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 - 足球世界杯

一支科学研究团队首次通过实验验证，电子在运动时，其位置信息与时间演化信息同样存在无法同时精确测量的限制，他们将此现象命名为“时空极限”。

这项由德国雷根斯堡大学超快纳米成像中心（RUN）和马克斯 · 普朗克学会汉堡结构与动力学研究所联合进行的研究，成果已于 7 月 3 日发布在《自然 · 光子学》期刊上。研究人员在实验中观察到了电子运动中的“空间-时间极限”。

研究结果表明，当科学家试图同时提升对电子运动时间和空间位置测量精度的要求时，会呈现出一种类似于量子力学限制的权衡关系：越是精确地确定电子运动发生的时间点，其量子波包在空间上的分布就越难以保持高度集中。

该研究团队汇集了来自雷根斯堡大学 RUN 中心的 Jascha Repp、Rupert Huber、Franz Giessibl、Klaus Richter 等教授，以及由 Angel Rubio 领导的马克斯 · 普朗克汉堡结构与动力学研究所的研究人员。论文的第一作者 Simon Maier 及其同事，利用了一项结合了阿秒时间分辨技术的光波驱动扫描隧道显微镜技术，来观察单个电子在通过能量势垒时发生的量子隧穿动态过程。

研究人员解释说，传统的显微镜虽然能提供物质结构的高分辨率静态图像，但无法捕捉电子在极短时间尺度内的动态变化。电子的运动通常发生在阿秒（10⁻¹⁸ 秒）这一极其短暂的时间尺度上，在此期间电子可以跨越原子尺度的距离，而原子本身几乎保持静止。因此，需要类似“超高速摄像机”的技术才能记录这些过程。

此前，RUN 研究团队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。然而，观测电子的难度更大，因为电子在这些尺度上的运动速度大约是原子和分子的 1000 倍。在本项实验中，研究团队开发了一种新型激光系统，能够产生高度同步的光脉冲，并精确控制金属尖端与银表面之间的电子运动，从而实现了对电子隧穿过程的阿秒级测量。

实验装置中的电子并非以经典物理学描述的粒子轨迹运动，而是以量子波的形式存在。研究人员通过使用两束具有精确时间延迟的近红外激光脉冲来改变电子的运动状态，并测量由此产生的电流变化，从而反推出电子发生隧穿的确切时间。研究人员将此过程比作一台用于观察电子波包运动的高速摄像机。

实验结果显示，电子对激光场的响应并非瞬时的，而是存在大约 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得到了与实验结果相符的预测，进一步证实了电子运动过程中的时间响应特性。

随后，研究团队进一步测量了电子波包在空间中的扩散情况。他们发现，若想更精确地确定电子转移发生的时间，就必须向系统注入更多的能量，而能量的增加会导致电子波包在空间中的扩散范围扩大。这意味着，提高时间测量的精度将以牺牲空间定位能力为代价，从而形成了此次实验所观察到的“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限制结构，在激光脉冲作用前帮助约束电子波包的位置。实验结果表明，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。研究人员利用这一方法对银表面的单个铜原子进行了成像，成功实现了阿秒级的时间分辨率与埃（Ångström）级（1 埃 = 0.1 纳米）的空间分辨率的结合。

这项研究主要聚焦于基础量子动力学问题，但其相关技术有望在未来对电子器件、量子信息处理以及化学反应控制等领域产生影响。研究人员指出，单个电子的转移代表了最小尺度的电荷移动过程，如果能在极短的时间和极小的空间范围内控制这种转移，将有助于科学家研究如何精确地触发化学键的断裂或形成。

研究团队还表示，进一步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 教授认为，这类研究可能为未来基于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。