«Туннельный эффект»: могут ли квантовые частицы двигаться со сверхсветовой скоростью?

В странном квантово-механическом явлении, известном как «туннелирование» (или туннельный эффект), частицы, кажется, могут перемещаться быстрее света — факт, противоречащий теории относительности Эйнштейна. Однако в новом исследовании ученые утверждают, что предыдущие измерения этого явления неточны и что, напротив, не существует такого понятия, как сверхсветовая скорость или «мгновенное туннелирование».

Квантовое туннелирование — это явление, при котором частица может пересечь энергетический барьер, который она не может преодолеть в обычных условиях, согласно законам классической физики. Классическая физика подчиняется строгим законам.

Квантовая механика, с другой стороны, не так ограничена. Даже если энергия частицы меньше минимальной, необходимой для преодоления барьера, она может пройти сквозь него, как если бы она скользила по туннелю, отсюда и название «туннельный эффект». Впервые описанный в 1928 году, этот эффект объясняет многие ранее загадочные явления, такие как радиоактивный распад, а также то, как ядра водорода на Солнце способны преодолевать взаимное отталкивание и сливаться вместе для получения энергии. Носители информации с флэш-памятью работают по тому же принципу.

Однако скорость, с которой частицы проходят через квантовые туннели, является предметом споров. Исследователи предположили, что для квантовых частиц барьеры выступают в роли коротких путей. Когда частицы «туннелируют» через них, их движение занимает меньше времени, чем если бы барьеры отсутствовали, что кажется противоречивым.

Более того, толщина барьеров, похоже, не увеличивает время, необходимое частицам для их преодоления. Другими словами, частицы «туннелируют» быстрее, чем свет, проходящий то же расстояние в пустом пространстве. Однако относительность Эйнштейна запрещает любые путешествия быстрее света. Это привело к тому, что ряд фундаментальных аспектов физики оказался под вопросом, включая само определение времени.

С другой стороны, исследователи из Технического университета Дармштадта (Германия) предполагают, что время квантового туннелирования, возможно, не было правильно измерено в предыдущих экспериментах. В своем новом исследовании, недавно опубликованном в журнале Science Advances, они предлагают новый протокол измерения, который, по их мнению, лучше соответствует природе туннелирования.

Предыдущие эксперименты, основанные на корпускулярно-волновом дуализме

Предыдущие измерения времени туннелирования обычно основывались на корпускулярно-волновом дуализме — явлении, при котором частицы могут вести себя и как волны, и как частицы. В частности, эффект туннелирования подчеркивал волнообразную природу частиц, когда они движутся к барьеру, подобно волне воды, постепенно превращаясь в волновой пакет (свойство, позволяющее массивной частице демонстрировать несколько комбинированных частот и длин волн).

Если волновой пакет сталкивается с энергетическим барьером, часть его отражается, а другая часть проходит сквозь него. Высота волны (или волн) указывает на вероятность того, что частица материализуется в определенной точке барьера после туннелирования. Для того чтобы определить точку, в которой материализуется частица, исследователи использовали наибольшую высоту, достигнутую волновым пакетом.

Однако «частица не движется по траектории в классическом смысле этого слова«, — объясняет в пресс-релизе соавтор нового исследования Энно Гизе из Технического университета Дармштадта. В результате «невозможно точно сказать, где находится частица в любой момент времени. Поэтому трудно сказать, сколько времени потребуется, чтобы добраться из точки А в точку Б«, — отмечает он.

Подход, основанный на временной модели Эйнштейна

Новый протокол Гизе и его коллег призван преодолеть это препятствие, опираясь на временную модель Эйнштейна, согласно которой время определяется просто как время, измеряемое часами. В этой концепции они предлагают использовать туннелирующую частицу в качестве часов, в то время как другая, не туннелирующая частица служит в качестве эталона. Сравнивая показания двух часов, можно определить, насколько быстро проходит время при туннелировании.

Диаграмма, обобщающая экспериментальный подход исследования. (A) Первый лазерный импульс инициализирует часы, создавая равную суперпозицию внутренних состояний ∣g in / e in〉 двухуровневой системы. (B) Во время туннелирования каждое внутреннее состояние приобретает зависящий от состояния фазовый сдвиг, закодированный в комплексных амплитудах передачи tg/e. После процесса диффузии второй лазерный импульс считывает накопленную фазу, которая включает вклады лабораторного времени t, замедления времени δ t и туннельного времени τ [см. (А)). Получена (В), характеризующаяся контрастом ∣〈e T ∣ g T〉∣/ NT с общим числом прошедших атомов NT и средним коэффициентом пропускания (D) для прямоугольного барьера. Этот коэффициент передачи демонстрирует различные характеристики для разных кинетических энергий в разных масштабах.Этот подход также частично опирается на волнообразную природу частиц. В частности, их колебания как волн будут сравнимы с колебаниями, характерными для часов. Энергетические уровни атомов (используемых в качестве часов) будут колебаться на определенных частотах. При воздействии лазерного луча эти уровни будут колебаться синхронно, вызывая работу атомных часов.

Однако туннельный эффект немного нарушает эту синхронизацию, и ее можно отрегулировать вторым лазерным импульсом, который вызывает интерференцию двух внутренних волн атома. Обнаружение этой интерференции позволяет точно определить время, прошедшее во время туннелирования.

Применив этот процесс ко второму атому, который не подвергается туннелированию, можно, по словам исследователей, измерить разницу между временем туннелирования и временем без туннелирования. Удивительно, но расчеты специалистов показали, что туннелируемая частица оказалась немного медленнее, чем не туннелируемая, что противоречит предыдущим экспериментам, приписывающим ей скорость, превышающую скорость света.

Однако проведение такого эксперимента наталкивается на серьезные трудности. Временная задержка, которую необходимо измерить, будет порядка 10-26 секунд, что крайне мало, даже с учетом современных методов измерения. Чтобы преодолеть эти трудности, эксперты предлагают использовать в качестве часов облака атомов, а не отдельные атомы. Также можно усилить эффект запаздывания, вручную увеличивая частоту часов, что облегчит измерения.

Запись «Туннельный эффект»: могут ли квантовые частицы двигаться со сверхсветовой скоростью? впервые опубликована на сайте Про технологии.