實驗首度動搖波姆量子軌跡，穿隧停留時間並非無限
量子力學描述微觀粒子的奇異行為，如「薛丁格的貓」所代表的疊加態，以及粒子能穿越本應不可逾越的障礙──這就是「量子穿隧效應」。近日《Nature》發表一項重要實驗，首次針對另一種非主流的量子詮釋「Bohmian mechanics（波姆解釋）」提出關鍵實證檢驗。波姆詮釋認為，若粒子遇到理論上的無限長障礙時，會在障礙內完全靜止，停留時間（dwell time）將趨近於無限，這與主流「哥本哈根詮釋」預測明顯不同。
在哥本哈根詮釋中，光子等粒子僅以機率波形式存在，直到被觀察時波包才崩潰為具體粒子位置。而波姆詮釋則假定粒子一直是具體存在，由「隱變數」與導引波決定軌跡，產生表觀的波粒二象性。
實驗仍屬模擬性質 粒子理論上停留時間將趨近於無限
(a) 實驗裝置示意圖：綠色雷射通過空間光調制器（SLM）後，經二色鏡聚焦在帶有微結構的微腔上，產生可控的光場。粒子的動態被顯微鏡與相機記錄。
(b) 微結構高度剖面圖：上方曲線顯示奈米級坡道及雙波導的橫向高度變化，下方為對應顯微影像，顯示粒子可沿主波導（中間）行進並進入障礙區域，也可穿隧到平行的副波導。
(c) 粒子動態分析：三個顏色圖分別對應不同能階，顯示粒子在主、副波導間隨能量條件變化進行穿隧，跳動頻率與位置分布由右側色階顯示。
右下：雙波導截面高度圖與粒子動態示意，說明兩道波導之間的「能障」與穿隧過程。圖／《Nature》
為了驗證Bohm詮釋對穿隧粒子的獨特預測，研究團隊設計了特殊奈米結構實驗。實驗中，兩面特製鏡子形成奈米坡道與雙波導結構，利用雷射產生光子並精準調控其動量。當光子在主波導中行進並進入「障礙區」，同時可穿隧到副波導，並以可預測的速率往返跳動，讓研究人員可精確計算穿隧速度及停留時間。通過觀察光子在障礙區內的衰減率，研究團隊發現，光子的穿隧停留時間為「有限」，而非理論上無限長。
論文作者表示，這一結果為長期爭論的「穿隧時間」問題提供新證據，並首度直接挑戰Bohm解釋中粒子於障礙內應「靜止無限」的預測。不過，作者也強調，本實驗仍屬模擬性質，仰賴部分理論假設，推論仍有待未來更精密驗證。即便如此，此成果證明現代物理已能細緻比較不同量子詮釋在微觀世界下的預測差異，為理解量子本質開啟新一頁。
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首圖來源： Nature (CC BY 4.0)
圖片來源： Nature (CC BY 4.0)
參考論文：
1、Energy–speed relationship of quantum particles challenges Bohmian mechanicsNature
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