量子隧道事件发生的几率是千亿分之一

量子隧道效应是一种罕见的事件，在经典物理学下应该是不可能的，但直到现在我们才知道现实世界的例子是多么罕见。

隧道效应非常罕见，因此需要付出相当大的努力才能构建一个可以测量隧道效应的实验。

图片来源：sakkmesterke/shutterstock.com

首次通过实验测量了罕见但至关重要的量子现象（称为隧道效应）发生的速率，并发现与理论计算相符。该领域的理论估计被认为具有高度不确定性，因此在一种特定情况下进行确认可以使我们更有信心地估计其他隧道事件的频率。

量子隧道效应是亚原子粒子以经典物理学认为不可能的方式表现的众多现象之一。在这种情况下，一个以传统方式需要一定能量才能逃脱的物体会离开陷阱，尽管其能量少于该能量。这是电子等物体的波/粒子双重性质的结果和证明——纯粒子无法逃逸，但波有时可以。原子核的阿尔法衰变等现象依赖于量子隧道效应的发生。

隧道效应对于量子物理学至关重要，本科课程中设置了基于简单例子的计算。然而，现实世界的例子要复杂得多。了解隧道在特定情况下偶尔会发生和了解发生频率是非常不同的事情。在一篇新论文中，因斯布鲁克大学的一个团队首次测量了氢分子和氘阴离子之间的反应，发现这是迄今为止观察到的涉及带电粒子的最慢的反应。

反应 (H2 + D− → H− + HD) 涉及两个氢原子（没有中子的质子）分子和由两个电子绕轨道运行的质子和中子组成的原子之间的位移。发生隧道效应后，分子的其中一个成分具有中子，而未附着的原子仍然带负电，没有中子。尽管看起来像是中子已转移，但该反应被认为代表质子交换。

由于氢仍然构成了宇宙的大部分，因此不需要较重元素的此类事件在宇宙尺度上非常频繁地发生，尽管氢和氘之间任何特定相遇的几率都很低。此外，如果我们希望对更复杂的隧道事件进行建模，我们需要通过对此类更简单示例的测量来确定我们的估计。

因斯布鲁克团队通过在陷阱中填充冷却至 10 K (-263°C/-441°F)（通过碰撞加热至 15 K）的氘离子和氢气的混合物，通过实验测试了发生率。在这些温度下，转移通常是不可能的，但 15 分钟后带负电的氢离子的出现表明转移已经发生，尽管并不常见。

该速率以立方厘米每秒为单位，给出的值为 5.2 × 10−20 立方厘米每秒，误差范围约为第三个，除了量子物理学家之外，这对任何人来说都没有多大意义。

然而，它转化为氘阴离子与氢分子碰撞的千亿分之一。这似乎太罕见了，无需担心，但即使是一小块气体也含有数十亿个分子。添加足够的氘，碰撞次数就会变得巨大。

测量速率“需要一个允许非常精确测量的实验，并且仍然可以用量子力学来描述，”资深作者罗兰·韦斯特教授在一份声明中说。  韦斯特 15 年前萌生了进行该实验的想法，但隧道效应非常罕见，因此需要付出相当大的努力才能构建一个可以对其进行测量的实验。 

该研究发表在《自然》杂志上。 

本文的早期版本发布于 2023 年 3 月。