على المستوى دون الذري ، يمكن للجسيمات أن تطير من خلال حواجز تبدو غير قابلة للسير مثل الأشباح.
لعقود ، تساءل الفيزيائيون عن المدة التي يستغرقها هذا ما يسمى بالنفق الكمومي. الآن ، بعد تحقيق استمر ثلاث سنوات ، لدى فريق دولي من علماء الفيزياء النظرية إجابة. قاموا بقياس إلكترون نفق من ذرة هيدروجين ووجدوا أن مروره كان عمليًا ، وفقًا لدراسة جديدة.
يمكن للجسيمات أن تمر عبر الأجسام الصلبة ليس لأنها صغيرة جدًا (على الرغم من أنها صغيرة) ، ولكن لأن قواعد الفيزياء مختلفة على المستوى الكمي.
تخيل كرة تتدحرج في واد نحو منحدر يصل إلى جبل إيفرست ؛ بدون دفعة من jetpack ، لن يكون للكرة ما يكفي من الطاقة لمسح التل. لكن الجسيمات دون الذرية لا تحتاج إلى الذهاب إلى أعلى التل للوصول إلى الجانب الآخر.
الجسيمات هي أيضًا موجات ، تمتد إلى ما لا نهاية في الفضاء. وفقًا لما يسمى بمعادلة الموجة ، هذا يعني أنه يمكن العثور على جسيم في أي موضع على الموجة.
تصور الآن الموجة التي تصطدم بحاجز. يستمر من خلال ولكنه يفقد الطاقة ، وينخفض اتساعه (ارتفاع القمة) إلى أسفل. ولكن إذا كانت العائق رقيقًا بما فيه الكفاية ، فإن اتساع الموجة لا يتحلل إلى الصفر. طالما لا تزال هناك بعض الطاقة المتبقية في الموجة المسطحة ، هناك فرصة - وإن كانت صغيرة - أن الجسيم قد يطير عبر التل ويخرج من الجانب الآخر.
قال روبرت سانغ ، مؤلف مشارك في الفيزياء الكمية وأستاذ في جامعة جريفيث في أستراليا ، لـ Live Science في بريد إلكتروني إن إجراء التجارب التي استحوذت على هذا النشاط المراوغ على المستوى الكمي كان "صعبًا للغاية" على أقل تقدير.
قال سانغ: "أنت بحاجة إلى الجمع بين أنظمة الليزر المعقدة للغاية ، وميكروسكوب التفاعل ونظام الشعاع الذري الهيدروجين للعمل في نفس الوقت".
أسس إعدادهم ثلاث نقاط مرجعية مهمة: بداية تفاعلهم مع الذرة. الوقت الذي كان من المتوقع أن يخرج فيه إلكترون متحرر من خلف حاجز ؛ وقال سانغ في مقطع فيديو والوقت الذي ظهر فيه بالفعل.
الحفاظ على الوقت مع الضوء
استخدم الباحثون جهاز ضبط الوقت البصري يسمى Attoclock - فائق السرعة ، نبضات ضوئية مستقطبة قادرة على قياس حركات الإلكترونات إلى attosecond ، أو مليار من جزء من مليار من الثانية. وذكر الباحثون أن موقتهم قاموا بغسل ذرات الهيدروجين في الضوء بمعدل 1000 نبضة في الثانية ، مما أدى إلى تأين الذرات حتى تتمكن الإلكترونات من الهروب عبر الحاجز.
قام مجهر التفاعل على الجانب الآخر من الحاجز بقياس زخم الإلكترون عند ظهوره. وقال سانغ لـ Live Science: إن مجهر التفاعل يكتشف مستويات الطاقة في جسيم مشحون بعد أن يتفاعل مع نبض الضوء من خلال المنبه "ومن ذلك يمكننا استنتاج الوقت الذي يستغرقه المرور عبر الحاجز".
وقال سانغ: "الدقة التي يمكن أن نقيس بها هذا كانت 1.8 أوقية." وأضاف: "تمكنا من استنتاج أن الأنفاق يجب أن تكون أقل من 1.8 أتوس" - على الفور.
على الرغم من أن نظام القياس كان معقدًا ، كانت الذرة المستخدمة في تجارب الباحثين بسيطة - الهيدروجين الذري ، الذي يحتوي على إلكترون واحد فقط. ووفقًا للدراسة ، استخدمت التجارب السابقة التي أجراها باحثون آخرون ذرات تحتوي على إلكترونين أو أكثر ، مثل الهيليوم والأرجون والكريبتون.
لأن الإلكترونات المحررة يمكن أن تتفاعل مع بعضها البعض ، يمكن أن تؤثر هذه التفاعلات على أوقات نفق الجسيمات. وأوضح سانج أن ذلك يمكن أن يفسر لماذا كانت تقديرات الدراسات السابقة أطول مما كانت عليه في الدراسة الجديدة ، وبعشرات الثواني. أفاد الباحثون أن بساطة البنية الذرية للهيدروجين سمحت للباحثين بمعايرة تجاربهم بدقة لم تكن في متناولهم في محاولات سابقة ، مما أدى إلى إنشاء معيار مرجعي يمكن قياس جزيئات الأنفاق الأخرى مقابله.
تم نشر النتائج على الإنترنت في 18 مارس في مجلة Nature.
