拉姆齐钟的隧道工程进度。（A） Ramsey 序列的第一个 π/2 脉冲通过创建内部状态 ∣g 的相等叠加来初始化时钟在/e在〉 两级系统。这两种状态都与不同的静止质量 m 相关克/埃c2，能量结构由时钟频率 Δω 给出。（B） 在隧穿过程中，每个内部状态都获得一个状态相关的相移，该相移编码在复数传输幅度 t克/埃.散射过程结束后，第二个 π/2 脉冲读出累积相位，其中包括实验室时间 t、时间膨胀 δ t 和隧穿时间 τ 的贡献。对于不同的实验室时间，检测基态的种群以及两个内部状态之间的干扰信号。（C）得到，其特征在于对比度∣〈eT∣gT〉∣/NT与传输原子的总数NT平均透射系数 T ̄=NT/2 。（D） 对于矩形势垒，该透射系数在不同尺度动能 ε ̄ 和无量纲势垒参数 V ̄ 下显示出不同的特征。图片来源：Science Advances （2024）。DOI： 10.1126/sciadv.adl6078

在量子物理学中一种被称为隧穿的惊人现象中，粒子的运动速度似乎超过了光速。然而，来自达姆施塔特的物理学家认为，粒子隧穿所需的时间被错误地测量了。他们提出了一种阻止量子粒子速度的新方法。

在经典物理学中，有一些硬性规则是无法规避的。例如，如果一个滚动的球没有足够的能量，它不会越过山丘，而是在到达顶部之前掉头并反转方向。

在量子物理学中，这个原理并不那么严格：一个粒子可能会穿过一个障碍，即使它没有足够的能量来越过它。它的行为就好像它正在穿过隧道一样，这就是为什么这种现象也被称为“量子隧道”。听起来很神奇的东西有切实的技术应用，例如在闪存驱动器中。

过去，粒子隧穿速度比光速快的实验引起了一些关注。毕竟，爱因斯坦的相对论禁止超光速。因此，问题在于在这些实验中，隧道所需的时间是否被正确地“停止”了。来自达姆施塔特工业大学的物理学家帕特里克·沙赫（Patrik Schach）和恩诺·吉斯（Enno Giese）遵循一种新方法来定义隧穿粒子的“时间”。

他们现在提出了一种新的测量方法。在他们的实验中，他们以他们认为更适合隧穿的量子性质的方式测量它。他们在《科学进展》上发表了他们的实验设计。

根据量子物理学，原子或光粒子等小粒子具有双重性质。根据实验的不同，它们的行为像粒子或波。

量子隧穿突出了粒子的波动性质。一个“波浪包”滚向屏障，相当于水流。波的高度表示如果测量粒子的位置，粒子在该位置出现的概率。

如果波包碰到能量屏障，它的一部分就会被反射。然而，一小部分穿透了屏障，颗粒出现在屏障的另一侧的可能性很小。

先前的实验观察到，轻粒子在隧穿后比具有自由路径的粒子传播了更长的距离。因此，它的传播速度会比光快。然而，研究人员必须确定粒子通过后的位置。他们选择了波包的最高点。

“但粒子并不遵循经典意义上的路径，”Enno Giese反对道。不可能确切地说出粒子在特定时间的位置。这使得很难对从 A 到 B 所需的时间做出陈述。

另一方面，Schach 和 Giese 以阿尔伯特·爱因斯坦的一句话为指导：“时间是你从时钟上读到的东西。他们建议使用隧穿粒子本身作为时钟。第二个不隧穿的粒子作为参考。通过比较这两个自然时钟，可以确定在量子隧穿过程中时间流逝是更慢、更快还是同样快。

粒子的波动性质促进了这种方法。波的振荡类似于时钟的振荡。具体来说，Schach 和 Giese 建议使用原子作为时钟。原子的能级以一定的频率振荡。在用激光脉冲对原子进行寻址后，其能级最初同步振荡——原子钟开始。

然而，在隧道掘进过程中，节奏略有变化。第二个激光脉冲导致原子的两个内波发生干涉。检测干扰可以测量两个能级波之间的距离，这反过来又是对经过时间的精确测量。

第二个原子，它不隧穿，作为测量隧穿和非隧穿之间时间差的参考。两位物理学家的计算表明，隧穿粒子将显示出略微延迟的时间。“隧道式的时钟比另一个时钟稍老一些，”Schach说。这似乎与将超光速归因于隧穿的实验相矛盾。

Schach说，原则上，测试可以用今天的技术进行，但这对实验者来说是一个重大挑战。这是因为要测量的时间差只有 10 左右-26秒 - 极短的时间。物理学家解释说，使用原子云而不是单个原子作为时钟是有帮助的。也可以放大这种效果，例如通过人为地增加时钟频率。

“我们目前正在与实验同事讨论这个想法，并与我们的项目合作伙伴保持联系，”Giese补充道。很有可能一个团队很快就会决定进行这个令人兴奋的实验。

更多信息：帕特里克·沙赫（Patrik Schach）等人，拉姆齐时钟推动的隧道时间统一理论，《科学进展》（2024）。DOI： 10.1126/sciadv.adl6078

期刊信息： Science Advances