| 就像量子隧道的概念一样(在原子穿越其势垒的地方)并不是足够的混乱,该领域一个一直困扰着人们的物理学问题就是为什么这些粒子在穿越势垒的时候好像超越了光速,而在通过真空空间时却不超越光速。
同样令人迷惑的是,为什么在势垒变得越来越长的同时,粒子穿越它所消耗的时间却好像并不增长?
该悖论所激起的物理学界争论从1932年一直持续到现在,但是来自密歇根州工程大学的赫伯特•温富尔教授相信他已经终结了这些问题的争论。温富尔表示他的理论结果显示出人们所计算和测量的并不是粒子从A点到B点(穿越势垒中的两点)所花的时间,“而是已经存储在势垒中的能量溢出势垒所要的时间。”这个时间的技术术语叫做“群时延”。
温富尔利用光子带裂隙模型从数学的角度计算出他的理论。这种模型过滤掉,或者叫“调谐”滤波,特定波长的光束而让其它波长的光束通过。然后他计算出电磁波通过该光子带裂隙的延时并发现这个结果与能量从势垒的任何一端溢出所花的时间完全相同。
下面是群时延在量子隧道中的形成过程:想像两辆旅游公交车,一辆载有100名乘客,另一辆只有10名乘客。两辆车都在穿越城镇向同一家饭店行驶。两辆车同时到达,但是载客少的那辆车上的10名乘客能够更快地下车从而优先用餐。如果你定义抵达时间为乘客到达餐桌的平均时间,那么载客少的那辆车所用的抵达时间较短。这同样解释了为什么所谓的群时延不随距离的变化而变化。
在量子隧道中,大部分的粒子(车上的乘客)都被势垒反弹,而只有很小一部分能够通过。势垒的存在,与无势垒的区域相比,减少了能够被储藏的能量总数。这个所测量的延时时间与储存的能量成正比,并且与释放这些能量所花的时间相同。
这一时间并不随着势垒的加宽而改变。温富尔解释说,因为势垒都有一个确定的能量存储容量,这个存储容量不随着宽度的增长而增长,就像每个汽车的载客量一样不随着旅行距离的变化而变化。
温富尔于7月25日华盛顿快慢光束研讨会上,在他的特邀报告中这样描述其结果。
“这是出自基础物理学观点的一个非常重要的问题,然而它的重要性还表现在它能够揭示隧道装置所能达到的最高速度,”温富尔说。“我的结果实际上更像是一种收工,因为它告诉我们无法做到那样(超越光速)。”但是他还表示,这个结果仍然是令人欣慰的,因为它告诉我们爱因斯坦是正确的。爱因斯坦的相对论理论告诉我们没有任何一样东西的速度能够超越大约每秒186,171英里的光速。
量子隧道应用于扫描隧道显微镜中,使得在原子尺度级别的观测成为可能。还应用于一些特定的电子设备,如隧道二极管和约瑟夫森效应结中。 |