疯狂的量子隧穿，宇宙本质的重要组成部分，谜团正在被揭开

对于外行来说，量子物理学是一门科学的分支，它描述了构成物质的粒子以及它们相互作用的力。如果我们对量子世界有所了解的话，那就是这个量子世界很奇怪。在难以想象的小尺度上，事物的行为并不直观。物理学家可能对量子物理学背后的一些数学有很好的理解，但这些数学有时会指向一些让他们摸不着头脑的东西。

尼尔斯·玻尔曾经说过一句名言：“那些第一次接触量子理论时不感到震惊的人不可能理解它。”

在量子世界中，纠缠在一起的粒子可能比光速还快，微小粒子可能同时存在于多个地方，粒子可能随机地出现或消失，有些粒子还可能像鬼魂一样“穿越墙壁”。是的，量子世界很奇怪。正如你可能已经猜到的，我们将在这里一个叫做量子隧穿的过程。

从最基本和最容易理解的解释来看，量子隧穿是一种波函数可以通过势垒传播的力学现象。

想象你向墙上扔一个球。它会撞到墙然后弹回来。如果你让它滚下山坡，当它到达底部时，它就会停留在那里。但在量子尺度上，粒子偶尔会穿过墙壁，而不是“弹回来”。尽管这看起来像是漫威电影《复仇者联盟》中的一个情节设计，但这种现象早在1928年就已经被注意到了，当时两位物理学家在《自然》杂志上写道，粒子有时似乎“从山上滑过，从山谷中逃逸”。

障碍在这里没用

想象一下，你和你的妹妹正在用量子枪进行战斗。在这种情况下，你们是在房间的不同侧面互相射击。当你不断向你的对手开火时，你的妹妹正蹲在一堵几英尺高、几英尺宽的小枕头“墙”中间。因为这是量子世界，你的枪里有数百万发子弹。在这种情况下，99.999%的子弹会被墙上弹开。然而，非常小的一部分会“传送”到墙的另一边，在你妹妹身上完成最后的攻击。

子弹是如何神奇地出现在变身墙的另一边的？这要归功于量子隧道。这就是我们的故事开始的地方。粒子有可能从山上滑过，逃离山谷。

自从1928年关于量子隧穿思想的论文首次发表以来，研究人员一直渴望对这一现象有更多的了解，了解它是如何工作的，并对“隧穿”发生的速度这一古老问题有一个直接的答案。

隧道效应本身就很好地提醒了我们，在量子层面上，奇怪的粒子是如何表现的。在量子隧道中，一个亚原子粒子可以出现在它不可能穿透的势垒的另一边。

假设你要释放一个亚原子粒子，比如电子或质子，进入势能山一侧的空间。粒子没有足够的能量爬过这个山，所以你确信粒子会呆在原地。尽管如此，粒子还是突然消失了。就像上面的图一样，一旦你走到山的另一边，你会注意到粒子以某种方式越过了山。粒子隧道可以像这样通过屏障，它可能比你想象的更常见。

事实上，量子隧穿对于像光合作用这样的基本过程可能是必不可少的。当物理学家们发现量子隧道时，他们意识到它实际上解决了许多谜团。它解释了各种化学键和放射性衰变，以及太阳中的氢核如何能够克服它们之间的排斥并融合，从而产生阳光。

没有它，半导体、晶体管和二极管就无法工作。当然，量子计算也涉及到隧道。事实证明，粒子经常滑过山，从山谷中逃逸。 在你研究量子隧穿之前，你需要掌握量子物理学背后的一些主要思想

• 资料来源：俄勒冈大学

经典物理和量子物理最重要的区别之一是量子物理是概率性的。让我们回到粒子和山势垒的例子。如果我们试着把一个球推到山上，我们就会一直知道球在哪里。但是，由于我们使用的是粒子，与球不同，我们不能确切地知道一个粒子在给定时间的位置。

你可以感谢海森堡测不准原理解释了这一点。它指出，我们永远不可能同时知道亚原子粒子的确切位置和动量。有趣的是，这与缺乏合适的测量工具无关。海森堡测不准原理似乎是现实本质的一个基本部分。

• 量子隧道通过势垒。

我们能够测量出一个粒子在一个给定时间，在一个非常高的程度上的位置的概率。量子物理学家使用波函数模拟这些概率。简而言之，波函数是在给定的时间和地点找到一个物体的概率的描述。

波的一个奇怪的特性是，当它们碰到什么东西时，它们很少停下来。当音乐与固体接触时，声波不会停止。这就是为什么即使你锁着门，你的室友还能听到你砰砰砰的音乐。

同样的情况也发生在用于描述量子粒子的波形上。一个物体的波函数可以扩展到甚至超过一个势垒。因为这个函数描述了一个粒子在一个给定空间中的概率，这个粒子也会到达势垒的另一边。

你能穿墙吗？

一些研究表明，量子隧道效应可能发生在我们的体内，因为负责激活碳-氢键的酶可能会促进氢隧穿效应。有趣的是，其中一种酶负责将乙醇转化为乙醛，乙醛是一种会在饮酒后引起头痛、头晕和恶心的化合物。

量子隧穿发生的有多快？

然而，在过去的几十年里，这一直是一个激烈争论的话题，还有粒子“移动”穿过屏障时会发生什么。就像量子世界中的许多事情一样，这些问题的答案并不简单。

此前，研究人员曾尝试测量隧穿发生所需的时间，但所得到的结果各不相同，而且常常存在问题。一些人认为，隧道挖掘的速度可能比光速还要快。然而，就在去年，科学家们通过一项具有历史意义的、长达20年的研究实验，可能已经破解了这个谜团。

在加拿大高级研究院量子信息科学项目的物理学家发表的论文中，研究人员不仅描述了他们是如何测量这个过程的，还描述了他们得到的数据。量子隧穿是最令人困惑的量子现象之一。我们现在能够以这种方式研究它真是太棒了，”该研究的合著者、量子信息科学项目的联合主任斯坦伯格说。

他们利用量子物理学中一些最基本的原理使其发生。在他们的实验中，他们使用了8000个铷原子，将其冷却到开氏温度以上十亿分之一度。

原子需要在这样的温度下，否则它们就会以高速随意移动，而不是呆在一个小团中。加拿大的物理学家们用激光制造了一个势垒，将其聚焦，使势垒达到1.3微米厚，相当于2500个铷原子的厚度。利用另一束激光，研究小组将铷原子推向屏障，以大约每秒3.8毫米的稳定速度移动。大多数铷原子都被势垒反弹。然而，多亏了量子隧穿效应，3%的原子穿透了势垒，到达了另一边。

对铷的选择不是随机的。之所以使用它，是因为原子的自旋可以被激光改变。铷通过势垒所需的时间越长，自旋的变化就越大。通过测量原子进入势垒之前和之后的自转轴，科学家们可以知道原子通过隧道需要多长时间。那么，这个过程花了多长时间？平均是0.61毫秒。

这个结果被证明有点令人困惑，因为这在量子世界中是相对缓慢的，尤其是考虑到之前的工作表明隧道效应可以瞬间发生。无论如何，这是另一个令人印象深刻的例子，说明了一种方法如何有助于揭开量子领域的神秘面纱。最大的收获是，这是可能的测量这一事件。“我们正在研究一种新的测量方法，我们将障碍物加厚，然后确定不同深度的进动量。观察原子的速度是否恒定将是非常有趣的”，该团队说。

虽然量子隧穿不像其他案例那样神秘，但它是我们世界和宇宙本质的重要组成部分。理解量子隧道可以帮助我们进一步发展量子计算机等新兴技术。这将是有趣的新量子现象，我们将能够测试。