對于外行來說，量子物理學是一門科學的分支，它描述了構(gòu)成物質(zhì)的粒子以及它們相互作用的力。如果我們對量子世界有所了解的話，那就是這個量子世界很奇怪。在難以想象的小尺度上，事物的行為并不直觀。物理學家可能對量子物理學背后的一些數(shù)學有很好的理解，但這些數(shù)學有時會指向一些讓他們摸不著頭腦的東西。 尼爾斯·玻爾曾經(jīng)說過一句名言：“那些第一次接觸量子理論時不感到震驚的人不可能理解它?！?/section>在量子世界中，糾纏在一起的粒子可能比光速還快，微小粒子可能同時存在于多個地方，粒子可能隨機地出現(xiàn)或消失，有些粒子還可能像鬼魂一樣“穿越墻壁”。是的，量子世界很奇怪。正如你可能已經(jīng)猜到的，我們將在這里一個叫做量子隧穿的過程。從最基本和最容易理解的解釋來看，量子隧穿是一種波函數(shù)可以通過勢壘傳播的力學現(xiàn)象。想象你向墻上扔一個球。它會撞到墻然后彈回來。如果你讓它滾下山坡，當它到達底部時，它就會停留在那里。但在量子尺度上，粒子偶爾會穿過墻壁，而不是“彈回來”。盡管這看起來像是漫威電影《復仇者聯(lián)盟》中的一個情節(jié)設計，但這種現(xiàn)象早在1928年就已經(jīng)被注意到了，當時兩位物理學家在《自然》雜志上寫道，粒子有時似乎“從山上滑過，從山谷中逃逸”。障礙在這里沒用想象一下，你和你的妹妹正在用量子槍進行戰(zhàn)斗。在這種情況下，你們是在房間的不同側(cè)面互相射擊。當你不斷向你的對手開火時，你的妹妹正蹲在一堵幾英尺高、幾英尺寬的小枕頭“墻”中間。因為這是量子世界，你的槍里有數(shù)百萬發(fā)子彈。在這種情況下，99.999%的子彈會被墻上彈開。然而，非常小的一部分會“傳送”到墻的另一邊，在你妹妹身上完成最后的攻擊。子彈是如何神奇地出現(xiàn)在變身墻的另一邊的？這要歸功于量子隧道。這就是我們的故事開始的地方。粒子有可能從山上滑過，逃離山谷。自從1928年關于量子隧穿思想的論文首次發(fā)表以來，研究人員一直渴望對這一現(xiàn)象有更多的了解，了解它是如何工作的，并對“隧穿”發(fā)生的速度這一古老問題有一個直接的答案。隧道效應本身就很好地提醒了我們，在量子層面上，奇怪的粒子是如何表現(xiàn)的。在量子隧道中，一個亞原子粒子可以出現(xiàn)在它不可能穿透的勢壘的另一邊。假設你要釋放一個亞原子粒子，比如電子或質(zhì)子，進入勢能山一側(cè)的空間。粒子沒有足夠的能量爬過這個山，所以你確信粒子會呆在原地。盡管如此，粒子還是突然消失了。就像上面的圖一樣，一旦你走到山的另一邊，你會注意到粒子以某種方式越過了山。粒子隧道可以像這樣通過屏障，它可能比你想象的更常見。事實上，量子隧穿對于像光合作用這樣的基本過程可能是必不可少的。當物理學家們發(fā)現(xiàn)量子隧道時，他們意識到它實際上解決了許多謎團。它解釋了各種化學鍵和放射性衰變，以及太陽中的氫核如何能夠克服它們之間的排斥并融合，從而產(chǎn)生陽光。沒有它，半導體、晶體管和二極管就無法工作。當然，量子計算也涉及到隧道。事實證明，粒子經(jīng)?；^山，從山谷中逃逸。 在你研究量子隧穿之前，你需要掌握量子物理學背后的一些主要思想經(jīng)典物理和量子物理最重要的區(qū)別之一是量子物理是概率性的。讓我們回到粒子和山勢壘的例子。如果我們試著把一個球推到山上，我們就會一直知道球在哪里。但是，由于我們使用的是粒子，與球不同，我們不能確切地知道一個粒子在給定時間的位置。你可以感謝海森堡測不準原理解釋了這一點。它指出，我們永遠不可能同時知道亞原子粒子的確切位置和動量。有趣的是，這與缺乏合適的測量工具無關。海森堡測不準原理似乎是現(xiàn)實本質(zhì)的一個基本部分。我們能夠測量出一個粒子在一個給定時間，在一個非常高的程度上的位置的概率。量子物理學家使用波函數(shù)模擬這些概率。簡而言之，波函數(shù)是在給定的時間和地點找到一個物體的概率的描述。波的一個奇怪的特性是，當它們碰到什么東西時，它們很少停下來。當音樂與固體接觸時，聲波不會停止。這就是為什么即使你鎖著門，你的室友還能聽到你砰砰砰的音樂。同樣的情況也發(fā)生在用于描述量子粒子的波形上。一個物體的波函數(shù)可以擴展到甚至超過一個勢壘。因為這個函數(shù)描述了一個粒子在一個給定空間中的概率，這個粒子也會到達勢壘的另一邊。你能穿墻嗎？一些研究表明，量子隧道效應可能發(fā)生在我們的體內(nèi)，因為負責激活碳-氫鍵的酶可能會促進氫隧穿效應。有趣的是，其中一種酶負責將乙醇轉(zhuǎn)化為乙醛，乙醛是一種會在飲酒后引起頭痛、頭暈和惡心的化合物。量子隧穿發(fā)生的有多快？然而，在過去的幾十年里，這一直是一個激烈爭論的話題，還有粒子“移動”穿過屏障時會發(fā)生什么。就像量子世界中的許多事情一樣，這些問題的答案并不簡單。此前，研究人員曾嘗試測量隧穿發(fā)生所需的時間，但所得到的結(jié)果各不相同，而且常常存在問題。一些人認為，隧道挖掘的速度可能比光速還要快。然而，就在去年，科學家們通過一項具有歷史意義的、長達20年的研究實驗，可能已經(jīng)破解了這個謎團。在加拿大高級研究院量子信息科學項目的物理學家發(fā)表的論文中，研究人員不僅描述了他們是如何測量這個過程的，還描述了他們得到的數(shù)據(jù)。量子隧穿是最令人困惑的量子現(xiàn)象之一。我們現(xiàn)在能夠以這種方式研究它真是太棒了，”該研究的合著者、量子信息科學項目的聯(lián)合主任斯坦伯格說。他們利用量子物理學中一些最基本的原理使其發(fā)生。在他們的實驗中，他們使用了8000個銣原子，將其冷卻到開氏溫度以上十億分之一度。原子需要在這樣的溫度下，否則它們就會以高速隨意移動，而不是呆在一個小團中。加拿大的物理學家們用激光制造了一個勢壘，將其聚焦，使勢壘達到1.3微米厚，相當于2500個銣原子的厚度。利用另一束激光，研究小組將銣原子推向屏障，以大約每秒3.8毫米的穩(wěn)定速度移動。大多數(shù)銣原子都被勢壘反彈。然而，多虧了量子隧穿效應，3%的原子穿透了勢壘，到達了另一邊。對銣的選擇不是隨機的。之所以使用它，是因為原子的自旋可以被激光改變。銣通過勢壘所需的時間越長，自旋的變化就越大。通過測量原子進入勢壘之前和之后的自轉(zhuǎn)軸，科學家們可以知道原子通過隧道需要多長時間。那么，這個過程花了多長時間？平均是0.61毫秒。這個結(jié)果被證明有點令人困惑，因為這在量子世界中是相對緩慢的，尤其是考慮到之前的工作表明隧道效應可以瞬間發(fā)生。無論如何，這是另一個令人印象深刻的例子，說明了一種方法如何有助于揭開量子領域的神秘面紗。最大的收獲是，這是可能的測量這一事件?！拔覀冋谘芯恳环N新的測量方法，我們將障礙物加厚，然后確定不同深度的進動量。觀察原子的速度是否恒定將是非常有趣的”，該團隊說。雖然量子隧穿不像其他案例那樣神秘，但它是我們世界和宇宙本質(zhì)的重要組成部分。理解量子隧道可以幫助我們進一步發(fā)展量子計算機等新興技術。這將是有趣的新量子現(xiàn)象，我們將能夠測試。
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