在日常生活中，如果你想穿過一面堅(jiān)硬的墻，等待你的只有一個(gè)結(jié)果：碰壁。這符合我們的預(yù)期，畢竟所謂的穿墻術(shù)從來都只發(fā)生在小說中。但當(dāng)我們進(jìn)入到越來越小的世界中時(shí)，事情將會(huì)變得非常不一樣！這是因?yàn)樵谖⒂^世界中，經(jīng)典的物理定律將不再適用，取而代之的是物理學(xué)中的量子力學(xué)。

試想一下，如果你把自己變成一個(gè)量子粒子，把固體墻換成量子障礙，就會(huì)發(fā)生意想不到的事情：你確實(shí)有機(jī)會(huì)穿過那看似不可逾越的障礙！這個(gè)過程被稱為量子隧穿，是量子力學(xué)的主要特征之一。

但關(guān)于量子隧穿，有一個(gè)問題一直困擾著我們：一個(gè)量子粒子穿過障礙的速度可以有多快？

過去，關(guān)于這個(gè)問題的爭(zhēng)論都只停留在理論上。但就在最近發(fā)表于《自然》雜志的一項(xiàng)研究中，這個(gè)問題被部分地解決了。這很重要，因?yàn)樗赡苁且粋€(gè)對(duì)那些在未來隨處可見的技術(shù)都產(chǎn)生重大影響的科學(xué)突破。

事實(shí)上，今天的許多技術(shù)——如半導(dǎo)體、智能手機(jī)的LED屏幕或者激光——都是基于我們對(duì)量子世界中事物的運(yùn)作方式的理解。所以我們能夠?qū)W習(xí)的越多，能夠發(fā)展的也就越多。

1. 量子隧穿

當(dāng)我們說量子粒子（比如電子）可以穿過障礙時(shí)，我們指的不是實(shí)體的障礙物，而是能量勢(shì)壘。量子隧穿之所以可能發(fā)生，是因?yàn)殡娮泳哂胁ǖ奶匦?。量子力學(xué)為每一個(gè)粒子都賦予了波的特性，而且波穿透障礙的概率總是有限的，就像聲波穿透墻壁時(shí)那樣。

量子隧穿聽起來有悖于直覺，但卻是許多技術(shù)的基礎(chǔ)，例如使得科學(xué)家能夠創(chuàng)造出原子級(jí)分辨率圖像的掃描隧道顯微鏡。此外，核聚變以及光合作用等生物學(xué)過程中也可以自然地觀察到量子隧穿現(xiàn)象。

雖然量子隧穿現(xiàn)象得到了很好的研究和應(yīng)用，但物理學(xué)家對(duì)它仍然缺乏完整的理解，特別是在動(dòng)力學(xué)方面。如果我們能對(duì)隧穿的動(dòng)力學(xué)原理（比如用它來攜帶更多的信息）加以利用，那么或許能為未來的量子技術(shù)帶來新的方法。

2. 隧穿速度實(shí)驗(yàn)

實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的第一步是測(cè)量隧穿過程的速度。這并不容易，因?yàn)闇y(cè)量所涉及的時(shí)間尺度非常小。

一些物理學(xué)家已經(jīng)計(jì)算過，對(duì)于尺度為十億分之幾米的能量勢(shì)壘，隧穿過程需要大約幾百個(gè)阿托秒（一個(gè)阿托秒是十億分之一秒的十億分之一，也就是10?1?秒）。我們可以通過一個(gè)比較來體會(huì)一個(gè)阿托秒的時(shí)間：如果將一個(gè)阿托秒拉長(zhǎng)到一秒，那么一秒就等于宇宙的年齡。

由于預(yù)測(cè)的隧穿時(shí)間是如此之短，所以之前物理學(xué)家都將隧穿過程看作是瞬時(shí)的。要測(cè)量如此短暫的時(shí)間，在實(shí)驗(yàn)中就需要一個(gè)能夠以極高的準(zhǔn)確度和精確度對(duì)事件進(jìn)行記時(shí)的時(shí)鐘。在格里菲斯大學(xué)量子動(dòng)力學(xué)中心的澳大利亞阿托秒科學(xué)設(shè)施上，超快激光系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步讓我們得以實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)時(shí)鐘。

實(shí)驗(yàn)中的時(shí)鐘既不是機(jī)械的也不是電子的，而是超快激光脈沖的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)矢量。我們知道，光不過是快速變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成的電磁輻射。于是我們使用這個(gè)快速變化的電磁場(chǎng)來誘導(dǎo)原子氫中的隧穿現(xiàn)象，并作為時(shí)鐘來測(cè)量隧穿過程何時(shí)終止。

選擇使用原子氫（僅由一個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子結(jié)合而成）避免了其他原子會(huì)出現(xiàn)的復(fù)雜性，并讓研究人員能夠更容易地對(duì)結(jié)果進(jìn)行明確地比較和詮釋。

3. 有多快？

實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的隧穿時(shí)間不超過1.8阿托秒，比一些理論預(yù)測(cè)的還要小得多。這樣的測(cè)量結(jié)果迫使我們需要重新思考對(duì)隧穿動(dòng)力學(xué)的理解。

不同的理論計(jì)算了一系列的隧穿時(shí)間——從0到數(shù)百阿托秒不等，但究竟哪一個(gè)理論的預(yù)測(cè)是正確的，物理學(xué)家還沒有達(dá)成共識(shí)。這種分歧的一個(gè)基本原因在于量子力學(xué)中具有獨(dú)特的時(shí)間概念。由于量子不確定性，一個(gè)粒子進(jìn)入或離開勢(shì)壘的時(shí)間不可能是絕對(duì)確定的。但像這樣對(duì)簡(jiǎn)單系統(tǒng)進(jìn)行精確測(cè)量的實(shí)驗(yàn)可以讓我們對(duì)量子時(shí)間有更精細(xì)的理解。

○?過去，量子隧穿所需要的時(shí)間從未被測(cè)量過。但隨著超快激光和阿托秒計(jì)量學(xué)的快速發(fā)展，使物理學(xué)家有機(jī)會(huì)進(jìn)入阿托秒的領(lǐng)域。在氫原子這樣簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中，電子有一個(gè)有限的、非零的概率會(huì)隧穿到一個(gè)非束縛態(tài)。最新測(cè)量表明，這個(gè)隧穿時(shí)間不超過1.8阿托秒。| 圖片來源：AASF / GRIFFITH UNIVERSITY / CENTRE FOR QUANTUM DYNAMICS

4. 下一代技術(shù)

技術(shù)世界的量子飛躍往往根植于對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)的追求。未來的量子技術(shù)將融合許多量子特性，比如疊加和糾纏，這將引起技術(shù)專家所說的“第二次量子革命”。

通過充分理解最簡(jiǎn)單的氫原子隧穿事件的量子動(dòng)力學(xué)，研究人員已經(jīng)證明，某些類型的理論能夠給出正確的答案，而其他類型的理論則不能。這讓我們能夠更有信心將一些理論應(yīng)用于其他更復(fù)雜的系統(tǒng)。

阿托秒時(shí)間尺度的測(cè)量不僅為未來的量子技術(shù)增加了一個(gè)額外的維度，而且從根本上有助于我們理解量子世界中一個(gè)基本卻常常被忽視的問題：時(shí)間是什么？