如果把一個小球扔向一堵堅固的牆壁，那麼，它肯定會撞上牆壁，然後反彈回來。在經典物理學中，一個足夠強的屏障會阻止其他物體從中穿過。但在量子力學來看，情況並非如此。如果把小球換成微小的量子粒子，把固體牆壁換成量子力學勢壘。那麼，粒子就會有一定的概率穿過勢壘，它們最終會在勢壘的另一邊被探測到，此即爲量子隧穿效應。這就好像把小球扔向牆壁，小球徑直穿過，完全不受牆壁的阻礙。

根據《自然》（Nature）雜誌最近刊載的一項研究[1]，物理學家首次成功地測出量子隧穿過程的耗時，並發現這是瞬間完成的。然而，這並不意味着量子隧穿的速度比光速還快。因爲相對論表明，沒有什麼速度能打破光速。

每當談及量子世界之時，很多人可能會想到微小的粒子都在快速運動，並且互相碰撞。但量子世界並非是這個樣子，它們是反直覺的。由於不確定性原理，我們不可能同時知道一個粒子的位置和動量，我們只能用概率來全面描述它們。

量子隧穿效應

這意味着如果把一個量子粒子放在任意一個位置，然後問“它現在在哪裏？”由於粒子的量子性質，這意味着它的位置是由一個波函數定義的，而這是不確定的，它只能給出在某個位置找到粒子的概率。

量子物理的這種反直覺的奇異性質並不是我們的測量設備存在侷限性，沒有能力測出來，而是這就是世界的基本性質。在測量之前，沒有什麼是確定的，只有概率。

考慮量子隧穿效應，如果在一個系統中，粒子會有一定的概率從量子勢壘的一邊穿到另一邊，那麼，這個躍遷的速度就會受到限制。也許它取決於勢壘的大小，勢壘的厚度，或者其他一些與之物理性質有關的因素。畢竟，在這個宇宙中，一切都應該受到光速的限制。

氫原子

最簡單的設置就是把一個粒子，比如電子，束縛在一個受限的系統中，比如氫原子。那麼，電子就會有一個有限且非零的概率從氫原子中隧穿到一種無束縛的狀態。通過使用設備對其成像，就能精確地測量從一個束縛態隧穿到一個非束縛態所需要的時間間隔。

澳大利亞阿秒科學院的物理學家已經做到了這一點，他們通過實驗發現，這種最簡單的量子隧穿過程最多需要1.8阿秒（1.8×10-18秒，不到100億億分之二秒）。如果以光速前進這個時間，行進的距離大約只有5.4埃米（5.4×10^-10米）。結果表明，在實驗不確定度範圍內，理論與瞬時隧穿是一致的。

儘管這對於量子限制晶體管的實際應用具有不小的意義，但需要強調的是，這裏的“瞬時”並不意味着它違反了愛因斯坦的相對論。

這不像日常生活經驗那樣，我們不能認爲某一瞬間可以說“這個粒子在這裏”，然後，過了一段很短的時間之後，又說“這個粒子現在在那裏”，不能用距離變化量除以時間變化量來計算出所謂的超光速。這個實驗僅僅表明，在這個隧穿躍遷過程中，沒有基本的量子延遲。

但這個實驗也有助於揭示物理學家是如何設法利用多粒子系統來製造一種超光速的幻覺，這是大家喜聞樂見的。假設有一組量子粒子，它們聚在一起形成一束脈衝，然後，它們以隧穿或其他方式穿過某種勢壘。結果發現，勢壘另一邊檢測到的脈衝似乎表明，其運動速度似乎超過了光速！

那麼，這是否意味着粒子能以無限快的速度運動，打破光速，穿過一個有限且非零厚度的量子力學勢壘？這就是經常出現的誤解，很多人誤以爲這打破了光速。

然而，這裏所發生的一切只出現在通過量子隧穿效應穿過勢壘的一部分量子粒子，而脈衝中的大多數粒子的作用與飛向牆壁的小球相同——它們會反彈，無法到達目的地。如果能把能穿過勢壘的粒子提前，有傾向性地切斷脈衝後面的粒子，結果就會錯誤地測量出比光速還快的速度。但事實是，沒有單個粒子能真正打破光速。

那麼，這項新研究到底意味着什麼呢？

簡單來說，量子隧穿本身的過程，也就是從量子勢壘一邊的束縛態到另一邊的非束縛態的躍遷過程，不需要任何額外的時間。然而，在給定的時間內運動一定距離仍然受到愛因斯坦相對論的限制，這種限制適用於任何情況下的每一個粒子。

這項研究真正令人振奮的地方在於，物理學家直接對單個粒子進行了測量，並證明瞭量子隧穿過程本身沒有固有的量子延遲。但要說超光速，這僅限於幻想。

參考文獻

U. Satya Sainadh, Han Xu, Xiaoshan Wang, et al., Attosecond angular streaking and tunnelling time in atomic hydrogen, Nature, 2019, arXiv:1707.05445.