Nuostabiame kvantinės fizikos reiškinyje, vadinamame tuneliu, dalelės juda greičiau nei šviesos greitis. Tačiau Darmštato fizikai mano, kad laikas, kurį dalelės praleidžia tunelyje, iki šiol buvo matuojamas neteisingai. Jie siūlo naują būdą sustabdyti kvantinių dalelių greitį.

Klasikinėje fizikoje yra griežtų dėsnių, kurių negalima apeiti. Pavyzdžiui, jei riedantis kamuoliukas neturi pakankamai energijos, jis negalės pervažiuoti kalno; Vietoj to, jis nusileis prieš pasiekdamas piką. Kvantinėje fizikoje šis principas nėra visiškai griežtas. Čia dalelė gali kirsti barjerą, net jei neturi pakankamai energijos, kad ją peržengtų. Jis elgiasi taip, tarsi slystų tuneliu, todėl šis reiškinys taip pat žinomas kaip „kvantinis tunelis“. Toli gražu nėra tik teorinė magija, šis reiškinys turi praktinių pritaikymų, pavyzdžiui, naudojant „flash“ atminties įrenginius.

Kvantinis tunelis ir reliatyvumas

Anksčiau eksperimentai su greitesnėmis už šviesą dalelėmis patraukdavo tam tikrą dėmesį. Juk Einšteino reliatyvumo teorija draudžia greitį, didesnį už šviesą. Todėl kyla klausimas, ar šiuose eksperimentuose laikas, reikalingas tuneliui, buvo tinkamai „pristabdytas“. Fizikai Patrickas Schachas ir Eno Giese iš Darmštato universiteto laikosi naujo požiūrio nustatydami tunelinės dalelės „laiką“. Dabar jie pasiūlė naują šio laiko matavimo būdą. Savo eksperimente jie išmatavo taip, kad, jų manymu, labiau tinka kvantiniam tuneliavimo pobūdžiui. Savo eksperimento dizainą jie paskelbė garsiame žurnale Mokslo pažanga.

Bangų ir dalelių dvilypumas ir kvantinis tunelis

Pagal kvantinę fiziką mažos dalelės, tokios kaip atomai ar šviesos dalelės, turi dvejopą prigimtį.

Priklausomai nuo eksperimento, jie elgiasi kaip dalelės arba kaip bangos. Kvantinis tunelis išryškina dalelių banginį pobūdį. „Bangų paketas“ rieda link barjero, panašus į vandens srautą. Bangos aukštis rodo dalelės materializavimosi toje vietoje tikimybę, jei būtų išmatuota jos padėtis. Jei bangos paketas patenka į energijos barjerą, dalis jo atsispindi. Tačiau nedidelė dalis prasiskverbia pro barjerą ir yra nedidelė tikimybė, kad dalelė atsiras kitoje barjero pusėje.

Pakartotinis tunelio greičio įvertinimas

Ankstesni eksperimentai pastebėjo, kad šviesos dalelė po tuneliavimo nukeliaudavo didesnį atstumą nei dalelė, turinti laisvą kelią. Todėl jis būtų keliavęs greičiau nei šviesa. Tačiau mokslininkai turėjo nustatyti dalelės vietą jai praėjus. Jie pasirinko aukščiausią bangos paketo tašką.

„Tačiau dalelė neseka keliu klasikine prasme“, – teigia Eno Giese. Neįmanoma tiksliai nustatyti, kur tam tikru metu buvo dalelė. Dėl to sunku pateikti teiginius apie laiką, reikalingą patekti iš A į B.

Naujas metodas matuojant tuneliavimo laiką

Kita vertus, Shash Brief vadovaujasi Alberto Einšteino citata: „Laikas yra tai, ką skaitai laikrodyje“. Jie siūlo naudoti pačią tunelio dalelę kaip laikrodį. Antroji nepanaudota dalelė veikia kaip nuoroda. Palyginus šiuos du natūralius laikrodžius, galima nustatyti, ar kvantinio tuneliavimo metu laikas teka lėčiau, greičiau ar tuo pačiu greičiu.

Dalelių banginė prigimtis palengvina šį požiūrį. Bangų svyravimas yra kaip laikrodžio svyravimas. Konkrečiai, Schach ir Giese siūlo naudoti atomus kaip laikrodžius. Atomų energijos lygiai svyruoja tam tikrais dažniais. Po kreipimosi į A kukurūzai Lazerio impulsu jų lygiai iš pradžių svyruoja sinchroniškai – įsijungia atominis laikrodis. Tunelio metu ritmas šiek tiek pasikeičia. Antrasis lazerio impulsas sukelia dviejų vidinių atomo bangų persidengimą. Trikdžių aptikimas leidžia išmatuoti, kaip toli vienas nuo kito yra dvi energijos lygio bangos, o tai savo ruožtu yra tikslus praėjusio laiko matavimas.

Kalbant apie antrąjį atomą, kuris nėra tuneliuotas, jis naudojamas kaip atskaitos taškas matuojant laiko skirtumą tarp tunelių kasimo ir nekasimo. Fizikų skaičiavimai rodo, kad tunelio dalelė atsiras kiek vėliau. „Laikrodis, kuris buvo iškastas per tunelį, yra šiek tiek senesnis nei kitas laikrodis“, – sako Patrickas Schachas. Atrodo, kad tai prieštarauja eksperimentams, kuriuose šviesos greitis buvo priskirtas tuneliui.

Eksperimento įgyvendinimo iššūkis

Iš esmės bandymą būtų galima atlikti naudojant dabartines technologijas, sako Schachas, tačiau tai yra didžiulis iššūkis eksperimentams. Taip yra todėl, kad laiko skirtumas, kurį reikia išmatuoti, yra tik apie 10^-26 Sekundės – labai trumpas laikas. Fizikas aiškina, kad atomų debesis padeda naudoti kaip laikrodžius, o ne atskirus atomus. Taip pat galima sustiprinti efektą, pavyzdžiui, dirbtinai padidinant laikrodžio dažnius.

„Šiuo metu aptariame šią idėją su eksperimentuojančiais kolegomis ir palaikome ryšį su savo projekto partneriais“, – priduria Gizzi. Labai tikėtina, kad komanda netrukus nuspręs atlikti šį įdomų eksperimentą.

Nuoroda: Patrick Schach ir Eno Giese „Vieninga tunelio laikų teorija, propaguojama Ramsay laikrodžių“, 2024 m. balandžio 19 d. Mokslo pažanga.
doi: 10.1126/sciadv.adl6078