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澳物理學家首次成功測量量子穿隧時間

2019/3/29 — 12:31

無論你將球擲向牆身多少次,球一樣會反彈回來。不過更微觀的量子世界,則是另一番景像。即使粒子衝向障礙,它們仍有機會抵達到另一邊。量子物理學家稱此現象為量子穿隧效應 (Quantum tunnelling effect)。

粒子可以穿過障礙是一回事,但需要花費多少時間呢?澳洲格里菲斯大學 (Griffith University) 量子物理學家 Igor Litvinyuk 及 Robert Sang 就用了三年時間,嘗試測量量子穿隧效應用到的時間。

在眾多元素中,他們選擇以氫原子 (atomic hydrogen) 作研究對象。透過量度極短頻光束數據,他們成功測量電子從氫原子中流離或走脫,以及穿隧延遲 (quantum delay) 的時間。他們發現粒子可在瞬間穿透障礙——有部份沒有參與研究的人甚至推論,粒子穿隧效應是否超越了光速。

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不過,事實並非如此。《福布斯》專欄作家、天體物理學家 Ethan Siegel 解釋,雖然粒子穿越速度甚高,但其實仍比光速慢。他指出,量子世界的粒子活動不如經典物理世界般可被預測。假設你將粒子放在平面上,過一段時間再想找出其位置的話,礙於其不可測特性,現時無法透過移動速度和時間計算出實際位置,最多只可以機率解釋量子粒子活動。實際粒子的活動在未量度前都是機率,需在量度一刻才可肯定。另外,「粒子」本身也不是一顆顆般存在,而是類似波動般存在。

粒子轉移速度,會被障礙厚度、大小或其他未知的物理特性限制,也就是說轉移速度會在光速之下。在今次研究中,研究人員就透過光子量度電子轉移速度。他們發現在短短 1.8 原秒 (attoseconds)  ,電子就穿越了障礙。相比之下,電子圍繞原子核一圈則需百多原秒。而在粒子穿隧過程中,假設只量度前段光束頻率,那就會出現「快過光速」的錯覺。然而,只要將所有光子也計算在內的話,其實電子根本沒快過光速。

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今次研究首次在排除其他物理因素下,測量到單一粒子量子穿隧所需時間。實驗也同時反映在穿隧過程不會出現延遲時間,發現有助日後研發量子限制電晶體 (quantum-limited transitor) 。

來源:
Griffith University, Measuring tunneling time – physicists solve great mystery of the quantum world, 19 March 2019

參考資料:
Ethan Siegel , No, Quantum Tunneling Didn't Break The Speed Of Light; Nothing Does, 21 March 2019

文/Edward Ho、審核/David Yu 、Alan Chiu 

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