На субатомному рівні частинки можуть пролітати через, здавалося б, непрохідні бар'єри, як привиди.
Десятиліттями фізики дивувались, скільки часу займає так зване квантове тунелювання. Тепер, після трирічного дослідження, відповідь має міжнародна команда фізиків-теоретиків. Вони виміряли тунельний електрон від атома водню і виявили, що його проходження практично миттєве, згідно з новим дослідженням.
Частинки можуть проходити крізь тверді об'єкти не тому, що вони дуже малі (хоча вони є), а тому, що правила фізики на квантовому рівні різні.
Уявіть, як куля котиться по долині до схилу, високого, як Еверест; без поштовху від реактивного пакету м'яч ніколи не мав би достатньо енергії, щоб очистити пагорб. Але субатомній частинці не потрібно їхати через пагорб, щоб дістатися до іншої сторони.
Частинки - це також хвилі, які нескінченно простягаються в просторі. Відповідно до так званого хвильового рівняння, це означає, що частинка може знаходитися в будь-якому положенні хвилі.
Тепер зобразіть хвилю, яка б’є бар'єр; він продовжується наскрізь, але втрачає енергію, і його амплітуда (висота піку) опускається вниз. Але якщо перешкода досить тонка, амплітуда хвилі не спадає до нуля. Поки у сплющеної хвилі залишилось трохи енергії, є певний шанс - хоч і невеликий -, що частинка може пролетіти через пагорб і з іншого боку.
Проведення експериментів, які захоплювали цю невловиму діяльність на квантовому рівні, було, як мінімум, дуже складною, співавтор дослідження Роберт Санг, експериментальний квантовий фізик та професор університету Гріффіт в Австралії, розповів Live Science в електронному листі.
"Вам потрібно поєднати дуже складні лазерні системи, реакційний мікроскоп та систему атомного пучка водню, щоб працювати все одночасно", - сказав Санг.
Їх установка встановила три важливі орієнтири: початок їх взаємодії з атомом; час очікування виходу звільненого електрона з-за бар'єру; і час, коли він насправді з'явився, Санг сказав у відео.
Тримаючи час зі світлом
Дослідники застосували оптичний пристрій хронометражу, який називається "годинник" - ультракороткий, поляризований світловий імпульс, здатний вимірювати рух електронів до атсекунд, або мільярдну частку мільярдної секунди. Їхні годинники купали атоми водню у світлі зі швидкістю 1000 імпульсів в секунду, що іонізувало атоми, щоб їхні електрони могли вийти через бар'єр, повідомляють дослідники.
Реакційний мікроскоп з іншого боку бар'єру вимірював імпульс електрона, коли він з'явився. Реакційний мікроскоп виявляє рівні енергії в зарядженій частинці після того, як він взаємодіє зі світловим імпульсом від годинника, "і з цього ми можемо зробити висновок про час, необхідний для проходження бар'єру", - сказав Санг Live Science.
"Точність, яку ми могли б виміряти, становила 1,8 аттосекунд", - сказав Санг. "Ми змогли зробити висновок, що тунелювання має бути менше 1,8 аттосекунд" - майже миттєво, додав він.
Хоча вимірювальна система була складною, атом, використаний в дослідах дослідників, був простим - атомний водень, який містить лише один електрон. Попередні експерименти, проведені іншими дослідниками, використовували атоми, які містили два або більше електронів, таких як гелій, аргон і криптон, згідно з дослідженням.
Оскільки звільнені електрони можуть взаємодіяти один з одним, ці взаємодії можуть впливати на час тунелювання частинок. Це може пояснити, чому оцінки попередніх досліджень були довші, ніж у новому дослідженні, і на десятки аттосекунд, пояснив Санг. Простота атомної структури водню дозволила дослідникам відкалібрувати свої експерименти з точністю, яка була недосяжна в попередніх спробах, створивши важливий орієнтир, по якому зараз можна виміряти інші тунельні частинки, повідомляють дослідники.
Ці результати були опубліковані в Інтернеті 18 березня в журналі Nature.
