量子隧穿实验揭示粒子如何打破光速

研究人员使用一束激光作为势垒，并开启其中的磁场。然后，他们准备了自旋朝特定方向排列的铷原子，并让这些原子向势垒漂移。接下来，他们测量了从势垒另一侧出来的原子的自旋。测量任何单个原子的自旋总是会返回一个“上”或“下”的模糊答案。但是通过反复测量，收集到的测量结果将会揭示原子在势垒内部进动角度的平均值——以及它们通常在那里停留的时间。

研究人员报告称，铷原子在势垒内的平均时间为0.61毫秒，与20世纪80年代理论预测的拉莫尔钟时间一致。这比原子在自由空间中运动的时间还要短。因此，这些计算表明，如果势垒足够厚，加速会使原子隧穿的速度比光速还快。

谜题而非悖论

阿尔伯特·爱因斯坦在1907年意识到，他提出的相对论使超越光速的通信成为不可能。想象两个人，爱丽丝和鲍勃，以极高的速度分开。由于相对论，他们各自的钟表报时不同。一个结果是，如果爱丽丝向鲍勃发送一个比光还快的信号，而鲍勃立即向爱丽丝发送一个超光速的回复，那么鲍勃的回复就能在爱丽丝发送初始信息之前到达她那里。“已经实现的效果先于原因，”爱因斯坦写道。

专家们普遍相信，量子隧穿并没有真正打破因果关系，但对于为什么不会的确切原因还没有达成共识。“我觉得我们对这个问题的看法并不是完全统一的，”斯坦伯格说，“这是一个谜，而不是悖论。”

有些很好的猜想被证明是错误的。曼佐尼在21世纪初听说超光速隧穿问题后，与一位同事重新对此进行了计算。他们认为，如果考虑相对论效应（对于快速移动的粒子，时间会变慢），隧道效应会降至亚光速。“让我们惊讶的是，超光速隧穿也是可能存在的，”曼佐尼说，“事实上，这个问题在相对论量子力学中更为极端。”

研究人员强调，只要不允许发出超光速信号，超光速隧穿就不是问题。这一点与爱因斯坦感到困惑的“鬼魅般的超距作用”类似。超距作用指的是相距遥远的粒子具有相互“纠缠”的能力，因此对一个粒子的测量可以同时确定两个粒子的属性。这种远距离粒子之间的即时联系并不会产生矛盾，因为它不能用来从一个粒子向另一个粒子发送信号。

不过令人惊讶的是，相比物理学家对超距作用的绝望程度，对超光速隧穿的研究却很少令人过于惊诧。“对于量子隧穿，你不是在处理两个独立的系统，它们的状态也不是以一种令人毛骨悚然的方式联系在一起，”在剑桥大学研究隧穿时间问题的格雷斯·菲尔德（Grace Field）说，“你是在处理一个在空间中行进的单一系统。在某种程度上，它似乎比纠缠状态还要古怪。”

在一篇发表在9月份《新物理学期刊》（New Journal of Physics）上的论文中，埃里·波拉克和两位同事认为，超光速隧穿之所以不允许发送超光速信号，是出于统计学的原因：尽管在极厚势垒中发生的隧穿非常快，但这种事件发生的概率是极其低的。信号发送者总是倾向于通过自由空间发送信号。

但是，为什么不能在超厚势垒上爆炸大量的粒子，希望其中一个能以超光速通过呢？难道仅仅一个粒子就不足以传达信息并打破物理学定律吗？斯坦伯格赞同这种情况的统计学观点，但认为单个隧穿粒子无法传递信息。一个信号需要细节和结构，在尝试发送任何一个详细信号时，通过空气发送总是比通过一个不可靠的势垒更快。

波拉克表示，这些问题将是未来研究的主题，“我相信斯坦伯格的实验将会推动更多的理论。未来研究会通向哪里，我不知道。”

这些思考将带来更多的实验，有些实验已经在斯坦伯格的计划清单上。他表示，通过确定磁势垒中不同区域的磁场位置，他的团队计划探测的“不仅包括粒子在势垒中停留了多长时间，还包括粒子是在势垒中哪里停留的”。理论计算预测，铷原子大部分时间都在势垒的入口和出口附近，但在势垒中间的时间很少。“这有点令人惊讶，一点也不符合直觉，”雷蒙·拉莫斯说道。

通过探索大量隧穿粒子的平均经历，研究人员描绘出了一幅关于势垒内部的画面，比量子力学先驱在一个世纪前所预期的还要生动形象。在斯坦伯格看来，尽管量子力学给人以不可思议的印象，但这些进展让人们明白了一点：“当你看到一个粒子在哪里结束时，你就会知道它之前在做什么。”