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凤凰平台网址:量子隧穿实验揭示粒子如何打破光速

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   最近的实验表明,当粒子通过量子力学的“隧道”穿过势垒时,它们的速度应该能够比光速更快。

  就在量子力学的基本方程刚被发现之时,物理学家就发现了该理论允许的最奇怪的现象之一:量子隧穿(quantum tunneling)。该现象显示了电子等微观粒子与更大的物体之间可以有多么深刻的区别。当我们把皮球扔到墙上时,它会弹回来;当球滚到山谷的底部时,它就呆在那里。然而,粒子偶尔会越过或穿过“墙壁”(势垒)。正如两位物理学家在1928年的《自然》(Nature)杂志上所写的那样,粒子有可能“滑过大山,逃离谷底”,这是对隧穿效应最早的描述之一。

  物理学家很快发现,粒子穿越障碍物的能力可以解决许多谜团。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彼此之间的排斥并融合,从而产生阳光。但物理学家们开始感到好奇。这种好奇起初是温和的,后来却有些病态。他们想知道,一个粒子穿过势垒需要多长时间?

  麻烦在于,有关这个问题的答案都讲不通。

  科学家第一次试探性地计算隧穿时间是在1932年。甚至更早之前,可能也有人进行过私下的尝试,但正如加拿大多伦多大学的物理学家阿弗雷·斯坦伯格(Aephraim Steinberg)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,美国德州仪器公司的半导体工程师托马斯?哈特曼(Thomas Hartman)才发表了一篇论文,明确阐述了这一数学理论的惊人含义。

  哈特曼发现,势垒似乎可以作为一条捷径。在粒子隧穿时,当有势垒存在时,所花的时间会更少。更令人吃惊的是,他计算出,势垒的增大几乎不会增加粒子穿越障碍物所需的时间。这意味着,如果势垒足够“厚”,粒子从一侧跳跃到另一侧的速度要比在真空中穿越同样距离的光还要快。

  简而言之,量子隧穿似乎允许比光还快的旅行,但这在物理上是不可能的。“在哈特曼阐述该效应之后,人们就开始担心了,”斯坦伯格说道。

  讨论持续了几十年,部分原因是隧穿时间问题似乎触及了量子力学中一些最神秘的部分。以色列威兹曼科学院的理论物理学家埃里·波拉克(Eli Pollak)说:“这涉及到诸多一般性问题,包括时间是什么?我们在量子力学中如何测量时间?它的意义是什么?”物理学家最终推导出至少10种有关隧穿时间的数学表达式,而每一种都反映了隧穿过程的不同视角。当然,这些数学表达式都没能解决这一问题。

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