用户名:  密码:   
网站首页即时通讯活动公告最新消息科技前沿学人动向两岸三地人在海外历届活动关于我们联系我们申请加入
栏目导航 — 美国华裔教授专家网科技动向科技前沿
关键字  范围   
 
量子隧穿是瞬时的吗?
来源:原理 | 2020/8/19 23:40:07 | 浏览:72 | 评论:0


量子隧穿是瞬时的吗?

1927年,德国物理学家弗里德里希·洪德(Friedrich Hund)在研究原子是如何结合形成分子时,发现了量子世界中的一个极为神秘的现象:在某些特定条件下,像原子、电子和其他量子尺度的粒子可以“穿越”本该不可逾越的障碍,像幽灵一样穿“墙”而过。


这些量子粒子所穿越的,其实并不是是一个物质性的障碍,而是可以限制这些粒子的势垒例如一个被捕获的电子可以在不受外界影响的情况下逃脱束缚,就像一个高尔夫球从球场的一个洞中突然消失,再无缘无故地出现在另一个洞中。

这种奇怪的现象,就是量子隧穿

量子隧穿效应在许多过程中都起到了关键作用,例如它使得太阳核心中的氢核可以靠得足够近,从而聚变形成氦,释放出光子,如果没有量子隧穿效应,太阳可能永远无法发出这些光子。自发现以来,物理学家对这一有悖直觉的效应已有了较好的理解,并将它用作于一些技术的基础,例如量子计算技术,以及能够成像单个原子的扫描隧道显微镜技术。


量子隧穿是瞬时的吗?


然而,对于量子隧穿过程中的一些细节,物理学家们仍不甚了解,例如量子隧穿的发生需要多长时间这是一项难度非常大的任务,因为量子隧穿过程所设计的时间尺度非常之小,这对实验中用于计时的时钟的准确度和精确度将有着极高的要求。

这一问题终于在2019年迎来了重大突破。由澳大利亚格里菲斯大学的物理学家Igor Litvinyuk领导的研究团队,测得了氢原子中的电子隧穿出原子的速度。


在实验中,他们使用极短的激光脉冲照向原子,这轻微地扰动了电子,增加了电子隧穿的可能性。接着,他们测量了激光脉冲的亮度何时达到峰值,并假设这便是电子开始隧穿的时刻;当电子隧穿出原子时,他们会测量电子的逃逸速度和方向,再利用这些信息计算出它是何时从势垒的另一边出现的。


最终他们测得,电子在不超过1.8阿托秒时间内就从原子中隧穿而出,这是极短的一段时间,即便是光,在这段时间内也只能行进十亿分之几米。有人认为,这几乎意味着,量子隧穿过程是瞬间发生的。但这种说法其实存在争议。因为虽然从这项研究中,物理学家测得的时间长度几乎为0,但并不等同于说电子在势垒中存在的时间为0。而且关于电子在势垒中存在的时长问题,在这项研究中并没有得到检测。


量子隧穿是瞬时的吗?

现在,故事似乎有了新的进展,由多伦多大学的物理学家Aephraim Steinberg领导的研究团队在《自然》杂志上发表了一篇新的研究,报告了他们计算原子在一个势垒中存在的时长,测得了量子隧穿所需的时间。

在新的实验中,研究人员利用蓝色激光构成的势垒,将超冷的铷原子推入了激光势垒。他们通过利用原子的自旋,将原子自身制成了微型的“秒表”。这些原子就像是一个个微小的旋转着的陀螺,当它们通过磁场时,陀螺的主干会稳定地绕圈摆动。通过跟追踪原子在磁场中的摆动方向,就可以追踪时间。他们创造了一个只存在于势垒中的磁场,测量了原子在进入这个势垒之前和之后的摆动位置,然后根据测量结果计算出原子在这个激光势垒中大约停留了0.61毫秒,然后才从另一侧“跳”了出来。

这样的实验结果表明,量子隧穿的持续时间并不为0,而且势垒的厚度和原子的速度决定了原子在其中停留的时长


究竟哪个实验结果更接近真相?隧穿效应是接近瞬间发生,还是需要若干毫秒的时间?这个问题或许没有简单的答案。

这两种实验结果之间的差异,源自于长期以来量子物理学对于如何在纳米尺度定义时间的争论。在过去一个世纪,物理学家对时间作出过很多不同的定义,单独来看,这些定义都各有其意义,然而有时它们又会做出互相矛盾的预测。这也是为何在过去的十年里出现了众多的争论。

以量子隧穿为例,有物理学家认为,隧穿是不可能瞬间发生的,因为实验设备具有天然的缺陷,因此你永远不可能真的精确测得一个为0秒的过程;而有的物理学家则对“量子粒子在势垒中存在的时间”是否是一个具有完整意义的概念都表示质疑。我们知道,量子粒子的一些属性是不明确的,它们以概率的形式存在。如果把粒子想象成是一种在空间中扩散的波,它的确切位置是不确定的,例如它可能有50%的概率在这个位置,50%的概率在另一个位置。这些模糊的属性使我们难以判断粒子究竟是在何时“进入”或“离开”了势垒。如此一来,也就无法判断量子过程是在何时开始、何时停止的了。

所以究竟哪一个实验结果是对的?或许它们都对。Litvinyuk对此就回应道,尽管他们为量子隧穿所需的时长描绘了两幅截然不同的图景,但他认为这两个实验结果之间并没有什么争议或差异。因为他们所使用的时间定义实际上是不同的


Steinberg表示,未来,他希望能更细致地研究原子穿越势垒的轨迹,从而得知粒子在势垒的开端、之中、末尾所花的时间。而这其中也涵盖了一个颇有争议的问题,因为并不是所有的物理学家都认同原子“处于势垒之内”的说法。


许多物理学家认为,量子理论表明,对一个量子系统进行的任何测量都会在本质上改变这个系统,从而阻碍我们了解客观的现实。这种争论被广泛称为量子力学的“测量问题”,它导致了对量子力学的许多解释,还包括这样一种观点,即每当有人进行测量时,宇宙就会分裂成平行的分支。


尽管这两个实验结果都没能彻底解决隧穿需要多长时间的问题,但它却再次激起了自20世纪80年代以来便几乎再无任何进展的关于对时间定义的争论。那时的物理学家只能在理论上争论对于时间的定义,缺乏可用来测量隧穿所需的时间的技术。但现在,物理学家有了两种不同的用来测量隧穿时间的技术。分析和比较这两种不同的系统,或将有助于物理学家更接近真相。

https://www.utoronto.ca/news/u-t-physicists-measure-duration-quantum-tunneling-first-time

https://www.wired.com/story/how-quickly-can-atoms-slip-ghost-like-through-barriers

https://www.scientificamerican.com/article/quantum-tunneling-is-not-instantaneous-physicists-show

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2490-7 

相关栏目:『科技前沿
欧盟公布五大研究领域:癌症、气候变化、碳中和城市、健康水域及土壤健康 2020-09-23 [6]
2020年度国家自然科学基金申请项目评审结果公布 2020-09-20 [51]
2020软科中国大学排名系列:学科精度排名 2020-09-20 [84]
30年升温10℃ “新北极”正在形成 2020-09-20 [32]
教育部正式公布首批国家“拔尖计划”2.0名单,33所高校入选 2020-09-20 [83]
Clarivate Analytics 公布 ESI(基本科学指标)全球大学排名 2020-09-17 [170]
量子纠缠很好地解释了人与人之间的缘分 2020-09-17 [115]
20年消失176种期刊的背后…… 2020-09-16 [71]
五个人类无法破解的宇宙之谜 2020-09-15 [241]
10名华裔精英入选加拿大皇家学会新院士! 2020-09-13 [133]
相关栏目更多文章
最新图文:
:印裔人才在美碾压华裔:我们可以从印度教育中学到什么? :假如美国大学们都有一句诚实的Slogan :北京452万人将从北京迁至雄安(附部分央企名单) :《2019全球肿瘤趋势报告》 :美国大学的论文代写究竟猖狂到什么地步? :阿尔茨海默病预防与干预核心讯息图解 :涉嫌学术造假  肯塔基大学开除史香林和张卓教授夫妇 :诚邀参加南京医科大学2019年国际青年学者论坛 (12/18-21)
更多最新图文
更多《即时通讯》>>
 
打印本文章
 
您的名字:
电子邮件:
留言内容:
注意: 留言内容不要超过4000字,否则会被截断。
未 审 核:  是
  
关于我们联系我们申请加入后台管理设为主页加入收藏
美国华裔教授专家网版权所有,谢绝拷贝。如欲选登或发表,请与美国华裔教授专家网联系。
Copyright © 2020 ScholarsUpdate.com. All Rights Reserved.