Физики измерили время квантового туннелирования

Если вы бросите мяч в стену, он отскочит от нее — это классическая физика в действии. Но, конечно же, мир квантовой физики гораздо сложнее, поэтому, если вы сделали то же самое с частицей, есть вероятность, что она внезапно появится на другой стороне стены. Это благодаря феномену, известному как квантовое туннелирование, и теперь команда физиков измерила, сколько времени занимает этот процесс.

Фраза может вызвать в воображении образы частицы, проходящей сквозь барьер, но это не буквально «туннель» — это на самом деле продукт математического случайного шанса. Скажем, например, вы определяете вероятность того, куда пойдет частица после того, как вы бросите ее в стену. Вероятность того, что она отскочит от стены, чрезвычайно велика, но в квантовом мире вы никогда не сможете быть на 100 процентов уверены в чем-либо. Есть крошечный шанс, что частица проигнорирует стену и продолжит свое путешествие уже на другой стороне.

Хотя это звучит как научная фантастика, квантовое туннелирование является хорошо документированным явлением, которое имеет место в повседневных вещах, таких как электронные микроскопы и транзисторы. Известно, что элементарные частицы, такие как электроны, также регулярно «туннелируют» из своих атомов, что является ключевым фактором, вызывающим радиоактивный распад.

Но одна постоянная загадка вокруг этого явления заключается в том, сколько времени требуется частице, чтобы пройти квантовый туннель через барьер, если вообще требуется ли какое-то время. Некоторые ученые считают, что это происходит мгновенно, но это означает, что она движется быстрее скорости света и может нарушать принцип относительности.

Чтобы попытаться измерить время туннелирования, исследователи из Университета Гриффита и Австралийского национального университета взорвали атомы водорода интенсивным лазером, который излучает 1000 световых импульсов в секунду. Идея состоит в том, что это создает правильные условия для выхода электрона из атома, позволяя ученым точно измерить, сколько времени занимает туннелирование.

Результат? Кажется, что квантовое туннелирование происходит мгновенно — или, по крайней мере, настолько быстро, что по существу мгновенно. По словам исследователей, оно занимает менее 1,8 аттосекунды, что составляет миллиардную долю миллиардной доли секунды.

Интересно, что это гораздо меньшее время в отличие от предыдущих исследований, в которых измерялось намного более длительное время туннелирования. В 2017 году исследователи из института Макса Планка обнаружили, что квантовое туннелирование занимает до 180 аттосекунд, но команда ученых нового исследования говорит, что более ранние эксперименты, подобные этим, были слишком сложными и подвержены ошибкам. Например, в исследовании Макса Планка физики использовали атомы криптона и аргона, которые намного сложнее, чем водород, в котором есть только один электрон.

«В предыдущих тестах использовались более сложные атомы, содержащие несколько или много электронов», — говорит Игорь Литвинюк, со-ведущий автор исследования. «Чтобы учесть взаимодействие между разными электронами, они использовали разные приближенные модели. И из этих моделей они извлекли время. Наша модель не использовала приближения, потому что нам не нужно было беспокоиться об электрон-электронных взаимодействиях».

Исследователи говорят, что они раскрыли эту давнюю загадку физики, но если следовать истинному духу квантовой физики, возможно, мы никогда не сможем быть на 100 процентов уверены в этом.