量子隧穿效应真的能打破光速吗？

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如果把一个小球扔向一堵坚固的墙壁，那么，它肯定会撞上墙壁，然后反弹回来。在经典物理学中，一个足够强的屏障会阻止其他物体从中穿过。但在量子力学来看，情况并非如此。如果把小球换成微小的量子粒子，把固体墙壁换成量子力学势垒。那么，粒子就会有一定的概率穿过势垒，它们最终会在势垒的另一边被探测到，此即为量子隧穿效应。这就好像把小球扔向墙壁，小球径直穿过，完全不受墙壁的阻碍。

根据《自然》（Nature）杂志最近刊载的一项研究[1]，物理学家首次成功地测出量子隧穿过程的耗时，并发现这是瞬间完成的。然而，这并不意味着量子隧穿的速度比光速还快。因为相对论表明，没有什么速度能打破光速。

每当谈及量子世界之时，很多人可能会想到微小的粒子都在快速运动，并且互相碰撞。但量子世界并非是这个样子，它们是反直觉的。由于不确定性原理，我们不可能同时知道一个粒子的位置和动量，我们只能用概率来全面描述它们。

量子隧穿效应

这意味着如果把一个量子粒子放在任意一个位置，然后问“它现在在哪里？”由于粒子的量子性质，这意味着它的位置是由一个波函数定义的，而这是不确定的，它只能给出在某个位置找到粒子的概率。

量子物理的这种反直觉的奇异性质并不是我们的测量设备存在局限性，没有能力测出来，而是这就是世界的基本性质。在测量之前，没有什么是确定的，只有概率。

考虑量子隧穿效应，如果在一个系统中，粒子会有一定的概率从量子势垒的一边穿到另一边，那么，这个跃迁的速度就会受到限制。也许它取决于势垒的大小，势垒的厚度，或者其他一些与之物理性质有关的因素。毕竟，在这个宇宙中，一切都应该受到光速的限制。

氢原子

最简单的设置就是把一个粒子，比如电子，束缚在一个受限的系统中，比如氢原子。那么，电子就会有一个有限且非零的概率从氢原子中隧穿到一种无束缚的状态。通过使用设备对其成像，就能精确地测量从一个束缚态隧穿到一个非束缚态所需要的时间间隔。

澳大利亚阿秒科学院的物理学家已经做到了这一点，他们通过实验发现，这种最简单的量子隧穿过程最多需要1.8阿秒（1.8×10-18秒，不到100亿亿分之二秒）。如果以光速前进这个时间，行进的距离大约只有5.4埃米（5.4×10^-10米）。结果表明，在实验不确定度范围内，理论与瞬时隧穿是一致的。

尽管这对于量子限制晶体管的实际应用具有不小的意义，但需要强调的是，这里的“瞬时”并不意味着它违反了爱因斯坦的相对论。

这不像日常生活经验那样，我们不能认为某一瞬间可以说“这个粒子在这里”，然后，过了一段很短的时间之后，又说“这个粒子现在在那里”，不能用距离变化量除以时间变化量来计算出所谓的超光速。这个实验仅仅表明，在这个隧穿跃迁过程中，没有基本的量子延迟。

但这个实验也有助于揭示物理学家是如何设法利用多粒子系统来制造一种超光速的幻觉，这是大家喜闻乐见的。假设有一组量子粒子，它们聚在一起形成一束脉冲，然后，它们以隧穿或其他方式穿过某种势垒。结果发现，势垒另一边检测到的脉冲似乎表明，其运动速度似乎超过了光速！

那么，这是否意味着粒子能以无限快的速度运动，打破光速，穿过一个有限且非零厚度的量子力学势垒？这就是经常出现的误解，很多人误以为这打破了光速。

然而，这里所发生的一切只出现在通过量子隧穿效应穿过势垒的一部分量子粒子，而脉冲中的大多数粒子的作用与飞向墙壁的小球相同——它们会反弹，无法到达目的地。如果能把能穿过势垒的粒子提前，有倾向性地切断脉冲后面的粒子，结果就会错误地测量出比光速还快的速度。但事实是，没有单个粒子能真正打破光速。

那么，这项新研究到底意味着什么呢？

简单来说，量子隧穿本身的过程，也就是从量子势垒一边的束缚态到另一边的非束缚态的跃迁过程，不需要任何额外的时间。然而，在给定的时间内运动一定距离仍然受到爱因斯坦相对论的限制，这种限制适用于任何情况下的每一个粒子。

这项研究真正令人振奋的地方在于，物理学家直接对单个粒子进行了测量，并证明了量子隧穿过程本身没有固有的量子延迟。但要说超光速，这仅限于幻想。