量子隧穿發(fā)生在粒子穿過(guò)一個(gè)它在經(jīng)典物理學(xué)中不應(yīng)能夠跨越的勢(shì)壘時(shí)。想象一個(gè)球滾上山坡，如果它沒(méi)有足夠的能量，它會(huì)滾回去。然而，在量子世界中，像電子這樣的粒子可以“隧穿”過(guò)山坡并出現(xiàn)在另一邊，即使它們沒(méi)有經(jīng)典能量來(lái)做到這一點(diǎn)。

這種現(xiàn)象源于粒子在量子力學(xué)中的波動(dòng)性。根據(jù)薛定諤方程，找到粒子的概率由波函數(shù)描述。當(dāng)這個(gè)波函數(shù)遇到勢(shì)壘時(shí)，它不會(huì)突然降為零，而是指數(shù)衰減。如果勢(shì)壘足夠薄，粒子出現(xiàn)在另一邊的概率就不為零。

量子隧穿不僅僅是一個(gè)理論上的好奇心，它在現(xiàn)實(shí)世界中有著重要的影響和應(yīng)用。在自然界中，量子隧穿的一個(gè)最顯著的例子是恒星內(nèi)部的核聚變過(guò)程。在恒星的核心，質(zhì)子必須克服它們的靜電排斥力才能融合形成氦核。經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為恒星中的溫度和壓力不足以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。然而，量子隧穿允許質(zhì)子穿過(guò)庫(kù)侖勢(shì)壘并融合，釋放出為能量。

在技術(shù)方面，量子隧穿被用于各種設(shè)備中。一個(gè)突出的例子是隧道二極管，它利用隧穿實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)關(guān)和放大。另一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用是掃描隧道顯微鏡（STM），它允許科學(xué)家在原子水平上觀察表面。STM通過(guò)測(cè)量尖端和被研究表面之間的隧穿電流，提供了原子結(jié)構(gòu)的詳細(xì)圖像。

量子隧穿在生物系統(tǒng)中還起著重要作用。例如，酶催化——生命所必需的過(guò)程——可能涉及量子隧穿。酶加速細(xì)胞中的化學(xué)反應(yīng)，一些研究表明，隧穿允許質(zhì)子或電子更有效地穿過(guò)能量屏障，從而提高反應(yīng)速率。

類似地，量子隧穿可能在光合作用中發(fā)揮作用，光合作用是植物將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過(guò)程。光合作用復(fù)合體中能量傳遞的效率可能受到量子效應(yīng)的影響，包括隧穿，這使得激子（能量包）能夠快速高效地通過(guò)復(fù)合體。

盡管取得了重大進(jìn)展，關(guān)于量子隧穿的許多問(wèn)題仍未解答。一個(gè)主要的研究領(lǐng)域是隧穿時(shí)間的精確性質(zhì)。與經(jīng)典粒子的運(yùn)動(dòng)不同，量子粒子的行為不像經(jīng)典物理那樣可以直接觀察和測(cè)量。隧穿時(shí)間涉及粒子在勢(shì)壘內(nèi)的行為，這種行為在經(jīng)典物理中沒(méi)有對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象，因此需要多種方法來(lái)描述。

目前，一些主要的隧穿時(shí)間定義有：

• 相位時(shí)間是通過(guò)測(cè)量波函數(shù)相位隨時(shí)間的變化來(lái)定義的。具體來(lái)說(shuō)，它是粒子波包在穿過(guò)勢(shì)壘時(shí)相位變化所需的時(shí)間。這種方法通常用于描述粒子在勢(shì)壘內(nèi)的傳播時(shí)間。

• 駐留時(shí)間是粒子在勢(shì)壘區(qū)域內(nèi)停留的總時(shí)間。它考慮了粒子在勢(shì)壘內(nèi)的所有可能路徑，并計(jì)算出平均停留時(shí)間。這種方法提供了一個(gè)整體的時(shí)間尺度，但不區(qū)分粒子是透射還是反射。

• Büttiker-Landauer時(shí)間是通過(guò)考慮粒子在勢(shì)壘內(nèi)的傳播速度和路徑長(zhǎng)度來(lái)定義的。這種方法結(jié)合了相位時(shí)間和駐留時(shí)間的概念，提供了一種更全面的隧穿時(shí)間描述。

• 拉莫爾時(shí)間是通過(guò)在勢(shì)壘區(qū)域內(nèi)施加磁場(chǎng)并測(cè)量粒子自旋的進(jìn)動(dòng)來(lái)定義的。這種方法利用了自旋與磁場(chǎng)的相互作用，提供了一種獨(dú)特的隧穿時(shí)間測(cè)量方式。

• 哈特曼效應(yīng)提出，當(dāng)勢(shì)壘厚度增加時(shí)，隧穿時(shí)間趨于一個(gè)常數(shù)值，而不是無(wú)限增加。這意味著在某些情況下，粒子似乎可以以超光速穿過(guò)厚勢(shì)壘。

實(shí)驗(yàn)上，測(cè)量隧穿時(shí)間的方法多種多樣，不同的方法可能會(huì)得出不同的結(jié)果。一些實(shí)驗(yàn)測(cè)量的隧穿時(shí)間似乎支持哈特曼效應(yīng)，而另一些實(shí)驗(yàn)則表明隧穿粒子的有效速度是亞光速。一個(gè)顯著的實(shí)驗(yàn)涉及測(cè)量光子穿過(guò)勢(shì)壘所需的時(shí)間。結(jié)果表明，隧穿時(shí)間比光在真空中傳播相同距離所需的時(shí)間短。

然而根據(jù)相對(duì)論理論，信息不能以超光速傳播而不違反因果關(guān)系。在量子隧穿的背景下，即使粒子似乎比光速更快地穿過(guò)勢(shì)壘，這也不等同于超光速的信息傳輸。量子力學(xué)中的無(wú)信號(hào)定理確保了超光速隧穿不會(huì)導(dǎo)致超光速通信。該定理指出，量子糾纏和其他量子現(xiàn)象不能用于瞬時(shí)傳輸信息，從而保持相對(duì)論的因果結(jié)構(gòu)。(www.ws46.com)

準(zhǔn)確測(cè)量隧穿時(shí)間是一個(gè)重大的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法通常依賴于間接測(cè)量，導(dǎo)致不同的解釋和結(jié)果。然而，最近在實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面的進(jìn)展提供了更精確的數(shù)據(jù)。一種有前途的方法是使用阿秒激光脈沖來(lái)探測(cè)隧穿過(guò)程，允許科學(xué)家以前所未有的精度觀察電子在隧穿過(guò)程中的動(dòng)態(tài)。這些實(shí)驗(yàn)正在揭示隧穿過(guò)程的新現(xiàn)象，并可能有助于解決長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于隧穿時(shí)間和速度的爭(zhēng)論。

總結(jié)

雖然量子隧穿呈現(xiàn)出令人著迷的可能性，但共識(shí)是它不會(huì)以違反相對(duì)論或因果關(guān)系的方式允許超光速傳播。在一些實(shí)驗(yàn)中觀察到的表面上的超光速，可能是量子力學(xué)的獨(dú)特性質(zhì)和在如此小的尺度上測(cè)量時(shí)間的結(jié)果。