在量子物理學中的一種神奇現象–隧道現像中，粒子的移動速度似乎超過了光速。然而，來自達姆施塔特工業大學的物理學家認為，直到現在，粒子穿隧所需的時間一直被錯誤地測量。他們提出了一種阻止量子粒子速度的新方法。

在經典物理學中，有一些硬性規定是無法規避的。例如，如果一個滾動的小球沒有足夠的能量，它就無法越過一座山，而是在到達山頂之前掉頭，並逆轉方向。在量子物理學中，這項原則並不那麼嚴格：粒子即使沒有足夠的能量越過障礙，也可以通過障礙。它就像在隧道中滑動一樣，因此這種現像也被稱為”量子隧道”。這種聽起來神奇的現像在技術上有著切實的應用，例如在快閃磁碟機中。

過去，粒子以比光還快的速度通過隧道的實驗曾引起一些關注。畢竟，愛因斯坦的相對論不認同比光速更快的速度。因此，問題是在這些實驗中，隧道所需的時間是否被正確地”停止”了。來自達姆施塔特工業大學的物理學家帕特里克-沙赫（Patrik Schach）和恩諾-吉塞（Enno Giese）採用了一種新方法來定義隧道粒子的「時間」。他們現在提出了一種測量這種時間的新方法。在他們的實驗中，他們採用了一種他們認為更適合穿隧量子性質的方法來測量時間。他們在著名的《科學進展》（Science Advances）雜誌上發表了他們的實驗設計。

波粒二象性與量子隧道

根據量子物理學，原子或光粒子等小粒子具有雙重性質。

根據實驗的不同，它們的行為既像粒子，也像波。量子隧道突顯了粒子的波特性。一個”波包”向障礙物滾動，就像一股水流。波的高度表示如果測量粒子的位置，粒子在該位置實現的機率。如果波包撞上能量屏障，部分波包會被反射。然而，一小部分會穿透屏障，粒子出現在屏障另一側的機率很小。

重新評估隧道挖掘速度

先前的實驗觀察到，光粒子在隧道中的移動距離比自由路徑的光粒子長。因此，它的傳播速度要比光快。然而，研究人員必須確定粒子通過後的位置。他們選擇了粒子波包的最高點。

但粒子並不遵循經典意義上的路徑，由於不可能準確地說出粒子在某個特定時間的具體位置。因此，很難說出從A 到B 所需的時間。

沙赫和吉塞則以愛因斯坦的一句話為指導：”時間就是你從時鐘上讀到的東西”，他們建議使用隧道粒子本身作為時鐘。第二個不穿隧的粒子作為參照物。透過比較這兩個天然時鐘，就可以確定量子穿隧過程中時間的流逝是較慢、較快還是一樣快。

粒子的波特性為此方法提供了便利。波的振盪類似時鐘的振盪。具體來說，沙赫和吉塞提議使用原子作為時鐘。原子的能階以一定頻率振盪。用雷射脈衝照射原子後，原子的能階開始同步振盪–原子鐘開始運作。然而，在穿隧過程中，節奏會發生輕微變化。第二個雷射脈衝會導致原子的兩個內波干涉。透過偵測這種干涉，可以測量出兩個能階波之間的距離，進而精確測量出時間的流逝。

第二個原子不會穿隧，它是測量穿隧與非穿隧之間時間差的參考物。兩位物理學家的計算表明，穿隧粒子的時間會稍微延遲。派崔克-沙赫說：”進入隧道的時鐘比另一個時鐘稍早。這似乎與將超光速歸因於隧道效應的實驗相矛盾。”

原則上，利用現今的技術就可以進行這項測試，但這對實驗人員來說是一項重大挑戰。這是因為需要測量的時間差只有10-26秒左右，時間極短。物理學家解釋說，使用原子雲而不是單個原子作為時鐘是有幫助的。此外，還可以透過人為提高時脈頻率等方法來放大這種效應。

吉塞補充說：”我們目前正在與實驗同事討論這一想法，並與專案合作夥伴保持聯繫。很有可能很快就會有一個團隊決定開展這項激動人心的實驗。”

編譯來源：ScitechDaily