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量子隧穿效應(yīng)（Quantum tunneling effect）指的是，像電子等微觀粒子能夠穿入或穿越位勢(shì)壘的量子行為，盡管位勢(shì)壘的高度大于粒子的總能量。現(xiàn)在一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)已經(jīng)測(cè)量了該過程需要多長時(shí)間。

雖然聽起來像是科幻小說，但量子隧穿是一種記錄良好的現(xiàn)象，發(fā)生在電子顯微鏡和晶體管等日常用品中。眾所周知，像電子這樣的基本粒子也會(huì)定期從其原子中“隧穿”，這是放射性衰變背后的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。

但圍繞這一現(xiàn)象的一個(gè)持續(xù)的謎團(tuán)是粒子通過障礙物進(jìn)行量子隧穿需要多長時(shí)間 - 或者它是否需要任何時(shí)間。一些科學(xué)家認(rèn)為它是瞬間發(fā)生的，但這意味著它的行進(jìn)速度比光速快，可能違反了因果關(guān)系原則。

為了測(cè)量量子隧穿的時(shí)間，格里菲斯大學(xué)和澳大利亞國立大學(xué)的研究人員用強(qiáng)激光轟擊氫原子，每秒發(fā)射1000個(gè)光脈沖。他們的想法是，這為電子從原子中逃逸創(chuàng)造了合適的條件，使團(tuán)隊(duì)能夠精確測(cè)量量子隧穿所需的時(shí)間。

結(jié)果證明量子隧道效應(yīng)似乎是瞬間的 - 或者至少是如此迅速地發(fā)生，它基本上是瞬間完成的。根據(jù)研究人員的說法，它需要不到1.8阿秒。

該研究的共同主要作者Robert Sang表示：“有一個(gè)定義明確的點(diǎn)，在那里我們可以開始這種相互作用，并且我們知道電子應(yīng)該在何時(shí)瞬間產(chǎn)生。因此，我們知道通過障礙需要花費(fèi)很長時(shí)間才能完成任何不同的事情。這就是我們?nèi)绾魏饬啃枰嚅L時(shí)間。它與實(shí)驗(yàn)不確定性中的理論一致，與瞬時(shí)隧穿效應(yīng)一致。”

有趣的是，這與之前測(cè)量更長隧穿時(shí)間的研究形成對(duì)比。2017年，馬克斯-普朗克研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)量子隧穿效應(yīng)需要180阿秒，但新研究背后的團(tuán)隊(duì)表示，像這樣的早期實(shí)驗(yàn)過于復(fù)雜，容易出錯(cuò)。

“其他地方的先前測(cè)試使用了更復(fù)雜的原子，包含幾個(gè)或多個(gè)電子，”該研究的共同主要作者Igor Litvinyuk表示。“為了解釋不同電子之間的相互作用，他們使用了不同的近似模型。在這些模型中他們提取了時(shí)間。我們的模型沒有使用近似值，因?yàn)槲覀儾槐負(fù)?dān)心電子 - 電子相互作用。而且，其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)他們測(cè)量了兩種原子之間的相對(duì)時(shí)間延遲，而不是單個(gè)原子的時(shí)間延遲?！?/p>

研究人員說他們已經(jīng)解開了這個(gè)長期存在的物理學(xué)謎團(tuán)。該研究發(fā)表在《自然》雜志上。

Sang教授在下面的視頻中討論了這項(xiàng)研究。