Нарушаване на скоростта на светлината: Мистерията на квантовия тунел

В удивителен феномен на квантовата физика, известен като тунелиране, изглежда, че частиците се движат по-бързо от скоростта на светлината. Физиците от Дармщат обаче смятат, че времето, прекарано от частиците в тунела, досега е било измервано неправилно. Те предлагат нов начин за спиране на скоростта на квантовите частици.

В класическата физика има строги закони, които не могат да бъдат заобиколени. Например, ако една търкаляща се топка няма достатъчно енергия, тя няма да може да премине над хълма; Вместо това ще се понижи, преди да достигне върха. В квантовата физика този принцип не е съвсем строг. Тук една частица може да премине бариера, дори ако няма достатъчно енергия, за да я пресече. Държи се така, сякаш се плъзга през тунел, поради което това явление е известно още като „квантово тунелиране“. Далеч от това да е само теоретична магия, този феномен има практически приложения, като например при работата на устройства с флаш памет.

Квантово тунелиране и теория на относителността

В миналото експериментите с частици, по-бързи от светлината, привлякоха известно внимание. В крайна сметка теорията на относителността на Айнщайн забранява скоростите, по-високи от светлината. Следователно въпросът е дали времето, необходимо за тунелиране, е било правилно „спряно“ в тези експерименти. Физиците Patrick Schach и Eno Giese от университета в Дармщат следват нов подход за определяне на „времето“ на тунелна частица. Сега те предложиха нов начин за измерване на това време. В своя експеримент те го измерват по начин, който според тях е по-подходящ за квантовата природа на тунелирането. Те публикуваха дизайна на своя експеримент в известното списание Напредък на науката.

Двойственост вълна-частица и квантово тунелиране

Според квантовата физика малките частици като атоми или частици светлина имат двойна природа.

В зависимост от експеримента те се държат като частици или като вълни. Квантовото тунелиране подчертава вълновата природа на частиците. „Вълнов пакет“ се търкаля към бариерата, подобно на водния поток. Височината на вълната показва вероятността частица да се материализира на това място, ако нейната позиция бъде измерена. Ако вълнов пакет удари енергийна бариера, част от него се отразява. Въпреки това, малка част прониква през бариерата и има малка вероятност частицата да се появи от другата страна на бариерата.

Повторна оценка на скоростта на тунела

Предишни експерименти наблюдаваха, че светлинна частица изминава по-голямо разстояние след тунелиране, отколкото частица, която има свободен път. Следователно той би пътувал по-бързо от светлината. Изследователите обаче трябваше да определят местоположението на частицата, след като тя премина. Те избраха най-високата точка в вълновия пакет.

„Но частицата не следва път в класическия смисъл“, възразява Ино Гизе. Невъзможно е да се определи точно къде е била дадена частица в даден момент. Това затруднява изказването на времето, необходимо за достигане от А до Б.

Нов подход за измерване на времето за тунелиране

От друга страна, Shash Brief се ръководи от цитат на Алберт Айнщайн: „Времето е това, което четете на часовника“. Те предлагат да се използва самата тунелна частица като часовник. Втората неизразходвана частица действа като референция. Чрез сравняване на тези два естествени часовника е възможно да се определи дали времето тече по-бавно, по-бързо или със същата скорост по време на квантовото тунелиране.

Вълновата природа на частиците улеснява този подход. Трептенето на вълните е като трептенето на часовник. По-конкретно, Schach и Giese предлагат използването на атоми като часовници. Енергийните нива на атомите осцилират при определени честоти. След обръщение към А царевица С лазерен импулс техните нива първоначално осцилират синхронно – стартира атомният часовник. По време на тунела ритъмът леко се променя. Втори лазерен импулс кара двете вътрешни вълни на атома да се припокриват. Откриването на смущения дава възможност да се измери колко далеч са две вълни на енергийно ниво, което от своя страна е точно измерване на изминалото време.

Що се отнася до втория атом, който не е тунелиран, той служи като еталон за измерване на разликата във времето между копаене на тунели и некопаене на тунели. Изчисленията на физиците предполагат, че тунелната частица ще се появи малко по-късно. „Часовникът, който беше изкопан през тунела, е малко по-стар от другия часовник“, казва Патрик Шах. Това изглежда противоречи на експерименти, които приписват скоростта на светлината на тунелирането.

Предизвикателството да се реализира експериментът

По принцип тестът може да се извърши с помощта на текущата технология, казва Шах, но представлява огромно предизвикателство за експериментите. Това е така, защото времевата разлика, която трябва да се измери, е само около 10^-26 Секунди – много кратко време. Физикът обяснява, че това помага да се използват облаци от атоми като часовници вместо отделни атоми. Също така е възможно да се усили ефектът, например чрез изкуствено увеличаване на тактовите честоти.

„В момента обсъждаме тази идея с нашите експериментални колеги и сме в контакт с нашите партньори по проекта“, добавя Гизи. Много е вероятно екипът скоро да реши да проведе този вълнуващ експеримент.

Справка: „Обединена теория за времето на тунела, насърчавана от часовниците на Рамзи“ от Патрик Шах и Ино Гизе, 19 април 2024 г., Напредък на науката.
doi: 10.1126/sciadv.adl6078