Przekraczanie prędkości światła: tajemnica tunelu kwantowego

W niesamowitym zjawisku fizyki kwantowej, znanym jako tunelowanie, cząstki wydają się poruszać szybciej niż prędkość światła. Fizycy z Darmstadt uważają jednak, że czas przebywania cząstek w tunelu był dotychczas mierzony błędnie. Proponują nowy sposób na zatrzymanie prędkości cząstek kwantowych.

W fizyce klasycznej obowiązują ścisłe zasady, których nie można obejść. Na przykład, jeśli tocząca się piłka nie będzie miała wystarczającej energii, nie przejedzie przez wzniesienie, ale zawróci przed dotarciem do szczytu i odwróci kierunek. W fizyce kwantowej zasada ta nie jest całkowicie rygorystyczna: cząstka może przekroczyć barierę, nawet jeśli nie ma wystarczającej energii, aby ją pokonać. Zachowuje się tak, jakby ślizgała się w tunelu, dlatego zjawisko to znane jest również jako „tunelowanie kwantowe”. To, co wydaje się magiczne, ma konkretne zastosowania techniczne, na przykład w dyskach flash.

Tunelowanie kwantowe i teoria względności

W przeszłości pewną uwagę przyciągały eksperymenty z cząstkami szybszymi od światła. W końcu teoria względności Einsteina zabrania prędkości większych od światła. Pytanie brzmi zatem, czy w tych eksperymentach odpowiednio „wstrzymano” czas potrzebny na drążenie tunelu. Fizycy Patrick Schach i Eno Giese z Uniwersytetu w Darmstadt stosują nowe podejście do określania „czasu” cząstki tunelującej. Zaproponowali teraz nowy sposób pomiaru tego czasu. W swoim eksperymencie zmierzyli to w sposób, który ich zdaniem jest bardziej odpowiedni dla kwantowej natury tunelowania. Opublikowali projekt swojego eksperymentu w słynnym czasopiśmie Postęp nauki.

Dualizm korpuskularno-falowy i tunelowanie kwantowe

Według fizyki kwantowej małe cząstki, takie jak atomy lub cząstki światła, mają podwójną naturę.

W zależności od eksperymentu zachowują się jak cząstki lub jak fale. Tunelowanie kwantowe uwydatnia falową naturę cząstek. „Pakiet fal” toczy się w kierunku bariery, podobnie jak przepływ wody. Wysokość fali wskazuje prawdopodobieństwo materializacji cząstki w tym miejscu, jeśli zmierzono jej położenie. Jeśli pakiet fal uderza w barierę energetyczną, część zostaje odbita. Jednakże niewielka część przenika przez barierę i istnieje niewielkie prawdopodobieństwo, że cząstka pojawi się po drugiej stronie bariery.

Ponowna ocena prędkości tunelu

W poprzednich eksperymentach zaobserwowano, że cząstka światła przebyła większą odległość po tunelowaniu niż cząstka, która miała swobodną drogę. Dlatego podróżowałby szybciej niż światło. Jednak badacze musieli określić lokalizację cząstki po jej przejściu. Wybrali najwyższy punkt pakietu fal.

„Ale cząstka nie podąża ścieżką w klasycznym sensie” – sprzeciwia się Eno Giese. Nie da się dokładnie określić, gdzie w danym momencie znajdowała się cząstka. Utrudnia to stwierdzenie, ile czasu potrzeba na dotarcie z punktu A do B.

Nowe podejście do pomiaru czasu tunelowania

Z kolei Shash Brief kieruje się cytatem Alberta Einsteina: „Czas jest tym, co czytasz na zegarze”. Proponują użycie samej cząstki tunelu jako zegara. Druga niewykorzystana cząstka działa jako odniesienie. Porównując te dwa naturalne zegary, można określić, czy podczas tunelowania kwantowego czas płynie wolniej, szybciej, czy z tą samą prędkością.

Falowa natura cząstek ułatwia takie podejście. Oscylacja fal jest jak oscylacja zegara. W szczególności Schach i Giese proponują użycie atomów jako zegarów. Poziomy energii atomów oscylują z pewnymi częstotliwościami. Po zwróceniu się do A kukurydza Pod wpływem impulsu laserowego ich poziomy początkowo oscylują synchronicznie – uruchamia się zegar atomowy. W tunelu rytm nieznacznie się zmienia. Drugi impuls laserowy powoduje nałożenie się dwóch wewnętrznych fal atomu. Wykrycie interferencji pozwala zmierzyć odległość od siebie fal o dwóch poziomach energii, co z kolei pozwala na dokładny pomiar czasu, jaki upłynął.

Jeśli chodzi o drugi atom, który nie jest tunelowany, służy on jako odniesienie do pomiaru różnicy czasu pomiędzy kopaniem i niekopaniem tuneli. Obliczenia fizyków sugerują, że cząstka tunelowa pojawi się nieco później. „Zegar wykopany w tunelu jest nieco starszy od drugiego” – mówi Patrick Schach. Wydaje się to zaprzeczać eksperymentom, które przypisywały prędkość światła tunelowaniu.

Wyzwanie wdrożenia eksperymentu

W zasadzie test można by przeprowadzić przy użyciu obecnej technologii, mówi Schach, ale stanowi to ogromne wyzwanie dla eksperymentów. Dzieje się tak dlatego, że różnica czasu, którą należy zmierzyć, wynosi tylko około 10^-26 Sekundy – bardzo krótki czas. Fizyk wyjaśnia, że ​​zamiast pojedynczych atomów pomocne jest wykorzystanie chmur atomów jako zegarów. Możliwe jest również wzmocnienie efektu, na przykład poprzez sztuczne zwiększanie częstotliwości zegara.

„Obecnie omawiamy ten pomysł z naszymi kolegami zajmującymi się eksperymentami i jesteśmy w kontakcie z partnerami projektu” – dodaje Gizzi. Jest bardzo prawdopodobne, że zespół wkrótce podejmie decyzję o przeprowadzeniu tego ekscytującego eksperymentu.

Odniesienie: „Ujednolicona teoria czasów tunelowych promowana przez zegary Ramseya”, Patrick Schach i Eno Giese, 19 kwietnia 2024 r., Postęp nauki.
doi: 10.1126/sciadv.adl6078