Încălcarea vitezei luminii: misterul tunelului cuantic

Într-un fenomen uimitor al fizicii cuantice cunoscut sub numele de tunel, particulele par să se miște mai repede decât viteza luminii. Cu toate acestea, fizicienii de la Darmstadt cred că timpul petrecut de particule în tunel a fost măsurat incorect până acum. Ei propun o nouă modalitate de a opri viteza particulelor cuantice.

În fizica clasică, există reguli stricte care nu pot fi ocolite. De exemplu, dacă o minge care rulează nu are suficientă energie, nu va trece peste deal, ci se va întoarce înainte de a ajunge în vârf și va inversa direcția. În fizica cuantică, acest principiu nu este în întregime strict: o particulă poate traversa o barieră, chiar dacă nu are suficientă energie pentru a trece prin ea. Se comportă ca și cum ar aluneca printr-un tunel, motiv pentru care acest fenomen este cunoscut și sub denumirea de „tunnel cuantic”. Ceea ce pare magic are aplicații tehnice concrete, de exemplu în unitățile de memorie flash.

Tunnel cuantic și relativitate

În trecut, experimentele cu particule mai rapide decât lumina au atras atenția. La urma urmei, teoria relativității a lui Einstein interzice viteze mai mari decât lumina. Prin urmare, întrebarea este dacă timpul necesar pentru tunel a fost „întrerupt” în mod corespunzător în aceste experimente. Fizicienii Patrick Schach și Eno Giese de la Universitatea din Darmstadt urmează o nouă abordare pentru a determina „timpul” unei particule de tunel. Ei au propus acum o nouă modalitate de a măsura această dată. În experimentul lor, ei l-au măsurat într-un mod care cred că este mai potrivit pentru natura cuantică a tunelului. Ei și-au publicat designul experimentului în celebra revistă Avansarea științei.

Dualitate undă-particulă și tunel cuantic

Conform fizicii cuantice, particulele mici, cum ar fi atomii sau particulele de lumină, au o natură duală.

În funcție de experiment, ele se comportă ca niște particule sau ca niște unde. Tunnelul cuantic evidențiază natura ondulatorie a particulelor. Un „pachet de valuri” se rostogolește spre barieră, similar cu curgerea apei. Înălțimea undei indică probabilitatea ca o particule să se materializeze în acea locație dacă poziția ei ar fi măsurată. Dacă un pachet de undă lovește o barieră energetică, o parte din acesta este reflectată. Cu toate acestea, o mică porțiune pătrunde în barieră și există o mică posibilitate ca particula să apară pe cealaltă parte a barierei.

Reevaluarea vitezei tunelului

Experimentele anterioare au observat că o particulă ușoară a parcurs o distanță mai mare după tunel decât o particulă care avea o cale liberă. Prin urmare, ar fi călătorit mai repede decât lumina. Cu toate acestea, cercetătorii au trebuit să determine locația particulei după ce aceasta a trecut. Au ales cel mai înalt punct din pachetul de val.

„Dar particula nu urmează o cale în sensul clasic”, obiectează Eno Giese. Este imposibil să se determine exact unde se afla o particulă la un moment dat. Acest lucru face dificil să se facă declarații despre timpul necesar pentru a ajunge de la A la B.

O nouă abordare pentru măsurarea timpului de tunel

Pe de altă parte, Shash Brief este ghidat de un citat din Albert Einstein: „Timpul este ceea ce citești pe ceas”. Ei propun folosirea particulei tunelului ca un ceas. A doua particulă necheltuită acționează ca referință. Prin compararea acestor două ceasuri naturale, este posibil să se determine dacă timpul trece mai lent, mai repede sau cu aceeași viteză în timpul tunelului cuantic.

Natura ondulatorie a particulelor facilitează această abordare. Oscilația undelor este ca oscilația unui ceas. Mai exact, Schach și Giese propun utilizarea atomilor ca ceasuri. Nivelurile de energie ale atomilor oscileaza la anumite frecvente. După adresarea lui A porumb Cu un impuls laser, nivelurile lor inițial oscilează sincron – pornește ceasul atomic. În timpul tunelului, ritmul se schimbă ușor. Un al doilea impuls laser face ca cele două unde interne ale atomului să se suprapună. Detectarea interferențelor face posibilă măsurarea distanței între două unde de nivel de energie, care, la rândul său, reprezintă o măsurare precisă a timpului scurs.

În ceea ce privește cel de-al doilea atom, care nu este tunelat, acesta servește ca referință pentru măsurarea diferenței de timp dintre tunelurile săpate și nu tunelurile săpate. Calculele fizicienilor indică faptul că particulele din tunel vor apărea puțin mai târziu. „Ceasul care a fost săpat prin tunel este puțin mai vechi decât celălalt ceas”, spune Patrick Schach. Acest lucru pare să contrazică experimentele care au atribuit supraviteza luminii tunelului.

Provocarea implementării experimentului

În principiu, testul ar putea fi făcut folosind tehnologia actuală, spune Schach, dar prezintă o provocare uriașă pentru experimente. Acest lucru se datorează faptului că diferența de timp care trebuie măsurată este de numai aproximativ 10^-26 Secunde – un timp foarte scurt. Fizicianul explică că ajută la folosirea norilor de atomi ca ceasuri în loc de atomi individuali. De asemenea, este posibil să se amplifice efectul, de exemplu prin creșterea artificială a frecvențelor ceasului.

„Discutăm în prezent această idee cu colegii noștri experimentali și suntem în contact cu partenerii noștri de proiect”, adaugă Gizzi. Este foarte probabil ca echipa să decidă în curând să efectueze acest experiment interesant.

Referință: „Teoria unificată a timpului tunelului promovată de ceasurile Ramsay” de Patrick Schach și Eno Giese, 19 aprilie 2024, Avansarea științei.
doi: 10.1126/sciadv.adl6078