Breaking the Speed ​​of Light: The Quantum Tunnel Mystery

Σε ένα εκπληκτικό φαινόμενο της κβαντικής φυσικής γνωστό ως τούνελ, τα σωματίδια φαίνεται να κινούνται ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός. Ωστόσο, οι φυσικοί από το Ντάρμσταντ πιστεύουν ότι ο χρόνος που αφιερώνουν τα σωματίδια στη σήραγγα δεν έχει μετρηθεί σωστά μέχρι τώρα. Προτείνουν έναν νέο τρόπο να σταματήσει η ταχύτητα των κβαντικών σωματιδίων.

Στην κλασική φυσική υπάρχουν αυστηροί νόμοι που δεν μπορούν να παρακαμφθούν. Για παράδειγμα, εάν μια κυλιόμενη μπάλα δεν έχει επαρκή ενέργεια, δεν θα μπορεί να περάσει πάνω από το λόφο. Αντίθετα, θα πέσει πριν φτάσει στην κορυφή. Στην κβαντική φυσική, αυτή η αρχή δεν είναι εντελώς αυστηρή. Εδώ, ένα σωματίδιο μπορεί να διασχίσει ένα φράγμα, ακόμα κι αν δεν έχει αρκετή ενέργεια για να το ξεπεράσει. Συμπεριφέρεται σαν να γλιστράει μέσα από μια σήραγγα, γι’ αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό και ως «κβαντική σήραγγα». Αυτό το φαινόμενο δεν είναι απλώς μια θεωρητική μαγεία, αλλά έχει πρακτικές εφαρμογές, όπως στη λειτουργία μονάδων μνήμης flash.

Κβαντική σήραγγα και σχετικότητα

Στο παρελθόν, πειράματα με σωματίδια ταχύτερα από το φως έχουν τραβήξει την προσοχή. Εξάλλου, η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν απαγορεύει ταχύτητες μεγαλύτερες από το φως. Επομένως, το ερώτημα είναι εάν ο χρόνος που απαιτείται για τη διάνοιξη σήραγγας έχει γίνει σωστά «παύση» σε αυτά τα πειράματα. Οι φυσικοί Patrick Schach και Eno Giese από το Πανεπιστήμιο του Darmstadt ακολουθούν μια νέα προσέγγιση για τον προσδιορισμό του «χρόνου» ενός σωματιδίου σήραγγας. Τώρα έχουν προτείνει έναν νέο τρόπο μέτρησης αυτής της φοράς. Στο πείραμά τους, το μέτρησαν με τρόπο που πιστεύουν ότι είναι πιο κατάλληλος για την κβαντική φύση της διάνοιξης σήραγγας. Δημοσίευσαν το σχέδιο του πειράματός τους στο διάσημο περιοδικό Η πρόοδος της επιστήμης.

Δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου και κβαντική σήραγγα

Σύμφωνα με την κβαντική φυσική, μικρά σωματίδια όπως άτομα ή σωματίδια φωτός έχουν διπλή φύση.

Ανάλογα με το πείραμα, συμπεριφέρονται σαν σωματίδια ή σαν κύματα. Η κβαντική σήραγγα υπογραμμίζει την κυματική φύση των σωματιδίων. Ένα «πακέτο κυμάτων» κυλά προς το φράγμα, παρόμοιο με τη ροή του νερού. Το ύψος κύματος υποδεικνύει την πιθανότητα ενός σωματιδίου να υλοποιηθεί σε αυτή τη θέση εάν μετρηθεί η θέση του. Εάν ένα πακέτο κυμάτων χτυπήσει ένα ενεργειακό φράγμα, μέρος του ανακλάται. Ωστόσο, ένα μικρό μέρος διεισδύει στο φράγμα και υπάρχει μια μικρή πιθανότητα το σωματίδιο να εμφανιστεί στην άλλη πλευρά του φραγμού.

Επαναξιολόγηση της ταχύτητας της σήραγγας

Προηγούμενα πειράματα παρατήρησαν ότι ένα σωματίδιο φωτός ταξίδεψε μεγαλύτερη απόσταση μετά τη διάνοιξη σήραγγας από ένα σωματίδιο που είχε ελεύθερη διαδρομή. Επομένως, θα είχε ταξιδέψει πιο γρήγορα από το φως. Ωστόσο, οι ερευνητές έπρεπε να προσδιορίσουν τη θέση του σωματιδίου αφού περάσει. Επέλεξαν το υψηλότερο σημείο στο κυματικό πακέτο.

«Αλλά το σωματίδιο δεν ακολουθεί ένα μονοπάτι με την κλασική έννοια», αντιτίθεται ο Eno Giese. Είναι αδύνατο να προσδιοριστεί ακριβώς πού ήταν ένα σωματίδιο σε μια δεδομένη στιγμή. Αυτό καθιστά δύσκολο να γίνουν δηλώσεις σχετικά με τον χρόνο που απαιτείται για να φτάσετε από το Α στο Β.

Μια νέα προσέγγιση για τη μέτρηση του χρόνου διάνοιξης σήραγγας

Από την άλλη πλευρά, το Shash Brief καθοδηγείται από ένα απόσπασμα του Άλμπερτ Αϊνστάιν: «Ο χρόνος είναι αυτό που διαβάζεις στο ρολόι». Προτείνουν τη χρήση του ίδιου του σωματιδίου της σήραγγας ως ρολόι. Το δεύτερο αδιάθετο σωματίδιο λειτουργεί ως αναφορά. Συγκρίνοντας αυτά τα δύο φυσικά ρολόγια, είναι δυνατό να προσδιοριστεί εάν ο χρόνος περνά πιο αργά, πιο γρήγορα ή με την ίδια ταχύτητα κατά τη διάρκεια της κβαντικής σήραγγας.

Η κυματική φύση των σωματιδίων διευκολύνει αυτήν την προσέγγιση. Η ταλάντωση των κυμάτων είναι σαν την ταλάντωση ενός ρολογιού. Συγκεκριμένα, οι Schach και Giese προτείνουν τη χρήση ατόμων ως ρολόγια. Τα επίπεδα ενέργειας των ατόμων ταλαντώνονται σε ορισμένες συχνότητες. Αφού απευθύνθηκε στον Α καλαμπόκι Με έναν παλμό λέιζερ, τα επίπεδά τους αρχικά ταλαντώνονται συγχρονισμένα – ξεκινά το ατομικό ρολόι. Κατά τη διάρκεια του τούνελ, ο ρυθμός αλλάζει ελαφρώς. Ένας δεύτερος παλμός λέιζερ προκαλεί την επικάλυψη των δύο εσωτερικών κυμάτων του ατόμου. Η ανίχνευση παρεμβολής καθιστά δυνατή τη μέτρηση της απόστασης δύο κυμάτων ενεργειακής στάθμης, κάτι που με τη σειρά του είναι ένα ακριβές μέτρο του χρόνου που έχει παρέλθει.

Όσον αφορά το δεύτερο άτομο, το οποίο δεν έχει σήραγγα, χρησιμεύει ως σημείο αναφοράς για τη μέτρηση της χρονικής διαφοράς μεταξύ των σηράγγων εκσκαφής και της μη διάνοιξης σηράγγων. Οι υπολογισμοί των φυσικών δείχνουν ότι το σωματίδιο της σήραγγας θα εμφανιστεί λίγο αργότερα. «Το ρολόι που σκάφτηκε μέσα από τη σήραγγα είναι λίγο παλιότερο από το άλλο ρολόι», λέει ο Patrick Schach. Αυτό φαίνεται να έρχεται σε αντίθεση με πειράματα που απέδιδαν την υπερταχύτητα του φωτός στη διάνοιξη σήραγγας.

Η πρόκληση της υλοποίησης του πειράματος

Κατ ‘αρχήν, η δοκιμή θα μπορούσε να γίνει χρησιμοποιώντας την τρέχουσα τεχνολογία, λέει ο Schach, αλλά παρουσιάζει μια τεράστια πρόκληση για πειράματα. Αυτό συμβαίνει επειδή η χρονική διαφορά που πρέπει να μετρηθεί είναι μόνο περίπου 10^-26 Δευτερόλεπτα – πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Ο φυσικός εξηγεί ότι βοηθά να χρησιμοποιούνται σύννεφα ατόμων ως ρολόγια αντί για μεμονωμένα άτομα. Είναι επίσης δυνατό να ενισχυθεί το εφέ, για παράδειγμα αυξάνοντας τεχνητά τις συχνότητες ρολογιού.

«Αυτή τη στιγμή συζητάμε αυτήν την ιδέα με τους πειραματικούς συναδέλφους μας και είμαστε σε επαφή με τους εταίρους του έργου μας», προσθέτει ο Gizzi. Είναι πολύ πιθανό η ομάδα να αποφασίσει σύντομα να πραγματοποιήσει αυτό το συναρπαστικό πείραμα.

Αναφορά: «Ενοποιημένη θεωρία των χρόνων της σήραγγας που προωθείται από τα ρολόγια Ramsay» από τους Patrick Schach και Eno Giese, 19 Απριλίου 2024, Η πρόοδος της επιστήμης.
doi: 10.1126/sciadv.adl6078