能量势垒越厚 量子隧穿时越快 甚至能超越光速

　　早在开始完善基础量子理论的时候，物理学家就意识到：量子力学，你不对劲。比如说，"量子隧穿"就显示出电子等粒子与宏观物体有多么深刻的区别。就像1928年两位物理学家在《自然》杂志上描述的那样——那是对隧道最早的介绍之一，量子隧穿是量子物理学中一个已经得到充分验证的现象：一个粒子可以在能量不足的情况下穿越某处屏障。

　　教科书上最常用的一个类比例子就是山脚下的小球：在经典物理学中，你需要赋予小球足够的动能才能让它滚动到山顶，然后再顺坡滚动到山的另一边。但是在量子物理学中，由于物体的位置和动量具有“不确定性”的制约关系——这是量子力学中的核心概念，因此小球可以用更少的能量穿山而过，到达山的另一边。

　　物理学家很快意识到，量子隧穿现象能够解开众多谜团。它解释了各种化学键和放射性衰变，也解释了太阳中的氢核如何能够克服斥力而融合，产生太阳光。

　　紧接着，物理学家们又开始好奇了——一开始是温和的，后来是病态的。他们想知道，粒子穿过障碍物时花费了多少时间？

　　麻烦的是，答案没有意义。

　　第一个关于隧道时间的初步计算出现在1932年的出版物上。还有很多科学家在私下里交流和讨论，但 "当你得到一个无法理解的答案时，你就不会公布它"。

　　直到1962年，德州仪器公司一位名叫托马斯·哈特曼的半导体工程师写了一篇论文，明确地展示了数学演算背后令人震撼的物理意义。

　　哈特曼发现，障碍物带来了捷径。当粒子进入隧道时，行程所需的时间比没有障碍物时更短。更令人吃惊的是，他计算出，如果有足够厚的屏障，粒子可以从一边跳到另一边，比光在空旷的等距空间中运动得还要快。

　　"哈特曼效应之后，人们就开始担心了。"多伦多的物理学家Aephraim Steinberg说道。因为这个结论直接违背了当时的狭义相对论。

　　但是基于当时的科技水平，科学家还无法用实验来验证这一点。但随着实验室中精确测量隧道时间的精湛技术的诞生，隧道时间问题卷土重来。

　　问题是，很难界定粒子通过隧道的时间。对于宏观物体，记录从A点到B点需要的时间，只要在开始和结束时按两下秒表即可。但量子理论中，距离和速度的精确值都是被禁止事项。

　　在量子理论中，一个粒子以概率波的形式占据一系列可能的位置和速度。量子力学方程描述了波包在撞上障碍物后如何一分为二。但有一个较小的概率峰值可以越过障碍物，继续向B走去。

　　之前，有科学家想出一种办法：基本思路就是在障碍物的另一侧放上“板子”，当粒子隧穿过来后，撞到板子发出Duang的一声，就可以作为隧穿结束的标志(当然，实际上不会用板子，也不会发出撞击声。实际上是某种粒子的旋转方向被撞歪)

　　2019 年的实验报告中，有团队改进了上面的方法，得出结论：隧穿效应几乎是瞬间发生的——就像是游戏里的闪现一样。

　　但是，上述方法本质上并未解决问题。当一个粒子到达B时，它的旅程，或者说它在障碍物中的时间是多少？在它突然出现之前，粒子是一个两部分的概率波——既有反射波，也有传输波。它既进入了屏障，又没有进入屏障。"隧道时间"的含义不清不楚。

　　我们可以问一个粒子的位置，但是没法问一个粒子的时间。位置是粒子可以拥有的属性，而时间不是。时间必须和外在的某些东西联系起来才有意义。

　　从20世纪60年代末开始，人们设想了各种思想实验，在粒子本身附加 "时钟"。如果每个粒子的随身计时器只当它在障碍物中时才计时，读数会显示出一系列不同的时间。但平均值就可以理解为隧道时间。

　　当然，这一切说起来容易做起来难。"他们只是想出了如何测量这个时间的疯狂想法，并认为它永远不会实现，"值得庆幸的是，"现在科学进步了"。

　　现在我们可以通过电子的自旋的前后状态来估算它所经过的时间。

　　7月《自然》报道的迄今为止最被认可的测量实验里，多伦多的Steinberg小组使用所谓的Larmor时钟方法来测量铷原子穿过排斥性激光场所需的隧道时间。铷原子在屏障内的平均时间为0.61毫秒，与20世纪80年代理论预测的时间一致。

　　澳大利亚格里菲斯大学的物理学家Igor Litvinyuk说："Larmor钟是测量隧道时间的最佳和最直观的方法。"

　　明尼苏达州康科迪亚学院的理论物理学家Luiz Manzoni也认为Larmor时钟法的结果令人信服。"他们测量的确实是隧道时间。"

　　通行时间0.61毫秒，虽说不是瞬时，但也比在没有障碍物时，铷原子通过相同距离的时间更加短暂。如果障碍物更厚，则用时还会更少，最终可以超越光速。

　　虽然依据现代版的狭义相对论，我们可以允许事物在“表象”上超越光速，只要它不携带信息——否则就会破坏基本的因果关系，但它仍然十分怪异。而且我们也无法理解，为何隧穿效应不能用来携带信息。(根据相对论，既然它能够超越光速，那它就应该无法携带信息，但应该存在一个具体的物理机制来保证相对论这一大原则成立)

　　从这个角度看，量子隧穿比另一个更加著名的超光速作用——量子纠缠更加诡异。