新实验，挑战量子力学的一个著名诠释

在经典物理世界中，当一个物体（比如篮球）碰到障碍物时，我们知道它会反弹。但在量子世界里，粒子有时却能“隧穿”进入一个势垒——也就是一个势能高于周围环境的区域。这个在经典物理学中所禁止的效应，便是著名的量子遂穿。

量子隧穿可以解释一些自然现象，例如放射性衰变和某些类型的酶催化反应。虽然这一现象广泛存在于许多自然过程中，但物理学家至今仍不完全清楚“遂穿时间”到底要怎么定义，以及隧穿这个过程究竟需要多长时间？

在一项新发表于《自然》杂志的研究中，一个研究团队设计了一项测量粒子在穿越势垒时的速度的实验。他们的研究结果表明，当一个粒子能量越低时，隧穿过程反而更快。这一研究结果挑战了量子物理中的一种诠释——玻姆量子力学。

像小球滑落般的隧穿实验

这项实验可以类比为一个小球从斜坡上滚下并撞上墙壁的过程，只不过这里的“球”是光子，而“墙”是一个势垒。这一实验之所以能够实现，得益于研究团队开发出的一种能够在隧穿过程中实时探测光子的方法。

量子遂穿实验在两个镜面之间充满荧光染料的腔体中进行。底部镜面经过加工构建出两个用于引导光传播的“波导”通道。在主波导中，研究人员通过激光照射染料分子来生成光子。主波导呈坡道结构，使光子在被激发时获得一定的势能。光子从坡道滑下，在主波导中沿一个方向传播，直至遇到一个势垒。当光子通过量子隧穿进入势垒区域时，它们也会横向隧穿至相邻的副波导中。（图 / Sharoglazova et al. / Nature）

实验是在两个镜子之间的腔体中进行的，腔体内部填充了含有荧光染料的液体。研究人员通过用激光照射液体，可以生成光子。由于这层液体被夹在两面镜子之间，空间受到限制，使得生成的光子能表现出类似具有质量的粒子行为。

在两个镜子中，下镜的镜子经过纳米加工，形成了两个平行的光学通道，也叫“波导”，光子只能沿着这些通道传播。其中，主波导被设计成一个坡度结构，光子正是在坡道上的某个位置被激发产生的。光子在坡道上的初始位置，决定了它的势能大小。

随后，光子从坡道滑下，沿主波导前进，最终遇到一个高度超过其动能的势垒。按照经典物理学，光子无法越过该障碍，但根据量子力学，光子有可能发生隧穿，进入势垒区域。

隧穿实验首现

在实验过程中，研究人员既使用了动能高于势垒的（可以直接穿过）光子，也使用了动能低于势垒的（必须通过隧穿）的光子。对需要隧穿的光子而言，这个势垒被设计得足够长，几乎可以视为无限厚。

在势垒内部，当光子隧穿进入势垒内部的“禁区”后，它们不仅沿主波导前进，同时还可以横向隧穿到旁边的副波导，并来回跳跃。这种波导之间的跳跃速率是这个系统中一个定义明确、可被精确测量的物理属性。因此，粒子的这种振荡行为就像一个“时钟”一样，可以用来标记它们在势垒中运动所花费的时间。

光子在两个波导之间的跳跃行为具有稳定可测的速率。研究人员利用这一跳跃速率作为“时间刻度”，从而推算出光子在势垒中的传播速度。（图 / Sharoglazova et al. / Nature）

部分光子通过顶部镜子逸出，并被摄像机所记录。研究人员根据两个波导中光子在不同位置的分布图像，仿佛拍下了一张穿越势垒过程的“快照”，并读取了不同位置的“时间刻度”。

此外，当粒子发生隧穿进入势垒时，它的动能低于势垒的势能，这在量子力学中意味着其局部动能为负。因此，在实验中，研究人员通过光子在坡道上的初始位置来计算其动能，从而在每一次实验中推算出光子在势垒区域的局部动能。

实验发现：那些具有最大负动能的光子，其隧穿速度最快。这一现象虽符合量子力学预测，却一直难以通过实验加以验证。

对玻姆量子力学的挑战

这一实验结果也对玻姆量子力学构成挑战。玻姆诠释中的一个关键预测是：若粒子隧穿进入一个无限长的势垒，它会静止不动。但这项研究的实测结果并不支持这种静止图景，反而显示粒子在势垒内确实在运动。

不过，有物理学家指出，仅凭这项实验尚不足以裁决玻姆力学的正确性。毕竟，这项实验建立在一系列复杂假设之上，而这些假设本身可能会受到质疑。

尽管如此，这项成果仍为一个长期以来主要停留在理论层面的讨论提供了一个罕见的实验证据。它提供了一个窗口，让我们得以窥见粒子在穿越本不允许其存在的区域时，究竟发生了什么，并为关于“隧穿时间”定义的争论注入了新的思考。

#参考来源：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09099-4

https://www.nature.com/articles/d41586-025-02110-y

https://www.nature.com/articles/d41586-025-01765-x

#图片来源：

封面图&首图：Placidplace / Pixabay