1927年，德国物理学家弗里德里希·洪德（Friedrich Hund）试图理解原子如何结合形成分子时，发现了量子力学中最令人着迷的方面之一。他发现，在某些条件下，自然界中的原子、电子和其他小粒子可以穿越物理屏障，这些屏障会混淆宏观物体，像幽灵一样穿过墙壁移动。按照这些规则，被捕获的电子可以不受外界影响而逃脱约束，就像摆放在球场第一个洞中的高尔夫球突然消失，并出现在第二洞中而没有任何人抬起球杆一样。这种现象被称为“量子隧道效应”。
从那时起，物理学家发现隧道效应在自然界中最引人注目的某些现象中起着关键作用。例如，量子隧道使太阳发光：它使恒星核心中的氢核紧密贴合在一起，融合成氦。许多放射性物质（例如铀238）会通过隧穿喷射而分解成较小的元素。物理学家甚至利用隧道技术发明了用于原型量子计算机的技术，以及能够对单个原子成像的所谓扫描隧道显微镜。
不过，专家仍无法详细了解该过程。多伦多大学的物理学家今天发表在《自然》杂志上，报告了有关量子隧穿的一种新的基本度量：需要多长时间。回到高尔夫类比，他们基本上是在打洞之间计时球的时间。“在实验中，我们问，‘给定的粒子在屏障中花费了多长时间？’”领导该项目的多伦多大学物理学家艾弗莱姆·斯坦伯格（Aephraim Steinberg）说。
原子的"屏障"不是物质壁或分隔物。为了限制原子，物理学家通常使用由光或可能看不见的机制（如电吸引或排斥）构成的力场。在这个实验中，研究小组将红宝石原子困在蓝色激光屏障的一侧。激光束中的光子形成了一个力场，推动红宝石原子，以保持其被限制在空间内。他们发现，原子在光屏障上花了大约0.61毫秒，然后弹出另一边。确切的时间取决于屏障的厚度和原子的速度，但他们的关键发现是，"隧道时间不是零，"物理学家拉蒙·拉莫斯说，他当时是斯坦伯格的研究生，现在是西班牙光子科学研究所的博士后研究员。
俄亥俄州立大学的物理学家亚历山德拉·兰德斯曼（Alexandra Landsman）说，这一结果与去年发表在《自然》杂志上的一项实验发现相矛盾。在那篇论文中，由澳大利亚格里菲斯大学的物理学家领导的一个团队提出了测量结果，表明隧道效应是瞬间发生的。
那么哪个实验是对的？隧穿是瞬间发生的还是大约需要一毫秒？答案可能不是那么简单。两次实验之间的差异源于量子物理学界关于如何保持时间在纳米尺度上的长期分歧。“在过去的70、80年中，人们提出了很多时间定义。”兰德斯曼说，“孤立地讲，很多定义很有意义，但同时它们做出的预测相互矛盾。这就是为什么在过去的十年中有如此多的辩论和争议。一组研究团队会认为一个定义是有意义的，而另一组研究团队会认为另一个定义。”
物理学家在量子过程开始或停止的时间上存在分歧。当您记住量子粒子大多没有确定的属性并且以概率存在时，就可以看出其精妙之处，就像硬币在空中翻转既不是正面也不是反面，而是有可能一直存在直到它着陆为止。您可以将原子视为在空间中散布的原子，但未定义其确切位置，例如，可能有50％的可能性位于一个位置，而另一个位置的可能性为50％。有了这些模糊的属性，将粒子“进入”或“退出”障碍视为什么并不明显。最重要的是，物理学家还面临着另一项技术挑战，即创建一种计时机制，该计时机制应足够精确，以与粒子的运动一致地开始和停止。他说，斯坦伯格已经对该实验进行了二十多年的微调，以达到所需的控制水平。
斯坦伯格（Steinberg）和拉莫斯（Ramos）的团队通过利用称为自旋的原子特性，将其原子基本上制成了秒表。基本上，您可以将原子视为微小的旋转陀螺，当原子在磁场中移动时，其旋转方向会稳定地旋转。通过跟踪原子在场中摆动的方向，您可以保持时间。他们创建了一个仅位于势垒中的磁场，并测量了原子进入势垒之前和之后的摆动位置，然后根据这些测量结果计算出隧穿时间。“我们为原子提供了一个内部时钟，”拉莫斯说。
这种将时间保持在量子域中的方法——观察粒子在磁场中有节奏地摆动——甚至有一个特殊的名字：“ 拉莫尔时间（Larmor time）”，以爱尔兰物理学家约瑟夫·拉莫尔（Joseph Larmor）的名字命名。 20世纪。
在2019年格里菲斯大学的实验中，物理学家测量了氢原子中的电子从原子中隧穿出来的速度。带负电的电子被吸引到氢的正核上。这种吸引作用实质上将电子束缚在氢核附近，从而形成电势垒。研究人员通过用极短的激光脉冲使原子闪烁来稍微拉动电子，以增加其隧穿的可能性。他们测量了激光脉冲何时达到亮度峰值，并假设那是电子开始隧穿的时间。然后，如果电子从原子中隧穿出来，他们将在探测器处测量逃逸的电子的速度和方向，并使用该信息来计算电子何时从势垒的另一面出现。他们发现电子在不到十亿分之一秒的十亿分之一秒（2阿秒）内从原子中隧穿出来，并暗示它是瞬间发生的。这种涉及短激光脉冲的方法称为原子钟技术。
兰德斯曼（Landsman）认为，隧道不可能立即发生-一方面，考虑到他们固有的缺陷工具，物理学家不可能真正将过程精确地测量为零秒。她说：“我认为您无法通过实验证明这一点。”
这两个实验都可能是正确的，因为两个团队实际上使用了不同的时间定义。格里菲斯大学的物理学家伊戈尔·利特维努克（Igor Litvinyuk）在致有线实验的一封电子邮件中写道：“我们的结果与这项工作之间绝对没有争议或差异。”
尽管如此，这些小组仍绘制了两幅截然不同的图片，说明粒子要经过多长时间才能通过，这使自20世纪80年代以来几乎没有进行过的辩论恢复了活力。当时，物理学家在纸上就时间的定义争论了很多，但他们没有这项技术来测试隧道化需要多长时间。 兰德斯曼说：“很长一段时间以来，这纯粹是理论上的辩论。”
在未来的实验中，斯坦伯格希望更精细地研究原子穿过势垒时的轨迹。“我想知道，粒子在障碍物的开始、中间和末端花费了多长时间？”他说。这是一个有争议的问题，因为并非所有的物理学家都会同意斯坦伯格的观点，即原子永远在“障碍之内”。许多物理学家认为，量子理论意味着对量子系统的任何测量都会固有地改变该系统，从而阻碍任何科学家了解客观现实的能力。
利特维努克写道：“我不太相信'势垒区内的量子物体所花费的时间'是代表任何客观现实的完全有意义的概念’。”关于是否可以准确观察到现实的争论被广泛称为量子力学的“测量问题”，它引发了对量子力学的多种解释，其中包括一种观念，即每当有人进行测量时，这个微观宇宙都会分裂成平行的分支。
通过拉莫尔（Larmor）和totoclock实验，物理学家现在拥有两种截然不同的技术来测量隧道时间。兰德斯曼说，虽然两个实验都无法解决隧道耗时的问题，但分析和比较这两种不同的系统将有助于物理学家更接近事实。她说：“我认为这些实验将激发该领域的更多研究。”听起来像外星人，这种量子测试为构成我们周围所有事物的基本过程提供了线索。
