Пробијање брзине светлости: мистерија квантног тунела

У невероватном феномену квантне физике познатом као тунелирање, чини се да се честице крећу брже од брзине светлости. Међутим, физичари из Дармштата сматрају да је време које су честице провеле у тунелу до сада погрешно мерено. Они предлажу нови начин за заустављање брзине квантних честица.

У класичној физици постоје строга правила која се не могу заобићи. На пример, ако лопта која се котрља нема довољно енергије, она неће ићи преко брда, већ ће се окренути пре него што стигне до врха и обрнути смер. У квантној физици, овај принцип није сасвим строг: честица може прећи баријеру, чак и ако нема довољно енергије да прође кроз њу. Понаша се као да клизи кроз тунел, због чега је овај феномен познат и као „квантно тунелирање“. Оно што изгледа магично има конкретне техничке примене, на пример у флеш меморијским дисковима.

Квантно тунелирање и релативност

У прошлости су експерименти са честицама бржим од светлости привлачили одређену пажњу. На крају крајева, Ајнштајнова теорија релативности забрањује брзине веће од светлости. Стога је питање да ли је време потребно за тунелирање правилно „паузирано“ у овим експериментима. Физичари Патрицк Сцхацх и Ено Гиесе са Универзитета у Дармштату прате нови приступ одређивању „времена“ честице која пролази кроз тунел. Сада су предложили нови начин мерења овог времена. У свом експерименту, они су га измерили на начин за који верују да је погоднији за квантну природу тунелирања. Свој дизајн експеримента објавили су у познатом часопису Унапређење науке.

Дуалност таласа и честица и квантно тунелирање

Према квантној физици, мале честице као што су атоми или честице светлости имају двоструку природу.

У зависности од експеримента, понашају се као честице или као таласи. Квантно тунелирање наглашава таласну природу честица. „Пакет таласа“ се котрља према баријери, слично протоку воде. Висина таласа указује на вероватноћу материјализације честице на тој локацији ако се мери њен положај. Ако таласни пакет удари у енергетску баријеру, део се рефлектује. Међутим, мали део продире кроз баријеру и постоји мала могућност да ће се честица појавити на другој страни баријере.

Поновна процена брзине тунела

Претходни експерименти су приметили да је светла честица прешла већу удаљеност након тунелирања од честице која је имала слободан пут. Стога би путовао брже од светлости. Међутим, истраживачи су морали да одреде локацију честице након што је прошла. Изабрали су највишу тачку у таласном пакету.

„Али честица не прати путању у класичном смислу“, приговара Ено Гиесе. Немогуће је тачно одредити где се честица налазила у датом тренутку. Ово отежава давање изјава о времену потребном да се стигне од А до Б.

Нови приступ мерењу времена тунела

С друге стране, Схасх Бриеф је вођен цитатом Алберта Ајнштајна: „Време је оно што читате на сату. Они предлажу да се сама тунелска честица користи као сат. Друга непотрошена честица делује као референца. Упоређивањем ова два природна сата, могуће је утврдити да ли време пролази спорије, брже или истом брзином током квантног тунелирања.

Таласна природа честица олакшава овај приступ. Осциловање таласа је попут осциловања сата. Конкретно, Сцхацх и Гиесе предлажу коришћење атома као сатова. Енергетски нивои атома осцилирају на одређеним фреквенцијама. Након обраћања А кукуруза Са ласерским импулсом, њихови нивои у почетку синхроно осцилирају – покреће се атомски сат. Током тунела, ритам се благо мења. Други ласерски импулс изазива преклапање два унутрашња таласа атома. Детекција сметњи омогућава да се измери колико су удаљена два таласа енергетског нивоа, што је заузврат тачно мерење протеклог времена.

Што се тиче другог атома, који није тунелиран, он служи као референца за мерење временске разлике између копања тунела и некопања тунела. Прорачуни физичара указују да ће се тунелска честица појавити нешто касније. „Сат који је прокопан кроз тунел је мало старији од другог сата“, каже Патрик Шах. Чини се да је то у супротности са експериментима који су приписивали супербрзину светлости тунелирању.

Изазов спровођења експеримента

У принципу, тест би се могао урадити коришћењем тренутне технологије, каже Сцхацх, али представља велики изазов за експерименте. То је зато што је временска разлика која се мери само око 10^-26 Секунде – веома кратко време. Физичар објашњава да помаже да се облаци атома користе као сатови уместо појединачних атома. Такође је могуће појачати ефекат, на пример вештачким повећањем тактних фреквенција.

„Тренутно разговарамо о овој идеји са нашим експерименталним колегама и у контакту смо са нашим пројектним партнерима“, додаје Гизи. Врло је вероватно да ће тим ускоро одлучити да спроведе овај узбудљив експеримент.

Референца: „Јединствена теорија времена тунела коју промовишу Ремзи сатови“, Патрик Шах и Ено Гизе, 19. април 2024. Унапређење науке.
дои: 10.1126/сциадв.адл6078