Kvantové tunelování umožňuje částicím obejít energetické bariéry. Byl navržen nový způsob měření doby, za kterou částice tunelují, což může zpochybnit předchozí tvrzení o rychlostech ultralehkého tunelování. Tato metoda zahrnuje použití atomů jako hodin k detekci minutových časových rozdílů. Kredit: SciTechDaily.com
V úžasném fenoménu kvantové fyziky známém jako tunelování se zdá, že částice se pohybují rychleji než rychlost světla. Fyzici z Darmstadtu se však domnívají, že čas strávený částicemi v tunelu byl až dosud měřen nesprávně. Navrhují nový způsob, jak zastavit rychlost kvantových částic.
V klasické fyzice existují přísné zákony, které nelze obejít. Pokud například koulející se koule postrádá dostatečnou energii, nebude schopna přejít kopec; Místo toho se před dosažením vrcholu ponoří. V kvantové fyzice není tento princip úplně striktní. Zde může částice překonat bariéru, i když nemá dostatek energie, aby ji překonala. Chová se, jako by klouzala tunelem, a proto je tento jev také známý jako „kvantové tunelování“. Tento fenomén zdaleka není jen teoretickou magií, ale má praktické využití, například při provozu flash paměťových disků.
Kvantové tunelování a teorie relativity
V minulosti přitahovaly určitou pozornost experimenty s částicemi rychlejšími než světlo. Koneckonců, Einsteinova teorie relativity zakazuje rychlosti rychlejší než světlo. Otázkou tedy je, zda byl v těchto experimentech správně „pozastaven“ čas potřebný k tunelování. Fyzici Patrick Schach a Eno Giese z univerzity v Darmstadtu sledují nový přístup k určování „času“ tunelující částice. Nyní navrhli nový způsob měření této doby. Ve svém experimentu to změřili způsobem, který je podle nich vhodnější pro kvantovou povahu tunelování. Svůj návrh experimentu zveřejnili ve slavném časopise Pokrok vědy.
Dualita vlna-částice a kvantové tunelování
Podle kvantové fyziky mají malé částice, jako jsou atomy nebo částice světla, dvojí povahu.
V závislosti na experimentu se chovají jako částice nebo jako vlny. Kvantové tunelování zvýrazňuje vlnovou povahu částic. Směrem k bariéře se valí „balíček vlny“, podobně jako proud vody. Výška vlny udává pravděpodobnost, že se částice zhmotní v tomto místě, pokud byla změřena její poloha. Pokud vlnový balíček narazí na energetickou bariéru, část se odrazí. Malá část však proniká bariérou a existuje malá možnost, že se částice objeví na druhé straně bariéry.
Přehodnocení rychlosti tunelu
Předchozí experimenty pozorovaly, že lehká částice urazila po tunelování delší vzdálenost než částice, která měla volnou dráhu. Proto by se pohyboval rychleji než světlo. Výzkumníci však museli určit polohu částice poté, co prošla. Zvolili nejvyšší bod vlnového balíčku.
„Ale částice nesleduje cestu v klasickém smyslu,“ namítá Eno Giese. Není možné přesně určit, kde se částice v daném čase nacházela. To ztěžuje prohlášení o čase potřebném k cestě z bodu A do bodu B.
Nový přístup k měření doby tunelování
Na druhou stranu se Shash Brief řídí citátem Alberta Einsteina: „Čas je to, co čtete na hodinách.“ Navrhují použít samotnou tunelovou částici jako hodiny. Druhá nevyužitá částice funguje jako reference. Porovnáním těchto dvou přirozených hodin je možné určit, zda čas při kvantovém tunelování plyne pomaleji, rychleji nebo stejnou rychlostí.
Vlnová povaha částic tento přístup usnadňuje. Kmitání vln je jako kmitání hodin. Konkrétně Schach a Giese navrhují použití atomů jako hodin. Energetické hladiny atomů oscilují na určitých frekvencích. Po oslovení A kukuřice Při laserovém pulzu jejich hladiny zpočátku synchronně oscilují – atomové hodiny se spustí. Během tunelu se rytmus mírně mění. Druhý laserový pulz způsobí, že se dvě vnitřní vlny atomu překrývají. Detekce interference umožňuje měřit, jak daleko od sebe jsou dvě vlny energetické hladiny, což je zase přesné měření uplynulého času.
Pokud jde o druhý atom, který není tunelován, slouží jako referenční pro měření časového rozdílu mezi kopáním tunelů a nehloubením tunelů. Výpočty fyziků naznačují, že se tunelová částice objeví o něco později. „Hodiny, které byly vykopány tunelem, jsou o něco starší než ostatní hodiny,“ říká Patrick Schach. Zdá se, že to odporuje experimentům, které připisovaly rychlost světla tunelování.
Výzva při realizaci experimentu
V zásadě by mohl být test proveden pomocí současné technologie, říká Schach, ale pro experimenty to představuje obrovskou výzvu. Je to proto, že časový rozdíl, který má být změřen, je pouze asi 10-26 Vteřiny – velmi krátká doba. Fyzik vysvětluje, že pomáhá používat mraky atomů jako hodiny místo jednotlivých atomů. Efekt je také možné zesílit, například umělým zvýšením hodinových frekvencí.
„V současné době o této myšlence diskutujeme s našimi experimentálními kolegy a jsme v kontaktu s našimi projektovými partnery,“ dodává Gizzi. Je velmi pravděpodobné, že se tým brzy rozhodne provést tento vzrušující experiment.
Odkaz: „Sjednocená teorie tunelových časů podporovaná hodinami Ramsay“ od Patrick Schach a Eno Giese, 19. dubna 2024, Pokrok vědy.
doi: 10.1126/sciadv.adl6078
Přátelský webový obhájce. Odborník na popkulturu. Bacon ninja. Tvrdý twitterový učenec.
