物理学家们通过描述一个粒子能以多快的速度穿过一个障碍，解决了一个长达数十年的谜题。

 

在亚原子层面，粒子可以像幽灵一样飞过看似不可逾越的障碍。

 

几十年来，物理学家们一直想知道这种所谓的量子隧穿需要多长时间。现在，经过三年的调查，一个由理论物理学家组成的国际团队找到了答案。根据一项新的研究，他们测量了氢原子的隧穿电子，发现它的通过几乎是瞬间的。

 

粒子可以穿过固体物体，不是因为它们非常小(尽管它们确实很小)，而是因为在量子层次上物理规则是不同的。

 

想象一个球滚下山谷，杏耀苹果客户端滚向珠穆朗玛峰一样高的斜坡;如果没有喷气背包的推动，球将永远不会有足够的能量通过山丘。但是亚原子粒子不需要越过小山到达另一边。

 

粒子也是波，在空间中无限延伸。根据所谓的波动方程，这意味着可以在波动的任何位置找到一个粒子。

 

现在想象一下波浪撞击障碍物的情景;它继续通过，但失去能量，它的振幅(峰值的高度)下降的方式。但是如果障碍物足够薄，波的振幅就不会衰减到零。只要平坦的波中还有一些能量，就有可能——尽管是很小的可能性——粒子可能飞过小山，飞出山的另一边。

 

澳大利亚格里菲斯大学(Griffith University)教授、实验量子物理学家罗伯特·桑(Robert Sang)是这项研究的作者之一。

 

桑说:“你需要将非常复杂的激光系统、反应显微镜和氢原子束系统结合起来才能同时工作。”

 

他们的建立建立了三个重要的参考点:与原子相互作用的开始;一个自由电子从势垒后出现的时间;桑在一段视频中说，它真正出现的时间。

 

与光同步

 

研究人员使用了一种叫做attoclock的光学计时装置——超短的偏振光脉冲，能够测量电子运动到阿秒，即十亿分之一秒的十亿分之一。研究人员报告说，他们的attoclock以每秒1000脉冲的速度将氢原子沐浴在光中，使原子电离，这样它们的电子就可以通过这个屏障逃逸出去。

 

在势垒另一侧的反应显微镜测量了电子出现时的动量。桑在接受《生活科学》杂志采访时表示，反应显微镜可以探测到带电粒子与attoclock发出的光脉冲相互作用后的能量水平，“由此我们可以推断出穿过屏障所需的时间。”

 

桑说:“我们测量的精度是1.8阿秒。”“我们能够得出结论，隧道的时间必须小于1.8阿秒”——几乎是瞬间，他补充道。

 

在量子隧道中用光脉冲轰击氢原子，然后用显微镜测量它们的动量的实验中。

 

在量子隧道中用光脉冲轰击氢原子，然后用显微镜测量它们的动量的实验中。

 

虽然测量系统很复杂，但研究人员实验中使用的原子很简单——氢原子，它只包含一个电子。根据这项研究，之前由其他研究人员进行的实验使用了包含两个或更多电子的原子，如氦、氩和氪。

 

因为自由电子可以相互作用，杏耀苹果app这些相互作用可以影响粒子的隧穿时间。桑解释说，这就可以解释为什么先前的研究的估计时间比新研究的要长，大约10阿秒。研究人员报告说，氢原子结构的简单性使得研究人员能够以以前无法达到的精度校准他们的实验，这为其他隧穿粒子的测量创造了一个重要的基准。