ذراتی که سد سرعت نور را می‌شکنند

به گزارش تجارت‌نیوز، تونل‌زنی کوانتومی می‌تواند واپاشی رادیواکتیو را توضیح دهد و همچنین کاربردهایی مانند میکروسکوپ و ذخیره‌سازی حافظه را دارد.

پاتریک شاک و انو گیز، فیزیکدانان دانشگاه فنی دارمشتات به دنبال تعریف مجدد زمان هستند. آنها معتقدند اندازه‌گیری‌های قبلی ما ممکن است نادرست بوده باشد.

محققان به لطف پدیده تونل‌زنی کوانتومی(quantum tunneling) به این امر پرداخته‌اند، جایی که به نظر می‌رسد ذرات با سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت می‌کنند.

ما دنیای اطراف خود را با مکانیک کلاسیک درک می‌کنیم. در این قلمرو، قوانین فیزیک حاکم است و ذرات تمایل دارند از آنها پیروی کنند. با این حال اگر کمی عمیق‌تر در قلمرو کوانتوم کاوش کنید، می بینید که حتی نظریه نسبیت اینشتین نیز کم می‌آورد.

حرکت سریع‌تر از نور ذرات درون یک تونل کوانتومی، محققان را به این پرسش واداشته است که آیا زمان را دقیقاً اندازه‌گیری کرده‌ایم یا خیر.

شاک و گیز طرح آزمایشی جدیدی را برای اندازه‌گیری زمان برای یک ذره در تونل‌زنی کوانتومی با توجه به توانایی‌های منحصر به فرد آن در قلمرو کوانتومی پیشنهاد کرده‌اند.

تونل‌زنی کوانتومی چیست؟

در فیزیک کلاسیک، ذره‌ای مانند الکترون تنها زمانی می‌تواند از سد انرژی پتانسیل عبور کند که انرژی لازم برای غلبه بر آن را داشته باشد. از سوی دیگر، در مکانیک کوانتومی، ذره می‌تواند از روی چنین مانعی عبور کند، حتی اگر سطح انرژی آن کمتر باشد که این به عنوان تونل‌زنی کوانتومی شناخته می‌شود.

به عبارت دیگر، تونل‌زنی کوانتومی به فرآیند کوانتومی تونل زدن یک ذره بنیادی در یک سد پتانسیل که از نظر کلاسیک، ذره قادر به عبور از آن نیست، اشاره دارد. این پدیده مهم در چندین پدیده فیزیکی، برای مثال در واکنش‌های هسته‌ای که در ستارگانی مثل خورشید اتفاق می‌افتد، به چشم می‌خورد. همچنین کاربردهای مهمی در ادوات الکترونیکی مانند دیود تونلی دارد.

این پدیده در اوایل قرن بیستم پیش‌بینی شده بود و در اواسط همان قرن به عنوان یک پدیده کلی فیزیکی پذیرفته شد. تونل‌زنی معمولاً با اصل عدم قطعیت هایزنبرگ توضیح داده می‌شود. در واقع مفاهیم مکانیک کوانتومی حول این پدیده توصیف می‌شوند و می‌توان گفت تونل‌زنی کوانتومی یکی از ویژگی‌های بنیادی مکانیک کوانتومی و نشانه خاصیت دوگانگی موج–ذره است.

تونل‌زنی کوانتومی به ویژگی‌های موج‌مانند ذره در مکانیک کوانتومی نسبت داده می‌شود که به آن اجازه می‌دهد حتی در سطح انرژی پایین‌تری از سد عبور کند. بر اساس مکانیک کوانتومی، این تونل به عرض و ارتفاع سد و انرژی ذره بستگی دارد.

اگرچه به نظر می‌رسد تونل‌زنی قوانین بقای انرژی را زیر پا می‌گذارد، اما این ذره با همان انرژی قبلی در طرف دیگر سد ظاهر می‌شود. بنابراین هیچ انرژی در طول فرآیند به دست نمی‌آید یا از دست نمی‌رود.

محققان بر این باورند که تونل‌زنی همچنین نقشی در فروپاشی رادیواکتیو ایفا می‌کند و به ذرات اجازه می‌دهد تا از هسته بگریزند، حتی اگر انرژی کافی برای فرار از سد پتانسیل هسته‌ای را نداشته باشند. علاوه بر این، این پدیده می‌تواند به برنامه‌هایی مانند میکروسکوپ و ذخیره سازی حافظه کمک کند.

بر اساس مکانیک کوانتومی، اتم‌ها می‌توانند به طور همزمان مانند امواج و ذرات رفتار کنند. ماهیت موجی آنها می‌تواند به آنها کمک کند تا بر یک مانع انرژی غلبه کنند. با این حال، زمانی که اتم‌ها در حال تونل‌زنی هستند، پیش‌بینی اینکه چه زمانی در سمت دیگر ظاهر می‌شوند، یعنی زمانی که باید تونل بزنند، دشوار می‌شود.

طراحی تجربی جدید

شاک و گیز به جای تکیه بر رویکردهای مرسوم برای اندازه‌گیری زمان، استفاده از ذره تونل‌زنی کرده را به عنوان ساعت پیشنهاد می‌کنند. یک ذره غیر تونل‌زنی به عنوان مرجع در چنین تنظیماتی عمل می‌کند.

هدف محققان با مقایسه این دو ساعت طبیعی، تعیین این است که آیا زمانی که ذره در حال تونل زدن است، زمان سریع‌تر، کندتر یا به همان اندازه‌ای که فرض ماست، حرکت می‌کند.

آنها قصد دارند از سطوح انرژی نوسان بین اتم‌ها برای رسیدن به این هدف استفاده کنند. محققان با استفاده از یک پالس لیزر، اتم‌ها را نوسان می‌دهند و ساعت را به کار می‌اندازند.

در طول تونل‌زنی، یک تغییر کوچک در ریتم اتفاق می‌افتد و یک پالس لیزر دوم برای ایجاد تداخل امواج استفاده می‌شود.

این تیم با اندازه‌گیری تداخل می‌تواند زمان سپری شده را دقیقا اندازه‌گیری کند. با این حال، چالش این است که تفاوت زمانی که باید اندازه‌گیری شود، بسیار کوتاه و حدود ۱۰ به توان منفی ۲۶ ثانیه است.

محققان برای غلبه بر این مشکل پیشنهاد می‌کنند از ابرهای اتم به جای اتم‌های منفرد برای تقویت اثر استفاده شود.

این مطالعه در مجله Science Advances منتشر شده است.