## “量子隧道效应”的新谜题

这一讲向你汇报一个量子力学的新进展……其实也不是进展，而是一个新的谜题。

以前费曼在《QED：光和物质的奇妙理论》这本书中有个感慨，『物理学中事情变化之快往往超过书籍出版的速度。』那本书出自费曼给外行搞的一个讲座，在讲座结束之后，费曼听说了实验中发现的一些可疑的事件，其中可能涉及到讲座中没有提到的新粒子和新现象，他就在新书的校样中加了个注释。结果过了几个月，费曼又判断那些可疑事件是虚惊一场，于是又加了一条注释的注释……

我们今天要说的就是这么一个可疑事件。几个月前讲量子力学专题的时候，我们讲过一个现象叫“量子隧道效应”，也叫“量子隧穿” [1]。这个效应允许一个粒子穿过比它的总能量更高的势能壁垒，说白了就是允许粒子穿墙。量子隧穿最初是人们解薛定谔方程解出来的一个数学解，后来在很多物理过程中都发现了它。正因为有量子隧穿，原子核才可以衰变，太阳内部才可以发生核聚变，植物才有光合作用，DNA 才能自我修复。科学家还利用这个效应发明了“扫描隧道显微镜”。

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量子隧穿本身是个很怪异的事情。总能量小于势能，这意味着在穿墙的那一瞬间，粒子的动能是个负数！人怎么能穿墙而过呢？但是量子力学偏偏就允许有一定的概率，这件事可以发生。我当时说，对此可以有两种解释。一种是我们干脆接受量子力学可以违反能量守恒；一种是我们认为量子世界里的能量具有不确定性，它可以通过一个涨落变得高于势能。

其实我们并不真的理解量子隧穿。但是大自然的事实俱在，我们接受它，我们认了。我当时讲的那些是物理学家公认的说法。

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但是，就在 2020 年七月份，一个最新的实验研究 [3]，证实了量子隧穿的一个更奇怪的性质。

我们之前只关注了粒子*可以*穿过势能壁垒，但我们没在意它是*如何*穿过壁垒的。特别是，它穿过壁垒需要的时间是多少，它的穿墙速度可以有多快呢？

这个研究告诉我们，粒子穿过壁垒的速度，可以超过光速。

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你的第一反应应该是这不可能。你的第二反应应该是，怎么定义粒子的“速度”？

我们知道在量子世界里，粒子并没有一个确定的位置，包括能量和时间都具有不确定性。位置都不确定，粒子穿墙的距离当然也是不确定的，而速度 = 距离 / 时间，所以速度也具有不确定性。

但是你得承认粒子肯定有一个速度。它曾经在墙的一边，后来在墙的另一边，它肯定运动了，它必然在某个时间内走过了某个距离。物理学家有办法计算一个统计学意义上的穿墙距离，测量一个统计学意义上的穿墙时间，并由此计算一个统计学意义上的穿墙速度。

比如说，我们可用“几率波”代表粒子出现在某地的概率，然后考察这个几率波的运动。

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物理学家有至少十种方法定义量子世界中粒子的速度，而不管用什么方法，实验结论是穿墙速度有时候可以超光速。

其实这个结论并不是现在才发现的 [3]。早在 1962 年，德州仪器公司的一位半导体工程师，托马斯·哈特曼（Thomas Hartman），就已经在实验中发现穿墙可以超光速了。但是当时的测量手段没有那么精确，人们并不是很重视。现在物理学家有更高级的测量方法，2019 年就有人证明过穿墙超光速的现象，今年是最新的一次，所以这个结论比较扎实。

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超光速还不是唯一的怪异之处。哈特曼等人还发现，同样是让粒子从这里走到那里，中间有墙、粒子必须穿墙的时候，它走得比没有墙的时候更快。

当然量子隧穿的发生是有概率的。有墙的时候粒子有很大概率根本过不去这道墙。但是，如果它过去了，墙就不但没有减慢它的移动速度，而且还给它来了个加速。

更进一步，墙的宽度，似乎并不怎么影响穿墙的时间。换句话说墙是厚一点还是薄一点都只影响穿墙的概率，而不影响穿墙的时间。这就是为什么当墙足够厚的时候，穿墙速度就超光速了。

什么意思呢？给我的感觉，就好像粒子直接跳过了墙，或者从墙的一端直接穿越到了另一端一样。

最新实验用的是铷原子穿墙。实验没办法实时观测铷原子从头到尾到底经历了什么，但是计算表明，铷原子似乎在墙的两端停留的时间比较长，而在墙的内部走路用的时间非常非常短。

这种感觉就好像一个会法术的人表演穿墙。前一秒他还站在墙的这边停了停看了看，后一秒他已经在墙外了。你仔细盯着也没看清他到底是怎么穿过去的。你算一算时间和距离，发现他穿墙的速度超过了光速。

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怎么理解这个事儿呢？不知道。有人说量子隧穿发生的概率比较低，用来传递信息是不可靠的，所以这不能算超光速的信息传递，所以也就没有违反狭义相对论。我对此评论表示不以为然，太牵强了。

但我们可以说的是这个事儿已经不仅仅是“可疑事件”了。连着两个最新实验研究都证实了，而且论文发表在 Nature 杂志上。

这件事有什么意义，对大自然有什么影响，将来会有什么应用，我们统统都不知道。

我大概只能说，量子力学就如同一位充满神秘气质的女性。她的性格很怪异，你慢慢意识到你这辈子是不可能理解她了。但是你仍然可以记下她的种种怪异之处，这样至少你能说你了解她……

可是有一天，她又给你来了个新的惊喜。

现在你甚至不能说你了解她。

### 💡 精华要点
- 2020年七月份，一个最新的实验研究，证实了量子隧穿的一个更奇怪的性质。我们之前只关注了粒子*可以*穿过势能壁垒，但我们没在意它是*如何*穿过壁垒的。这个研究告诉我们，粒子穿过壁垒的速度，可以超过光速。

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