“量子穿隧效应”需要多长时间？瞬间就能完成

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在亚原子水平上，粒子可以像幽灵一样穿过看似不可逾越的障碍。几十年来，物理学家一直想知道量子隧穿需要多长时间。现在，经过三年的调查和分析，一个国际理论物理学家小组已经找到了答案。根据一项新的研究，他们测量了氢原子的隧穿电子，发现它们的隧穿时间非常短，几乎是瞬间的。

粒子能穿过固体不是因为它们很小(虽然它们确实很小)，而是因为物理规则在量子水平上不同。想象一个球沿着山谷滚到珠穆朗玛峰那么高的斜坡上。如果没有喷气背包的帮助，这个球将永远没有足够的能量穿越珠穆朗玛峰。但是亚原子粒子可以到达另一边而不穿越。

粒子也是波，在空.之间无限延伸根据所谓的波动方程，这意味着粒子可以在波中的任何地方找到。现在想象一个波浪撞击一个障碍物。它不断撞击，但失去能量，其振幅(峰值高度)下降很多。如果屏障足够薄，波的振幅不会衰减到零。只要平浪中还有剩余能量，粒子(尽管它们很小)就有可能越过山丘到达另一边。

该研究报告的合著者之一，澳大利亚格里菲斯大学的实验量子物理学家罗伯特&米多；罗伯特桑教授说，至少可以说，在量子水平上捕捉这种难以捉摸的活动的实验是非常具有挑战性的。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。

研究人员使用了一种叫做attoclock的光学计时装置，这是一种超短的偏振光脉冲，能够在十亿分之一秒内测量电子的运动，相当于十亿分之一秒。研究人员报告称，阿托洛克以每秒1000次脉冲的速度将氢原子浸入光中，电离了原子，并允许它们的电子穿过屏障。

罗伯特说，屏障另一侧的反应显微镜可以测量电离发生时的电子动量，而反应显微镜可以检测带电粒子与attoclock释放的光脉冲相互作用后的能级。与此同时，我们可以猜测电子穿越障碍所需的时间。目前，我们可以测量1.8阿秒的精度，所以我们可以得出结论，隧道效应必须小于1.8阿秒，几乎是瞬间的。

尽管测量系统非常复杂，但研究人员在实验中使用的原子非常简单。它们是氢原子，只含有一个电子。根据这项研究，其他研究人员在以前的实验中使用了两个或更多的电子，如氦、氩和氪。

因为自由电子可以相互作用，这种相互作用可以影响粒子的隧穿时间。为了解释为什么先前研究的估计时间比最新研究的估计时间长，并且比最新研究的估计时间长几十阿秒。研究人员指出，氢原子结构的简单特性使研究人员能够实现先进的精密校准实验，这将为其他隧穿粒子的测量提供重要的基准。目前，最新的研究报告发表在3月18日出版的《自然》在线版上。