При квантовото тунелиране частица може да прескочи невъзможна за класическата физика бариера. Изследвайки фотони по време на такъв процес физици откриват нещо още по-странно: че квантовото тунелиране става по-бързо, когато обектите имат по-малко енергия.
Този контраинтуитивен резултат се добавя към дългогодишен дебат за това как да се дефинира времето за тунелиране, за което няма единно описание, и колко бързо протича този процес.
Резултатите също така оспорват интерпретация на квантовата физика, известна като механика на Бом (или теория на пилотните вълни), която предполага, че частиците се ръководят от вълни, посочват авторите, публикували своите открития в Nature на 2 юли.
"Това ми се струва като истинско експериментално постижение, отбелязва Ефраим Щайнберг (Aephraim Steinberg), квантов физик от Университета в Торонто, Канада, цитиран от Nature.
Основната концепция на енергийната бариера може да се покаже с помощта на следната аналогия. Представете си топка, която се търкаля в падина между два хълма. Дори при липса на триене, топката ще се търкаля само напред и назад в падината, но никога няма да премине от другата страна, защото няма достатъчно енергия, за да се изкачи на хълма, разделящ двете падини. Хълмът е енергийната бариера, която предотвратява преминаването от едната падина в другата. Топката е затворена в падината наляво, независимо, че дясната падина съответства на по-ниска енергия.
Тест за тунелиране
В класическата физика, ако частица достигне бариера, която няма енергията да преодолее, тя отскача обратно. Но в квантовата физика има малък, но ненулев шанс частицата да я премине. Това явление, наречено квантово тунелиране, играе ключова роля в процесите от фотосинтезата до радиоактивния разпад, но точната му природа не е добре разбрана.
Изследователите провеждат експеримент, за да изследват скоростта на частиците, докато преминават през енергийна бариера. Те създават вълновод - огледална структура, която ограничава движението на фотоните в една посока. Чрез насочване с лазер към единия край на вълновода, изследователите генерират фотони, които пътуват, докато не срещнат бариера (стъпало в огледалната повърхност), която енергията им не би трябвало да им позволи да преминат.
В този момент фотоните тунелират в "забранената" област вътре в бариерата, като същевременно тунелират странично във втори вълновод, минаващ вътре в бариерата, успоредно на първия. Камера заснема моментни снимки на позициите на частиците с течение на времето. Тъй като изследователите знаят колко лесно фотоните тунелират между вълноводите, те успяват да използват натрупването на фотони във втория вълновод като часовник, спрямо който да преценят колко бързо фотоните проникват през бариерата. Експериментът изглежда е първият по рода си, коментира Щайнберг.
"Изследователите могат да направят "снимка" и да наблюдават показанията на часовника на всички позиции в бариерата."
Изследователите установяват, че фотоните с най-отрицателна кинетична енергия (стойности, които не се пренасят в класическия свят, но са позволени вътре в енергийната бариера) са тунелирали най-бързо, разказва съавторът на изследването Ян Клаерс (Jan Klaers), физик от Университета на Твенте в Нидерландия. Това е нещо, което се предвижда от квантовата механика, но е трудно да се докаже експериментално.
Определението за скорост
Физиците са използвали редица техники и дефиниции, за да се опитат да измерят времето и скоростта на тунелиране. Щайнберг не е готов да подкрепи напълно определението на екипа от Твенте за скорост на тунелиране, но казва, че "това със сигурност е най-естествената и класическа интерпретация".
Констатациите предоставят "поглед върху това какво се случва, докато частица преминава през област, в която изобщо не би трябвало да съществува", коментира Щайнберг. "Следователно експериментът е важна стъпка напред."
Клаерс и неговите съавтори заявяват, че резултатите оспорват механиката на Бом - описание на квантовия свят, което обяснява двойствената вълнова и корпускулярна природа на квантовите обекти. Тази теория гласи, че фотоните имат определени траектории и се ръководят от пилотни вълни, които се разпространяват в пространството и влияят на движението на частиците. (повече "Защо Луи де Бройл, нобелов лауреат по физика, изостави теорията си за пилотните вълни?")
Бариерата в този експеримент е ефективно безкрайна от гледна точка на частицата, а механиката на Бом предсказва, че частица, тунелираща в такава бариера, трябва да е в покой, а не да се движи, посочва Клаерс.
"Тази картина обаче не съвпада с резултатите от нашите измервания, които предполагат, че частиците наистина се движат при такива условия", добавя Клаерс.
Това проучване само по себе си едва ли ще разреши дебата относно валидността на интерпретацията на Бом според други физици в статия в News & Views, придружаваща публикацията. "Техният експеримент се основава на поредица от сложни предположения, които биха могли да бъдат оспорени."
Справка:
-
Sharoglazova, V., Puplauskis, M., Mattschas, C., Toebes, C. & Klaers, J. Nature 643, 67–72 (2025).
-
Ramos, R. et al. Nature 583, 529–532 (2020).
-
Fedrizzi, A. & Biancalana, F. Nature 643, 37–38 (2025).
Източник: ‘Tour de force’ experiment probes quantum tunnelling in action, Nature
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
Прост Човек
Стъклените бутилки съдържат 5 до 50 пъти повече микропластмаси от пластмасовите бутилки
dolivo
Най-старите "човешки" фосили в Япония, се оказаха нечовешки, твърди ново проучване
dolivo
Как „зеленото побутване“ стимулира устойчивите избори на хората
helper68
Натурални суперколайдери: Черните дупки могат да се използват ускорители на частици