​量子隧穿会超光速吗？

其中一个有趣的特性就是量子隧穿。要理解量子隧穿，我们先要知道什么是势垒。势垒就是一种阻碍粒子运动的力场，比如电场、磁场、重力场等。势垒可以用一个势能函数来描述，势能函数表示了粒子在不同位置所具有的能量。势垒就相当于一个山峰或者一个坑，粒子要想越过它，就需要有足够的能量。

如果我们用经典物理学来看待这个问题，那么粒子要想越过势垒，就必须满足以下条件：粒子的总能量大于或等于势垒的最高点的能量；粒子在势垒内部的动能为正。如果粒子不满足这两个条件，那么它就会被势垒反弹回去，就像一个小球撞到一堵墙一样。这也符合我们的常识。

但是如果我们用量子力学来看待这个问题，那么情况就不一样了。因为量子力学告诉我们，粒子不仅有粒子性，还有波动性。也就是说，粒子可以用一个波函数来描述，波函数表示了粒子在不同位置出现的概率。波函数也受到势能函数的影响，但是它不会像经典物理学中那样被完全截断。而是会有一部分波函数渗透到势垒内部，并且在势垒另一边衰减地出现。

从波包的角度看，量子隧穿可以超过光速。这是因为波包是由多个频率不同的波叠加而成的，在空间上呈现出一个局域化的形状。当波包遇到势垒时，它会被分成两部分：反射波包和透射波包。反射波包就是被势垒反弹回去的部分，透射波包就是穿过势垒的部分。透射波包在势垒内部会发生衰减和相移，但是它的形状不会改变。当透射波包从势垒另一边出来时，它的峰值位置会比原来的波包提前一段距离。这个距离就是超光速隧穿的距离。

这个距离可以用一个公式来计算，它和势垒的厚度、高度、波包的频率和宽度都有关系。一般来说，势垒越厚，超光速隧穿的距离就越大。这也意味着，隧穿时间越短，隧穿速度就越大。有些情况下，隧穿速度甚至可以无限大。

从量子力学的角度看，量子隧穿没有固定的速度，也就无法判断它是否超过光速。这是因为量子力学告诉我们，粒子在势垒内部并没有确定的位置和速度，而是以一定概率分布在不同位置上。因此，粒子隧穿时并不是从一个确定位置到另一个确定位置，而是从一个概率分布到另一个概率分布。这样就无法定义粒子隧穿时所经过的路径和时间。

从实验观测的角度看，有些实验表明量子隧穿可以超过光速。例如，在2015年，德国科学家利用扫描隧道显微镜（STM）进行了一项著名的实验。他们将STM探针靠近一个金属表面，并用电压激发金属表面上的电子发生隧穿。他们发现电子隧穿时产生了一个电流信号，并且这个信号比光在真空中传播所需时间还要短。这意味着电子隧穿时产生了超光速效应。

这个实验引起了很多争议和讨论 。有些人认为这个实验确实观测到了超光速现象，并且提出了一些理论模型来解释它 。有些人认为这个实验只是观测到了一种假象，并且指出了实验中存在的一些问题和误解。目前，这个实验还没有得到广泛的认可和重复，因此它的结论还不是很确定。

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不代表中科院半导体所立场
编辑：静玲子