“量子穿隧效應(yīng)”需要多長時間？瞬間就能完成

在亞原子等級上，粒子可以像幽靈一樣穿過看似不可逾越的屏障。幾十年以來，物理學(xué)家一直想知道“量子穿隧效應(yīng)”需要多長時間，現(xiàn)在經(jīng)過3年的調(diào)查分析，一支由理論物理學(xué)家組建的國際團(tuán)隊(duì)找到了答案。依據(jù)一項(xiàng)最新研究，他們測量了來自氫原子的穿隧電子，發(fā)現(xiàn)它們穿隧時間很短暫，幾乎是瞬間內(nèi)完成。

粒子能夠穿過固體不是因?yàn)樗鼈兎浅Ｐ。m然它們的確很?。?，而是因?yàn)槲锢硪?guī)則在量子等級上存在差異。想象一下，一個球沿著山谷滾向珠穆朗瑪峰一樣高的斜坡，如果沒有噴氣背包的助推，球永遠(yuǎn)不會擁有足夠的能量越過“珠穆朗瑪峰”。但是亞原子粒子不需要越過，就能抵達(dá)另一側(cè)。

粒子也是波，在空間中無限延伸。依據(jù)所謂的波動方程式，意味著可以在波的任何位置找到粒子?，F(xiàn)在想象一下波撞擊屏障，它持續(xù)撞擊但會損耗能量，并且振幅（峰值的高度）下降很多。如果屏障足夠薄，波振幅不會衰減至零。只要平坦波中還有剩余能量，粒子就有可能（盡管它們很?。?，穿過山丘抵達(dá)另一側(cè)。

研究報告合著者、澳大利亞格里菲斯大學(xué)實(shí)驗(yàn)量子物理學(xué)家羅伯特·桑（Robert Sang）教授稱，至少可以說，在量子層面上捕捉這種難以捉摸活動的實(shí)驗(yàn)是“非常具有挑戰(zhàn)性”。你需要同時結(jié)合非常復(fù)雜的激光系統(tǒng)、反應(yīng)顯微鏡和氫原子束系統(tǒng)。

研究人員使用一種叫做“attoclock”的光學(xué)計(jì)時裝置，它是一種能夠測量電子阿托秒等級移動的超短、偏振光脈沖，阿托秒相當(dāng)十億分之一秒的十億分之一。研究人員報道稱，“attoclock”以每秒1000脈沖的速度將氫原子沐浴在光中，從而使原子發(fā)生電離，使它們的電子穿越屏障。

羅伯特稱，位于屏障另一側(cè)的反應(yīng)顯微鏡能夠測量電離出現(xiàn)時的電子動量，反應(yīng)顯微鏡能夠探測到帶電粒子與attoclock釋放光脈沖相互作用后的能量水平。同時，我們可以推測電子穿過屏障所需的時間。目前我們能測量的精度為1.8阿托秒，因此我們能夠得出結(jié)論—;—;隧道效應(yīng)一定小于1.8阿托秒，幾乎是瞬間完成。

雖然測量系統(tǒng)非常復(fù)雜，但是研究人員實(shí)驗(yàn)中使用的原子非常簡單，它們是氫原子，只包含一個電子。依據(jù)這項(xiàng)研究，其他研究人員此前實(shí)驗(yàn)中使用包含兩個或者兩個以上的電子，例如：氦、氬和氪。

由于自由電子可以彼此相互作用，這種交互性可以影響粒子的隧穿時間。從而解釋為什么之前的研究預(yù)計(jì)時間比最新研究更長，而且比最新研究的估計(jì)時間長幾十阿托秒。研究人員指出，氫原子結(jié)構(gòu)的簡單特征使研究人員可以實(shí)現(xiàn)超前的精度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，這將為其他隧穿粒子的測量提供一個重要基準(zhǔn)。目前這項(xiàng)最新研究報告發(fā)表在3月18日出版的《自然》雜志網(wǎng)絡(luò)版上。