，在經(jīng)典物理世界中，從一座大山的這邊穿到那邊，只能消耗體力翻山越嶺。但在量子物理世界里，有一種“穿墻術(shù)”存在，這就是量子隧穿效應(yīng)。

奧地利因斯布魯克大學(xué)物理學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)中觀察到了這種效應(yīng)，這是有史以來(lái)觀察到的最慢的帶電粒子反應(yīng)。據(jù)稱，這種量子事件每 100 億次發(fā)生一次。

化學(xué)中的隧穿反應(yīng)是很難預(yù)測(cè)的。用量子力學(xué)精確地描述三個(gè)以上粒子的化學(xué)反應(yīng)是困難的，而對(duì)四個(gè)以上粒子的化學(xué)反應(yīng)幾乎是不可能的。理論學(xué)家可以用經(jīng)典物理學(xué)模擬這些反應(yīng)，但他們必須忽略量子效應(yīng)。但是，這種只能提供近似值的經(jīng)典化學(xué)反應(yīng)描述的極限在哪里?

該校離子物理與應(yīng)用物理系的 Roland Wester 教授長(zhǎng)期以來(lái)一直在嘗試探索這一前沿領(lǐng)域。這位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家表示:“它需要一次實(shí)驗(yàn)，可以進(jìn)行非常精確的測(cè)量，并且仍然可以用量子力學(xué)來(lái)描述。”“15 年前，我在美國(guó)的一次會(huì)議上與一位同事交談時(shí)想到了這個(gè)想法”，他想在一個(gè)非常簡(jiǎn)單的反應(yīng)中追蹤量子隧穿效應(yīng)。

經(jīng)過(guò) 15 年的研究，他終于取得了重要突破。相關(guān)論文已于當(dāng)?shù)貢r(shí)間 3 月 1 日發(fā)表在最新一期《Nature》雜志上。DOI:10.1038/s41586-023-05727-z。

值得一提的是，奧地利因斯布魯克大學(xué)前段時(shí)間還剛剛通過(guò)實(shí)驗(yàn)在 230 米的距離上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)離子的糾纏。據(jù)稱，俘獲離子是未來(lái)跨越城市乃至大陸的量子網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)有前景的平臺(tái)，這項(xiàng)研究也發(fā)表在了《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上。

由于隧穿效應(yīng)幾乎不可能發(fā)生，因此反應(yīng)很慢，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)也變得異常困難。然而，經(jīng)過(guò)幾次嘗試，Wester團(tuán)隊(duì)終于成功地做到了這一點(diǎn)。

Wester團(tuán)隊(duì)選擇用宇宙中最簡(jiǎn)單的元素 —— 氫來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。他們將氫的同位素氘引入離子阱，將其冷卻，然后用氫氣填充離子阱。由于溫度非常低，帶負(fù)電的氘離子缺乏能量與氫分子以傳統(tǒng)方式進(jìn)行反應(yīng)，但卻可以在非常罕見(jiàn)的情況下通過(guò)碰撞發(fā)生反應(yīng)。

當(dāng)氫分子和帶電的氘原子發(fā)生碰撞時(shí)，這一交換質(zhì)子的過(guò)程可以通過(guò)稱為隧穿，但這種情況在 100 億次碰撞中只會(huì)發(fā)生一次。

“由于量子力學(xué)波的特性，量子力學(xué)允許粒子突破能量勢(shì)壘，并發(fā)生反應(yīng)，”該研究的第一作者羅伯特?懷爾德解釋說(shuō)，“在我們的實(shí)驗(yàn)中給出了大約 15 分鐘的可能反應(yīng)，然后確定形成的氫離子的數(shù)量。從它們的數(shù)量，我們可以推斷出反應(yīng)發(fā)生的頻率。”

值得一提的是，2018 年就曾有理論物理學(xué)家計(jì)算出，在這個(gè)系統(tǒng)中，量子隧穿概率為 1000 億分之一。這與現(xiàn)在在因斯布魯克測(cè)量的結(jié)果非常吻合，經(jīng)過(guò) 15 年的研究，人類(lèi)科學(xué)家首次證實(shí)了化學(xué)反應(yīng)中隧道效應(yīng)的精確理論模型。

當(dāng)然，還有其他化學(xué)反應(yīng)也可以利用隧道效應(yīng)。只不過(guò)這是科學(xué)家第一次觀察到量子隧穿效應(yīng)，這種測(cè)量方法在科學(xué)理論中也得到了很好的理解。在此基礎(chǔ)上，研究人員可以為化學(xué)反應(yīng)建立更簡(jiǎn)單的理論模型，并在已經(jīng)成功證明的反應(yīng)上進(jìn)行測(cè)試。