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
При использовании материалов с сайта активная ссылка на него обязательна
Последние аномальные новости

В районе Красной поляны обнаружили два дольмена

Два охотника стали первыми жертвами болезни оленей

Должно быть место для честного расследования НЛО

Древнейший вулканизм в Солнечной системе

Жители ХМАО засняли НЛО на фоне северного сияния

Загадка странных огней в ночном небе Вены

Китаец прожил 35 лет с просветом аорты

Люди эволюционировали как жуки, а не как позвоночные

Марсоход получил изображения окаменелостей людей

Нашли экзопланету-бродягу земного типа

НЛО в небе над Сызранью

НЛО, трансформации и откровения астронавтов

Ограничение калорий замедлило биологическое старение

Первая буква фамилии студентов определяет успеваемость

Полая Земля, летающие щиты и муравьиные боги

Почему умные люди верят в теории заговора

Сбывающиеся предсказания ясновидящей Ванги

Фрагменты белков могут возникать в космосе

Человек прилетевший с небес

Шамбала и полая Земля в древнем буддизме

Георадар будет искать водные объекты на Юпитере

Дьявольская комета наконец-то стала видна

Затерянный город найден на территории Тонгатапу

ИИ и НАСА борются с изменением климата

Инопланетное существо, выброшенное на австралийский пляж

Какова масса покоящегося нейтрино

НАСА предупреждает о военном присутствии Китая в космосе

НЛО пролетел над красотами Перта

Ортоклаз из свинца - это своего рода загадка

Отчет о программе Kona Blue

Паскагула устраивает вечеринку в честь похищения

Путешественник во времени показал фото из будущего

Самая глубокая дыра в земле была закрыта

Самые странные и неповторимые дома в Огайо

Случаи похищения людей инопланетянами будут изучены

Смертоносная пещера, которая может вызвать пандемию

Такер Карлсон видел свидетельства о подводных НЛО

У человека расплавились пальцы при встрече с НЛО

Увлечение внеземной жизнью восходит к 17-му веку

Черный зверь бродил по полю британского фермера

Встреча с НЛО в школе Ариэль в Зимбабве

Город-призрак, жители которого были вынуждены бежать

Горы и лавовые озера на Ио с высоты птичьего полета

Два неизвестных объекта пролетели мимо МКС

Документальный фильм о похищении в Паскагуле

ИИ VASA1, который может заставить изображения говорить

ИИ изучает планетарный пограничный слой Земли

Инопланетяне украли мои яйцеклетки

Китай осуществляет военные программы в космосе

Книга, предсказавшая катастрофу Титаника

Компания Boston Dynamics представила нового робота

Метеорологи предупреждают о погодных войнах между странами

НЛО залетел в действующий вулкан

Подводя черту под происхождением жизни

Прыщ превратился в опухоль размером с арбуз

Скрытый потенциал РНК в развитии биоинженерии будущего

Состоят ли дюны Титана из кометной пыли

Таинственная механика полета насекомых

Тайна аномалии Балтийского моря наконец-то раскрыта

Хаббл отправляется на поиски небольших астероидов

Гелиевая звезда с самым низким содержанием металлов

Екатеринбуржец выставил на продажу летающую тарелку

Жизнь может существовать в темных водных Европы

Загадка формирования массивных горячих субкарликов

ИИ способен революционизировать кредитование

Инопланетян следует искать на фиолетовых планетах

Инопланетяне похитили яйца у женщины

Метеорит пробил крышу дома

Непрерывные фейковые новости оказывают большее влияние

НЛО влетает в действующий вулкан-портал

НЛО пилотируются духовными сущностями

Океан Энцелада может поддерживать жизнь

Перуанские мумии не являются инопланетянами

Полицейская камера сняла аварийную посадку НЛО

Полярные сияния на холодных коричневых карликах

Попытки AARO вступить в контакт с Дэвидом Грушем

Правительство США намеренно скрывает информацию об НЛО

Разгадка тайн атмосферных рек

США провели испытания управляемого ИИ истребителя

Экстремальные холода в условиях потепления климата

В один прекрасный день ИИ сможет выполнять всю нашу работу

В сеть просочился отчет о встрече ВМС США с НЛО

Давайте поговорим о неопознанных подводных объектах

Доказательства существования инопланетной жизни

Жизнь нужно искать в пурпурных мирах

Жители графства Дербишир взбешены таинственным жужжанием

Как философы воспринимали инопланетную жизнь

Метеорит, пробивший крышу дома во Флориде, прилетел с МКС

Миссия НАСА Солнечный парус готовится к запуску

На протяжении 600 лет манускрипт Войнича остается загадкой

НАСА ищет дешевый способ доставки образцов с Марса

Обнаружена самая массивная черная дыра в нашей галактике

Паранормальные корни программы Пентагона по НЛО

Подтвержден полет аппарата Dragonfly к Титану

Правительство пытается скрыть правду о НЛО

Пурпурные миры населены инопланетянами

Робот-гуманоид Ameca может имитировать человеческую речь

Тестирование технологий для полета на Марс

Человекоподобный НЛО замечен в небе Калифорнии

Я встретил лысых инопланетян–гуманоидов

В небе Калифорнии замечен странный НЛО

Великобритания разрабатывает правила для ИИ

Город богов разрушило мегаземлетрясение

Еще один механизм выживания тихоходок в космосе

Жуткое послание убийцы Зодиака

Квантовый интернет все ближе

Ковчег Завета питал Великую пирамиду Гизы

Морской офицер выражает тревогу по поводу водных НЛО

Нет доказательств существования инопланетных технологий

Новая книга дает представление о космических поисках жизни

Обнаружили близкую массивную черную дыру

Перепись ближайших окрестностей Солнца

Проект по классификации гамма-всплесков

Пурпурный, а не зеленый цвет - цвет жизни на экзопланетах

Стивен Спилберг снимет новый фильм об НЛО

Тайна объекта в форме сердца на поверхности Плутона

Тайна орбитальной нестабильности планет-гигантов

Технология передачи энергии с космических электростанций

Церера таит в себе мрачную тайну

Электричество и батарейки древних египтян

Yeezy Boost 350 v2 Black Черные. Икона Стиля и Инновации

Билл Гейтс поддерживает искусственный интеллект

В небе Калифорнии замечен таинственный объект

В пещерах на Марсе могут находиться инопланетяне

Геолог-любитель получил сильные ожоги от НЛО

Житель Лондона принял вертолет за НЛО

За НЛО отправляйтесь в маленький городок в Висконсине

Звездолеты помогут в поисках новых физических явлений

Интернет может достичь квантовой скорости

Космические силы США готовятся к первой в истории миссии

Министерство обороны публикует документы Kona Blue

Нейтронные звезды нагреваются от аннигиляции темной материи

Нострадамус предсказал войну в 2024 году

Победителем президентских выборов в 2032 году станет робот

Подводные НЛО ставят под угрозу морскую безопасность США

Подводный НЛО сняло исследовательское судно

Проклятая могила с 450 обезглавленными вампирами

Рассекреченный отчет раскрывает дематериализацию НЛО

Тайна высоких уровней энергии в звездных сверхвспышках

Уважаемый астроном не верит в теории заговора об НЛО

Ярчайший гамма-всплеск породила коллапсирующая звезда

Франшиза Pro.Travel. Предпринимательский успех Татьяны Мамаевой

Возвращение денежных средств пострадавшим от брокеров-мошенников. Путь к справедливости

Встреча с НЛО, от которой у человека расплавились пальцы

Детеныш инопланетянина найден в мексиканской пещере

Инопланетяне помешали человечеству скатиться к ядерной войне

Как ученые сообщат человечеству об инопланетянах

Канадский рейтинг мест для наблюдения НЛО

Ключ к поиску жизни в отдаленных мирах

Лучшие наблюдения НЛО в Северной Каролине

Люди не верят, что никаких НЛО нет

Мужчина получил сильные ожоги при встрече с НЛО

Мужчина с разбитым сердцем построил Космические врата

Музей странного и чудесного в Канзасе

Настоящие убежища из сериала Fallout уже построены

НЛО заметили над долиной Нижнего Гудзона

НЛО около Антарктиды - ошибка программного обеспечения

НЛО представляют угрозу безопасность на море

Подводные НЛО ставят под угрозу морскую безопасность США

Призрачные нарушения звездных потоков темной материей

Термодинамика поможет описать расширение Вселенной

Что это за НЛО замечен над штатом Нью-Йорк

Эксцентриситет орбиты создал океан на Мимасе

Более четверти россиян верят в существование инопланетян

Гигантские человеческие скелеты в пещере Лавлок

Глобальное потепление лишит Антарктиду 76% метеоритов

Девочки-близнецы испытывают одинаковые чувства

Древнеиндийская мандала в районе линий Наска

Древние легенды и мифы рассказывают о ануннаках

Женщина чудом выжила после удара молнии

ИИ может притворяться более глупым, чем есть на самом деле

История об оборотнях пронизана загадками и тайнами

Клетки поджелудочной железы пересадят от свиньи человеку

Космические кладбища, затмение и ждать ли НЛО

Космические силы США планируют провести учения на орбите

Магическая сила, делающее тело неуязвимым

Маленькие человечки похитили мужчину

Под Уфой заметили НЛО

Таинственные лабиринты Чинканас

Тайна упавшей в Омске кометы и 17000 фото НЛО

Тайны европейских подземных тоннелей

Тело фанатки вампиров нашли обескровленным

Экстрасенс нашел место захоронения пропавшего мальчика

Гильотинные ножницы по металлу. Назначение и критерии выбора

Как выбрать массажное кресло

Франшиза CyberSeller под управлением Азата Аширова

Подписка на новости
Наверх