„Тунелният ефект“: могат ли квантовите частици да се движат със свръхсветлинна скорост?

В странното квантовомеханично явление, известно като „тунелиране“ (или тунелен ефект), частиците привидно могат да пътуват по-бързо от светлината – факт, който противоречи на теорията на относителността на Айнщайн. В ново изследване обаче учените твърдят, че предишните измервания на явлението са неточни и че, напротив, не съществува такова нещо като свръхсветлинна скорост или „мигновено тунелиране“.

Квантовото тунелиране е явление, при което частица може да премине през енергийна бариера, която не може да преодолее при нормални условия, съгласно законите на класическата физика. Класическата физика се подчинява на строги закони.

Квантовата механика, от друга страна, не е толкова строга. Дори ако енергията на частицата е по-малка от минималната енергия, необходима за преодоляване на бариерата, тя може да премине през нея, сякаш се плъзга през тунел, откъдето идва и наименованието „тунелен ефект“. Описан за първи път през 1928 г., този ефект обяснява много мистериозни дотогава явления, като например радиоактивното разпадане и как водородните ядра в Слънцето са в състояние да преодолеят взаимното отблъскване и да се слеят, за да произведат енергия. Флаш паметта работи на същия принцип.

Въпреки това скоростта, с която частиците преминават през квантовите тунели, е предмет на дискусия. Изследователите предполагат, че бариерите действат като преки пътища за квантовите частици. Когато частиците „тунелират“ през тях, движението им отнема по-малко време, отколкото ако бариерите отсъстваха, което изглежда противоречиво. Освен това изглежда, че дебелината на бариерите не увеличава времето, което е необходимо на частиците да преминат през тях. С други думи, частиците „тунелират“ по-бързо от светлината, изминаваща същото разстояние в празното пространство.

Въпреки това относителността на Айнщайн забранява каквото и да е пътуване по-бързо от светлината. Това доведе до поставянето под въпрос на редица фундаментални аспекти на физиката, включително и на самото определение за време. От друга страна, изследователи от Техническия университет в Дармщат, Германия, предполагат, че времето на квантовото тунелиране може да не е било правилно измерено при предишни експерименти. В новото си изследване, публикувано наскоро в списание Science Advances, те предлагат нов протокол за измерване, който според тях отговаря по-добре на естеството на тунелирането.

Предишните експерименти, основани на корпускулярно-вълновия дуализъм

Предишните измервания на времето на тунелиране обикновено се основаваха на корпускулярно-вълновия дуализъм – явление, при което частиците могат да се държат едновременно като вълни и частици. В частност тунелният ефект подчертаваше вълновата природа на частиците, които се движат към бариерата подобно на водна вълна, като постепенно се превръщат във вълнови пакет (свойство, което позволява на една масивна частица да демонстрира няколко комбинирани честоти и дължини на вълната).

Ако вълновият пакет се сблъска с енергийна бариера, част от него се отразява, а друга част преминава през нея. Височината на вълната (или вълните) показва вероятността частицата да се материализира в определена точка на бариерата след тунелиране. За да определят точката, в която частицата се материализира, изследователите използват най-голямата височина, достигната от вълновия пакет.

Въпреки това „частицата не следва траекторията в класическия смисъл на думата“, обяснява в съобщение за пресата съавторът на новото изследване Ено Гизе от Техническия университет в Дармщат. В резултат на това „е невъзможно да се каже къде точно се намира частицата във всеки един момент. Следователно е трудно да се каже колко време й е необходимо, за да стигне от точка А до точка Б“, отбелязва той.

Подходът, базиран на модела на времето на Айнщайн

Новият протокол на Гизе и колегите му има за цел да преодолее това препятствие, като се основава на времевия модел на Айнщайн, според който времето се определя просто като време, измерено от часовник. В тази концепция те предлагат да се използва тунелираща частица като часовник, докато друга, нетунелираща частица служи като еталон. Чрез сравняване на показанията на двата часовника може да се определи колко бързо минава времето по време на тунелирането.

Този подход също се основава отчасти на вълновата природа на частиците. По-конкретно, техните трептения като вълни ще бъдат сравними с трептенията, характерни за един часовник. Енергийните нива на атомите (използвани като часовници) ще се колебаят с определени честоти. Когато са изложени на лазерен лъч, тези нива ще се колебаят синхронно, което ще накара атомните часовници да заработят.

Ефектът на тунелиране обаче леко нарушава тази синхронизация и тя може да бъде коригирана чрез втори лазерен импулс, който предизвиква интерференция между двете вътрешни вълни на атома. Откриването на тази интерференция дава възможност за точно определяне на времето, изминало по време на тунелирането.

Като се приложи този процес към втори атом, който не тунелира, е възможно, казват изследователите, да се измери разликата между времето на тунелиране и времето без тунелиране. Изненадващо, изчисленията на експертите показват, че тунелираната частица е малко по-бавна от нетунелираната, което противоречи на предишните експерименти, приписващи ѝ скорост, по-голяма от скоростта на светлината.

При провеждането на подобен експеримент обаче съществуват сериозни трудности. Забавянето на времето, което трябва да се измери, е от порядъка на 10^-26 секунди, което е изключително малко, дори и при сегашните техники за измерване. За да се преодолеят тези трудности, експертите предлагат да се използват като часовници облаци от атоми, а не отделни атоми. Възможно е също така да се засили ефектът на закъснението чрез ръчно увеличаване честотата на часовника, което би улеснило измерванията.