物理学家|原子如何快速通过屏障滑动，像幽灵穿墙一样，不需要时间吗？原子|时间|量子|斯坦伯格

【物理学家|原子如何快速通过屏障滑动，像幽灵穿墙一样，不需要时间吗？】1927年，德国物理学家弗里德里希洪德(Friedrich Hund)试图理解原子如何结合形成分子时，发现了量子力学中最令人着迷的方面之一。他发现，在某些条件下，自然界中的原子、电子和其他小粒子可以穿越物理屏障，这些屏障会混淆宏观物体，像幽灵一样穿过墙壁移动。按照这些规则，被捕获的电子可以不受外界影响而逃脱约束，就像摆放在球场第一个洞中的高尔夫球突然消失，并出现在第二洞中而没有任何人抬起球杆一样。这种现象被称为“量子隧道效应” 。

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从那时起，物理学家发现隧道效应在自然界中最引人注目的某些现象中起着关键作用。例如，量子隧道使太阳发光：它使恒星核心中的氢核紧密贴合在一起，融合成氦。许多放射性物质(例如铀238)会通过隧穿喷射而分解成较小的元素。物理学家甚至利用隧道技术发明了用于原型量子计算机的技术，以及能够对单个原子成像的所谓扫描隧道显微镜。
不过，专家仍无法详细了解该过程。多伦多大学的物理学家今天发表在《自然》杂志上，报告了有关量子隧穿的一种新的基本度量：需要多长时间。回到高尔夫类比，他们基本上是在打洞之间计时球的时间。 “在实验中，我们问， ‘给定的粒子在屏障中花费了多长时间?’”领导该项目的多伦多大学物理学家艾弗莱姆斯坦伯格(Aephraim Steinberg)说。

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原子的"屏障"不是物质壁或分隔物。为了限制原子，物理学家通常使用由光或可能看不见的机制(如电吸引或排斥)构成的力场。在这个实验中，研究小组将红宝石原子困在蓝色激光屏障的一侧。激光束中的光子形成了一个力场，推动红宝石原子，以保持其被限制在空间内。他们发现，原子在光屏障上花了大约0.61毫秒，然后弹出另一边。确切的时间取决于屏障的厚度和原子的速度，但他们的关键发现是， "隧道时间不是零， "物理学家拉蒙拉莫斯说，他当时是斯坦伯格的研究生，现在是西班牙光子科学研究所的博士后研究员。
俄亥俄州立大学的物理学家亚历山德拉兰德斯曼(Alexandra Landsman)说，这一结果与去年发表在《自然》杂志上的一项实验发现相矛盾。在那篇论文中，由澳大利亚格里菲斯大学的物理学家领导的一个团队提出了测量结果，表明隧道效应是瞬间发生的。

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那么哪个实验是对的?隧穿是瞬间发生的还是大约需要一毫秒?答案可能不是那么简单。两次实验之间的差异源于量子物理学界关于如何保持时间在纳米尺度上的长期分歧。 “在过去的70、80年中，人们提出了很多时间定义。 ”兰德斯曼说， “孤立地讲，很多定义很有意义，但同时它们做出的预测相互矛盾。这就是为什么在过去的十年中有如此多的辩论和争议。一组研究团队会认为一个定义是有意义的，而另一组研究团队会认为另一个定义。 ”

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物理学家在量子过程开始或停止的时间上存在分歧。当您记住量子粒子大多没有确定的属性并且以概率存在时，就可以看出其精妙之处，就像硬币在空中翻转既不是正面也不是反面，而是有可能一直存在直到它着陆为止。您可以将原子视为在空间中散布的原子，但未定义其确切位置，例如，可能有50%的可能性位于一个位置，而另一个位置的可能性为50% 。有了这些模糊的属性，将粒子“进入”或“退出”障碍视为什么并不明显。最重要的是，物理学家还面临着另一项技术挑战，即创建一种计时机制，该计时机制应足够精确，以与粒子的运动一致地开始和停止。他说，斯坦伯格已经对该实验进行了二十多年的微调，以达到所需的控制水平。