超越海森堡不确定性原理：科学家首次观测到电子运动“时空极限”，揭示位置与时间无法同时精确测定 - 世界杯下注

科学家们首次通过实验证实，电子的位置及其在时间上的演化无法同时被无限精确地测量，他们将这一现象称为“时空极限”。

这项研究由德国雷根斯堡大学的雷根斯堡超快纳米成像中心（RUN）与马克斯 · 普朗克学会汉堡结构与动力学研究所的科研人员合作完成，并于 7 月 3 日在《自然 · 光子学》杂志上发表。研究揭示，在尝试同时提高电子运动时间和空间位置测量精度时，会出现一种类似量子力学中的权衡关系：对电子运动时间的精确度要求越高，其量子波包在空间中的局限性就越难保持。

参与此项研究的科学家包括雷根斯堡大学 RUN 中心的 Jascha Repp、Rupert Huber、Franz Giessibl、Klaus Richter，以及马克斯 · 普朗克汉堡结构与动力学研究所的 Angel Rubio 团队。论文的第一作者 Simon Maier 及其同事，利用了结合了阿秒时间分辨技术的光波驱动扫描隧道显微镜，对单个电子在能量势垒中的量子隧穿动态过程进行了观察。

与能够提供高分辨率静态图像的传统显微镜不同，电子的运动发生在阿秒（10^-18 秒）这一极短的时间尺度上，远超传统显微镜的观测能力。在阿秒尺度下，电子可以穿越原子大小的距离，而原子本身几乎静止不动，因此需要“超高速摄像机”级别的技术来捕捉这些过程。

尽管 RUN 研究团队此前已成功利用超快扫描隧道显微技术追踪过单个分子的运动，但电子的观测难度更大，因为其运动速度比原子和分子快约 1000 倍。本次实验中，研究人员开发了一种新型激光系统，能够产生精确同步的光脉冲，从而控制金属尖端与银表面之间电子的运动，并实现了对电子隧穿过程的阿秒级测量。

在实验装置中，电子并非以经典粒子轨迹运动，而是以量子波的形式存在。研究人员通过使用两束存在时间延迟的近红外激光脉冲来改变电子的运动状态，并通过测量产生的电流变化来推断电子隧穿的确切时间。这一过程被比作一台用于观察电子波包运动的高速摄像机。

实验结果表明，电子对激光场变化的响应存在约 500 阿秒的延迟。马克斯 · 普朗克汉堡研究团队进行的量子模拟也与实验结果相符，进一步证实了电子运动中的时间响应特征。

研究团队随后进一步测量了电子波包在空间中的扩展情况。他们发现，为了更精确地确定电子转移发生的时间，需要向系统注入更多能量，而能量的增加会导致电子波包在空间中的扩散范围增大。这意味着，提高时间测量的精度会伴随着空间定位能力的下降，形成了本次实验中观测到的“空间-时间极限”。

为了直接验证这一关系，研究人员在银表面放置了单个铜原子，将其作为一个微小的空间约束结构，在激光脉冲作用前帮助限制电子波包的位置。实验结果显示，即使在强激光激发下，电子波包仍能保持足够的局限性，从而支持了原子尺度的成像。研究人员利用此方法成功对银表面的单个铜原子进行了成像，实现了阿秒级的时间分辨率与埃（Ångström）级空间分辨率的结合。

这项研究主要关注基础量子动力学问题，但其技术未来有望应用于电子器件、量子信息处理以及化学反应控制等领域。研究人员指出，单个电子转移代表了最小尺度的电荷移动过程，如果能够实现对其在极短时间和极小空间范围内的精确控制，将有助于科学家研究如何精准地触发化学键的形成或断裂。

研究团队还表示，深入理解电子运动的固有速度，将有助于探索未来电子技术的发展极限。Rupert Huber 教授强调，这类研究可能为未来以电子自身运动速度作为极限的电子设备和量子信息处理技术奠定基础。