如果你把球扔向牆壁，它會反彈到你身上——這就是經典物理學的工作原理。但是當然，量子物理的世界更可怕，所以如果你對一個粒子做同樣的實驗，它有可能突然出現在另一邊。這要歸功於一種叫做量子隧穿的現象，現在一組物理學家已經測量了這個過程需要多長時間。
這個詞可能會讓人聯想到粒子逐漸穿過屏障的畫面，但它並不是字面上的“隧穿”——它實際上是數學隨機機會的產物。舉個例子，你要畫出一個粒子在你把它扔到牆上後會去哪裡的概率。極有可能它會遠離牆壁——但在量子世界中，你永遠不可能百分之百確定某件事。
雖然聽起來像科幻小說，但量子隧穿是一種有充分證據證明的現象，發生在電子顯微鏡和晶體管等日常用品中。像電子這樣的基本粒子也會有規律地從原子中“隧道”出來，這也是放射性衰變背後的一個關鍵驅動因素。
但是圍繞這一現象的一個持續的謎團是，一個粒子穿過一個勢壘需要多長時間，或者是否需要任何時間。一些科學家認為它是瞬間發生的，但這意味著它的速度比光速還快，而且可能違反因果關係的原則。
為了測量隧穿時間，格里菲斯大學和澳大利亞國立大學的研究人員用一種每秒發射1000個光脈衝的強激光轟擊氫原子。他們的想法是，這為電子從原子中逃逸創造了合適的條件，從而使研究小組能夠精確地測量隧穿需要多長時間。
結果呢?量子隧穿似乎是瞬間發生的，快得令人難以置信。據研究人員稱，這需要不到1.8阿秒，即十億分之一秒的十億分之一。
“有一個明確定義的點，我們可以從那裡開始相互作用，有一個點，我們知道電子應該從哪裡出來，如果它是瞬時的，”該研究的聯合首席作者羅伯特桑(Robert Sang)說。“因此，任何與那個時期不同的東西，我們都知道要經過那麼長的時間才能穿過這個屏障。這就是我們如何測量它需要多長時間。結果表明，在實驗不確定度範圍內的理論與瞬態隧穿是一致的。
有趣的是，這與之前的研究形成了對比，之前的研究測量的隧道時間要長得多。2017年，馬克斯普朗克的研究人員發現，量子隧穿需要180阿秒，但這項新研究的團隊表示，像這樣的早期實驗過於複雜，容易出錯。例如，在馬克斯普朗克的研究中，研究小組使用了氪原子和氬原子，它們比只有一個電子的氫複雜得多。
該研究的聯合首席作者伊戈爾•利特維紐克(Igor Litvinyuk)表示:“其他地方此前的測試使用了更復雜的原子，其中包含幾個或多個電子。”為了解釋不同電子之間的相互作用，他們使用了不同的近似模型。他們從這些模型中提取了時間。我們的模型沒有使用近似，因為我們不用擔心電子和電子之間的相互作用。此外，在其中一個實驗中，他們測量了兩種原子之間的相對時延，而不是單個原子的時延。”
研究人員表示，他們已經解決了這個長期存在的物理學之謎，但根據量子物理學的真正精神，也許我們永遠無法100%確定。
閱讀更多 劉亮leo 的文章
