?量子隧穿會(huì)超光速嗎？

其中一個(gè)有趣的特性就是量子隧穿。要理解量子隧穿，我們先要知道什么是勢(shì)壘。勢(shì)壘就是一種阻礙粒子運(yùn)動(dòng)的力場(chǎng)，比如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等。勢(shì)壘可以用一個(gè)勢(shì)能函數(shù)來(lái)描述，勢(shì)能函數(shù)表示了粒子在不同位置所具有的能量。勢(shì)壘就相當(dāng)于一個(gè)山峰或者一個(gè)坑，粒子要想越過(guò)它，就需要有足夠的能量。

如果我們用經(jīng)典物理學(xué)來(lái)看待這個(gè)問(wèn)題，那么粒子要想越過(guò)勢(shì)壘，就必須滿(mǎn)足以下條件：粒子的總能量大于或等于勢(shì)壘的最高點(diǎn)的能量；粒子在勢(shì)壘內(nèi)部的動(dòng)能為正。如果粒子不滿(mǎn)足這兩個(gè)條件，那么它就會(huì)被勢(shì)壘反彈回去，就像一個(gè)小球撞到一堵墻一樣。這也符合我們的常識(shí)。

但是如果我們用量子力學(xué)來(lái)看待這個(gè)問(wèn)題，那么情況就不一樣了。因?yàn)榱孔恿W(xué)告訴我們，粒子不僅有粒子性，還有波動(dòng)性。也就是說(shuō)，粒子可以用一個(gè)波函數(shù)來(lái)描述，波函數(shù)表示了粒子在不同位置出現(xiàn)的概率。波函數(shù)也受到勢(shì)能函數(shù)的影響，但是它不會(huì)像經(jīng)典物理學(xué)中那樣被完全截?cái)唷６菚?huì)有一部分波函數(shù)滲透到勢(shì)壘內(nèi)部，并且在勢(shì)壘另一邊衰減地出現(xiàn)。

從波包的角度看，量子隧穿可以超過(guò)光速。這是因?yàn)椴ò怯啥鄠€(gè)頻率不同的波疊加而成的，在空間上呈現(xiàn)出一個(gè)局域化的形狀。當(dāng)波包遇到勢(shì)壘時(shí)，它會(huì)被分成兩部分：反射波包和透射波包。反射波包就是被勢(shì)壘反彈回去的部分，透射波包就是穿過(guò)勢(shì)壘的部分。透射波包在勢(shì)壘內(nèi)部會(huì)發(fā)生衰減和相移，但是它的形狀不會(huì)改變。當(dāng)透射波包從勢(shì)壘另一邊出來(lái)時(shí)，它的峰值位置會(huì)比原來(lái)的波包提前一段距離。這個(gè)距離就是超光速隧穿的距離。

這個(gè)距離可以用一個(gè)公式來(lái)計(jì)算，它和勢(shì)壘的厚度、高度、波包的頻率和寬度都有關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，勢(shì)壘越厚，超光速隧穿的距離就越大。這也意味著，隧穿時(shí)間越短，隧穿速度就越大。有些情況下，隧穿速度甚至可以無(wú)限大。

從量子力學(xué)的角度看，量子隧穿沒(méi)有固定的速度，也就無(wú)法判斷它是否超過(guò)光速。這是因?yàn)榱孔恿W(xué)告訴我們，粒子在勢(shì)壘內(nèi)部并沒(méi)有確定的位置和速度，而是以一定概率分布在不同位置上。因此，粒子隧穿時(shí)并不是從一個(gè)確定位置到另一個(gè)確定位置，而是從一個(gè)概率分布到另一個(gè)概率分布。這樣就無(wú)法定義粒子隧穿時(shí)所經(jīng)過(guò)的路徑和時(shí)間。

從實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)的角度看，有些實(shí)驗(yàn)表明量子隧穿可以超過(guò)光速。例如，在2015年，德國(guó)科學(xué)家利用掃描隧道顯微鏡（STM）進(jìn)行了一項(xiàng)著名的實(shí)驗(yàn)。他們將STM探針靠近一個(gè)金屬表面，并用電壓激發(fā)金屬表面上的電子發(fā)生隧穿。他們發(fā)現(xiàn)電子隧穿時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)電流信號(hào)，并且這個(gè)信號(hào)比光在真空中傳播所需時(shí)間還要短。這意味著電子隧穿時(shí)產(chǎn)生了超光速效應(yīng)。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)引起了很多爭(zhēng)議和討論 。有些人認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)確實(shí)觀(guān)測(cè)到了超光速現(xiàn)象，并且提出了一些理論模型來(lái)解釋它 。有些人認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)只是觀(guān)測(cè)到了一種假象，并且指出了實(shí)驗(yàn)中存在的一些問(wèn)題和誤解。目前，這個(gè)實(shí)驗(yàn)還沒(méi)有得到廣泛的認(rèn)可和重復(fù)，因此它的結(jié)論還不是很確定。