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科學家利用量子隧穿違反了狹義相對論 讓光突破了速度限制

眾所周知,光速與任何速度疊加,得到的仍然是光速。根據愛因斯坦狹義相對論,任何物質在任何狀況下的速度都不會超過光速-- 299,792,458米/秒。從理論上說,如果超過光速,時間將會出現倒流。速度的合成不遵從經典力學的法則,而遵從相對論的速度合成法則。可以說目前,光速是無法改變和超越的。但是日前兩位德國科學家聲稱,利用量子隧穿效應(quantum tunnelling),他們找到了讓光突破自己速度限制的方法。

所謂量子隧穿效應是一種量子特性,是電子等微觀粒子能夠穿過它們本來無法通過的「牆壁」的現象。又稱隧穿效應,勢壘貫穿。所謂勢壘,指的是電子不易穿過的壁壘,比如在兩塊金屬(或半導體、超導體)之間夾一層厚度約為0.01nm的極薄絕緣層,構成一個稱為「結」的元件。設電子開始處在一邊的金屬中,可認為電子是自由的,在金屬中的勢能為零。由於電子不易通過絕緣層,因此絕緣層就像一個勢壘。

隧道效應無法用經典力學的觀點來解釋。而阿爾法衰變就是因為阿爾法粒子擺脫了本來不可能擺脫的強力的束縛而「逃出」原子核。因電子的能量小於區域Ⅱ中的勢能值U0,若電子進入Ⅱ區,就必然出現「負動能」,這是不可能發生的。

據了解這兩位德國科學家的實驗是讓微波光子粒子通過兩個稜鏡並進行觀測得出。當兩個稜鏡分開時,大部分粒子都被第一個稜鏡反射然後被探測器發現。但是,他們發現,有部分粒子卻「隧穿」過了兩個稜鏡之間的間隙並被第二個稜鏡反射回到探測器。儘管這部分粒子比大部分粒子穿越的距離要長,但是,兩部分粒子卻是同時被探測器發現。這也就是說,產生「隧穿」的光子粒子的速度超出了光速。

正常情況下,粒子無法穿過這些「牆壁」,但如果這些粒子足夠小,這一切就可以發生。在放射性衰變發生時、在很多化學反應中以及在掃描隧道顯微鏡內都會出現這種量子隧穿效應,這是因為根據量子力學,微觀粒子具有波的性質,因而有不為零的概率穿過這些「牆壁」。

德國科布倫茨大學教授Gunter Nimtz表示:「目前,這是唯一違反狹義相對論的一種現象。」

而掃描隧道顯微鏡是量子隧穿效應的主要應用之一。掃描隧道顯微鏡可以克服普通光學顯微鏡像差的限制,通過隧穿電子掃描物體表面,從而辨別遠遠小於光波長的物體。

科學家表示:「告訴電子如何穿過『牆壁』的技巧是讓光同電子『聯姻』。」這場「聯姻」是「命中注定」的,因為光以共振腔光子的形式出現,科學家們將一束光捕獲在鏡子之間,讓其在鏡子間來回反彈,光把電子夾在中間,讓電子振動穿過牆壁。相關研究人員指出:「這場『婚姻』產生的後代實際上是新的不可分割的粒子,這些粒子由光和物質組成,可以自由地通過像平板一樣的半導體『牆壁』而消失。」科學家表示,新粒子的獨特特徵之一是它們會朝一個特定的方向延伸,而且它們之間也存在著強烈的相互作用。

目前人類還處於量子力學的摸索階段,量子隧穿的真實秘密未完全解開,但至少讓人類看到了一絲曙光。

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