隧穿也不可能超越光速？
如果你把一个网球扔向一堵坚固的墙，它会击中墙，然后反弹回你身上的概率是100%，就像你期望的那样。在物理学中，一个足够强的屏障可以阻止任何进入的物体穿过它。但在量子层面上，这并不完全正确。如果你用一个量子粒子代替一个网球，用任何量子力学屏障代替一个固体墙，有一个有限的概率，这个粒子会穿过屏障，最终在另一边被探测到。这就好像你把网球扔到墙上，它就直接穿过去了，完全不受墙的阻碍。
你可能会想问的一个问题是，当量子粒子通过隧穿过程“穿过”屏障时，它的表观运动是否有任何延迟。在 2019 年的一项实验中，科学家们精确地测量了这一点，发现隧道过程本身是瞬间的;隧道掘进过程完全没有造成延迟。一些人质疑这是否意味着，在量子领域，有可能违反相对论施加的速度限制：光速。虽然你的直觉可能会向你暗示这种可能性，但事实并非如此。所有的过程，甚至是量子过程，仍然需要遵守相对论的规则，永远不能超过光速。以下是如何调和量子隧穿的瞬时性质与没有任何信息传输速度超过光速的事实。
如果你让一个经典实物，如篮球或网球，落在像桌子这样的坚硬表面上，你可以肯定它会反弹回来。如果你用量子粒子做同样的实验，你会发现，非常令人惊讶的是，它穿过屏障，就好像它根本不是障碍物一样。
图片来源：MichaelMaggs 编辑：Richard Bartz/Wikimedia Commons
当你想到量子宇宙时，你很可能会想到微小的、单个的粒子，它们都在旋转并相互碰撞。在你的脑海中，这不是一个糟糕的画面，但它并不能概括量子水平上真正发生的事情。现实的量子本质的一个违反直觉的方面是，将这些量子视为粒子，在任何时刻都有特定的位置和运动，并不能完全解释我们观察到的东西。我们知道量子粒子的某些属性（如位置）固有的基本不确定性，我们只能通过使用对现实的概率描述来完全描述它们。
这意味着，如果你拿一个量子粒子，把它放在任何一个位置，并在以后的某个时间问“它现在在哪里？”，你不会简单地通过将其速度乘以经过的时间量来找到它。这种粒子的量子性质意味着它的位置是由波函数定义的，而不是由一个特定的、确定的值定义的。即使在物理学的极限下，我们也只能告诉你在哪里找到粒子的相对概率，只有通过观察，你才能准确地确定粒子的实际位置。
随着时间的推移，即使是一个简单的单一粒子，它描述其位置的量子波函数也会随着时间的推移自发地扩散开来。这发生在所有量子粒子上。
学分：Hans de Vries/Physics Quest
量子物理学的这种奇异的、违反直觉的特性并不是我们测量设备的限制，而是我们现实和支配它的规则的基本属性。无论你是在谈论：
- 静止的粒子，
- 穿越太空的自由粒子，
- 一个束缚粒子（如原子中的电子），在允许的地方受到限制，
- 或者遇到限制其允许占据的量子态的障碍的粒子，
没有完全确定的计算可以精确地发现粒子的位置。
您所能计算的只是在特定位置或特定间隔内发现粒子的概率。在您进行测量之前，该测量揭示了测量设备允许的任何测量不确定度的“位置”等属性，这些概率是我们关于粒子位置的唯一指南。在量子物理学中没有100%的“确定”位置;海森堡不确定性原理确保这种性质始终存在有限的非零不确定性。
经典力学（A）和量子力学（B-F）中盒子（也称为无限平方阱）中粒子的轨迹。在（A）中，粒子以恒定的速度运动，来回弹跳。在（B-F）中，显示了相同几何形状和势的时变薛定谔方程的波函数解。横轴是位置，纵轴是波函数的实部（蓝色）或虚部（红色）。这些稳态（B，C，D）和非稳态（E，F）只产生粒子的概率，而不是在特定时间它将在哪里的明确答案。
学分：史蒂夫·伯恩斯通过数学;Sbyrnes321/维基共享资源
与位置和动量存在固有的不确定性关系;这是量子不确定性最常用的例子。但还有其他因素，包括粒子能量之间的不确定性，以及粒子以某种量子态存在或你试图测量其特性的时间间隔之间的不确定性。如果你正在考虑这一点，你可能还会认为，一个有可能从量子势垒的一侧隧穿（如束缚在原子中，或以假最小值）到另一侧的系统必须对这种转变发生的速度有限制。
也许这取决于屏障的大小，屏障的厚度或与其物理特性相关的其他因素。毕竟，在这个宇宙中，一切都应该受到光速的限制。
我们能想象到的最简单的测试设置是取一个粒子，比如电子，它被束缚在一个受限的系统中，比如氢原子。电子自发隧道到未束缚状态的概率有限，非零。通过使用适当的设备（例如超快光子）对其进行成像，您可以准确测量从绑定状态到未绑定状态的隧道所需的时间间隔。
在许多物理实例中，你会发现自己被困在一个局部的、错误的最小值中，无法达到最低能量状态，这被称为真正的最小值。无论你是否受到阻碍障碍的踢，这在经典情况下可能发生，或者你是否采取量子隧穿的纯量子力学路径，只要不违反基本守恒定律，从一种状态到另一种状态总是可能的。
信用：蔓越莓/维基共享资源
在2019年，这正是澳大利亚阿秒科学设施的研究人员所取得的成就，他们发现这种转变，可以说是电子跃迁的简单，最多需要1.8阿秒，或1.8×10-18秒。这意味着，以光速（299，792，458 m/s），我们谈论的行进距离仅为5.4 ångströms。根据首席研究人员之一Robert Sang的说法：
“有一个明确定义的点，我们可以开始这种相互作用，还有一个点我们知道电子应该在哪里出现[相互作用本身]是瞬时的。因此，任何与那个时候不同的事情，我们知道通过障碍需要那么长时间......结果与实验不确定性中的理论一致，与瞬时隧道一致。
虽然这对各种实际应用具有迷人而深远的影响，包括例如量子限制晶体管的构建，但在这种情况下，“瞬时”并不意味着电子从一个物理位置瞬间移动到另一个物理位置，这将违反爱因斯坦的相对论。
当量子粒子接近势垒时，它将最常与之相互作用。但是，不仅不会从屏障反射出去，而且穿过屏障。虽然这项新的研究表明隧道本身的步骤是瞬间的，但这并不意味着你可以在比光行进时间更短的时间内从屏障的一侧穿越到另一侧。
图片来源：Yuvalr/维基共享资源
你不可能在某一刻说"这个粒子在那里"然后，过了一小段时间，你就可以说"这个粒子现在在这里"如果可以的话，你可以简单地用测量到的距离变化量除以发生的时间变化量;如果这个数字大于299,792,458米/秒，你就会得出结论，你已经超过了光速。用氢原子内的一个电子进行的实验，由于只涉及单个束缚系统中的单个粒子，实验的精确度和干净程度而引人注目，但却无法进行关键的测量。
它所能做的就是证明在从束缚态到无束缚态的隧穿过渡中没有根本的“量子延迟”。然而，像这样的实验对于揭示物理学家如何设法利用多粒子系统来创造某种东西比光速更快的错觉是有用的：这一结果每隔几年就会在大众媒体上被误报。
为了说明这一点，想象一下你有一组量子粒子，它们聚集在一起形成一个紧密的脉冲，隧穿或以其他方式穿过某种屏障。
通过在半透明/半反射的薄介质上发射光脉冲，研究人员可以测量这些光子穿过屏障到达另一侧所需的时间。虽然隧穿本身的步骤可能是瞬间的，但行进的粒子仍然受到光速的限制。
图片来源：J. Liang， L. Zhu & L.V. Wang， 2018， Light： Science & Applications
由于新技术和技术，我们在成像脉冲方面取得了多大的成功，这些脉冲以接近甚至等于光速的速度移动，这确实令人瞩目。因为我们今天拥有这些先进的成像能力，随着时间的推移，我们可以使用多个单独的测量来阐明你对量子宇宙的理解，并防止你被这种错误的“超光速”主张所愚弄。
第 1 步：首先，你要尽可能精确地测量这个物理量子脉冲的位置，在空间中和某个时刻，在遇到量子势垒之前。
当你创造粒子脉冲时，无论这些粒子是大质量的还是无质量的（就像光本身），这些粒子固有的空间和时间总是存在分布。虽然您可能无法以无限、任意的精度测量这种分布，但您的测量设备能够同时测量量子粒子的位置和时间。
学分：E. 西格尔
第 2 步：在进行下一次测量之前，你要做的下一件事是精确计算你期望量子脉冲到达的时间和时间，假设脉冲以光速移动并成功穿过它前面的屏障。
天真地，如果你将粒子从一个地方发送到另一个地方，而没有屏障或中间的东西来过滤它们，你会期望它们会在可预测的时间内到达你的目的地，这是由光速设定的（或至少限制的）。这是一个简单的计算：只需将粒子向前“平移”一个距离，该距离对应于初始和最终测量之间一段时间内的光传播距离。
学分：E. 西格尔
第 3 步：现在，你需要精确测量脉冲在成功穿过屏障后的某个瞬间的位置。但是，当你进行测量时，如果你得知你在屏障的另一边探测到的脉冲——必须穿过屏障才能到达那里的脉冲——可能看起来比光速所允许的速度移动得更大，你就不应该感到惊讶了!
如果你所做的只是测量一组粒子的起始位置、时间、结束位置和时间，这些粒子被送向量子势垒并最终通过量子势垒，你可能会（错误地）得出结论，这些到达的粒子的行进速度超过了光速。不用担心;他们没有;你没有观察到全套粒子;只有通过量子势垒的（可能是加权的）部分。
学分：E. 西格尔
这是一个棘手的情况，正如你可能认为的那样，根据你刚刚读到的量子隧穿速度是瞬时的，这意味着粒子可以无限快地行进，打破光速，通过有限的，非零厚度的量子力学屏障。
这就是总是出现的误解，以及人们如何欺骗自己（以及肆无忌惮的新闻机构试图愚弄你）认为他们正在打破光速。
但这不是这里发生的事情，也不是这些所谓的“超光速”示威。相反，这里发生的一切是，在脉冲中发现的量子粒子中只有一部分能够成功地穿过屏障。大多数粒子做了（经典）网球会做的事情：它们反弹，未能到达目的地。欺骗自己相信你已经创建了一个超光速系统的“诀窍”是，可以提前加载哪些粒子通过屏障，优先切断脉冲背面的粒子。
如果你这样做时不够小心，你会错误地测量整个脉冲的超光速，即使没有单个粒子实际上超过光速。
如果你以某种方式跟踪你向目的地发射的每个粒子的单独运动，你会发现制造它的粒子只是初始脉冲前端的一部分，并且没有实际粒子比光本身传播得更快。
学分：E. 西格尔
那么，研究人员断言量子隧穿是一个瞬时的过程，没有任何延迟发生意味着什么呢？
简单地说，隧穿本身的实际过程，从量子势垒一侧的束缚状态过渡到另一侧的无束缚状态，在所有其他物理效应之上不需要任何额外的时间。这意味着隧道过程没有固有的“量子延迟”。
但是，当系统中的粒子在有限的时间内移动有限的距离时，它们仍然从根本上受到爱因斯坦相对论的限制。此限制适用于所有情况下的每个粒子，无一例外。科学家们现在已经测量了单个粒子从电子到直接从束缚态到未束缚态的量子跃迁的速度，确定量子隧穿过程本身没有发生延迟，这是一项令人难以置信的壮举。然而，在任何时候，任何量子粒子的行进速度都比光快。至少据我们所知，这种现象仅限于科幻小说领域。
来自：西塘少主