原子如何快速通过屏障滑动,像幽灵穿墙一样,不需要时间吗?

2022-04-18 06:59     互联网

1927年,德国物理学家弗里德里希洪德(Friedrich Hund)试图理解原子如何结合形成分子时,发现了量子力学中最令人着迷的方面之一。他发现,在某些条件下,自然界中的原子、电子和其他小粒子可以穿越物理屏障,这些屏障会混淆宏观物体,像幽灵一样穿过墙壁移动。按照这些规则,被捕获的电子可以不受外界影响而逃脱约束,就像摆放在球场第一个洞中的高尔夫球突然消失,并出现在第二洞中而没有任何人抬起球杆一样。这种现象被称为“量子隧道效应”。

从那时起,物理学家发现隧道效应在自然界中最引人注目的某些现象中起着关键作用。例如,量子隧道使太阳发光:它使恒星核心中的氢核紧密贴合在一起,融合成氦。许多放射性物质(例如铀238)会通过隧穿喷射而分解成较小的元素。物理学家甚至利用隧道技术发明了用于原型量子计算机的技术,以及能够对单个原子成像的所谓扫描隧道显微镜。

不过,专家仍无法详细了解该过程。多伦多大学的物理学家今天发表在《自然》杂志上,报告了有关量子隧穿的一种新的基本度量:需要多长时间。回到高尔夫类比,他们基本上是在打洞之间计时球的时间。“在实验中,我们问,‘给定的粒子在屏障中花费了多长时间?’”领导该项目的多伦多大学物理学家艾弗莱姆斯坦伯格(Aephraim Steinberg)说。

原子的"屏障"不是物质壁或分隔物。为了限制原子,物理学家通常使用由光或可能看不见的机制(如电吸引或排斥)构成的力场。在这个实验中,研究小组将红宝石原子困在蓝色激光屏障的一侧。激光束中的光子形成了一个力场,推动红宝石原子,以保持其被限制在空间内。他们发现,原子在光屏障上花了大约0.61毫秒,然后弹出另一边。确切的时间取决于屏障的厚度和原子的速度,但他们的关键发现是,"隧道时间不是零,"物理学家拉蒙拉莫斯说,他当时是斯坦伯格的研究生,现在是西班牙光子科学研究所的博士后研究员。

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