量子隧穿是一種很奇妙的現(xiàn)象，讓粒子可以穿過(guò)一堵本來(lái)應(yīng)該擋住它們的墻。這聽起來(lái)有點(diǎn)像魔術(shù)，但其實(shí)它是由量子力學(xué)的規(guī)律所決定的。那么量子隧穿是怎么回事，在這個(gè)過(guò)程中它是否會(huì)超光速？

什么是量子隧穿

首先，我們要明白什么是量子力學(xué)。量子力學(xué)是一門研究微觀世界的物理學(xué)，它告訴我們，微觀粒子的行為和我們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)中的物體有很大的不同。比如，微觀粒子可以同時(shí)具有波和粒子的性質(zhì)，它們的位置和速度不能同時(shí)確定，它們可以在不同的狀態(tài)之間跳躍，等等。這些特性都讓微觀粒子顯得很神秘，但也很有趣。

其中一個(gè)有趣的特性就是量子隧穿。要理解量子隧穿，我們先要知道什么是勢(shì)壘。勢(shì)壘就是一種阻礙粒子運(yùn)動(dòng)的力場(chǎng)，比如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等。勢(shì)壘可以用一個(gè)勢(shì)能函數(shù)來(lái)描述，勢(shì)能函數(shù)表示了粒子在不同位置所具有的能量。勢(shì)壘就相當(dāng)于一個(gè)山峰或者一個(gè)坑，粒子要想越過(guò)它，就需要有足夠的能量。

如果我們用經(jīng)典物理學(xué)來(lái)看待這個(gè)問(wèn)題，那么粒子要想越過(guò)勢(shì)壘，就必須滿足以下條件：粒子的總能量大于或等于勢(shì)壘的最高點(diǎn)的能量；粒子在勢(shì)壘內(nèi)部的動(dòng)能為正。如果粒子不滿足這兩個(gè)條件，那么它就會(huì)被勢(shì)壘反彈回去，就像一個(gè)小球撞到一堵墻一樣。這也符合我們的常識(shí)。

但是如果我們用量子力學(xué)來(lái)看待這個(gè)問(wèn)題，那么情況就不一樣了。因?yàn)榱孔恿W(xué)告訴我們，粒子不僅有粒子性，還有波動(dòng)性。也就是說(shuō)，粒子可以用一個(gè)波函數(shù)來(lái)描述，波函數(shù)表示了粒子在不同位置出現(xiàn)的概率。波函數(shù)也受到勢(shì)能函數(shù)的影響，但是它不會(huì)像經(jīng)典物理學(xué)中那樣被完全截?cái)唷６菚?huì)有一部分波函數(shù)滲透到勢(shì)壘內(nèi)部，并且在勢(shì)壘另一邊衰減地出現(xiàn)。

這就意味著，即使粒子不滿足經(jīng)典物理學(xué)中越過(guò)勢(shì)壘的條件，它也有一定的概率出現(xiàn)在勢(shì)壘另一邊。這就好像一個(gè)小球可以穿過(guò)一堵墻一樣，這就是量子隧穿。(www.ws46.com)

那么，量子隧穿的速度是多少呢？它會(huì)超過(guò)光速嗎？這個(gè)問(wèn)題并沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單的答案，因?yàn)椴煌奈锢砝碚摵蛯?shí)驗(yàn)方法會(huì)給出不同的結(jié)果和解釋。下面我就來(lái)給你介紹幾種常見(jiàn)的觀點(diǎn)和論證。

從波包的角度看

從波包的角度看，量子隧穿可以超過(guò)光速。這是因?yàn)椴ò怯啥鄠€(gè)頻率不同的波疊加而成的，在空間上呈現(xiàn)出一個(gè)局域化的形狀。當(dāng)波包遇到勢(shì)壘時(shí)，它會(huì)被分成兩部分：反射波包和透射波包。反射波包就是被勢(shì)壘反彈回去的部分，透射波包就是穿過(guò)勢(shì)壘的部分。透射波包在勢(shì)壘內(nèi)部會(huì)發(fā)生衰減和相移，但是它的形狀不會(huì)改變。當(dāng)透射波包從勢(shì)壘另一邊出來(lái)時(shí)，它的峰值位置會(huì)比原來(lái)的波包提前一段距離。這個(gè)距離就是超光速隧穿的距離。

這個(gè)距離可以用一個(gè)公式來(lái)計(jì)算，它和勢(shì)壘的厚度、高度、波包的頻率和寬度都有關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，勢(shì)壘越厚，超光速隧穿的距離就越大。這也意味著，隧穿時(shí)間越短，隧穿速度就越大。有些情況下，隧穿速度甚至可以無(wú)限大。

不過(guò)，這種超光速隧穿并不違反相對(duì)論，因?yàn)樗⒉荒軅鬟f任何信息或能量。這是因?yàn)椴ò男螤顩](méi)有改變，只是位置提前了一點(diǎn)。要想傳遞信息或能量，必須改變波包的形狀或強(qiáng)度。而要做到這一點(diǎn)，就必須在勢(shì)壘另一邊有一個(gè)接收器來(lái)測(cè)量透射波包，并且把結(jié)果傳回去。這樣一來(lái)，信息或能量的傳遞速度就受到光速的限制了。

從量子力學(xué)的角度看

從量子力學(xué)的角度看，量子隧穿沒(méi)有固定的速度，也就無(wú)法判斷它是否超過(guò)光速。這是因?yàn)榱孔恿W(xué)告訴我們，粒子在勢(shì)壘內(nèi)部并沒(méi)有確定的位置和速度，而是以一定概率分布在不同位置上。因此，粒子隧穿時(shí)并不是從一個(gè)確定位置到另一個(gè)確定位置，而是從一個(gè)概率分布到另一個(gè)概率分布。這樣就無(wú)法定義粒子隧穿時(shí)所經(jīng)過(guò)的路徑和時(shí)間。

這也意味著，我們無(wú)法預(yù)測(cè)粒子什么時(shí)候會(huì)隧穿成功，只能計(jì)算出它隧穿成功的概率。這個(gè)概率和勢(shì)壘的厚度、高度、粒子的能量和質(zhì)量都有關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，勢(shì)壘越厚、越高，粒子越重、越慢，隧穿成功的概率就越小。因此，從這個(gè)角度看，量子隧穿沒(méi)有固定的速度，也就無(wú)法超光速。

從實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的角度看

從實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的角度看，有些實(shí)驗(yàn)表明量子隧穿可以超過(guò)光速。例如，在2015年，德國(guó)科學(xué)家利用掃描隧道顯微鏡（STM）進(jìn)行了一項(xiàng)著名的實(shí)驗(yàn)。他們將STM探針靠近一個(gè)金屬表面，并用電壓激發(fā)金屬表面上的電子發(fā)生隧穿。他們發(fā)現(xiàn)電子隧穿時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)電流信號(hào)，并且這個(gè)信號(hào)比光在真空中傳播所需時(shí)間還要短。這意味著電子隧穿時(shí)產(chǎn)生了超光速效應(yīng)。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)引起了很多爭(zhēng)議和討論 。有些人認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)確實(shí)觀測(cè)到了超光速現(xiàn)象，并且提出了一些理論模型來(lái)解釋它 。有些人認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)只是觀測(cè)到了一種假象，并且指出了實(shí)驗(yàn)中存在的一些問(wèn)題和誤解。目前，這個(gè)實(shí)驗(yàn)還沒(méi)有得到廣泛的認(rèn)可和重復(fù)，因此它的結(jié)論還不是很確定。

總之，從實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的角度看，量子隧穿是否會(huì)超光速還是一個(gè)有待進(jìn)一步探索的問(wèn)題。也許未來(lái)會(huì)有更多的實(shí)驗(yàn)和理論來(lái)揭示量子隧穿的本質(zhì)和速度。