在微觀世界中，粒子常常表現(xiàn)得就像幽靈一樣，能夠穿越看似不可逾越的屏障。這神奇的現(xiàn)象被稱為量子穿隧效應。多年來，物理學家一直在探尋一個重要問題：量子穿隧效應究竟需要多長時間？如今，經(jīng)過長達三年的調(diào)查研究，由理論物理學家組成的國際研究團隊終于找到了答案。他們的最新研究表明，來自氫原子的穿隧電子完成這一過程幾乎是瞬間的，時間極短暫，小于1.8阿托秒。
量子穿隧效應之所以如此神奇，是因為在亞原子級別，粒子的行為不同于我們在日常生活中所經(jīng)歷的宏觀物體。粒子之所以能夠穿越固體屏障，并不是因為它們特別小（盡管它們確實非常�。�，而是因為在量子級別上，物理規(guī)則存在著巨大的差異。這就好比你可以想象一個小球沿著一座山谷滾動，即使沒有任何外力的推動，這個小球也能越過看似不可逾越的“珠穆朗瑪峰”一樣高的斜坡。但是在亞原子粒子的世界里，它們并不需要越過這個“山峰”，而是可以毫無阻礙地抵達另一側(cè)。
粒子也被視為波動，其波函數(shù)在空間中延伸無限遠。根據(jù)著名的波動方程，粒子的位置可以在波函數(shù)的任何位置找到。現(xiàn)在，想象一下這個波動函數(shù)撞擊到一個屏障上，它會持續(xù)不斷地撞擊，但會逐漸失去能量，波的振幅（波峰的高度）會逐漸減小。如果這個屏障非常薄，波的振幅不會減小到零。只要波函數(shù)中仍然存在剩余的能量，粒子（盡管它們非常微小）就有可能穿越屏障，抵達另一側(cè)。
這項研究的共同合著者、澳大利亞格里菲斯大學的實驗量子物理學家羅伯特·桑（Robert Sang）教授表示，在量子層面上捕捉這種難以捉摸的現(xiàn)象是一項“非常具有挑戰(zhàn)性”的實驗。要實現(xiàn)這一實驗，研究人員需要結合復雜的激光系統(tǒng)、反應顯微鏡以及氫原子束系統(tǒng)。
研究團隊使用了一種被稱為“attoclock”的光學計時裝置。這個裝置能夠測量電子在阿托秒級別（即十億分之一秒的十億分之一秒）內(nèi)的運動，是一種超短、極化光脈沖。使用“attoclock”，研究人員以每秒1000脈沖的速度將氫原子置于光中，導致氫原子電離，使其電子穿越屏障。
羅伯特教授指出，位于屏障另一側(cè)的反應顯微鏡能夠測量電子在電離過程中的動量。通過觀察帶電粒子與attoclock釋放的光脈沖相互作用后的能量水平，研究人員可以推測出電子穿越屏障所需的時間。目前，他們的測量精度達到了1.8阿托秒，這意味著他們能夠得出結論——量子穿隧效應的時間遠遠小于1.8阿托秒，幾乎是瞬間完成的。
雖然這項研究涉及了復雜的實驗系統(tǒng)，但研究人員所使用的粒子非常簡單，它們是氫原子，僅包含一個電子。這個研究結果對于之前的研究具有重要意義，因為之前的研究中使用的粒子包含兩個或更多的電子，如氦、氬和氪等。由于自由電子之間存在相互作用，這種相互作用可以影響粒子的隧穿時間，解釋了為什么之前的研究估計的時間比最新研究更長，甚至比最新研究的估計時間長出幾十阿托秒。研究人員強調(diào)，氫原子的簡單結構使他們能夠在實驗中實現(xiàn)高精度校準，這為今后研究其他粒子的穿隧時間提供了重要的基準。
