量子力学的基本方程刚被发现之后，物理学家很快就发现了该理论允许的最奇怪的现象之一 ——“量子隧穿”，它展示了像电子这样的微小粒子与更大的物体有多么深刻的区别。当你将小球砸向墙，它会弹回来；将小球滚下山谷，它在最终会停在山谷最底部。但是将小球换成粒子就可能完全不同了，粒子可能会穿透墙壁，或者像两位物理学家在 1928 年的《自然》杂志上所写的那样，它有可能 “穿过大山，逃离山谷”，这是对量子隧穿的最早描述之一。

物理学家很快发现，粒子穿越障碍物的能力解决了许多谜团。它解释了各种化学键和放射性衰变，以及太阳中的氢核如何克服它们之间的排斥并融合，从而产生阳光。

现在，物理学家们迫切想知道，一个粒子穿过障碍需要多长时间？即使这个问题的答案并没有意义。

量子隧穿的时间最初的计算是在 1932 年出版的。甚至更早的研究也可能是私下进行的， Aephraim Steinberg 是多伦多大学的物理学家，他指出 “早期研究得到了答案，可能人们无法理解，就没有出版”。

直到 1962 年，德州仪器（TI）的一位半导体工程师托 Thomas Hartman 撰写了一篇论文，明确阐述了这一数学理论的惊人含义。

Hartman 发现，在量子隧穿中，屏障似乎是捷径。当有粒子发生量子隧穿时，与没有障碍物的情况相比，花费的时间更少。更令人惊讶的是，他计算得出，屏障增厚几乎不会增加粒子穿过它的时间。这意味着，在具有足够厚的屏障的情况下，粒子可以比在相同距离内穿过空间的光线更快地从一侧穿到另一侧。

简而言之，量子隧穿似乎比光速更快，这在物理上是不可能的。

Steinberg 说：“在 Hartman 效应之后，人们开始怀疑这件事了。”

这一讨论持续了数十年，部分原因是量子隧穿时间问题似乎与量子力学的一些问题有所关联。以色列魏兹曼科学研究所的理论物理学家埃利波拉克（Eli Pollak）说：“这涉及到了时间是什么、我们如何在量子力学中测量时间，以及它的具体含义等问题。” 物理学家最终得出了至少 10 个关于量子隧穿时间的数学表达式，每个数学表达式都反映了对隧穿过程的不同观点，但是没有一个解决了这个问题。

随着在实验室中精确测量量子隧穿时间的一系列精确实验的推动，量子隧穿时间问题现在已经卷土重来。

图 | 多伦多大学的物理学家 Aephraim Steinberg 数十年来一直在研究隧道时间问题。（来源：Matthew Ross）

在 7 月《自然》杂志上报道的饱受好评的量子隧穿时间测量中，Steinberg 在多伦多的小组使用了所谓的拉莫尔时钟法来测量铷原子穿过排斥激光场所花费的时间。

澳大利亚拉里夫斯大学物理学家 Igor Litvinyuk 去年也在《自然》上发表过测量量子隧穿时间的论文，他说：“拉莫尔时钟是测量隧道时间的最好、最直观的方法，并且是第一个很好地测量量子隧穿时间的实验。”

明尼苏达州康考迪亚学院的理论物理学家 Luiz Manzoni 也发现拉莫尔时钟的测量令人信服。他说：“他们测量的就是隧穿时间。”

最近的实验使一个尚未解决的问题引起了新的关注。自 Hartman 发表论文以来的六十年中，无论物理学家多么仔细地重新定义隧穿时间，无论他们在实验室中进行了多精确的测量，他们都发现量子隧穿始终具有 Hartman 效应。隧穿似乎无法解释，它绝对是超光速的。

“ [粒子隧穿] 怎么可能比光快？” Litvinyuk 说。“直到进行测量为止，这纯粹是理论上的。”

隧穿时间代表什么？

隧穿时间很难确定，因为现实本身就是如此。

在宏观尺度上，物体从 A 到 B 所需的时间只是距离除以物体的速度。但是量子理论告诉我们，距离和速度的运算是不适用的。

在量子理论中，粒子具有一系列可能的位置和速度。只有在测量时才会得到粒子的某一位置和速度，而这是如何发生的才是最深层的问题。

也就是说，在粒子撞击检测器之前，它既无处不在，又没有固定位置。很难说粒子在某个地方（例如在屏障内）呆了多长时间。Litvinyuk 说：“我们无法说出它穿过那里的时间，因为它可以同时出现在两个地方。”

为了理解隧穿环境中的问题，科学家画了一个钟形曲线，它表示粒子的可能位置。此钟形曲线（称为波包）以位置 A 的中心。曲线像波浪一样向屏障行进。量子力学方程式描述了撞到障碍物后波包如何分裂为两个。它的大部分会反射回来，朝 A 方向移动。但是，较小的部分会穿过障碍物并继续向 B 方向移动。因此，粒子有机会在该位置的检测器中检测到。