子的平均经验,研究人员描绘了一幅关于屏障内部的画面,比一个世纪前量子力学的先驱们所预期的更加生动。在斯坦伯格看来,虽然量子力学给人以不可思议的印象,但这些发展让人们明白了一件事:“当你看到一个粒子的终点时,你就会知道它以前在做什么。”

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