В удивителен феномен на квантовата физика, известен като тунелиране, изглежда, че частиците се движат по-бързо от скоростта на светлината. Физиците от Техническия университет в Дармщат обаче смятат, че времето, необходимо на частиците за тунелиране, досега е измервано неправилно. Те предлагат нов метод за ограничаване на скоростта на квантовите частици.
В класическата физика има строги закони, които не могат да бъдат заобиколени. Например, ако на търкаляща се топка й липсва достатъчно енергия, тя няма да прескочи хълм; вместо това ще се върне надолу, преди да достигне върха. В квантовата физика този принцип не е толкова строг. Тук една частица може да премине бариера, дори и да няма достатъчно енергия, за да я преодолее. Той действа така, сякаш се плъзга през тунел, поради което феноменът е известен също като "квантов тунел". Далеч от обикновената теоретична магия, този феномен има практически приложения, като например при работата на устройства с флаш памет.
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.
Квантово тунелиране и теория на относителността
В миналото привлякоха вниманието експерименти, при които частиците минават през квантов тунел (тунелират) по-бързо от светлината. Но теорията на относителността на Айнщайн забранява скорости по-бързи от светлината. Следователно въпросът е дали времето, необходимо за тунелиране, е измерено правилно в тези експерименти. Физиците Патрик Шах (Patrik Schach) и Ено Гизе (Enno Giese) от Техническия университет в Дармщат следват нов подход за определяне на "времето" за тунелиращата частица. Сега те предлагат нов метод за измерване на това време. В своя експеримент те го измерват по начин, който според тях е по-подходящ за квантовата природа на тунелирането. Изследователите са публикували дизайна на своя експеримент в авторитетното списание Science Advances.
В доклад, публикуван през 2006 г. от проф. Альфонс Сталфохен (Alfons Stahlhofen) и Гюнтер Нимитц, е описан експеримент, при който се изпраща лъч микровълни към двойка призми. Ъгълът е избран с условието за пълно вътрешно отражение и създаване на затихващи вълни. Тъй като втората призма е близо до първата призма, някаква част от светлината преминава през фугата между двете призми. Предаваните и отразените вълни пристигали в детектора по едно и също време, въпреки че преминаващата светлина изминава различно разстояние. Нимитц отбелязва, че за тунелиране, за преминаване на преградата, е измереното време нула.Този резултат се наблюдава при няколко тунелни бариери и зав различни области, нулевото време за тунелиране е изчислено вече от различни теоретици и не подлежи на съмнение.
Двойственост вълна-частица и квантово тунелиране
Според квантовата физика малките частици като атоми или леки частици 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, сравним с прилив на вода. Височината на вълната показва вероятността, с която частицата ще се материализира на това място, ако нейната позиция бъде измерена. Ако вълновият 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.
 Илюстрация: wikimedia |
Когато един електрон прави преход от една към друга падина, той всъщност се "просмуква", минава под енергийната бариера. В този смисъл той тунелира през бариерата и този процес се нарича квантово механично тунелиране или тунелен ефект. Отражение и "тунелиране" на сноп електрони, насочен към потенциална бариера. Вълновият пакет се движи от дясно на ляво и се отразява от огледало. Обърнете внимание на интерференцията между падащите и отразените вълни. Бледото петно вдясно от бариерата са електрони, преминали през бариерата. Това промъкне като "през тунел" на тази малка част от вълновия пакет, е невъзможно за класическите системи. |
Преоценка на скоростта на тунелиране
Предишните експерименти наблюдават, че леката частица е изминала по-голямо разстояние след тунелиране от тази, която е имала свободен път. Следователно щеше да пътува по-бързо от светлината. Изследователите обаче трябва да определят местоположението на частицата след нейното преминаване. И те избират най-високата точка на неговия вълнов пакет.
"Но частицата не следва път в класическия смисъл", възразява Ено Гизе. Невъзможно е да се каже точно къде се намира частицата в определен момент. Това затруднява да се правят изявления относно времето, необходимо за достигане от А до Б.
Нов подход за измерване на времето за тунелиране
Шах и Гизе, от друга страна, се ръководят от цитат на Алберт Айнщайн: "Времето е това, което отчитате на часовника". Те предлагат да се използва самата тунелна частица като часовник. Втора частица, която не тунелира, служи като еталон. Чрез сравняване на тези два естествени часовника е възможно да се определи дали времето тече по-бавно, по-бързо или еднакво бързо по време на квантовото тунелиране.
Вълновата природа на частиците улеснява този подход. Колебанието на вълните е подобно на колебанието на часовник. По-конкретно, Шах и Гизе предлагат използването на атоми като часовници. Енергийните нива на атомите осцилират при определени честоти. След адресиране на атом с лазерен импулс, неговите нива първоначално осцилират синхронизирано – стартира се атомният часовник. По време на тунелиране обаче ритъмът леко се измества. Вторият лазерен импулс причинява намеса на двете вътрешни вълни на атома. Откриването на смущението дава възможност да се измери колко далеч са една от друга двете вълни на енергийните нива, което от своя страна е точна мярка за изминалото време.
Втори атом, който не тунелира, служи като еталон за измерване на времевата разлика между тунелиране и нетунелиране. Изчисленията на двамата физици предполагат, че тунелната частица ще покаже малко забавено време.
"Часовникът, който е тунелиран, е малко по-стар от другия", отбелязва Патрик Шах. Това изглежда противоречи на експериментите, които приписват свръхсветлинна скорост на тунелирането.
Предизвикателството на прилагането на експеримента
По принцип тестът може да се проведе с днешната технология, смята Шах, но това е голямо предизвикателство за експериментаторите. Това е така, защото времевата разлика, която трябва да се измери, е само около 10 -26 секунди – изключително кратко време. Помага да се използват облаци от атоми като часовници вместо отделни атоми, обяснява физикът. Също така е възможно да се усили ефектът, например чрез изкуствено увеличаване на тактовите честоти.
"В момента обсъждаме тази идея с експериментални колеги и сме в контакт с нашите партньори по проекта", добавя Гизе. Напълно възможно е скоро някой екип да реши да проведе този вълнуващ експеримент.
Справка: “A unified theory of tunneling times promoted by Ramsey clocks” by Patrik Schach and Enno Giese, 19 April 2024, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.adl6078
Източник: Breaking Light Speed: The Quantum Tunneling Enigma, TU Darmstadt
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари