Квантове тунелювання дозволяє частинкам обходити енергетичні бар’єри. Був запропонований новий спосіб вимірювання часу, який необхідний частинкам для тунелювання, що може поставити під сумнів попередні твердження про швидкість надлегкого тунелювання. Цей метод передбачає використання атомів як годинників для виявлення хвилинної різниці в часі. Авторство: SciTechDaily.com
У дивовижному явищі квантової фізики, відомому як тунелювання, здається, що частинки рухаються швидше за швидкість світла. Однак фізики з Дармштадта вважають, що досі час, проведений частинками в тунелі, вимірювався невірно. Вони пропонують новий спосіб зупинити швидкість квантових частинок.
У класичній фізиці існують суворі закони, які неможливо обійти. Наприклад, якщо м’яч, що котиться, не має достатньої енергії, він не зможе перелетіти гору; Натомість він буде падати вниз, перш ніж досягне піку. У квантовій фізиці цей принцип не зовсім суворий. Тут частинка може подолати бар’єр, навіть якщо їй недостатньо енергії, щоб його подолати. Він поводиться так, ніби ковзає по тунелю, тому це явище також відоме як «квантове тунелювання». Далеко не просто теоретична магія, це явище має практичне застосування, наприклад, у роботі флеш-пам’яті.
Квантове тунелювання і теорія відносності
У минулому експерименти з частинками, швидшими за світло, привертали певну увагу. Зрештою, теорія відносності Ейнштейна забороняє швидкість, вищу за світло. Таким чином, питання полягає в тому, чи час, необхідний для тунелювання, був належним чином «зупинений» у цих експериментах. Фізики Патрік Шах і Ено Гізе з Дармштадтського університету дотримуються нового підходу до визначення «часу» тунельної частинки. Тепер вони запропонували новий спосіб вимірювання цього часу. У своєму експерименті вони виміряли його таким чином, який, на їхню думку, більше підходить для квантової природи тунелювання. Свій план експерименту вони опублікували у відомому журналі Розвиток науки.
Корпускулярно-хвильовий дуалізм і квантове тунелювання
Відповідно до квантової фізики, маленькі частинки, такі як атоми або частинки світла, мають подвійну природу.
Залежно від експерименту вони поводяться як частинки або як хвилі. Квантове тунелювання підкреслює хвильову природу частинок. «Хвильовий пакет» котиться до бар’єру, схожий на потік води. Висота хвилі вказує на ймовірність матеріалізації частинки в цьому місці, якщо її положення було виміряно. Якщо хвильовий пакет потрапляє на енергетичний бар’єр, частина його відбивається. Однак невелика частина проникає через бар’єр, і існує невелика ймовірність того, що частинка опиниться по інший бік бар’єру.
Переоцінка швидкості тунелю
Попередні експерименти показали, що легка частинка подолала більшу відстань після тунелювання, ніж частинка, яка мала вільний пробіг. Тому він рухався б швидше за світло. Однак дослідники повинні були визначити місцезнаходження частинки після того, як вона пролетіла. Вони вибрали найвищу точку хвильового пакету.
«Але частинка не йде шляхом у класичному розумінні», — заперечує Ено Гізе. Неможливо точно визначити, де перебувала частинка в певний момент часу. Через це важко робити заяви про час, необхідний для того, щоб дістатися від А до Б.
Новий підхід до вимірювання часу тунелювання
З іншого боку, Shash Brief керується цитатою Альберта Ейнштейна: «Час — це те, що ви читаєте на годиннику». Вони пропонують використовувати саму тунельну частинку як годинник. Друга невитрачена частка виступає в якості еталонної. Порівнюючи ці два природних годинника, можна визначити, чи йде час повільніше, швидше чи з однаковою швидкістю під час квантового тунелювання.
Хвильова природа частинок полегшує цей підхід. Коливання хвиль схоже на коливання годинника. Зокрема, Шах і Гізе пропонують використовувати атоми як годинник. Рівні енергії атомів коливаються з певними частотами. Після звернення до А кукурудза При лазерному імпульсі їх рівні спочатку коливаються синхронно – запускається атомний годинник. Під час проходження тунелю ритм трохи змінюється. Другий лазерний імпульс викликає накладення двох внутрішніх хвиль атома. Виявлення інтерференції дає змогу виміряти відстань між двома хвилями рівня енергії, що, у свою чергу, є точним вимірюванням часу, що минув.
Що стосується другого атома, який не тунелюється, він служить еталонним для вимірювання різниці в часі між копанням тунелів і нериттям тунелів. Розрахунки фізиків припускають, що тунельна частинка з’явиться трохи пізніше. «Годинник, який викопали в тунелі, трохи старший за інший», — каже Патрік Шах. Здається, це суперечить експериментам, які пояснювали швидкість світла тунелюванням.
Складність проведення експерименту
В принципі, випробування можна провести за допомогою сучасних технологій, каже Шах, але це становить величезний виклик для експериментів. Це тому, що різниця в часі, яку потрібно виміряти, становить лише близько 10-26 Секунди – дуже короткий час. Фізик пояснює, що це допомагає використовувати хмари атомів як годинник замість окремих атомів. Також можна посилити ефект, наприклад, штучно підвищивши тактові частоти.
«Зараз ми обговорюємо цю ідею з нашими експериментальними колегами та підтримуємо зв’язок із нашими партнерами по проекту», — додає Гізі. Дуже ймовірно, що незабаром команда вирішить провести цей захоплюючий експеримент.
Довідка: «Єдина теорія тунельного часу, яку просувають годинники Рамзі», Патрік Шах та Іно Гізе, 19 квітня 2024 р. Розвиток науки.
doi: 10.1126/sciadv.adl6078
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
