北京
來源：原理
在經典物理世界中，當一個物體（比如籃球）碰到障礙物時，我們知道它會反彈。但在量子世界里，粒子有時卻能“隧穿”進入一個勢壘——也就是一個勢能高于周圍環境的區域。這個在經典物理學中所禁止的效應，便是著名的量子遂穿。
量子隧穿可以解釋一些自然現象，例如放射性衰變和某些類型的酶催化反應。雖然這一現象廣泛存在于許多自然過程中，但物理學家至今仍不完全清楚“遂穿時間”到底要怎么定義，以及隧穿這個過程究竟需要多長時間？
在一項新發表于《自然》雜志的研究中，一個研究團隊設計了一項測量粒子在穿越勢壘時的速度的實驗。他們的研究結果表明，當一個粒子能量越低時，隧穿過程反而更快。這一研究結果挑戰了量子物理中的一種——玻姆量子力學。
像小球滑落般的隧穿實驗
這項實驗可以類比為一個小球從斜坡上滾下并撞上墻壁的過程，只不過這里的“球”是光子，而“墻”是一個勢壘。這一實驗之所以能夠實現，得益于研究團隊開發出的一種能夠在隧穿過程中實時探測光子的方法。
量子遂穿實驗在兩個鏡面之間充滿熒光染料的腔體中進行。底部鏡面經過加工構建出兩個用于引導光傳播的“波導”通道。在主波導中，研究人員通過激光照射染料分子來生成光子。主波導呈坡道結構，使光子在被激發時獲得一定的勢能。光子從坡道滑下，在主波導中沿一個方向傳播，直至遇到一個勢壘。當光子通過量子隧穿進入勢壘區域時，它們也會橫向隧穿至相鄰的副波導中。（圖 / Sharoglazova et al. / Nature）
實驗是在兩個鏡子之間的腔體中進行的，腔體內部填充了含有熒光染料的液體。研究人員通過用激光照射液體，可以生成光子。由于這層液體被夾在兩面鏡子之間，空間受到限制，使得生成的光子能表現出類似具有質量的粒子行為。
在兩個鏡子中，下鏡的鏡子經過納米加工，形成了兩個平行的光學通道，也叫“波導”，光子只能沿著這些通道傳播。其中，主波導被設計成一個坡度結構，光子正是在坡道上的某個位置被激發產生的。光子在坡道上的初始位置，決定了它的勢能大小。
隨后，光子從坡道滑下，沿主波導前進，最終遇到一個高度超過其動能的勢壘。按照經典物理學，光子無法越過該障礙，但根據量子力學，光子有可能發生隧穿，進入勢壘區域。
隧穿實驗首現
在實驗過程中，研究人員既使用了動能高于勢壘的（可以直接穿過）光子，也使用了動能低于勢壘的（必須通過隧穿）的光子。對需要隧穿的光子而言，這個勢壘被設計得足夠長，幾乎可以視為無限厚。
在勢壘內部，當光子隧穿進入勢壘內部的“禁區”后，它們不僅沿主波導前進，同時還可以橫向隧穿到旁邊的副波導，并來回跳躍。這種波導之間的跳躍速率是這個系統中一個定義明確、可被精確測量的物理屬性。因此，粒子的這種振蕩行為就像一個“時鐘”一樣，可以用來標記它們在勢壘中運動所花費的時間。
光子在兩個波導之間的跳躍行為具有穩定可測的速率。研究人員利用這一跳躍速率作為“時間刻度”，從而推算出光子在勢壘中的傳播速度。（圖 / Sharoglazova et al. / Nature）
部分光子通過頂部鏡子逸出，并被攝像機所記錄。研究人員根據兩個波導中光子在不同位置的分布圖像，仿佛拍下了一張穿越勢壘過程的“快照”，并讀取了不同位置的“時間刻度”。
此外，當粒子發生隧穿進入勢壘時，它的動能低于勢壘的勢能，這在量子力學中意味著其局部動能為負。因此，在實驗中，研究人員通過光子在坡道上的初始位置來計算其動能，從而在每一次實驗中推算出光子在勢壘區域的局部動能。
實驗發現：那些具有最大負動能的光子，其隧穿速度最快。這一現象雖符合量子力學預測，卻一直難以通過實驗加以驗證。
對玻姆量子力學的挑戰
這一實驗結果也對玻姆量子力學構成挑戰。玻姆詮釋中的一個關鍵預測是：若粒子隧穿進入一個無限長的勢壘，它會靜止不動。但這項研究的實測結果并不支持這種靜止圖景，反而顯示粒子在勢壘內確實在運動。
不過，有物理學家指出，僅憑這項實驗尚不足以裁決玻姆力學的正確性。畢竟，這項實驗建立在一系列復雜假設之上，而這些假設本身可能會受到質疑。
盡管如此，這項成果仍為一個長期以來主要停留在理論層面的討論提供了一個罕見的實驗證據。它提供了一個窗口，讓我們得以窺見粒子在穿越本不允許其存在的區域時，究竟發生了什么，并為關于“隧穿時間”定義的爭論注入了新的思考。
#參考來源：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09099-4
https://www.nature.com/articles/d41586-025-02110-y
https://www.nature.com/articles/d41586-025-01765-x
#圖片來源：
封面圖&首圖：Placidplace / Pixabay
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