„Тунелният ефект“: могат ли квантовите частици да се движат със свръхсветлинна скорост?
В странното квантовомеханично събитие, известно като „ тунелиране “ (или тунелен ефект), частиците видимо могат да пътуват по-бързо от светлината – факт, който опонира на теорията на относителността на Айнщайн. В ново проучване обаче учените настояват, че предходните измервания на явлението са неточни и че, в противен случай, не съществува такова нещо като свръхсветлинна скорост или „ незабавно тунелиране “.
Квантовото тунелиране е събитие, при което парченце може да премине през енергийна преграда, която не може да преодолее при естествени условия, според законите на класическата физика. Класическата физика се подчинява на строги закони.
Квантовата механика, въпреки това, не е толкоз строга. Дори в случай че силата на частицата е по-малка от минималната сила, нужна за превъзмогване на бариерата, тя може да премине през нея, като че ли се плъзга през тунел, откъдето идва и наименованието „ тунелен резултат “. Описан за първи път през 1928 година, този резултат изяснява доста мистериозни до тогава феномени, като да вземем за пример радиоактивното раздробяване и по какъв начин водородните ядра в Слънцето са в положение да преодолеят взаимното отбиване и да се слеят, с цел да произведат сила. Флаш паметта работи на същия принцип.
Въпреки това скоростта, с която частиците минават през квантовите тунели, е предмет на полемика. Изследователите допускат, че бариерите работят като директни пътища за квантовите частици. Когато частиците „ тунелират “ през тях, придвижването им лишава по-малко време, в сравнение с в случай че бариерите отсъстваха, което наподобява спорно. Освен това наподобява, че дебелината на бариерите не усилва времето, което е належащо на частиците да преминат през тях. С други думи, частиците „ тунелират “ по-бързо от светлината, изминаваща същото разстояние в празното пространство.
Въпреки това относителността на Айнщайн не разрешава каквото и да е пътешестване по-бързо от светлината. Това докара до слагането под въпрос на редица фундаментални аспекти на физиката, в това число и на самото определение за време. От друга страна, откриватели от Техническия университет в Дармщат, Германия, допускат, че времето на квантовото тунелиране може да не е било вярно измерено при предходни опити. В новото си проучване, оповестено неотдавна в списание Science Advances, те оферират нов протокол за премерване, който съгласно тях дава отговор по-добре на естеството на тунелирането.
Предишните опити, учредени на корпускулярно-вълновия дуализъм
Предишните измервания на времето на тунелиране нормално се основаваха на корпускулярно-вълновия дуализъм – събитие, при което частиците могат да се държат по едно и също време като талази и частици. В частност тунелният резултат наблягаше вълновата природа на частиците, които се движат към бариерата сходно на водна вълна, като последователно се трансформират във вълнови пакет (свойство, което разрешава на една солидна парченце да показва няколко комбинирани честоти и дължини на вълната).
Ако вълновият пакет се сблъска с енергийна преграда, част от него се отразява, а друга част минава през нея. Височината на вълната (или вълните) демонстрира вероятността частицата да се материализира в избрана точка на бариерата след тунелиране. За да дефинират точката, в която частицата се материализира, откривателите употребяват най-голямата височина, достигната от вълновия пакет.
Въпреки това „ частицата не следва траекторията в класическия смисъл на думата “, изяснява в известие за пресата съавторът на новото проучване Ено Гизе от Техническия университет в Дармщат. В резултат на това „ е невероятно да се каже къде тъкмо се намира частицата във всеки един миг. Следователно е мъчно да се каже какъв брой време й е належащо, с цел да стигне от точка А до точка Б “, отбелязва той.
Подходът, основан на модела на времето на Айнщайн
Новият протокол на Гизе и сътрудниците му има за цел да преодолее това затруднение, като се основава на времевия модел на Айнщайн, съгласно който времето се дефинира просто като време, измерено от часовник. В тази идея те оферират да се употребява тунелираща парченце като часовник, до момента в който друга, нетунелираща парченце служи като пример. Чрез сравняване на показанията на двата часовника може да се дефинира какъв брой бързо минава времето по време на тунелирането.
Диаграма, обобщаваща пробния метод на проучването Този метод също се основава частично на вълновата природа на частиците. По-конкретно, техните вибрации като талази ще бъдат сравними с трептенията, присъщи за един часовник. Енергийните равнища на атомите (използвани като часовници) ще се двоумят с избрани честоти. Когато са изложени на лазерен лъч, тези равнища ще се двоумят синхронно, което ще накара атомните часовници да проработят.
Ефектът на тунелиране обаче леко нарушава тази синхронизация и тя може да бъде поправена посредством втори лазерен подтик, който провокира интерференция сред двете вътрешни талази на атома. Откриването на тази интерференция дава опция за тъкмо установяване на времето, минало по време на тунелирането.
Като се приложи този развой към втори атом, който не тунелира, е допустимо, споделят откривателите, да се мери разликата сред времето на тунелиране и времето без тунелиране. Изненадващо, изчисленията на специалистите демонстрират, че тунелираната парченце е малко по-бавна от нетунелираната, което опонира на предходните опити, приписващи ѝ скорост, по-голяма от скоростта на светлината.
При провеждането на сходен опит обаче съществуват съществени компликации. Забавянето на времето, което би трябвало да се мери, е от порядъка на 10-26 секунди, което е извънредно малко, даже и при сегашните техники за премерване. За да се преодолеят тези компликации, специалистите оферират да се употребяват като часовници облаци от атоми, а не обособени атоми. Възможно е също по този начин да се ускори резултатът на закъснението посредством ръчно увеличение честотата на часовника, което би улеснило измерванията.
