Na subatomické úrovni mohou částice prolétat zdánlivě neprůchodnými bariérami, jako jsou duchové.
Po celá desetiletí se fyzici zajímali, jak dlouho trvá takzvané kvantové tunelování. Nyní, po tříletém šetření, má mezinárodní tým teoretických fyziků odpověď. Měřili tunelující elektron z atomu vodíku a podle nové studie zjistili, že jeho průchod je prakticky okamžitý.
Částice mohou procházet pevnými objekty ne proto, že jsou velmi malé (i když jsou), ale proto, že fyzikální pravidla se na kvantové úrovni liší.
Představte si, že se míč valí údolím směrem ke svahu jak vysokému jako Mount Everest; bez podpory z jetpacku by míč nikdy neměl dostatek energie, aby vyčistil kopec. Ale subatomická částice nemusí jít přes kopec, aby se dostala na druhou stranu.
Částice jsou také vlny, které se nekonečně rozprostírají ve vesmíru. Podle tzv. Vlnové rovnice to znamená, že částice může být nalezena v jakékoli poloze na vlně.
Nyní si představte, jak vlna dopadá na bariéru; pokračuje dál, ale ztrácí energii a jeho amplituda (výška vrcholu) klesá dolů. Je-li však překážka dostatečně tenká, amplituda vlny se neklesne na nulu. Dokud ve zploštělé vlně zůstane nějaká energie, existuje určitá šance - byť malá -, že částice může letět skrz kopec a na druhou stranu.
Provádění experimentů, které zachytily tuto nepolapitelnou aktivitu na kvantové úrovni, bylo přinejmenším „velmi náročné“, spoluautor studie Robert Sang, experimentální kvantový fyzik a profesor na Griffith University v Austrálii, řekl společnosti Live Science v e-mailu.
„Musíte kombinovat velmi komplikované laserové systémy, reakční mikroskop a systém atomových paprsků vodíku, abyste mohli pracovat současně,“ řekl Sang.
Jejich nastavení stanovilo tři důležité referenční body: začátek jejich interakce s atomem; doba, kdy se měl uvolněný elektron objevit zpoza bariéry; a čas, kdy se to skutečně objevilo, řekl Sang ve videu.
Udržujte čas se světlem
Vědci použili optické měřicí zařízení zvané attoclock - ultrashort, polarizované světelné pulzy schopné měřit pohyby elektronů až do bodu vosu nebo miliardtinu miliardtiny sekundy. Jejich attoclock koupal atomy vodíku ve světle rychlostí 1000 pulzů za sekundu, které ionizovaly atomy tak, aby jejich elektrony mohly uniknout bariérou.
Reakční mikroskop na druhé straně bariéry změřil hybnost elektronu, když se objevil. Reakční mikroskop detekuje energetické hladiny v nabité částici poté, co interaguje se světelným pulsem z attoclocku, „a z toho můžeme odvodit čas, který zabral bariéru,“ řekl Sang Live Science.
„Přesnost, kterou bychom to mohli změřit, byla 1,8 attosekundy,“ řekl Sang. „Podařilo se nám dojít k závěru, že tunel musí být kratší než 1,8 vteřin“ - dodal téměř okamžitě.
Ačkoli byl měřicí systém složitý, atom používaný v experimentech vědců byl jednoduchý - atomový vodík, který obsahuje pouze jeden elektron. Předchozí experimenty provedené jinými vědci používaly atomy, které obsahovaly dva nebo více elektronů, jako je helium, argon a krypton, podle studie.
Protože uvolněné elektrony mohou vzájemně interagovat, mohou tyto interakce ovlivnit časy tunelování částic. To by mohlo vysvětlit, proč odhady předchozích studií byly delší než v nové studii a desítky sekund, vysvětlil Sang. Jednoduchost atomové struktury vodíku umožnila vědcům kalibrovat své experimenty s přesností, která byla v předchozích pokusech mimo dosah, čímž se vytvořilo důležité měřítko, podle kterého lze nyní měřit další tunelové částice.
Výsledky byly zveřejněny online 18. března v časopise Nature.
