A fénysebesség megtörése: A kvantumalagút rejtélye

A kvantumfizika egy elképesztő jelenségében, amelyet alagútként ismerünk, úgy tűnik, hogy a részecskék gyorsabban mozognak, mint a fénysebesség. A darmstadti fizikusok azonban úgy vélik, hogy a részecskék által az alagútban töltött időt eddig rosszul mérték. Új módszert javasolnak a kvantumrészecskék sebességének megállítására.

A klasszikus fizikában szigorú szabályok vannak, amelyeket nem lehet megkerülni. Például, ha egy guruló golyónak nincs elég energiája, akkor nem megy át a dombon, hanem megfordul, mielőtt elérné a csúcsot, és megfordítja az irányt. A kvantumfizikában ez az elv nem teljesen szigorú: egy részecske átjuthat egy akadályon, még akkor is, ha nincs elég energiája ahhoz, hogy átjusson rajta. Úgy viselkedik, mintha egy alagúton csúszna át, ezért ezt a jelenséget „kvantum-alagútnak” is nevezik. Ami varázslatosnak tűnik, annak konkrét technikai alkalmazásai vannak, például a flash memória meghajtókban.

Kvantum alagút és relativitáselmélet

A múltban a fénynél gyorsabb részecskékkel végzett kísérletek felkeltették a figyelmet. Végül is Einstein relativitáselmélete tiltja a fénynél gyorsabb sebességet. A kérdés tehát az, hogy az alagútépítéshez szükséges időt megfelelően „szünetelték-e” ezekben a kísérletekben. Patrick Schach és Eno Giese, a Darmstadti Egyetem fizikusai új megközelítést követnek az alagút részecskék „idejének” meghatározásában. Most új módszert javasoltak az idő mérésére. Kísérletükben olyan módon mérték, amely szerintük jobban megfelel az alagút kvantumtermészetének. Kísérlettervüket a híres magazinban publikálták A tudomány fejlődése.

Hullám-részecske kettősség és kvantum alagút

A kvantumfizika szerint a kis részecskék, például az atomok vagy a fényrészecskék kettős természetűek.

A kísérlettől függően részecskékként vagy hullámként viselkednek. A kvantumalagút kiemeli a részecskék hullámtermészetét. Egy „hullámcsomag” gördül a gát felé, hasonlóan a vízáramláshoz. A hullámmagasság azt jelzi, hogy mekkora valószínűséggel materializálódik egy részecske azon a helyen, ha megmérnénk a helyzetét. Ha egy hullámcsomag energiagátba ütközik, annak egy része visszaverődik. Egy kis része azonban áthatol a gáton, és van egy kis esély, hogy a részecske megjelenik a gát másik oldalán.

Az alagút sebességének újraértékelése

Korábbi kísérletek azt figyelték meg, hogy egy könnyű részecske nagyobb utat tett meg az alagút után, mint egy szabad úttal rendelkező részecske. Ezért gyorsabban utazott volna, mint a fény. A kutatóknak azonban meg kellett határozniuk a részecske helyét, miután elhaladt. A hullámcsomag legmagasabb pontját választották.

„De a részecske nem a klasszikus értelemben vett utat követi” – mondja Eno Giese. Lehetetlen pontosan meghatározni, hol volt egy részecske egy adott időpontban. Ez megnehezíti az A-ból B-be jutáshoz szükséges időről szóló kijelentéseket.

Új megközelítés az alagútidő mérésére

Másrészt a Shash Brief egy Albert Einstein-idézet vezérli: „Az idő az, amit leolvassz az órán.” Azt javasolják, hogy magát az alagútrészecskét használják óraként. A második el nem költött részecske referenciaként működik. E két természetes óra összehasonlításával megállapítható, hogy az idő lassabban, gyorsabban vagy azonos sebességgel telik-e a kvantumalagút során.

A részecskék hullámtermészete megkönnyíti ezt a megközelítést. A hullámok oszcillációja olyan, mint az óra rezgése. Konkrétan Schach és Giese az atomok óraként való használatát javasolja. Az atomok energiaszintje bizonyos frekvenciákon oszcillál. Miután megszólította A kukorica Lézerimpulzussal szintjük kezdetben szinkronban oszcillál – elindul az atomóra. Az alagút során a ritmus kissé megváltozik. Egy második lézerimpulzus hatására az atom két belső hulláma átfedi egymást. Az interferencia észlelése lehetővé teszi annak mérését, hogy két energiaszint-hullám milyen messze van egymástól, ami viszont az eltelt idő pontos mérése.

Ami a második atomot illeti, amely nem alagúttal van ellátva, ez referenciaként szolgál az alagutakat ásó és a nem ásó alagutak közötti időkülönbség mérésére. A fizikusok számításai szerint az alagútrészecske valamivel később jelenik meg. „Az alagúton átásott óra valamivel régebbi, mint a másik óra” – mondja Patrick Schach. Ez ellentmondani látszik azoknak a kísérleteknek, amelyek a fény szupersebességét az alagútnak tulajdonították.

A kísérlet megvalósításának kihívása

Elvileg a tesztet a jelenlegi technológiával is el lehetne végezni, mondja Schach, de ez óriási kihívást jelent a kísérletek számára. Ennek az az oka, hogy a mérendő időkülönbség csak körülbelül 10^-26 Másodpercek – nagyon rövid idő. A fizikus elmagyarázza, hogy segít az atomfelhők óraként való használata az egyes atomok helyett. Lehetőség van a hatás felerősítésére is, például az órajelek mesterséges növelésével.

„Jelenleg vitatjuk ezt az ötletet kísérletező kollégáinkkal, és kapcsolatban állunk projektpartnereinkkel” – teszi hozzá Gizzi. Nagyon valószínű, hogy a csapat hamarosan úgy dönt, hogy elvégzi ezt az izgalmas kísérletet.

Hivatkozás: Patrick Schach és Eno Giese „A Ramsay-órák által támogatott alagútidők egységes elmélete”, 2024. április 19. A tudomány fejlődése.
doi: 10.1126/sciadv.adl6078