Işık Hızını Kırmak: Kuantum Tüneli Gizemi

Tünel açma olarak bilinen kuantum fiziğinin şaşırtıcı bir olgusunda, parçacıkların ışık hızından daha hızlı hareket ettiği görülmektedir. Ancak Darmstadtlı fizikçiler şimdiye kadar parçacıkların tünelde geçirdikleri sürenin yanlış ölçüldüğüne inanıyor. Kuantum parçacıklarının hızını durdurmanın yeni bir yolunu öneriyorlar.

Klasik fizikte aşılamayan katı yasalar vardır. Örneğin yuvarlanan bir topun yeterli enerjisi yoksa tepeyi aşamaz; Bunun yerine zirveye ulaşmadan önce aşağıya doğru inecek. Kuantum fiziğinde bu prensip tamamen katı değildir. Burada bir parçacık, onu geçmek için yeterli enerjiye sahip olmasa bile bir engeli geçebilir. Sanki bir tünelden geçiyormuş gibi davranıyor, bu nedenle bu olaya “kuantum tünelleme” de deniyor. Sadece teorik bir sihir olmaktan çok uzak olan bu olgunun, flash bellek sürücülerinin çalışması gibi pratik uygulamaları da var.

Kuantum tünelleme ve görelilik

Geçmişte, ışıktan hızlı parçacıklarla yapılan deneyler ilgi çekmişti. Sonuçta Einstein’ın görelilik teorisi ışıktan daha hızlı hızları yasaklıyor. Bu nedenle soru, tünel açma için gereken sürenin bu deneylerde uygun şekilde “duraklatılıp durdurulmadığı”dır. Darmstadt Üniversitesi’nden fizikçiler Patrick Schach ve Eno Giese, tünel oluşturan bir parçacığın “zamanını” belirlemek için yeni bir yaklaşım izliyor. Şimdi bu zamanı ölçmek için yeni bir yol önerdiler. Deneylerinde bunu tünellemenin kuantum doğasına daha uygun olduğuna inandıkları bir şekilde ölçtüler. Deney tasarımlarını ünlü dergide yayınladılar Bilimin ilerlemesi.

Dalga-parçacık ikiliği ve kuantum tünelleme

Kuantum fiziğine göre atomlar veya ışık parçacıkları gibi küçük parçacıklar ikili bir yapıya sahiptir.

Deneye bağlı olarak parçacık veya dalga gibi davranıyorlar. Kuantum tünelleme parçacıkların dalga doğasını vurgular. Bir “dalga paketi”, su akışına benzer şekilde bariyere doğru yuvarlanır. Dalga yüksekliği, konumu ölçüldüğünde bir parçacığın o konumda gerçekleşme olasılığını gösterir. Bir dalga paketi bir enerji bariyerine çarptığında bir kısmı yansıtılır. Ancak küçük bir kısmı bariyere nüfuz eder ve parçacığın bariyerin diğer tarafında görünme olasılığı da düşüktür.

Tünel hızının yeniden değerlendirilmesi

Önceki deneyler, hafif bir parçacığın tünel açıldıktan sonra serbest yolu olan bir parçacığa göre daha uzun bir mesafe kat ettiğini gözlemlemişti. Bu nedenle ışıktan daha hızlı hareket etmiş olmalıdır. Ancak araştırmacıların parçacığın yerini geçtikten sonra belirlemesi gerekiyordu. Dalga paketindeki en yüksek noktayı seçtiler.

Eno Giese, “Fakat parçacık klasik anlamda bir yol izlemez” diye itiraz ediyor. Belirli bir zamanda bir parçacığın tam olarak nerede olduğunu belirlemek imkansızdır. Bu, A noktasından B noktasına gitmek için gereken süre hakkında açıklama yapmayı zorlaştırıyor.

Tünel açma süresini ölçmeye yeni bir yaklaşım

Öte yandan Shash Brief’i Albert Einstein’ın bir alıntısı yönlendiriyor: “Zaman, saatte okuduğunuz şeydir.” Tünel parçacığının kendisini saat olarak kullanmayı öneriyorlar. İkinci harcanmamış parçacık bir referans görevi görür. Bu iki doğal saati karşılaştırarak kuantum tünelleme sırasında zamanın daha yavaş mı, daha hızlı mı yoksa aynı hızda mı geçtiğini tespit etmek mümkün.

Parçacıkların dalga doğası bu yaklaşımı kolaylaştırır. Dalgaların salınımı saatin salınımına benzer. Spesifik olarak Schach ve Giese, atomların saat olarak kullanılmasını önermektedir. Atomların enerji seviyeleri belirli frekanslarda salınır. A’ya hitap ettikten sonra Mısır Bir lazer darbesiyle seviyeleri başlangıçta eşzamanlı olarak salınır; atom saati başlar. Tünel sırasında ritim biraz değişiyor. İkinci bir lazer darbesi, atomun iki iç dalgasının örtüşmesine neden olur. Paraziti tespit etmek, iki enerji seviyesi dalgasının birbirinden ne kadar uzakta olduğunu ölçmeyi mümkün kılar, bu da geçen sürenin doğru bir ölçümüdür.

Tünele girmeyen ikinci atom ise tünel kazma ile kazmama arasındaki zaman farkını ölçmek için referans görevi görüyor. Fizikçilerin hesaplamaları tünel parçacığının biraz daha sonra ortaya çıkacağını gösteriyor. Patrick Schach, “Tünelden çıkarılan saat, diğer saatten biraz daha eski” diyor. Bu, ışık hızını tünel açmaya bağlayan deneylerle çelişiyor gibi görünüyor.

Deneyi uygulamanın zorluğu

Schach, prensipte testin mevcut teknoloji kullanılarak yapılabileceğini ancak bunun deneyler için büyük bir zorluk teşkil ettiğini söylüyor. Bunun nedeni, ölçülecek zaman farkının yalnızca 10 saniye kadar olmasıdır.^-26 Saniye – çok kısa bir süre. Fizikçi, tek tek atomlar yerine atom bulutlarını saat olarak kullanmanın faydalı olduğunu açıklıyor. Örneğin saat frekanslarını yapay olarak artırarak efekti güçlendirmek de mümkündür.

Gizzi, “Şu anda bu fikri deneysel meslektaşlarımızla tartışıyoruz ve proje ortaklarımızla iletişim halindeyiz” diye ekliyor. Ekibin yakında bu heyecan verici deneyi yapmaya karar vermesi çok muhtemel.

Referans: Patrick Schach ve Eno Giese tarafından yazılan “Ramsey saatleri tarafından desteklenen birleşik tünel zamanları teorisi”, 19 Nisan 2024, Bilimin ilerlemesi.
doi: 10.1126/sciadv.adl6078