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[交流] 【科研新闻】物理学中一个存在数十年的悖论被解决

出自：中国科技信息网转

教育部科技发展中心网2006年8月2日报道　如果量子隧穿效应（原子穿过障碍物）还不够复杂的话，这个领域更令人迷惑的问题是为什么粒子穿过障碍物时速度看起来会超过光速，而这在穿过自由空间时不会发生。
　　
同样令人困惑的是为什么当障碍物变长时，粒子穿过所用时间却不变。
　　
这个悖论自从1932年起在物理学界就引起了很大的争论。但是现在，美国密歇根大学工程学院的Herbert Winful教授认为他解决了这个问题。他说在他的理论结果中，以往被计算和测量的时间并不是粒子穿越障碍物的时间，而是粒子用来克服障碍物种所带势能的时间，术语叫做群延迟。
　　
Winful使用光子带隙结构进行理论计算。这种结构滤掉一些波长的光而让其它光通过。然后他计算了电磁波穿过这种带隙结构的延时，发现与光取得足够的能量来从两端逃离障碍物的时间相等。
　　
群延时在量子力学中是这样的：想象有两辆旅游巴士，一辆载了100名乘客另一辆载了10名。两辆巴士都穿越城镇向同一个餐馆开。它们同时到达，但是载10名乘客的巴士下车更快一些，所以乘客较先用餐。如果你定义到达时间为每个乘客到达餐桌的平均时间，则载较少乘客的巴士的这个时间更短。这也解释了为什么不论走多远群延时都是相同的。
　　
在量子隧穿效应中，大部分的粒子（巴士上的乘客）都会在障碍处弹回，只有很小一部分穿越过去。与没有障碍物的区域相比，障碍物的存在减小了能够储存的能量大小。测量的延时正比于储存的能量，是需要释放这个储存能量所需要的时间。
　　
Winful说：“当障碍物变长时这个时间不变，是因为障碍物有一定的能量储存的能力，而这个能力是不随长度改变的，就像巴士能载多少乘客跟旅行的长短无关一样。”
　　
Winful在7月25日举行在华盛顿的慢快光会议的邀请论文上发表了他目前的结果。
　　
Winful说：“在理论物理角度来看这是个重要的问题，在实验角度它同样重要，因为它告诉我们隧穿设备能够达到的超高速度。我的结果在某种程度上是令人沮丧的，因为它证明了我们是没法超过光速的。但是，知道爱因斯坦的理论是正确的，也是令人感到安慰的。”

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