真正的怪异：幽灵般的量子粒子几乎立即穿过障碍物

在亚原子水平上，粒子可以飞过看似无法通行的障碍物，如幽灵。

几十年来，物理学家们一直在想这个所谓的量子隧道需要多长时间。现在，经过三年的调查，一个理论物理学家的国际团队得到了答案。根据一项新研究，他们测量了氢原子的隧道电子，发现其通过几乎是瞬间的。

粒子可以通过固体物体，不是因为它们非常小(尽管它们是)，而是因为物理规则在量子水平上是不同的。

想象一下，一个球从一个山谷向着一个高达珠穆朗玛峰的斜坡上滚下来; 如果没有喷气背包的提升，球将永远没有足够的能量来清理山丘。但是亚原子粒子不需要越过山丘到达另一侧。

粒子也是波浪，在空间中无限延伸。根据所谓的波动方程，这意味着可以在波浪上的任何位置找到粒子。

现在想象波浪撞击障碍; 它继续通过但失去了能量，它的振幅(峰值的高度)下降了。但如果障碍物足够薄，则波浪的振幅不会衰减到零。只要在扁平波浪中还剩下一些能量，就有一些机会 - 尽管是一个小的 - 粒子可能会飞过山丘并从另一侧飞出。

研究报告的共同作者，实验性量子物理学家，澳大利亚格里菲斯大学教授罗伯特桑在一封电子邮件中告诉Live Science，在量子水平进行这项难以捉摸的活动的实验至少可以说是“非常具有挑战性”。

“你需要结合非常复杂的激光系统，反应显微镜和氢原子束系统才能同时工作，”桑说。

用光保持时间

研究人员使用了一种名为attoclock的光学计时装置- 超短的偏振光脉冲，能够测量电子在阿秒或十亿分之一秒内的运动。研究人员报告说，他们的attoclock以每秒1000个脉冲的速度在水中沐浴氢原子，这使原子电离，使得它们的电子可以通过屏障逃逸。

屏障另一侧的反应显微镜测量了电子出现时的动量。反应显微镜检测到带电粒子与来自attoclock的光脉冲相互作用后的能量水平，“从中我们可以推断出通过屏障所需的时间，”Sang告诉Live Science。

“我们可以测量的精确度是1.8阿秒，”桑说。他补充说：“我们得出的结论是隧道掘进必须小于1.8阿秒” - 接近即刻。

尽管测量系统很复杂，但研究人员实验中使用的原子很简单 - 原子氢，它只含有一个电子。根据该研究，其他研究人员进行的先前实验使用了含有两个或多个电子的原子，如氦，氩和氪。

由于自由电子可以相互作用，这些相互作用可以影响粒子的隧穿时间。Sang解释说，这可以解释为什么先前研究的估计比新研究更长，并且几十秒。研究人员报告说，氢原子结构的简单性使得研究人员能够以先前尝试中无法达到的精度校准他们的实验，从而创建了一个重要的基准，现在可以测量其他隧道粒子。