Na subatomatickej úrovni môžu častice lietať cez zdanlivo nepriechodné bariéry, ako sú duchovia.
Po celé desaťročia sa vedci zaujímali o to, ako dlho trvá takzvané kvantové tunelovanie. Teraz, po trojročnom vyšetrovaní, má medzinárodný tím teoretických fyzikov odpoveď. Podľa novej štúdie zmerali tunelový elektrón z atómu vodíka a zistili, že jeho prechod bol prakticky okamžitý.
Častice môžu prechádzať cez pevné objekty nie preto, že sú veľmi malé (hoci sú), ale preto, že pravidlá fyziky sa na kvantovej úrovni líšia.
Predstavte si guľu, ktorá sa valí z údolia smerom na svah vysoký ako Mount Everest; bez posilnenia z jetpacku by lopta nikdy nemala dostatok energie na vyčistenie kopca. Ale subatomická častica nemusí ísť cez kopec, aby sa dostala na druhú stranu.
Častice sú tiež vlny, ktoré nekonečne zasahujú do vesmíru. Podľa takzvanej vlnovej rovnice to znamená, že časticu možno nájsť v akejkoľvek polohe na vlne.
Teraz si predstavte, ako vlna zasiahne bariéru; pokračuje ďalej, ale stráca energiu a jeho amplitúda (výška vrcholu) klesá. Ak je však prekážka dostatočne tenká, amplitúda vlny sa nezníži na nulu. Pokiaľ v sploštenej vlne zostáva ešte nejaká energia, existuje určitá šanca - aj keď malá -, že častica môže preletieť cez kopec a na druhú stranu.
Vykonávanie experimentov, ktoré zachytili túto nepolapiteľnú aktivitu na kvantovej úrovni, bolo prinajmenšom „veľmi náročné“, spoluautor štúdie Robert Sang, experimentálny kvantový fyzik a profesor na Griffith University v Austrálii, povedal spoločnosti Live Science v e-maile.
„Aby ste pracovali naraz, musíte skombinovať veľmi komplikované laserové systémy, reakčný mikroskop a systém atómových atómov vodíka,“ povedal Sang.
Ich usporiadanie stanovilo tri dôležité referenčné body: začiatok ich interakcie s atómom; čas, kedy sa mal uvoľnený elektrón objaviť spoza bariéry; a čas, kedy sa skutočne objavil, povedal Sang vo videu.
Udržujte čas so svetlom
Vedci používali optické zariadenie na meranie času nazývané attoclock - ultrashort, polarizované svetelné impulzy schopné merať pohyby elektrónov do atosekundy alebo miliardtinu miliardtiny sekundy. Vedci tvrdili, že ich attoclock vo vode lúče atómy vodíka rýchlosťou 1 000 impulzov za sekundu, ktoré ionizovali atómy, aby ich elektróny mohli uniknúť cez bariéru.
Reakčný mikroskop na druhej strane bariéry meral moment elektrónu, keď sa objavil. Reakčný mikroskop deteguje hladiny energie v nabitej častici potom, čo interaguje so svetelným impulzom z vrcholu, „a z toho môžeme odvodiť čas, ktorý uplynul, aby prešiel bariérou,“ povedal Sang Live Science.
„Presnosť, ktorú by sme mohli zmerať, bola 1,8 attoseconds,“ povedal Sang. „Podarilo sa nám dospieť k záveru, že tunelovanie musí byť kratšie ako 1,8 sekundy“ - dodal takmer okamžite.
Aj keď bol merací systém zložitý, atóm použitý v experimentoch vedcov bol jednoduchý - atómový vodík, ktorý obsahuje iba jeden elektrón. Predchádzajúce experimenty uskutočňované inými výskumníkmi používali podľa štúdie atómy, ktoré obsahovali dva alebo viac elektrónov, ako napríklad hélium, argón a kryptón.
Pretože uvoľnené elektróny sa môžu vzájomne ovplyvňovať, môžu tieto interakcie ovplyvniť časy tunelov častíc. To by mohlo vysvetľovať, prečo boli odhady predchádzajúcich štúdií dlhšie ako v novej štúdii a desiatkami vosých sekúnd, vysvetlil Sang. Jednoduchosť atómovej štruktúry vodíka umožnila vedcom kalibrovať svoje experimenty s presnosťou, ktorá bola mimo dosahov pri predchádzajúcich pokusoch, čím sa vytvorila dôležitá referenčná hodnota, na základe ktorej možno teraz merať ďalšie tunelové častice.
Zistenia boli uverejnené online 18. marca v časopise Nature.
