量子力學(xué)，這個主宰微觀世界的奇異而美麗的理論，顛覆了一些我們熟悉的概念。量子世界引入了隧穿現(xiàn)象，粒子似乎違背了經(jīng)典物理學(xué)，通過了它們似乎無法穿透的障礙。這就提出了一個根本性的問題：粒子穿過隧道需要多長時間？

傳統(tǒng)上，這個問題的答案一直難以捉摸。理論預(yù)測和間接測量值從“超光速或瞬間穿透”到更扎實的有限持續(xù)時間。問題在于在量子背景下定義“經(jīng)過的時間”，在那里粒子可以是局域化的，而經(jīng)典軌跡不適用。最近發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》的一篇論文，提出了一種統(tǒng)一的隧穿時間理論——一種由拉姆齊鐘推動的理論。

隧穿時間之謎

量子隧穿是量子力學(xué)的基石，它描述了粒子穿過經(jīng)典上無法逾越的勢壘的能力。想象一個球在平坦的表面上滾動，遇到了一堵墻。經(jīng)典上，球會簡單地反彈。然而，在量子世界中，存在一定的概率，球會出現(xiàn)在墻的另一邊，似乎是瞬間傳送過去的。

量子力學(xué)的這種概率性質(zhì)使得難以確定隧穿的粒子的確切路徑或軌跡。與經(jīng)典力學(xué)不同，在經(jīng)典力學(xué)中，粒子遵循明確的路徑，而在量子領(lǐng)域，它們可以作為波包存在，分散在空間中。這種局域化創(chuàng)造了一個問題：對于一個確切位置不確定的粒子，我們?nèi)绾味x“隧穿時間”？

此外，早期測量隧穿時間的方法依賴于間接方法，導(dǎo)致了相互矛盾的結(jié)果。一些實驗暗示了超光速隧穿（比光速快），這違反了相對論定律。其他實驗則暗示了瞬間隧穿，這是一個完全違背我們對時間的理解的概念。(www.ws46.com)

測量隧穿時間的問題歸結(jié)為兩個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。首先正如前面提到的，在量子領(lǐng)域，“隧穿時間”的概念本身變得模糊不清。粒子可以分散，難以確定它們何時進(jìn)入或退出障礙。其次，任何測量儀器必然會與粒子相互作用，這可能會影響隧穿過程本身。將實際的隧穿時間與測量設(shè)備的交互時間分開，對于獲得準(zhǔn)確的結(jié)果至關(guān)重要。

這些挑戰(zhàn)導(dǎo)致了關(guān)于隧穿時間本質(zhì)的長期爭論。我們能否真正測量它們，或者它是量子世界中一個根本上無法量化的方面？

引入拉姆齊鐘

最近提出的統(tǒng)一隧穿時間理論的關(guān)鍵在于一個巧妙的工具——拉姆齊鐘。拉姆齊鐘利用原子內(nèi)部能量狀態(tài)來創(chuàng)建一個高度精確的計時器。通過用特定序列（稱為拉姆齊序列）的激光脈沖操縱這些狀態(tài)，科學(xué)家可以測量微小的時差，具有極高的精度。

使用拉姆齊鐘進(jìn)行隧道實驗的關(guān)鍵思想在于它們能夠同時充當(dāng)“隧穿粒子”和參考鐘。

• 隧穿鐘：原子被準(zhǔn)備成特定的內(nèi)部狀態(tài)，然后將它們置于一個勢壘下，允許它們穿過去。

• 參考鐘：另一組原子保持在初始狀態(tài)，作為參考點。

• 拉姆齊序列：兩組原子都受到拉姆齊序列的影響，該序列操縱它們的內(nèi)部狀態(tài)并允許精確測量任何發(fā)生的相移。

這種方法的優(yōu)點在于它能夠消除可能影響測量的共同因素。例如，任何時間膨脹效應(yīng)（由于隧穿過程）或來自激光脈沖的相位噪聲都會同樣影響隧穿鐘和參考鐘。

通過比較隧穿原子的相移和參考原子的相移，科學(xué)家可以隔離由于隧穿事件而產(chǎn)生的唯一時間差。這種方法為測量隧穿時間提供了一種更直接、更可靠的方法。

使用拉姆齊鐘代表著邁向統(tǒng)一隧道時間理論的重要一步。使用拉姆齊時鐘的初步實驗證實了有限隧穿時間的存在。粒子不會瞬間隧穿，也不會超光速隧穿。