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拉姆齐钟测出量子隧穿的真实时间

科学探索万象经验2024-05-20

量子力学,这个主宰微观世界的奇异而美丽的理论,颠覆了一些我们熟悉的概念。量子世界引入了隧穿现象,粒子似乎违背了经典物理学,通过了它们似乎无法穿透的障碍。这就提出了一个根本性的问题:粒子穿过隧道需要多长时间?

传统上,这个问题的答案一直难以捉摸。理论预测和间接测量值从“超光速或瞬间穿透”到更扎实的有限持续时间。问题在于在量子背景下定义“经过的时间”,在那里粒子可以是局域化的,而经典轨迹不适用。最近发表在《科学进展》的一篇论文,提出了一种统一的隧穿时间理论——一种由拉姆齐钟推动的理论。

隧穿时间之谜

量子隧穿是量子力学的基石,它描述了粒子穿过经典上无法逾越的势垒的能力。想象一个球在平坦的表面上滚动,遇到了一堵墙。经典上,球会简单地反弹。然而,在量子世界中,存在一定的概率,球会出现在墙的另一边,似乎是瞬间传送过去的。

量子力学的这种概率性质使得难以确定隧穿的粒子的确切路径或轨迹。与经典力学不同,在经典力学中,粒子遵循明确的路径,而在量子领域,它们可以作为波包存在,分散在空间中。这种局域化创造了一个问题:对于一个确切位置不确定的粒子,我们如何定义“隧穿时间”?

此外,早期测量隧穿时间的方法依赖于间接方法,导致了相互矛盾的结果。一些实验暗示了超光速隧穿(比光速快),这违反了相对论定律。其他实验则暗示了瞬间隧穿,这是一个完全违背我们对时间的理解的概念。

测量隧穿时间的问题归结为两个关键挑战。首先正如前面提到的,在量子领域,“隧穿时间”的概念本身变得模糊不清。粒子可以分散,难以确定它们何时进入或退出障碍。其次,任何测量仪器必然会与粒子相互作用,这可能会影响隧穿过程本身。将实际的隧穿时间与测量设备的交互时间分开,对于获得准确的结果至关重要。

这些挑战导致了关于隧穿时间本质的长期争论。我们能否真正测量它们,或者它是量子世界中一个根本上无法量化的方面?

引入拉姆齐钟

最近提出的统一隧穿时间理论的关键在于一个巧妙的工具——拉姆齐钟。拉姆齐钟利用原子内部能量状态来创建一个高度精确的计时器。通过用特定序列(称为拉姆齐序列)的激光脉冲操纵这些状态,科学家可以测量微小的时差,具有极高的精度。

使用拉姆齐钟进行隧道实验的关键思想在于它们能够同时充当“隧穿粒子”和参考钟。

  • 隧穿钟:原子被准备成特定的内部状态,然后将它们置于一个势垒下,允许它们穿过去。

  • 参考钟:另一组原子保持在初始状态,作为参考点。

  • 拉姆齐序列:两组原子都受到拉姆齐序列的影响,该序列操纵它们的内部状态并允许精确测量任何发生的相移。

这种方法的优点在于它能够消除可能影响测量的共同因素。例如,任何时间膨胀效应(由于隧穿过程)或来自激光脉冲的相位噪声都会同样影响隧穿钟和参考钟。

通过比较隧穿原子的相移和参考原子的相移,科学家可以隔离由于隧穿事件而产生的唯一时间差。这种方法为测量隧穿时间提供了一种更直接、更可靠的方法。

使用拉姆齐钟代表着迈向统一隧道时间理论的重要一步。使用拉姆齐时钟的初步实验证实了有限隧穿时间的存在。粒子不会瞬间隧穿,也不会超光速隧穿。