كسر سرعة الضوء: لغز النفق الكمي

في ظاهرة مذهلة في فيزياء الكم تسمى النفق، يبدو أن الجسيمات تتحرك بسرعة أكبر من سرعة الضوء. ومع ذلك، يعتقد فيزيائيو دارمشتات أن الوقت الذي تستغرقه الجسيمات لدخول النفق تم قياسه بشكل غير صحيح حتى الآن. يقترحون طريقة جديدة لوقف سرعة الجسيمات الكمومية.

في الفيزياء الكلاسيكية هناك قواعد صارمة لا يمكن التحايل عليها. على سبيل المثال، إذا لم يكن لدى الكرة المتدحرجة طاقة كافية، فإنها لن تصعد فوق التل، ولكنها ستستدير قبل أن تصل إلى القمة وتعكس اتجاهها. في فيزياء الكم، هذا المبدأ ليس صارمًا: يمكن للجسيم أن يعبر حاجزًا، حتى لو لم يكن لديه ما يكفي من الطاقة لعبوره. إنه يتصرف كما لو كان ينزلق عبر نفق، ولهذا السبب تُعرف هذه الظاهرة أيضًا باسم “النفق الكمي”. وما يبدو سحريًا له تطبيقات تقنية ملموسة، على سبيل المثال في محركات أقراص الذاكرة المحمولة.

نفق الكم والنسبية

في الماضي، جذبت التجارب التي تخترق فيها الجسيمات بشكل أسرع من الضوء الانتباه. ففي نهاية المطاف، تحظر النظرية النسبية لأينشتاين السرعات الأسرع من الضوء. وبالتالي فإن السؤال هو ما إذا كان الوقت اللازم لحفر الأنفاق قد تم “إيقافه” بشكل صحيح في هذه التجارب. يتبع الفيزيائيان باتريك شاش وإينو جيزه من جامعة دارمشتات منهجًا جديدًا لتحديد “زمن” الجسيم النفقي. لقد اقترحوا الآن طريقة جديدة لقياس هذه المرة. وفي تجربتهم، قاموا بقياسها بطريقة يعتقدون أنها أكثر ملاءمة للطبيعة الكمومية للنفق. لقد نشروا خطة تجربتهم في المجلة الشهيرة تقدم العلماء.

ازدواجية الموجة والجسيم ونفق الكم

وفقا لفيزياء الكم، فإن الجسيمات الصغيرة مثل الذرات أو جزيئات الضوء لها طبيعة مزدوجة.

اعتمادًا على التجارب، فإنها تتصرف مثل الجسيمات أو مثل الموجات. يسلط النفق الكمي الضوء على الطبيعة الموجية للجسيمات. تتدحرج “حزمة من الأمواج” نحو الحاجز، تشبه موجة الماء. يشير ارتفاع الموجة إلى احتمالية تجسد الجسيم في ذلك الموقع إذا تم قياس موضعه. إذا اصطدمت الحزمة الموجية بحاجز الطاقة، فإن جزءًا منها ينعكس. ومع ذلك، يمر جزء صغير عبر الحاجز وهناك احتمال ضئيل أن يظهر الجسيم على الجانب الآخر من الحاجز.

إعادة تقييم سرعة حفر الأنفاق

لاحظت التجارب السابقة أن الجسيم الضوئي يقطع مسافة أطول بعد النفق مقارنة بالجسيم ذي المسار الحر. وبالتالي فإنه كان سيسافر أسرع من الضوء. ومع ذلك، كان على الباحثين تحديد موقع الجسيم بعد مروره. لقد اختاروا أعلى نقطة في الحزمة الموجية.

“لكن الجسيم لا يتبع مسارًا بالمعنى الكلاسيكي للمصطلح”، يعترض إينو جيزي. من المستحيل تحديد مكان وجود الجسيم بالضبط في أي وقت. لذلك من الصعب تحديد المدة التي سيستغرقها الانتقال من النقطة أ إلى النقطة ب.

نهج جديد لقياس وقت الأنفاق

ومن جانبهم، يستلهم “شاش” و”جيسي” اقتباسًا من ألبرت أينشتاين: “الوقت هو ما تقرأه على مدار الساعة. » يقترحون استخدام جسيم النفق نفسه كساعة. الجسيم الثاني الذي لا ينفق يعمل كمرجع. من خلال مقارنة هاتين الساعتين الطبيعيتين، من الممكن تحديد ما إذا كان الوقت يمر بشكل أبطأ أو أسرع أو بنفس السرعة أثناء النفق الكمي.

الطبيعة الموجية للجسيمات تسهل هذا النهج. إن تذبذب الأمواج يشبه تذبذب الساعة. وبشكل أكثر تحديدًا، يقترح Schach وGiese استخدام الذرات كساعات. تتأرجح مستويات الطاقة للذرات عند ترددات معينة. بعد إرسال أ ذرة ومع نبضة ليزر، تتأرجح مستوياتها في البداية بشكل متزامن – وتبدأ الساعة الذرية. ومع ذلك، أثناء النفق يتغير الإيقاع قليلاً. تتسبب نبضة ليزر ثانية في تداخل الموجتين الداخليتين للذرة. يقيس كشف التداخل المسافة بين موجتي مستويات الطاقة، وهو مقياس دقيق للوقت المنقضي.

أما الذرة الثانية، التي لا تنفق، فهي بمثابة مرجع لقياس الفارق الزمني بين حفر الأنفاق وعدم حفر الأنفاق. تشير الحسابات التي أجراها الفيزيائيان إلى أن جسيم النفق سيعرض وقتًا متأخرًا قليلاً. يوضح باتريك شاش قائلاً: “إن ساعة النفق أقدم قليلاً من الأخرى”. ويبدو أن هذا يتناقض مع التجارب التي نسبت السرعة الفائقة للضوء إلى النفق.

التحدي المتمثل في تنفيذ التجربة

من حيث المبدأ، يمكن إجراء الاختبار باستخدام التكنولوجيا الحالية، كما يوضح شاخ، لكنه يمثل تحديًا كبيرًا للتجارب. في الواقع، الفارق الزمني المطلوب قياسه هو حوالي 10 فقط^-26 ثواني – وقت قصير للغاية. ويوضح الفيزيائي أنه من المفيد استخدام سحب الذرات كساعات بدلاً من الذرات الفردية. ومن الممكن أيضًا تضخيم التأثير، على سبيل المثال عن طريق زيادة ترددات الساعة بشكل مصطنع.

ويضيف جيزى: “إننا نناقش حاليًا هذه الفكرة مع زملائنا التجريبيين، ونحن على اتصال بشركائنا في المشروع”. ومن المحتمل جدًا أن يقرر الفريق قريبًا إجراء هذه التجربة المثيرة.

المرجع: “نظرية موحدة لأزمنة الأنفاق تروج لها ساعات رامزي” بقلم باتريك شاتش وإينو جيزه، 19 أبريل 2024، تقدم العلماء.
دوى: 10.1126/sciadv.adl6078