量子隧穿發(fā)生在粒子穿過一個它在經(jīng)典物理學(xué)中不應(yīng)能夠跨越的勢壘時。想象一個球滾上山坡，如果它沒有足夠的能量，它會滾回去。然而，在量子世界中，像電子這樣的粒子可以“隧穿”過山坡并出現(xiàn)在另一邊，即使它們沒有經(jīng)典能量來做到這一點。

這種現(xiàn)象源于粒子在量子力學(xué)中的波動性。根據(jù)薛定諤方程，找到粒子的概率由波函數(shù)描述。當(dāng)這個波函數(shù)遇到勢壘時，它不會突然降為零，而是指數(shù)衰減。如果勢壘足夠薄，粒子出現(xiàn)在另一邊的概率就不為零。

量子隧穿不僅僅是一個理論上的好奇心，它在現(xiàn)實世界中有著重要的影響和應(yīng)用。在自然界中，量子隧穿的一個最顯著的例子是恒星內(nèi)部的核聚變過程。在恒星的核心，質(zhì)子必須克服它們的靜電排斥力才能融合形成氦核。經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為恒星中的溫度和壓力不足以實現(xiàn)這一點。然而，量子隧穿允許質(zhì)子穿過庫侖勢壘并融合，釋放出為能量。

在技術(shù)方面，量子隧穿被用于各種設(shè)備中。一個突出的例子是隧道二極管，它利用隧穿實現(xiàn)高速開關(guān)和放大。另一個關(guān)鍵應(yīng)用是掃描隧道顯微鏡（STM），它允許科學(xué)家在原子水平上觀察表面。STM通過測量尖端和被研究表面之間的隧穿電流，提供了原子結(jié)構(gòu)的詳細(xì)圖像。

量子隧穿在生物系統(tǒng)中還起著重要作用。例如，酶催化——生命所必需的過程——可能涉及量子隧穿。酶加速細(xì)胞中的化學(xué)反應(yīng)，一些研究表明，隧穿允許質(zhì)子或電子更有效地穿過能量屏障，從而提高反應(yīng)速率。

類似地，量子隧穿可能在光合作用中發(fā)揮作用，光合作用是植物將陽光轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程。光合作用復(fù)合體中能量傳遞的效率可能受到量子效應(yīng)的影響，包括隧穿，這使得激子（能量包）能夠快速高效地通過復(fù)合體。

盡管取得了重大進展，關(guān)于量子隧穿的許多問題仍未解答。一個主要的研究領(lǐng)域是隧穿時間的精確性質(zhì)。與經(jīng)典粒子的運動不同，量子粒子的行為不像經(jīng)典物理那樣可以直接觀察和測量。隧穿時間涉及粒子在勢壘內(nèi)的行為，這種行為在經(jīng)典物理中沒有對應(yīng)的現(xiàn)象，因此需要多種方法來描述。

目前，一些主要的隧穿時間定義有：

• 相位時間是通過測量波函數(shù)相位隨時間的變化來定義的。具體來說，它是粒子波包在穿過勢壘時相位變化所需的時間。這種方法通常用于描述粒子在勢壘內(nèi)的傳播時間。

• 駐留時間是粒子在勢壘區(qū)域內(nèi)停留的總時間。它考慮了粒子在勢壘內(nèi)的所有可能路徑，并計算出平均停留時間。這種方法提供了一個整體的時間尺度，但不區(qū)分粒子是透射還是反射。

• Büttiker-Landauer時間是通過考慮粒子在勢壘內(nèi)的傳播速度和路徑長度來定義的。這種方法結(jié)合了相位時間和駐留時間的概念，提供了一種更全面的隧穿時間描述。

• 拉莫爾時間是通過在勢壘區(qū)域內(nèi)施加磁場并測量粒子自旋的進動來定義的。這種方法利用了自旋與磁場的相互作用，提供了一種獨特的隧穿時間測量方式。

• 哈特曼效應(yīng)提出，當(dāng)勢壘厚度增加時，隧穿時間趨于一個常數(shù)值，而不是無限增加。這意味著在某些情況下，粒子似乎可以以超光速穿過厚勢壘。

實驗上，測量隧穿時間的方法多種多樣，不同的方法可能會得出不同的結(jié)果。一些實驗測量的隧穿時間似乎支持哈特曼效應(yīng)，而另一些實驗則表明隧穿粒子的有效速度是亞光速。一個顯著的實驗涉及測量光子穿過勢壘所需的時間。結(jié)果表明，隧穿時間比光在真空中傳播相同距離所需的時間短。

然而根據(jù)相對論理論，信息不能以超光速傳播而不違反因果關(guān)系。在量子隧穿的背景下，即使粒子似乎比光速更快地穿過勢壘，這也不等同于超光速的信息傳輸。量子力學(xué)中的無信號定理確保了超光速隧穿不會導(dǎo)致超光速通信。該定理指出，量子糾纏和其他量子現(xiàn)象不能用于瞬時傳輸信息，從而保持相對論的因果結(jié)構(gòu)。(www.ws46.com)

準(zhǔn)確測量隧穿時間是一個重大的實驗挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法通常依賴于間接測量，導(dǎo)致不同的解釋和結(jié)果。然而，最近在實驗技術(shù)方面的進展提供了更精確的數(shù)據(jù)。一種有前途的方法是使用阿秒激光脈沖來探測隧穿過程，允許科學(xué)家以前所未有的精度觀察電子在隧穿過程中的動態(tài)。這些實驗正在揭示隧穿過程的新現(xiàn)象，并可能有助于解決長期以來關(guān)于隧穿時間和速度的爭論。

總結(jié)

雖然量子隧穿呈現(xiàn)出令人著迷的可能性，但共識是它不會以違反相對論或因果關(guān)系的方式允許超光速傳播。在一些實驗中觀察到的表面上的超光速，可能是量子力學(xué)的獨特性質(zhì)和在如此小的尺度上測量時間的結(jié)果。