量子隧穿并没有打破光速

跨越量子势垒的跃迁称为量子隧穿，这种跃迁所需的时间以前从未被测量过。对于氢原子中的单个电子，这个时间尺度现在被测量为不超过1.8秒，这与瞬时跃迁的解释是一致的。如果你把网球扔向一堵坚固的墙上，它会100%地撞到墙上，然后反弹回来，就像你所期望的那样。在物理学中，一个足够强的屏障会阻止任何进入的物体通过它。但在量子层面上，严格来说这并不正确。如果你把网球换成量子粒子，把固体墙换成任何量子力学势垒，粒子穿过势垒的概率是有限的，粒子最终会在势垒的另一边被探测到。就好像你把网球扔向墙壁，它径直穿过，完全不受墙壁的阻碍。

科学家们首次成功地测量了量子隧穿过程的耗时，并发现这是瞬间完成的。但这并不意味着它的速度比光速还快。

如果你让一个经典的粒子，比如篮球或网球，落到像桌子一样坚硬的表面上，你可以肯定它会反弹回来。如果你用量子粒子做同样的实验，你会发现，相当令人惊讶的是，它通过隧道到达桌子的另一边的机会是有限的，穿过势垒就好像它根本不是障碍一样。当你想到量子宇宙的时候，很可能会想到微小的、独立的粒子，它们都在快速移动，互相碰撞。但现实量子本质的一个违反直觉的方面是，量子粒子的某些特性存在固有的基本不确定性，我们只能用概率来全面描述它们。

这意味着如果你拿一个量子粒子，把它放在任何一个位置，然后问“它现在在哪里？”这个粒子的量子性质意味着它的位置是由一个波函数定义的，而这个波函数不是很确定的。

随着时间的推移，即使是一个简单的单粒子，其描述其位置的量子波函数也会随着时间自发地展开。这发生在所有量子粒子上。量子物理的这种奇异的、违反直觉的性质并不是我们测量设备的限制，而是现实和控制它的规则的一个基本性质。不管：

静止的粒子。自由粒子在空间中运动。束缚粒子(如原子中的电子)被限制在其允许的范围内。或者一个粒子遇到了阻碍限制了它所能占据的量子态。在做测量之前，没有什么是确定的，只有概率。

在经典力学(A)和量子力学(B-F)中，粒子在盒子里的轨迹(也称为无限方井)。在(A)中，粒子以匀速运动，来回弹跳。在(B-F)中，对于相同的几何和势，给出了与时间有关的薛定谔方程的波函数解。横轴为位置，纵轴为波函数的实部(蓝色)或虚部(红色)。(B-D)是稳态(能量本征态)，它于与时间无关的薛定谔方程的解。(E与F)是非稳态的，薛定谔方程的解。如果你有一个系统，它有一个从量子势垒的一边到另一边隧穿的概率(比如原子的束缚，或者一个虚假的最小值)，那么这个跃迁的速度就会受到限制。也许它取决于势垒的大小，势垒的厚度，或者其他一些与它的物理性质有关的因素。毕竟，在这个宇宙中，一切都应该受到光速的限制。

最简单的设置就是把一个粒子，比如电子，束缚在一个受限的系统中，比如氢原子。有一个有限的，非零的概率，它将隧道到一个无限制的状态。通过使用合适的设备(例如超高速光子)对其成像，就可以精确地测量从一个束缚态到一个非束缚态所需要的时间间隔。

一个标量场φ在虚假的真空图。注意，能量E比真正的真空或基态高，但是有一个屏障阻止磁场经典地滚到真正的真空。然而，通过量子隧穿的过程是有可能达到真正的真空状态的。澳大利亚阿秒科学设施的研究人员已经做到了这一点，他们发现，这种最简单的转变最多需要1.8阿秒。

尽管这对于量子限制晶体管的实际应用具有迷人的意义，但在这种情况下，“瞬时”并不意味着它违反了爱因斯坦的相对论。

当量子粒子接近势垒时，它会与势垒发生最频繁的相互作用。但是有一个有限的概率，不仅反射出势垒，而且穿过势垒的隧穿。尽管这项新研究表明，隧穿本身的步骤是瞬时的，但这并不意味着你可以在比光旅行时间短的时间内从势垒的一边穿过另一边。这个实验只涉及一个粒子在一个单一的束缚系统中，这表明在这个隧穿跃迁中没有基本的量子延迟。

但它也有助于揭示物理学家们是如何设法利用多粒子系统来制造一种比光速还快的物体的幻觉的：这一结果每隔几年就会被误传。假设你有一组量子粒子，它们聚在一起形成一个紧密的脉冲，隧穿或以其他方式穿过某种屏障。

通过向半透明/半反射的薄介质发射光脉冲，研究人员可以测量这些光子穿过屏障到达另一边所需的时间。虽然隧穿本身的步骤可能是瞬时的，但运动粒子仍然受到光速的限制。由于新技术和技术的发展，我们在以接近甚至等于光速的速度运动的成像脉冲方面取得了如此巨大的成功，这实在令人惊叹。

当创造一个粒子脉冲时，无论这些粒子是大质量的还是无质量的(比如光本身)，这些粒子在空间和时间上总是固有的分布。

如果你把粒子从一个地方送到另一个地方，而没有设置屏障或其他东西将它们过滤掉，你会认为它们会在一个可预测的时间内到达目的地，而这个时间是由光速决定的。然后比较你测量到的脉冲在时间上的某一时刻的空间位置。

你可能会惊讶地发现，你在屏障的另一边检测到的脉冲很容易就能被发现，其运动速度似乎超过了光速所允许的速度！

如果你所做的只是测量一组粒子的开始位置、时间、结束位置和时间，这些粒子被发送到量子势垒并最终穿过量子势垒，你可能错误地得出结论，这些到达的粒子的速度超过了光速。你可能会认为，根据刚刚读到的关于量子隧穿瞬时速度的知识，这意味着粒子可以以无限快的速度运动，打破光速，穿过一个有限的、非零厚度的量子力学屏障。这就是经常出现的误解。

但这里所发生的一切只是在穿过屏障的脉冲隧道中发现的一部分量子粒子，而大多数粒子的作用与网球相同：它们会反弹，但无法到达目的地。如果你能把能穿过屏障的粒子向前装载，优先切断脉冲后面的粒子，你就会错误地测量出比光速还快的速度，即使没有单个粒子能真正打破光速。

如果你要以某种方式追踪你发射到目的地的每一个粒子的单独运动，你会发现制造它的粒子只是初始脉冲前端的一部分，没有任何实际的粒子比光本身的速度更快。那么这个新结果到底意味着什么呢？

简单地说，隧穿本身的实际过程，也就是从量子势垒一边的束缚态到另一边的非束缚态的跃迁过程，在所有其他物理效应之上不需要任何额外的时间。然而，在给定的时间内移动一定距离仍然受到爱因斯坦相对论的限制，这种限制适用于任何情况下的每一个粒子。这是一个令人难以置信的壮举，科学家们直接对单个粒子进行了测量，并证明了隧穿过程本身没有固有的延迟。