Κβαντικές σήραγγες: Επιστήμονες μελετούν σωματίδια που σπάνε το φράγμα της ταχύτητας του φωτός

[deniSun]

Οι Patrik Schach και Enno Giese, φυσικοί στο TU Darmstadt, προσπαθούν να επαναπροσδιορίσουν τον χρόνο - πιστεύουν ότι οι προηγούμενες μετρήσεις μας μπορεί να ήταν ανακριβείς. Οι ερευνητές κατέληξαν σε αυτή την πρόταση χάρη στο φαινόμενο της κβαντικής σήραγγας, όπου τα σωματίδια φαίνεται να κινούνται ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός.

Κατανοούμε τον κόσμο γύρω μας με την κλασική μηχανική. Σε αυτό το πεδίο, οι νόμοι της φυσικής κυριαρχούν και τα σωματίδια τείνουν να τους ακολουθούν. Αν σκάψουμε λίγο βαθύτερα στο κβαντικό πεδίο, όμως, ακόμα και η θεωρία της σχετικότητας καταρρέει.

Η ταχύτερη από το φως μετακίνηση των σωματιδίων μέσα σε μια κβαντική σήραγγα ώθησε τους ερευνητές να αναρωτηθούν αν έχουμε μετρήσει με ακρίβεια τον χρόνο. Οι Schach και Giese πρότειναν έναν νέο πειραματικό σχεδιασμό για τη μέτρηση του χρόνου για ένα σωματίδιο που διέρχεται από σήραγγα, λαμβάνοντας υπόψη τις μοναδικές του ικανότητες στο κβαντικό πεδίο.

Στην κλασική φυσική, ένα σωματίδιο, όπως ένα ηλεκτρόνιο, μπορεί να περάσει μέσα από ένα φράγμα δυναμικής ενέργειας μόνο αν έχει την ενέργεια να το υπερπηδήσει. Από την άλλη πλευρά, στην κβαντομηχανική, το σωματίδιο μπορεί να περάσει ένα τέτοιο φράγμα ακόμη και αν τα ενεργειακά του επίπεδα είναι χαμηλότερα. Αυτό αναφέρεται ως κβαντική σήραγγα.

Αυτό αποδίδεται στις κυματοειδείς ιδιότητες του σωματιδίου στην κβαντομηχανική, οι οποίες του επιτρέπουν να "διοχετεύεται" μέσα από το φράγμα ακόμη και σε χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, αυτή η σήραγγα είναι υποκειμενική ως προς το πλάτος και το ύψος του φράγματος και την ενέργεια του σωματιδίου.

Παρόλο που η σήραγγα φαίνεται επίσης να παραβιάζει τους νόμους διατήρησης της ενέργειας, το σωματίδιο εμφανίζεται στην άλλη πλευρά του φράγματος με την ίδια ενέργεια όπως και πριν. Έτσι, δεν κερδίζεται ούτε χάνεται ενέργεια κατά τη διάρκεια της διαδικασίας.

Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η διάνοιξη σήραγγας παίζει επίσης ρόλο στη ραδιενεργό διάσπαση, επιτρέποντας στα σωματίδια να διαφύγουν από τον πυρήνα, παρόλο που δεν έχουν αρκετή ενέργεια για να ξεφύγουν από το φράγμα πυρηνικού δυναμικού. Επιπλέον, το φαινόμενο θα μπορούσε να βοηθήσει στην εξυπηρέτηση εφαρμογών όπως η μικροσκοπία και η αποθήκευση μνήμης.

Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, τα άτομα μπορούν να συμπεριφέρονται ταυτόχρονα ως κύματα και σωματίδια. Η κυματική τους φύση μπορεί να τα βοηθήσει να ξεπεράσουν ένα ενεργειακό φράγμα. Ωστόσο, όταν τα άτομα κάνουν σήραγγα, καθίσταται δύσκολο να προβλεφθεί πότε θα εμφανιστούν στην άλλη πλευρά, δηλαδή πότε πρέπει να κάνουν σήραγγα.

Αντί να βασίζονται σε συμβατικές προσεγγίσεις για τη μέτρηση του χρόνου, οι Schach και Giese προτείνουν τη χρήση του σωματιδίου σήραγγας ως ρολόι. Ένα σωματίδιο χωρίς σήραγγα θα χρησιμεύσει ως αναφορά σε μια τέτοια διάταξη.

Συγκρίνοντας αυτά τα δύο φυσικά ρολόγια, οι ερευνητές σκοπεύουν να προσδιορίσουν αν ο χρόνος ταξιδεύει γρηγορότερα, πιο αργά ή εξίσου γρήγορα όταν το σωματίδιο διοχετεύεται σε σήραγγα.

Οι ερευνητές σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν τα ταλαντευόμενα ενεργειακά επίπεδα μεταξύ των ατόμων για να το επιτύχουν αυτό. Χρησιμοποιώντας έναν παλμό λέιζερ, οι ερευνητές θα ταλαντώσουν τα άτομα και θα εκκινήσουν το ρολόι. Κατά τη διάρκεια της σήραγγας, συμβαίνει μια μικρή μετατόπιση του ρυθμού και ένας δεύτερος παλμός λέιζερ θα χρησιμοποιηθεί για να προκαλέσει την αλληλεπίδραση των κυμάτων.

Μετρώντας την παρεμβολή, η ομάδα μπορεί να μετρήσει με ακρίβεια τον χρόνο που έχει παρέλθει. Η πρόκληση, ωστόσο, είναι ότι η χρονική διαφορά που πρέπει να μετρηθεί είναι εξαιρετικά μικρή, 10-26 δευτερόλεπτα. Για να το ξεπεράσουν αυτό, οι ερευνητές προτείνουν να χρησιμοποιήσουν νέφη ατόμων αντί για μεμονωμένα άτομα για να ενισχύσουν το φαινόμενο.

Ο πειραματικός σχεδιασμός δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science Advances.

πηγή via DeepL

[zeronero]

Off Topic

Όλα αυτά είναι πολύ ωραία να τα διαβάζουμε, αλλά μου φέρνουν στο μυαλό πάντα το παρακάτω συμβάν/ ανέκδοτο που κάπου διάβασα αλλά δε θυμάμαι που...
Ανεβαίνοντας ο Einstein στο λεωφορείο, ο εισπράκτορας τον αναγνώρισε και τον καλημέρισε λέγοντάς του: Κύριε Einstein, τί νέα από την επιστήμη;
Και ο Einstein τού απάντησε: Να υποθέσω ότι όλα τα παλιά τα γνωρίζετε;

[deniSun]

Off Topic

Όλα αυτά είναι πολύ ωραία να τα διαβάζουμε, αλλά μου φέρνουν στο μυαλό πάντα το παρακάτω συμβάν/ ανέκδοτο που κάπου διάβασα αλλά δε θυμάμαι που...
Ανεβαίνοντας ο Einstein στο λεωφορείο, ο εισπράκτορας τον αναγνώρισε και τον καλημέρισε λέγοντάς του: Κύριε Einstein, τί νέα από την επιστήμη;
Και ο Einstein τού απάντησε: Να υποθέσω ότι όλα τα παλιά τα γνωρίζετε;

[zaranero]

Off Topic

Όλα αυτά είναι πολύ ωραία να τα διαβάζουμε, αλλά μου φέρνουν στο μυαλό πάντα το παρακάτω συμβάν/ ανέκδοτο που κάπου διάβασα αλλά δε θυμάμαι που...
Ανεβαίνοντας ο Einstein στο λεωφορείο, ο εισπράκτορας τον αναγνώρισε και τον καλημέρισε λέγοντάς του: Κύριε Einstein, τί νέα από την επιστήμη;
Και ο Einstein τού απάντησε: Να υποθέσω ότι όλα τα παλιά τα γνωρίζετε;

Epic

[NeK]

Απο τα λίγα που καταλαβαίνω διαβάζοντας το paper, βλέπω ότι αναφέρει άλλα πράγματα από αυτό που εννοεί/υποννοεί η είδηση.

We prepare atoms in a coherent superposition of internal states and study the time read-off via a Ramsey sequence after the tunneling process without the notion of classical trajectories or velocities. Our operational framework (i) unifies definitions of tunneling delay within one approach, (ii) connects the time to a frequency standard given by a conventional atomic clock that can be boosted by differential light shifts, and (iii) highlights that there exists no superluminal or instantaneous tunneling.

δηλαδή, εν ολίγοις, το paper αυτό καταρρίπτει τους ισχυρισμούς ότι υπάρχουν σωματίδια που σπάνε την ταχύτητα του φωτός και όχι το αντίθετο.

Μου διαφεύγει κάτι;