Szubatómiai szinten a részecskék áthatolhatnak olyan látszólag átjárhatatlan akadályokon, mint a szellemek.
A fizikusok évtizedek óta elgondolkodnak azon, hogy mennyi ideig tart ez az úgynevezett kvantum-alagút. Most, egy hároméves vizsgálat után, az elméleti fizikusok nemzetközi csapata válaszol. Egy új tanulmány szerint egy hidrogénatomból megmértek egy alagút elektronot és megállapították, hogy annak áthaladása gyakorlatilag azonnal megtörtént.
A részecskék nem azért mennek át szilárd tárgyakon, mert nagyon kicsik (bár vannak), hanem azért, mert a fizika szabályai kvantumszinten eltérnek.
Képzeljen el egy gömböt, amely egy völgyben gördül le egy olyan magas lejtő felé, mint a Everest-hegy; A jetpack lövése nélkül a labdának soha nem lenne elegendő energiája a hegy letisztításához. De egy szubatomi részecskének nem kell mennie a dombon, hogy a másik oldalra kerüljön.
A részecskék hullámok is, amelyek végtelenül kiterjednek az űrben. Az úgynevezett hullámagyenlet szerint ez azt jelenti, hogy a részecske a hullám bármely helyzetében megtalálható.
Most ábrázolja az akadályt ütő hullámot; tovább folytatódik, de veszít energiát, és amplitúdója (a csúcs magassága) lemerül. De ha az akadály elég vékony, akkor a hullám amplitúdója nem csökken le nullára. Mindaddig, amíg még nincs elegendő energia a lapos hullámban, van esély - bár egy kicsi -, hogy egy részecske átrepülhet a dombon, és kiléphet a másik oldalról.
Kísérletek elvégzése, amelyek kvantumszinten rögzítették ezt a megfoghatatlan tevékenységet, enyhén szólva, "nagyon kihívást jelentenek", Robert Sang, a kísérleti kvantumfizikus és az ausztráliai Griffith Egyetem professzora, tanulmány társszerzője e-mailben mondta a Live Science-nek.
"A nagyon bonyolult lézerrendszereket, egy reakciómikroszkópot és egy hidrogénatom-sugárrendszert kell kombinálni, hogy mindegyik egyszerre működjön" - mondta Sang.
Felépítése három fontos referenciapontot határozott meg: az atommal való kölcsönhatásuk megkezdése; az az idő, amikor egy felszabadult elektronnak várhatóan kijönne egy akadály mögül; és amikor valójában megjelent, mondta Sang egy videóban.
Időt fénnyel tartani
A kutatók egy attoclocknak nevezett optikai időmérő eszközt használtak - ultra rövid, olyan polarizált fényimpulzusokat, amelyek képesek mérni az elektronok mozgását az attos másodpercig, vagyis a milliárd másodperc milliárdját. Attoclock-ján másodpercenként 1000 impulzus sebességgel fürdött a hidrogénatomok, ami ionizálta az atomokat úgy, hogy elektronjaik elmenekülhessenek a gátról - jelentették a kutatók.
A gát másik oldalán lévő reakciómikroszkóp megmérte az elektron lendületét, amikor felmerült. A reakciómikroszkóp kimutatja az energiaszintet egy töltött részecskében, miután kölcsönhatásba lép az attoclock fényimpulzusával, "és ebből következtethetjük az időt, amire a gáton át kellett menni" - mondta Sang a Live Science számára.
"A mérés pontossága 1,8 másodperc volt" - mondta Sang. "Megállapítottuk, hogy az alagútnak kevesebbnek kell lennie, mint 1,8 másodperc" - tette hozzá azonnal.
Bár a mérési rendszer összetett volt, a kutatók kísérleteiben használt atom egyszerű volt - atomos hidrogén, amely csak egy elektronot tartalmaz. A kutatók korábbi kísérletei során olyan atomokat használtak, amelyek két vagy több elektronot tartalmaztak, mint például hélium, argon és kripton, a tanulmány szerint.
Mivel a felszabadult elektronok kölcsönhatásba léphetnek egymással, ezek a kölcsönhatások befolyásolhatják a részecskék alagútját. Ez megmagyarázhatja, hogy a korábbi tanulmányok becslései miért voltak hosszabbak, mint az új tanulmányban, és több tíz perces másodperc alatt magyarázta Sang. A hidrogén atomszerkezetének egyszerűsége lehetővé tette a kutatók számára, hogy a korábbi kísérletek során elérhetetlen pontossággal kalibrálják kísérleteiket, és ezzel egy fontos referenciaértéket hoztak létre, amely alapján más alagút részecskék mérhetők.
Az eredményeket online közzétették a Nature folyóiratban.
