Контроль швидкості для частинок, які рухаються швидше за світло

  У квантово-механічному тунельному ефекті частинки, очевидно, порушують найважливіший принцип теорії відносності. Двоє фізиків вважають, що вимірювання поки що не були проведені коректно. Тепер вони пропонують нову техніку для кращого визначення швидкості квантових об’єктів.

Тунельний ефект дозволяє квантовим частинкам проникати через енергетичний бар'єр. Але чи вони також розривають тканину простору і часу? (Фото: spektrum.de)

Згідно з теорією відносності Ейнштейна, ніщо не може подорожувати крізь порожній простір швидше за світло. Але в конкретному квантовому ефекті частинки, які «тунелюють» через бар’єр, здається, порушують принцип, пише spektrum.de. Різноманітні складні лабораторні експерименти вказують на це протягом багатьох років. Тепер Патрік Шах і Енно Гізе з Технічного університету Дармштадта запропонували альтернативний експериментальний підхід. Їхній метод вимірювання покликаний з’ясувати, чи дійсно квантові об’єкти йдуть забороненим ярликом.

За словами Шаха та Гізе, час, потрібний для того, щоб частинка зазнала ефекту тунелювання, ще не виміряно відповідним чином. У тунельному ефекті атоми, електрони та інші об’єкти проникають через перешкоду, навіть якщо їх енергії недостатньо згідно з класичною точкою зору – ніби м’яч просто перекотився через пагорб, не отримавши достатнього імпульсу. Здається, ніби квантова механіка вказує йому шлях через таємний тунель, звідси і назва ефекту.

Десятиліттями різні дослідницькі групи більш детально вивчали, як швидко відбувається це тунелювання. У ході багатьох складних експериментів з'ясувалося, що частинки проводять на перешкоді менше часу, ніж їм потрібно було б подолати таку ж відстань у вільному просторі. У крайньому випадку, коли йдеться про частинки світла, це може парадоксально означати: фотони мчать крізь стіну швидше, ніж їх власна швидкість світла.

Квантова механіка багата абсурдними процесами. Наприклад, ефект заплутаності дозволяє створити з’єднання, яке також, здається, порушує обмеження швидкості з теорії відносності, що викликало багато дискомфорту для Альберта Ейнштейна. Сьогодні зрозуміло: з деякими дивацтвами доводиться миритися, а при найближчому розгляді вони навіть сумісні з теорією відносності. Відповідно, вже є ідеї про те, як можна вирішити парадокс тунельного часу. Це означає, що частинки можуть рухатися швидше за світло, але більше не передають жодної корисної інформації. Це означає, що порушення ними правил не матиме впливу на практиці.

Що насправді означає час у квантовій механіці?

Фундаментальною проблемою вимірювання ефекту тунелювання є питання: як визначити, скільки часу минуло для частинки? На відміну від маси, наприклад, час не є чимось, чим володіє об’єкт сам по собі. Час — це властивість, яка має сенс лише в порівнянні з іншими речами — він описує зміни. Отже, які зміни можна зареєструвати під час тунелювання?

Провідні концепції вимірювання часу проходження тунелю по-різному підходять до пошуку відповіді. Дуже успішний підхід, який впроваджував Ефраїм Штайнберг з Університету Торонто протягом трьох десятиліть, заснований на так званій прецесії Лармора. Атом змінює свій внутрішній квантово-механічний сенс обертання (спін), коли він проходить через бар’єр, у якому діє магнітне поле. Сила відхилення показує, як довго атом перебував у перешкоді. Урсула Келлер зі Швейцарського федерального технологічного інституту в Цюріху розробила альтернативний принцип вимірювання за допомогою свого «Attoclock». Там електрони тунелюють через обертове поле. За перешкодою вони летять у напрямку, який залежить від поточної орієнтації поля. Так само слід визначати час у дорозі.

Такі підходи поєднують різні фізичні принципи і тому залежать від багатьох практичних факторів впливу та теоретичних припущень. Це ускладнює оцінку та інтерпретацію результатів навіть після десятиліть усунення несправностей та оптимізації. Ось чому Шах і Гізе намагалися за допомогою запропонованого ними методу вимірювання не робити специфікацію часу залежною від зовнішніх полів та інших властивостей експериментальної установки. Натомість вони хотіли імплантувати годинник у самі тунельні частинки.

Як вбудувати в атоми годинниковий механізм

Для цього двоє фізиків використали принцип, за яким працюють сучасні атомні годинники. Він був розроблений пізнішим лауреатом Нобелівської премії Норманом Ремсі і заснований на порівнянні коливань двох частинок. Для того, щоб виміряти час тунелю, можна спочатку збудити компоненти двох атомних хмар до коливань за допомогою лазерного імпульсу. У той час як одна з атомних упаковок тунелює через бар’єр, інша пролітає на таку ж відстань через порожній простір і, таким чином, служить орієнтиром. Якщо потім накласти обидві смужки, то можна дуже точно визначити, наскільки вони зрушилися одна від одної. Тоді ми знаємо, як відрізняється час, який переживають атоми.

Згідно з розрахунками Шаха і Гізе, тунельна частинка повинна трохи запізнюватися, як можна було б інтуїтивно очікувати - і суперечить попереднім результатам. Однак свою концепцію на практиці в лабораторії поки не втілили. Таке практичне випробування може допомогти з’ясувати, чи тунельний ефект дійсно дозволяє рухатися швидше за світло, чи ця інтерпретація пов’язана з нерозпізнаними факторами впливу в складних попередніх експериментах. Дедалі точніші вимірювання та експериментальні установки призвели до величезного прогресу в атомних годинниках за останні роки. Тепер вони могли врятувати теорію відносності в квантовому масштабі - принаймні для тунельного ефекту. Тоді від квантової фізики ще залишиться достатньо дивацтва.