После открытия уравнений квантовой механики, физики столкнулись с одним из самых странных явлений, которые допускает теория. Речь идет о так называемых «квантовых туннелях». Это явление показывает, насколько сильно некоторые частицы, например, электроны, отличаются от более крупных элементов. Физики обнаружили, что они могут проходить сквозь преграды, и эта их способность помогает решить множество загадок. Например, это объясняет различные химические связи и радиоактивные распады. Но помимо ответов появились и новые вопросы. В частности, сколько времени требуется частице, чтобы пройти через барьер.
Первые исследования
Первый предварительный расчет времени квантового туннелирования появился в печати в 1932 году. Однако очень многое ученым тогда еще не было понятно. Лишь в 1962 году инженер из Texas Instruments по имени Томас Хартман написал статью, посвященную этой проблеме.
Хартман обнаружил, как на частицы воздействует барьер. Когда частица проходит по туннелю, перемещение занимает меньше времени, чем если бы барьера не было. Еще более удивительным стал тот факт, что увеличение толщины барьера не увеличивает время, необходимое частице для его прохождения. Это означает, что даже при наличии достаточно толстого барьера частицы могут прыгать с одной стороны на другую быстрее, чем свет проходит такое же расстояние через пустое пространство.
Короче говоря, квантовое туннелирование, казалось, позволяло перемещаться быстрее скорости света, что считалось невозможным с точки зрения физики.
Развитие теории
Дискуссия на эту тему шла на протяжении десятилетий, отчасти потому, что вопрос о времени туннелирования, казалось, затрагивал некоторые из самых загадочных аспектов квантовой физики и механики. «Это часть общей проблемы того, что такое время, и как мы измеряем время в квантовой механике, и каково его значение», — сказал Эли Поллак, физик-теоретик из Института науки Вейцмана в Израиле. В конечном итоге физики получили по крайней мере 10 альтернативных математических выражений для определения времени туннелирования, каждое из которых отражает различные точки зрения на весь этот процесс туннелирования. Но никто не смог решить эту проблему.
Эксперименты
Этот вопрос был снова поднят после проведения серии экспериментов, в ходе которых в лаборатории точно измерялось время туннелирования.
Эфраим Стейнберг, физик из Университета Торонто, десятилетиями занимался этим вопросом. Группа Стейнберга использовала так называемый метод часов Лармора. Они попытались измерить, сколько времени требуется атомам рубидия, чтобы пройти сквозь отталкивающее лазерное поле.
«Часы Лармора — лучший и самый интуитивно понятный способ измерения времени туннелирования, и эксперимент был первым, в котором его удалось очень точно измерить», — сказал Игорь Литвинюк, физик из Университета Гриффита в Австралии.
Луис Манзони, физик-теоретик из колледжа Конкордия в Миннесоте, также считает измерение при помощи часов Лармора убедительным.
Новые проблемы и вопросы
Недавние эксперименты опять привлекают внимание к нерешенной проблеме. За шесть десятилетий, прошедших со времени публикации статьи Хартмана, независимо от того, насколько тщательно физики переопределили время туннелирования или насколько точно они измерили его в лаборатории, они обнаружили, что квантовое туннелирование неизменно связано с эффектом Хартмана. Ученые до сих пор пытаются ответить на вопрос о том, как частица может двигаться быстрее света?
Расчет времени
Время туннелирования определить трудно. В макроскопическом масштабе время, необходимое объекту для перехода от точки A к точке B, — это просто расстояние, деленное на скорость объекта. Но квантовая теория учит нас, что точное знание расстояния и скорости невозможно.
В квантовой теории частица имеет ряд возможных местоположений и скоростей. Среди этих вариантов определенные свойства каким-то образом кристаллизуются в момент проведения измерения. Как это происходит — один из самых серьезных вопросов.
В результате, пока частица не попадает в детектор, она повсюду и нигде одновременно. Из-за этого очень трудно сказать, сколько времени частица ранее провела где-то, например, внутри барьера. «Вы не можете сказать, сколько времени он там проводит, — сказал Литвинюк, — потому что это могут быть одновременно два места в одно и то же время».
Встроенные часы
Хотя физики измеряют время туннелирования с 1980-х годов, новые сверхточные измерения начали проводить с 2014 года в лаборатории Урсулы Келлер Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе. Ее команда измерила время туннелирования, используя так называемый аттоклок. В аттоклоке Келлер электроны атомов гелия сталкиваются с барьером, который вращается на месте, как стрелки часов. Электроны туннелируют чаще всего, когда барьер находится в определенном положении, его называют полднем на аттоклоке. Затем, когда электроны выходят из барьера, их отбрасывает в направлении, которое зависит от положения барьера в этот момент. Чтобы измерить время туннелирования, команда Келлер измерила угловую разницу между полуднем, когда происходило большинство прохождений через барьер, и углом большинства уходящих электронов. Эта разница составила 50 аттосекунд, или миллиардные доли секунды.
Затем в работе, опубликованной в 2019 году, группа Литвинюка улучшила эксперимент Келлер с аттоклоком, переключившись с гелия на более простые атомы водорода. Они измерили еще более короткое время — не более двух аттосекунд, предположив, что туннелирование происходит почти мгновенно.
Но с тех пор некоторые эксперты пришли к выводу, что время, измеренное при помощи аттоклока, нельзя рассматривать как правильный показатель. Мандзони, опубликовавший в прошлом году анализ результатов измерения, сказал, что этот подход ошибочен так же, как и опыты по определению времени туннелирования Хартмана.
Новые подходы
Тем временем Стейнберг, Рамос и их коллеги из Торонто Дэвид Спирингс и Изабель Рашико провели эксперимент, который оказался более убедительным.
В этом альтернативном подходе используется тот факт, что многие частицы обладают внутренним магнитным свойством, которое получило название импульс частицы, или спин. Этот импульс обычно направлен вверх или вниз. В 1897 году ирландский физик Джозеф Лармор обнаружил, что если частицу поместить в магнитное поле, то угол оси ее вращения меняется. Это явление получило название прецессии. Команда из Торонто использовала прецессию по аналогии со стрелками часов, а сам метод был назван часами Лармора.
Исследователи использовали лазерный луч в качестве барьера и включили магнитное поле внутри него. Затем они подготовили атомы рубидия со спинами, выровненными в определенном направлении, и отправили атомы к барьеру. Затем они измерили вращение атомов, которые вышли с другой стороны. Многократное проведение таких измерений позволяет определить средний угол прецессии спинов, пока атомы находились внутри барьера, и, следовательно, сколько времени они там провели.
Исследователи сообщили, что атомы рубидия проводят внутри барьера в среднем 0,61 миллисекунды, что соответствует времени часов Лармора, теоретически предсказанному в 1980-х годах. При этом атомам, чтобы пройти через свободное пространство, нужно гораздо больше времени. Следовательно, расчеты показывают, что если сделать барьер действительно толстым, ускорение позволит атомам туннелировать с одной стороны на другую быстрее света.
Потенциальные возможности
Параллельно с этим, ученых заинтересовал вопрос передачи сигналов на сверхсветовой скорости, который рассматривал еще Альберт Эйнштейн. В статье, опубликованной в New Journal of Physics ученые утверждали, что туннелирование не позволяет передавать сверхсветовые сигналы по статистическим причинам: даже если частицы будут проходить через чрезвычайно толстый барьер очень быстро, вероятность передачи сигналов очень низка.
Стейнберг утверждает, что одна туннелированная частица не может передавать информацию. Сигнал требует деталей и определенной структуры, и подробный сигнал всегда будет быстрее передаваться по воздуху, чем через ненадежный барьер.
По мнению других ученых, эти вопросы являются предметом будущих исследований, а эксперименты Стейнберга послужат толчком к дальнейшему развитию этой теории. Правда, пока не известно, куда это приведет.
Нашли нарушение? Пожаловаться на содержание