突破光速：量子隧道之谜

量子隧道效应允许粒子绕过能量障碍。 人们提出了一种测量粒子隧道所需时间的新方法，这可能会挑战之前关于超光隧道速度的断言。 这种方法涉及使用原子作为时钟来检测微小的时间差。 图片来源：SciTechDaily.com

在一种被称为隧道效应的令人惊奇的量子物理学现象中，粒子的移动速度似乎超过了光速。 然而，来自达姆施塔特的物理学家认为，迄今为止，粒子在隧道中所花费的时间测量是错误的。 他们提出了一种阻止量子粒子速度的新方法。

在经典物理学中，存在着无法规避的严格定律。 例如，一个滚动的球如果缺乏足够的能量，它就无法翻过山； 相反，它会在达到顶峰之前下降。 在量子物理学中，这个原理并不完全严格。 在这里，粒子可能会穿过障碍物，即使它没有足够的能量来穿过障碍物。 它的行为就像在隧道中滑动一样，这就是为什么这种现象也被称为“量子隧道效应”。 这种现象不仅仅是理论上的魔术，它还具有实际应用，例如闪存驱动器的操作。

量子隧道效应和相对论

过去，超光速粒子的实验引起了一些关注。 毕竟，爱因斯坦的相对论禁止速度超过光速。 因此，问题是在这些实验中是否适当地“暂停”了隧道掘进所需的时间。 达姆施塔特大学的物理学家 Patrick Schach 和 Eno Giese 采用一种新方法来确定隧道粒子的“时间”。 他们现在提出了一种新的方法来测量这个时间。 在他们的实验中，他们以一种他们认为更适合隧道效应量子性质的方式进行了测量。 他们在著名杂志上发表了他们的实验设计 科学的进步。

波粒二象性和量子隧道

根据量子物理学，原子或光粒子等小粒子具有双重性质。

根据实验的不同，它们的行为就像粒子或波一样。 量子隧道效应凸显了粒子的波动性。 “波包”滚向障碍物，类似于水流。 波高表示如果测量了粒子的位置，则粒子在该位置实现的概率。 如果波包遇到能量势垒，则部分波包会被反射。 然而，有一小部分穿透了屏障，并且该粒子出现在屏障另一侧的可能性很小。

隧道速度重新评估

先前的实验观察到，轻粒子在隧道效应后比具有自由路径的粒子行进的距离更长。 因此，它的传播速度会比光还快。 然而，研究人员必须确定粒子通过后的位置。 他们选择了波包中的最高点。

“但是粒子并不遵循经典意义上的路径，”埃诺·吉斯反对道。 不可能准确确定粒子在给定时间的位置。 这使得很难描述从 A 到 B 所需的时间。

测量隧道掘进时间的新方法

另一方面，《Shash Brief》以阿尔伯特·爱因斯坦的名言为指导：“时间就是你在时钟上读到的时间。” 他们建议使用隧道粒子本身作为时钟。 第二个未使用的粒子充当参考。 通过比较这两个自然时钟，可以确定在量子隧道效应期间时间是否过得更慢、更快或以相同的速度。

粒子的波动性质有利于这种方法。 波的振动就像时钟的振动一样。 具体来说，沙赫和吉斯建议使用原子作为时钟。 原子的能级以一定的频率振荡。 寻址 A 后 玉米 通过激光脉冲，它们的能级最初同步振荡——原子钟启动。 在隧道中，节奏略有变化。 第二个激光脉冲使原子的两个内波重叠。 检测干扰可以测量两个能级波之间的距离，从而准确测量经过的时间。

至于第二个没有挖隧道的原子，作为测量挖隧道和不挖隧道的时间差的参考。 物理学家的计算表明隧道粒子会晚一点出现。 “从隧道中挖出的时钟比另一个时钟要旧一点，”帕特里克·沙赫说。 这似乎与将光速归因于隧道效应的实验相矛盾。

实施实验的挑战

沙赫说，原则上，该测试可以使用现有技术来完成，但这对实验提出了巨大的挑战。 这是因为要测量的时间差只有10左右^-26 几秒——非常短的时间。 物理学家解释说，使用原子云而不是单个原子作为时钟很有帮助。 还可以放大效果，例如通过人为增加时钟频率。

“我们目前正在与我们的实验同事讨论这个想法，并且我们正在与我们的项目合作伙伴保持联系，”吉齐补充道。 该团队很可能很快就会决定进行这项令人兴奋的实验。

参考文献：帕特里克·沙赫 (Patrick Schach) 和埃诺·吉斯 (Eno Giese) 撰写的“拉姆齐时钟提出的统一隧道时间理论”，2024 年 4 月 19 日， 科学的进步。
DOI：10.1126/sciadv.adl6078