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

IT之家 7 月 18 日消息，在量子力学中，海森堡不确定性原理早已划定了一条根本界限：粒子的位置与动量无法同时被精确测定，但位置与时间之间并不存在这样的不确定性关系。这种限制并非来自仪器精度不足，而是量子系统本身的基本属性。如今，一支研究团队首次通过实验观测到，电子的位置与其时间演化同样无法以任意精度同时测定 —— 他们将这一新发现称为“时空极限”。德国雷根斯堡大学雷根斯堡超快纳米成像中心（Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy，RUN）联合德国马克斯 · 普朗克学会汉堡结构与动力学研究所（Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter）研究团队，于 7 月 3 日在《自然 · 光子学》（Nature Photonics）发表论文，宣布首次通过实验观测到电子运动中的“空间-时间极限”（space-time limit）。研究显示，当科学家试图同时提高电子运动时间和空间位置的测量精度时，会出现类似量子力学限制的权衡关系：越精确确定电子何时发生移动，其量子波包在空间中的分布就越难保持高度局限。参与研究的团队包括雷根斯堡大学 RUN 中心的 Jascha Repp、Rupert Huber、Franz Giessibl、Klaus Richter 等教授，以及马克斯 · 普朗克汉堡结构与动力学研究所 Angel Rubio 领导的研究人员。论文第一作者为 Simon Maier，研究人员利用结合阿秒时间分辨技术的光波驱动扫描隧道显微镜（lightwave-driven scanning tunneling microscopy），观察单个电子通过能量势垒发生量子隧穿时的动态过程。研究人员指出，传统显微镜可以提供物质结构的高分辨率静态图像，但无法记录电子在极短时间尺度内的变化。电子运动通常发生在阿秒尺度，即十亿分之一秒的十亿分之一。在这一时间范围内，电子能够跨越原子尺度距离，而原子本身几乎不会发生明显移动，因此需要类似“超高速摄像机”的技术才能捕捉相关过程。此前，RUN 研究团队已经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高，因为电子在这些尺度上的运动速度大约比原子和分子快 1000 倍。此次实验中，研究人员开发了能够产生精准同步光脉冲的新型激光系统，通过控制金属尖端与银表面之间的电子运动，实现对电子隧穿过程的阿秒级测量。实验装置中的电子并不是像经典物理描述中的微小粒子一样沿固定轨迹运动，而是以量子波的形式存在。研究人员利用两束存在时间延迟的近红外激光脉冲改变电子运动状态，并通过测量产生的电流变化，反推出电子发生隧穿的具体时间。研究人员表示，该过程可以被理解为一台用于观察电子波包运动的高速摄像机。实验结果显示，电子并不会立即响应激光场变化，而是存在约 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复现了实验结果，进一步验证了电子运动过程中的时间响应特征。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，如果希望更加准确地确定电子转移发生的时间，就需要向系统提供更多能量，而增加的能量会导致电子波包在空间中扩散范围扩大。这意味着，时间精度提升会伴随空间定位能力下降，形成此次实验观察到的“空间-时间极限”。为了直接测量这一关系，研究人员在银表面放置了单个铜原子，使其作为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。实验结果表明，即使在强激光激发条件下，电子波包仍能保持足够局限，从而支持原子尺度成像。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，实现了阿秒时间分辨率与埃尺度空间分辨率的结合。这项研究主要针对基础量子动力学问题，但相关技术未来可能影响电子器件、量子信息处理以及化学反应控制等方向。研究人员表示，单个电子转移代表最小尺度的电荷移动过程，如果能够在极短时间和极小空间范围内控制这种转移，可能帮助科学家研究如何精准触发化学键断裂或形成。研究团队还表示，进一步理解电子运动的本征速度，有助于探索未来电子技术的发展边界。Rupert Huber 教授指出，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提供基础。IT之家附论文地址：https://doi.org/10.1038/s41566-026-01932-0