Преодоление скорости света: загадка квантового туннеля

В удивительном явлении квантовой физики, известном как туннелирование, частицы движутся быстрее скорости света. Однако физики из Дармштадта считают, что время пребывания частиц в туннеле до сих пор измерялось неправильно. Они предлагают новый способ остановить скорость квантовых частиц.

В классической физике существуют строгие правила, которые нельзя обойти. Например, если катящемуся шару не хватит энергии, он не улетит за холм, а развернется, не дойдя до вершины, и изменит направление. В квантовой физике этот принцип не совсем строг: частица может преодолеть барьер, даже если у нее недостаточно энергии, чтобы пройти через него. Он ведет себя так, как будто скользит по туннелю, поэтому это явление также известно как «квантовое туннелирование». То, что кажется волшебным, имеет конкретные технические применения, например, во флэш-накопителях.

Квантовое туннелирование и теория относительности

В прошлом некоторое внимание привлекали эксперименты с частицами, движущимися быстрее скорости света. В конце концов, теория относительности Эйнштейна запрещает скорости, превышающие скорость света. Поэтому вопрос в том, правильно ли «приостановлено» в этих экспериментах время, необходимое для туннелирования. Физики Патрик Шах и Ино Гизе из Дармштадтского университета используют новый подход к определению «времени» туннелирующей частицы. Теперь они предложили новый способ измерения этого времени. В своем эксперименте они измерили его способом, который, по их мнению, больше соответствует квантовой природе туннелирования. Они опубликовали план своего эксперимента в известном журнале. Развитие науки.

Корпускулярно-волновой дуализм и квантовое туннелирование

Согласно квантовой физике, маленькие частицы, такие как атомы или частицы света, имеют двойственную природу.

В зависимости от эксперимента они ведут себя как частицы или как волны. Квантовое туннелирование подчеркивает волновую природу частиц. «Волновой пакет» катится к преграде, подобно потоку воды. Высота волны указывает на вероятность материализации частицы в этом месте, если бы ее положение было измерено. Если волновой пакет сталкивается с энергетическим барьером, часть его отражается. Однако небольшая часть проникает через барьер, и существует небольшая вероятность того, что частица окажется по другую сторону барьера.

Переоценка скорости туннеля

Предыдущие эксперименты показали, что легкая частица после туннелирования прошла большее расстояние, чем частица, прошедшая свободный путь. Следовательно, он бы путешествовал быстрее света. Однако исследователям пришлось определить местоположение частицы после ее прохождения. Они выбрали самую высокую точку волнового пакета.

«Но частица не следует по пути в классическом смысле этого слова», — возражает Ино Гизе. Невозможно точно определить, где находилась частица в данный момент времени. Это затрудняет заявления о времени, необходимом для того, чтобы добраться из пункта А в пункт Б.

Новый подход к измерению времени туннелирования

С другой стороны, Shash Brief руководствуется цитатой Альберта Эйнштейна: «Время — это то, что вы читаете на часах». Они предлагают использовать саму туннельную частицу в качестве часов. Вторая неизрасходованная частица действует как эталон. Сравнивая эти два естественных часа, можно определить, течет ли время медленнее, быстрее или с одинаковой скоростью во время квантового туннелирования.

Волновая природа частиц облегчает такой подход. Колебание волн похоже на колебание часов. В частности, Шах и Гизе предлагают использовать атомы в качестве часов. Энергетические уровни атомов колеблются на определенных частотах. После обращения к А. кукуруза При лазерном импульсе их уровни изначально колеблются синхронно — запускаются атомные часы. Во время туннеля ритм немного меняется. Второй лазерный импульс заставляет две внутренние волны атома перекрываться. Обнаружение интерференции позволяет измерить расстояние между двумя волнами энергетических уровней, что, в свою очередь, является точным измерением прошедшего времени.

Что касается второго атома, который не туннелирован, то он служит эталоном для измерения разницы во времени между рытьем туннелей и не рытьем туннелей. Расчеты физиков предполагают, что туннельная частица появится несколько позже. «Часы, которые были вырыты в туннеле, немного старше остальных», — говорит Патрик Шах. Кажется, это противоречит экспериментам, которые объясняли скорость света туннелированием.

Проблема реализации эксперимента

В принципе, тест можно провести с использованием современных технологий, говорит Шах, но это представляет собой огромную проблему для экспериментов. Это связано с тем, что измеряемая разница во времени составляет всего около 10^-26 Секунды – очень короткое время. Физик объясняет, что это помогает использовать в качестве часов облака атомов вместо отдельных атомов. Также можно усилить эффект, например, искусственно увеличив тактовые частоты.

«В настоящее время мы обсуждаем эту идею с нашими коллегами-экспериментаторами и поддерживаем контакт с нашими партнерами по проекту», — добавляет Гиззи. Весьма вероятно, что вскоре команда решит провести этот захватывающий эксперимент.

Ссылка: «Единая теория туннельного времени, продвигаемая часами Рамсея», Патрик Шах и Ино Гизе, 19 апреля 2024 г., Развитие науки.
doi: 10.1126/sciadv.adl6078