“量子穿隧效应”需要多长时间？瞬间就能完成

在亚原子等级上，粒子可以像幽灵一样穿过看似不可逾越的屏障。几十年以来，物理学家一直想知道“量子穿隧效应”需要多长时间，现在经过3年的调查分析，一支由理论物理学家组建的国际团队找到了答案。依据一项最新研究，他们测量了来自氢原子的穿隧电子，发现它们穿隧时间很短暂，几乎是瞬间内完成。

粒子能够穿过固体不是因为它们非常小（虽然它们的确很小），而是因为物理规则在量子等级上存在差异。想象一下，一个球沿着山谷滚向珠穆朗玛峰一样高的斜坡，如果没有喷气背包的助推，球永远不会拥有足够的能量越过“珠穆朗玛峰”。但是亚原子粒子不需要越过，就能抵达另一侧。

粒子也是波，在空间中无限延伸。依据所谓的波动方程式，意味着可以在波的任何位置找到粒子。现在想象一下波撞击屏障，它持续撞击但会损耗能量，并且振幅（峰值的高度）下降很多。如果屏障足够薄，波振幅不会衰减至零。只要平坦波中还有剩余能量，粒子就有可能（尽管它们很小），穿过山丘抵达另一侧。

研究报告合著者、澳大利亚格里菲斯大学实验量子物理学家罗伯特·桑（Robert Sang）教授称，至少可以说，在量子层面上捕捉这种难以捉摸活动的实验是“非常具有挑战性”。你需要同时结合非常复杂的激光系统、反应显微镜和氢原子束系统。

研究人员使用一种叫做“attoclock”的光学计时装置，它是一种能够测量电子阿托秒等级移动的超短、偏振光脉冲，阿托秒相当十亿分之一秒的十亿分之一。研究人员报道称，“attoclock”以每秒1000脉冲的速度将氢原子沐浴在光中，从而使原子发生电离，使它们的电子穿越屏障。

罗伯特称，位于屏障另一侧的反应显微镜能够测量电离出现时的电子动量，反应显微镜能够探测到带电粒子与attoclock释放光脉冲相互作用后的能量水平。同时，我们可以推测电子穿过屏障所需的时间。目前我们能测量的精度为1.8阿托秒，因此我们能够得出结论—;—;隧道效应一定小于1.8阿托秒，几乎是瞬间完成。

虽然测量系统非常复杂，但是研究人员实验中使用的原子非常简单，它们是氢原子，只包含一个电子。依据这项研究，其他研究人员此前实验中使用包含两个或者两个以上的电子，例如：氦、氩和氪。

由于自由电子可以彼此相互作用，这种交互性可以影响粒子的隧穿时间。从而解释为什么之前的研究预计时间比最新研究更长，而且比最新研究的估计时间长几十阿托秒。研究人员指出，氢原子结构的简单特征使研究人员可以实现超前的精度校准实验，这将为其他隧穿粒子的测量提供一个重要基准。目前这项最新研究报告发表在3月18日出版的《自然》杂志网络版上。