Квантовое туннелирование не поможет вам пройти сквозь стену
Квантовое туннелирование не поможет вам проскочить сквозь кирпичную стену на платформу 9 3/4, чтобы успеть на экспресс до Хогвартса. Но этот эффект, при котором квантовые частицы могут проходить сквозь непреодолимые, казалось бы, барьеры, остается парадоксальным и опровергающим наше внутренне чутье феноменом. Экспериментальные физики из Торонто использовали атомы рубидия, чтобы исследовать данный эффект, и впервые измерили, в течение какого времени эти атомы проходят через препятствие. Свои выводы они опубликовали в журнале «Нейчер» (Nature) 22 июля.
Ученые доказали, что квантовое туннелирование не является мгновенным, по крайней мере, в одном из представлений об этом явлении, хотя появившиеся недавно материалы свидетельствуют об обратном. «Это прекрасный эксперимент, — говорит Игорь Литвинюк, работающий в Австралии в Университете Гриффита и специализирующийся на проблеме квантового туннелирования. — Чтобы провести его, потребовались просто героические усилия».
Дабы оценить все странности квантового туннелирования, возьмем мяч, который катится по плоской поверхности и вдруг встречает на своем пути небольшой округлый холмик. То, что произойдет дальше, зависит от скорости мяча. Он либо докатится до вершины, а потом скатится по противоположному склону, либо немного взберется наверх, а затем соскользнет назад, потому что ему не хватит энергии для взятия высоты.
Но такие правила не распространяются на частицы в квантовом мире. Даже когда частица не обладает достаточной энергией, чтобы перекатиться через вершину холма, она иногда добирается до его противоположного края. «Частица как бы прорывает туннель под холмом и появляется с другой стороны», — говорит соавтор исследования Эфраим Стайнберг (Aephraim Steinberg) из университета города Торонто.
Такие странности легче понять, если думать о волновой функции частицы, которая является математическим выражением квантового состояния. Волновая функция развивается и распространяется. А ее амплитуда во времени и пространстве в тот или иной момент позволяет нам рассчитать вероятность нахождения частицы именно там и именно тогда — если мы произведем измерения. По определению такая вероятность может быть отличной от нулевой во многих местах одновременно.
Если частица встречает на своем пути энергетический барьер, такое столкновение вносит изменения в распространение волновой функции, которое начинает угасать по экспоненте внутри барьера. Тем не менее, часть ее все-таки просачивается наружу, и на противоположной стороне ее амплитуда не уменьшается до нуля. Таким образом, остается пусть незначительная, но конечная вероятность обнаружить частицу за барьером. Физикам известно про квантовое туннелирование с конца 1920-х годов. Сегодня это явление лежит в основе таких устройств, как туннельные диоды, сканирующие туннельные микроскопы и сверхпроводящие кубиты для квантовой вычислительной техники.
С момента открытия квантового туннелирования исследователи пытаются лучше понять, что именно происходит во время туннелирования. Так, в 1993 году Стайнберг, Пол Квят (Paul Kwiat) и Реймонд Чао (Raymond Chiao), работавшие в то время в Калифорнийском университете в Беркли, обнаружили фотоны, проходящие через оптический барьер (специальный кусок стекла, отражающий 99 процентов налетающих фотонов и пропускающий один процент). Туннелирующие фотоны в среднем появлялись раньше тех, что проходили то же самое расстояние, но без барьеров. Казалось, что туннелирующие фотоны перемещаются быстрее скорости света.
Тщательный анализ показал, что, говоря математическим языком, это пик волновой функции туннелирующих фотонов (самое вероятное место для нахождения частиц), которые перемещаются со сверхсветовой скоростью. Но передние кромки волновых функций беспрепятственно движущихся фотонов и туннелирующих фотонов достигают своих приборов обнаружения в одно и то же время, то есть, здесь нет нарушения теории относительности Эйнштейна. «Пик волновой функции может быть быстрее света без сверхсветового движения информации или энергии», — говорит Стайнберг.
В прошлом году Литвинюк со своими коллегами опубликовал результаты исследования, показавшего, что когда электроны в атомах водорода сдерживаются внешним электрическим полем, действующим в качестве барьера, они время от времени туннелируют сквозь него. Поскольку интенсивность внешнего поля колеблется, меняется и количество туннелирующих электронов, как и предсказывает теория. Эта команда установила, что отставание по времени между тем моментом, когда барьер достигает своего минимума, и когда максимальное количество электронов туннелирует через него, составляет максимум 1,8 аттосекунды (одна миллиардная часть миллиардной доли секунды). Даже свет, имеющий скорость около 300 000 километров в секунду, за одну аттосекунду проходит всего три десятимиллиардных одного метра, то есть, расстояние размером с атом. «Задержка во времени может быть нулевой или составлять несколько зептосекунд (одна тысячная доля аттосекунды)», — говорит Литвинюк.
Некоторые СМИ сделали весьма спорное заявление о том, что эксперимент, проведенный в Университете Гриффита, доказал мгновенность туннелирования. Такая путаница во многом вызвана теоретическими определениями времени туннелирования. То отставание по времени, которое измерили ученые, определенно было близко к нулю, но это не позволяет говорить о том, что электрон вообще не проводит в барьере нисколько времени. Литвинюк с коллегами не исследовал этот аспект квантового туннелирования.
Стайнберг же в результате нового эксперимента утверждает именно это. Его коллектив измерил, сколько времени в среднем атомы рубидия проводят внутри барьера, прежде чем пробьются сквозь него. Это время составляет порядка миллисекунды. Поэтому назвать туннелирование мгновенным никак нельзя. Для начала Стайнберг с коллегами охладил атомы рубидия примерно до одного нанокельвина, а потом направил их с помощью лазеров в одном направлении на малой скорости. Затем ученые преградили им путь другим лазером, создав оптический барьер толщиной около 1,3 микрона. Задача состояла в том, чтобы измерить время, проведенное частицей внутри барьера в процессе туннелирования.
В этих целях ученые сконструировали нечто вроде ларморовых часов, воспользовавшись сложной системой лазеров и магнитных полей, чтобы манипулировать переходами атомного состояния. В принципе, происходит следующее. Представьте себе частицу, которая вращается в определенном направлении — как стрелка часов. Частица наталкивается на барьер, а внутри него находится магнитное поле, заставляющее стрелку вращаться. Чем дольше частица будет находиться внутри барьера, тем больше она будет взаимодействовать с магнитным полем, и тем больше будет вращаться стрелка. Количество вращения соответствует времени, проведенному частицей внутри барьера.
К сожалению, если частица взаимодействует с достаточно мощным магнитным полем, чтобы правильно закодировать прошедшее время, она выйдет из квантового состояния. И процесс туннелирования нарушится. По этой причине Стайнберг с коллегами использовал метод слабых измерений. Группа одинаково подготовленных атомов рубидия приближается к барьеру. Внутри барьера атомы попадают в слабое магнитное поле, с которым почти не взаимодействуют. Такое слабое взаимодействие не мешает туннелированию. Но оно заставляет стрелку часов каждого атома пройти непредсказуемое расстояние, которое можно измерить на выходе атома из барьера. Берем среднее положение стрелок группы атомов и получаем число, которое можно представить как правильное значение для одного атома, хотя такого рода индивидуальные измерения невозможны. Проведя такие слабые измерения, ученые пришли к выводу, что атомы в их эксперименте проводят внутри барьера около 0,61 миллисекунды.
Они также проверили еще один странный тезис квантовой механики: чем меньше энергии, или чем медленнее движение туннелирующей частицы, тем меньше времени она проводит внутри барьера. Это нелогичный результат, потому что согласно нашим представлениям о мире, более медленная частица должна дольше находиться внутри барьера. Измерения вращения стрелки часов произвели большое впечатление на Литвинюка. «Я не вижу в этом никаких изъянов», — говорит он. Однако ученый не спешит с выводами. «Можно по-разному интерпретировать то, как это соотносится с временем туннелирования», утверждает физик.
Квантовый физик Ирфан Сиддики (Irfan Siddiqi) из Калифорнийского университета в Беркли находится под впечатлением от технической сложности эксперимента. «То, что мы увидели, просто поразительно, так как у нас теперь есть инструменты, чтобы проверить все эти философские размышления прошлого века», — говорит он. Сатья Сайнадх Ундурти (Satya Sainadh Undurti), работавший в команде Литвинюка, а сейчас преподающий в Израильском технологическом институте в Хайфе, согласен с ним. «Ларморовы часы — это безусловно правильный способ для поиска ответов на вопросы о времени туннелирования, — говорит он. — Изложенная в этой работе схема эксперимента является умным и чистым способом его реализации».
Стайнберг признает, что некоторые квантовые физики усомнятся в выводах и объяснениях его команды, особенно те, кому слабые измерения кажутся сомнительными. Тем не менее, он полагает, что проведенный эксперимент указывает на нечто неоспоримое в отношении времени туннелирования. «Если пользоваться правильными определениями, туннелирование не является мгновенным. Оно просто проходит поразительно быстро, — говорит ученый. — И мне кажется, что в этом все-таки очень большое различие».
Источник
Меню
Архив материалов
Подписка на новости
Новости криптозоологии
Хроники природных катастроф
Последние новости
12.08.2019 - 16.09.2019 (990)
17.09.2019 - 26.10.2019 (1000)
27.10.2019 - 12.12.2019 (1000)
13.12.2019 - 25.01.2020 (1000)
26.01.2020 - 06.03.2020 (990)
07.03.2020 - 16.04.2020 (1010)
17.04.2020 - 19.05.2020 (1000)
20.05.2020 - 25.06.2020 (990)
26.06.2020 - 04.08.2020 (995)
Последние аномальные новости

В предсказаниях Нострадамуса нет ничего пугающего

Великобритания будет сжигать очаги пандемии

Возле Луны промчался таинственный объект

Дискообразный НЛО попал в вечерний выпуск новостей

До катастрофы осталось мало времени

Звезды, которые боятся всего паранормального

Из-за проклятой куклы отец убил свою дочь

Кладбище чертей и долина смерти

Конспирологические теории вокруг звезд российской эстрады

Линии на руке. Значение, описание

Матрица посвящена трансгендерам и гендерной идентичности

Местные жители заметили НЛО под Кемеровом

Место силы - Мавринский майдан

Металлические облака в атмосферах экзопланет

Необычно плотная экзопланета

НЛО возле поезда

Прототип звездолета совершил первый полет

Сакральный смысл орнамента

Сущности в моей ванной

Технология 5G не отразится на здоровье россиян

Артефакты инков нашли на дне озера Титикака

Астат-211 лучший материал для радиотерапии

Большой Брат из Microsoft следит за вами всегда

В китайских летописях обнаружены свидетельства об НЛО

Вокруг звезды RU Волка обнаружена необычная структура

Восприятие речи у собак оказалось схоже с человеческим

Девушка девять дней просидела одна в лесу

Древние драконы проснулись

Загадка Аззо Бассоу, прозванного последним неандертальцем

Илон Маск. Пирамиды построили инопланетяне

Илон Маск. Подробности технологии мозговых чипов

Квартира ожила и начала мстить за грязь

Легенды и предания Выксунского края

Летающее такси испытали в Германии

Мир будет скоро уничтожен

Мифология, созданная Лавкрафтом

Молодой Марс был практически без жидкой воды

Монах Авель предсказал России спасение

Найденный под Ростовом-на-Дону метеорит упал 300-500 лет назад

Планеты Солнечной системы не вращаются вокруг Солнца

Под Воронежем чупакабра загрызла более десятка домашних птиц

Почему столько финансирования направляется на изучение Марса

Призрачный солдат, из которого текла голубая кровь

Проклятая поляна в Локнянском районе

Самые злободневные научно-фантастических романы

Семь чудес Приморья

Странные знаки появились на полях под Тюменью

Что осталось от легендарных разбойников Крыма

Что-то непонятное произошло в небе над Улан-Удэ

Экзопланеты могут рождаться возле черных дыр

Вечно молодой мужчина поделился секретами

Высокогорское чудовище озера Кара-Куль

Доисторические деревья-гиганты могут появиться в Европе

Древние метеориты можно найти в скалах

Женщина слышит голоса умерших жителей Сызрани

Житель Ростова нашёл метеорит весом 600 кг

Как на острове Лесбос появился окаменевший лес

Как семья из Чили столкнулась с гаргульями

Какого цвета будет растительность на других планетах

Кот преодолел 64 км, чтобы вернутся к хозяевам

На Солнце намечается мега-вспышка, которая утопит Землю

Научились управлять белками, продлевающими жизнь

НЛО над Белым домом

Новый метод для поиска и определения благоприятных для жизни планет

Падающий метеорит заметили в небе над Новосибирском

По всей Земле обнаружили обломки одной планеты

По меньшей мере дважды почти вся Земля была покрыта снегом

Потерянный отчет НАСА о НЛО найден

Призрачный автостопщик Блю Белл Хилл

Причудливая история об инопланетянине Ауссо

Русский прорицатель предсказал ряд событий 2020 года

Семья гномов из Освенцима

Случайно обнаружили статуи древних богов

Хара Хото - черный город с привидениями

Цикад-зомби снова заметили на полях

В крошечной деревушке регулярно видят йети, пришельцев и гоблинов

В старой газете нашли пророчество о коронавирусе

Девочка-собака из Мексики

Жители одной из деревень в Башкирии напуганы чупакаброй

Загадка гигантских статуй в джунглях Индонезии

Загадочный круг на пшеничном поле появился в Германии

Илон Маск рассказал о чипировании

Люди массово видят сны про дождь из метеоритов

Небольшой расовый конфликт назревает в небесах

Ядерный гриб появился над Латвией

Беспокойная ферма на Холме Эльфов

В музее Фридландские ворота происходит сверхъестественное

Голос заманивал в чащу

Голоса у тропы

Замаскированный НЛО замечен около горы Фудзи

Земля на пути к облаку астероидов

Инопланетянина выбросила на пляж Ливерпуля

Исчезновение в канадской тундре

К Марсу отправили третью миссию за месяц

Кости нашел ворон

Ледяной покров на Ганимеде превратился в необычное вещество

Летающие машины смогут ездить по дорогам

Лофтус Холл - самый известный дом с привидениями

Места России, с которыми связаны мистические истории

Над Пензой заметили меняющее собственную форму НЛО

НЛО в старинных китайских летописях

Окаменевшая рыба-амфибия найдена на Марсе

Оранжевый НЛО над берегом Японии

Парень решил, что у него в подвале живут призраки

Поклонники мистики стремятся в замок Шарлевиль

Пропавший в тумане

Прототип Starship SN5 прошел первые огневые испытания

Странное облако заметили на Марсе

Суперземли породнили с субнептунами

Тропы не было на картах

У некоторых звезд может быть до семи обитаемых планет

Удивительные и мистические места Хакасии

Ушел босиком и не вернулся

Что если инопланетяне - это будущие версии людей

Что превратило Землю в двигатель внутреннего сгорания

Все качественные товары в одном месте. Как магазин спасает в кризис

Аномально тонкая талия девушки озадачила пользователей

Возможная причина загадочных смертей слонов в Ботсване

Девушка случайно проглотила вилку

До нашей Вселенной существовало еще что-то

Жители деревни поклоняются шестилапой лягушке

Жуткое привидение заметили на онлайн уроке

Загадочная история исчезновения Мэтью Пендерграста

ИИ вывел формулу идеальных отношений

Конспирология, ложь и тайное общество

Люди описали происходящие по ночам паранормальные явления

Магнитная стимуляция мозга стерла неприятные воспоминания

Пентагон заявил, что не исключает вероятность запуска ракет по ошибке

Профессор раскрыла секрет долголетия

Пугающие люди-лягушки

Старушка дважды воскресала на собственных похоронах

Сын Алибасова заподозрил Федосееву-Шукшину в колдовстве

Туристы нашли на побережье инопланетную рыбу

Что хакеры искали на серверах Ватикана

Шестиногая корова с двумя хвостами дожила до двух лет

Эффекта Бабочки не существует в квантовом мире

Виманы - древние машины, бросающие вызов гравитации

Загадки и тайны Омска

Красный шар замечен над Бразилией

Любитель старины нашел двойника на старом снимке

Меняющий форму НЛО замечен над Рио-де-Жанейро

Найдены микробы, возрастом в 100 миллионов лет

Неожиданные факты о человеческом сне

НЛО - очередная выдумка американских военных

НЛО был замечен над югом Испании

НЛО замечен около немецкой военной базы

Новые алгоритмы распознают человека в маске

Обнаружили самую тяжелую экзопланету

Определили источник загадочного радиосигнала

Оценили угрозу астероидов 2009 PQ1 и Апофис

Под поверхностью Марса существует жизнь

Половина россиян не поверила в высадку США на Луну

Предсказан коллапс человечества с вероятностью в 90%

Пять признаков того, что человек проживет долго

Разработали аналог змеиного зрения

Рептилоиды вводят людям в кровь икру инопланетян

Республика Алтай. Сакральные горы, озера, петроглифы

Россияне пока считают ИИ чудом

Самые мистические места Новосибирской области

Секрет кавказского долголетия заключается в шашлыке

Семена в Хранилище Судного Дня скоро испортятся

Серебрянный шар замечен на пляже Кемера

Сходненская чаша и легенды, связанные с этим таинственным местом

Удивительные предсказания Нострадамуса

Химический паспорт Стоунхенджа

Шахтер нашел в горах портал в иной мир

Более 35% россиян верит в существование инопланетян

Большой НЛО вошел в атмосферу Земли

Врата Ада в Восточной Сибири расширяются

Грибы из Чернобыля защитят астронавтов от радиации

Дискообразный НЛО пролетел над Теннесси

Жители Бурятии засняли НЛО

Жительница Елшанки сняла на видео НЛО

Жительница Нигерии прошла через непорочное зачатие

Загадка черных треугольников

Звездолет инопланетян замечен у Солнца

Извержение вулкана началось на Марсе

Илон Маск заявил об опасности искусственного интеллекта

Инопланетяне устроили световым шоу над Бразилией

Исчезновения людей, которые криминалисты не могут понять

Как найти кротовую нору

Лучших экстрасенсов наградили в Москве

Мужчина проглотил 20-сантиметровый нож и остался в живых

Найдены реликвии Людей из облаков

Необычные мегалиты обнаружены в Индии

Опасна ли аномалия магнитного поля Земли

Подписка на новости
Подписка на новостой RSS-канал сайта
Получать новости сайта по почте
Контактный адрес для любых сообщений
Наверх
Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика