물리학 자들이 이론이 허용하는 가장 이상한 현상 중 하나를 확인한 것보다 더 빨리 양자 역학의 급진적 인 방정식이 발견되지 않았다.
"양자 터널링"은 전자와 같은 입자가 더 큰 것과 얼마나 크게 다른지를 보여줍니다. 벽에 공을 던지면 뒤로 튀어 나옵니다. 계곡의 바닥으로 굴려 놓고 거기에 머물러 있습니다. 그러나 입자는 때때로 벽을 뚫을 것입니다. 두 명의 물리학자가 자연 에 썼던 것처럼“산을 미끄러 져 계곡에서 탈출 할 가능성이 있습니다. 1928 년, 터널링에 대한 최초의 설명 중 하나에서.
물리학 자들은 입자들이 장벽을 통해 터널을 터널하는 능력이 많은 미스터리를 해결했다는 것을 빨리 보았다. 그것은 다양한 화학 결합과 방사성 붕괴와 태양의 수소 핵이 어떻게 상호 반발과 퓨즈를 극복하여 햇빛을 생성 할 수 있는지 설명했습니다.
그러나 물리학 자들은 궁금해졌습니다. 처음에는 약간의 병적으로 병적입니다. 그들은 입자가 장벽을 통해 터널을 터널하는 데 얼마나 걸립니까?
문제는 대답이 의미가 없다는 것이었다.
터널링 시간의 첫 번째 임시 계산은 1932 년에 인쇄 된 인쇄물로 나타났습니다. 심지어 이전의 찌르기도 비공개로 만들어 졌을 수도 있지만,“답을 얻을 수 없을 때, 당신은 그것을 이해할 수 없을 때, 당신은 그것을 게시하지 않습니다.
Thomas Hartman이라는 Texas Instruments의 반도체 엔지니어가 수학의 충격적인 영향을 명시 적으로 받아들이는 논문을 썼습니다.
.하트만은 장벽이 지름길 역할을하는 것처럼 보였다. 입자 터널이 있으면 장벽이없는 경우보다 여행은 시간이 줄어 듭니다. 더 놀랍게도, 그는 배리어를 두껍게하는 것이 입자가 터널을 가로 질러 터널에 걸리는 시간이 거의 증가하지 않는다고 계산했습니다. 이것은 충분히 두꺼운 장벽으로 입자가 빈 공간을 통해 같은 거리를 여행하는 빛보다 한쪽에서 다른쪽으로 더 빠르게 뛰어들 수 있음을 의미합니다.
.요컨대, 양자 터널링은 빛나는 여행보다 빠른 여행을 허용하는 것처럼 보였습니다.
Steinberg는“Hartman의 효과가 끝난 후 사람들이 걱정하기 시작했을 때입니다.”라고 Steinberg는 말했습니다.
토론은 수십 년 동안 나선형이 생겨 났으며, 터널링 시간 질문이 양자 역학의 가장 수수께끼의 측면에서 긁히는 것처럼 보였기 때문입니다. 이스라엘의 Weizmann Science Institute의 이론적 물리학자인 Eli Pollak은“이것은 시간이 얼마나되고, 양자 역학에서 시간을 측정하고 그 의미가 무엇인지에 대한 일반적인 문제의 일부입니다. 물리학 자들은 결국 터널링 시간에 대한 최소 10 개의 대체 수학적 표현을 도출했으며, 각각 터널링 과정에 대한 다른 관점을 반영합니다. 아무도 문제를 해결하지 못했습니다.
그러나 터널링 타임 질문은 실험실에서 터널링 시간을 정확하게 측정 한 일련의 virtuoso 실험으로 인해 컴백하는 것입니다.
가장 칭찬 된 측정에서 아직 자연 에서보고된다. 7 월에 토론토에있는 Steinberg 그룹은 Larmor Clock Method라는 것을 사용하여 Rubidium 원자가 반발 레이저 필드를 통해 터널에 걸리는 시간을 측정했습니다.
호주 Griffith University의 물리학자인 Igor Litvinyuk는“Larmor Clock은 터널링 시간을 측정하는 것이 가장 좋고 직관적 인 방법이며, 실험은 가장 먼저 측정 한 것입니다. 작년.
미네소타 콩코르 디아 칼리지의 이론 물리학자인 Luiz Manzoni는 또한 Larmor Clock 측정을 설득력있는 것을 발견했습니다. "그들이 측정하는 것은 실제로 터널링 시간입니다."
최근의 실험은 해결되지 않은 문제에 새로운 관심을 가져오고 있습니다. Hartman의 논문 이후 60 년 동안, 물리학자가 터널링 시간을 조심스럽게 재정의했는지 또는 실험실에서 얼마나 정확하게 측정했는지에 관계없이, 양자 터널링이 하트만 효과를 항상 나타내는 것을 발견했습니다. 터널링은 불가피하게 강력하게 초대적 인 것 같습니다.
"[터널링 입자]가 빛보다 더 빨리 이동할 수있는 방법은 무엇입니까?" Litvinyuk가 말했다. "측정이 이루어질 때까지 순전히 이론적이었습니다."
몇시입니까?
터널링 시간은 현실 자체가 있기 때문에 고정하기가 어렵습니다.
거시적 척도에서, 물체가 A에서 B로 이동하는 데 걸리는 시간은 단순히 거리는 물체의 속도로 나눈 거리입니다. 그러나 양자 이론은 거리와 속도에 대한 정확한 지식이 금지되어 있다고 가르쳐줍니다.
양자 이론에서, 입자에는 다양한 위치와 속도가 있습니다. 이러한 옵션 중에서, 측정 순간에 명확한 특성이 어떻게 든 결정화됩니다. 이런 일이 어떻게되는지 가장 깊은 질문 중 하나입니다.
입자가 검출기를 쳤을 때까지는 특히 어디에나 어디에도 적합하지 않다는 것입니다. 이것은 입자가 장벽 내부와 같이 이전에 어딘가에 지출 한 시간을 말하기가 정말 어렵습니다. Litvinyuk는“당신은 그곳에서 몇 시간을 보내는 시간을 말할 수 없다”고 말했다.
터널링의 맥락에서 문제를 이해하려면 입자의 가능한 위치를 나타내는 종 곡선을 상상하십시오. 파도 패킷이라고 불리는이 벨 곡선은 위치 A 중심입니다. 양자 역학의 방정식은 장애물을 치면 웨이브 패킷이 두 개로 분할되는 방법을 설명합니다. 대부분은 A를 향해 뒤로 향하고 있습니다. 그러나 확률의 작은 피크는 장벽을 통해 미끄러 져 B로 계속 진행됩니다. 따라서 입자는 탐지기에 등록 할 가능성이 있습니다.
.그러나 입자가 B에 도착하면 여정이나 장벽 속의 시간에 대해 무엇을 말할 수 있습니까? 갑자기 나타나기 전에 입자는 반사되고 전달 된 2 부분으로 된 확률 파였습니다. 둘 다 장벽에 들어갔고 그렇지 않았습니다. "터널링 시간"의 의미는 불분명 해집니다.
그러나 A에서 시작하여 B에서 끝나는 입자는 부인할 수 없을 정도로 사이의 장벽과 상호 작용하며,이 상호 작용은 Pollak이 말한 것처럼“시간이 다릅니다”. 문제는 몇시입니까?
1990 년대 대학원생이었을 때부터 터널링 시간 질문에“강박 관념을 가진 스티 인버그는 문제가 독특한 시간의 특성에서 비롯된 것이라고 설명했다. 물체는 질량이나 위치와 같은 특정 특성을 가지고 있습니다. 그러나 그들은 우리가 직접 측정 할 수있는 본질적인 "시간"이 없습니다. Steinberg는“야구의 위치는 무엇입니까?‘야구의 시간은 얼마입니까?’묻는 것은 말이되지 않습니다. "라고 Steinberg는 말했습니다. "시간은 입자가 보유한 속성이 아닙니다." 대신, 우리는 시계의 진드기 (궁극적으로 위치가 변경되는)와 같은 세상의 다른 변화를 추적하고 이러한 시간의 증분을 호출합니다.
.그러나 터널링 시나리오에는 입자 자체 내부에 시계가 없습니다. 그렇다면 어떤 변화를 추적해야합니까? 물리학 자들은 터널링 시간에 대한 가능한 프록시의 끝을 찾지 못했습니다.
터널링 시간
Hartman (및 1932 년 Leroy Archibald MacColl)은 터널링이 얼마나 오래 걸리는지 측정하는 가장 간단한 접근 방식을 취했습니다. Hartman은 여유 공간에서 A에서 B로 이동하는 입자의 도착 시간과 장벽을 가로 질러야하는 입자를 계산했습니다. 그는 장벽이 전송 된 파도 패킷의 피크의 위치를 어떻게 변화시키는지를 고려하여 이것을했다.
그러나이 접근법은 장벽 속도 속도가 입자를 높이는 이상한 제안을 제외하고는 문제가 있습니다. 입자 파도 패킷의 초기 및 최종 피크를 간단히 비교할 수는 없습니다. 입자의 출발 시간 (벨 곡선의 피크가 a에있을 때)과 가장 가능성이 높은 도착 시간 (피크가 B에 도달 할 때)의 차이는 B에서 감지 된 입자가 A에서 어디에서나 시작되지 않았기 때문에 개별 입자의 비행 시간을 알려주는 것은 아닙니다. 전면 테일을 포함하여 초기 확률 분포의 어느 곳에서나 장벽에 가까워 졌기 때문입니다. 이로 인해 B에 빨리 도달 할 수있는 기회가 생겼습니다.
입자의 정확한 궤적은 알 수 없기 때문에 연구원들은 더 확률 론적 접근법을 찾았습니다. 그들은 파도 패킷이 장벽에 부딪친 후 각 순간에 입자가 장벽 안에있을 가능성이 있다는 사실을 고려했습니다 (그리고 일부는 그렇지 않을 확률). 물리학 자들은 모든 순간에 평균 터널링 시간을 도출하기 위해 확률을 요약합니다.
확률을 측정하는 방법에 관해서, 1960 년대 후반에“시계”가 입자 자체에 부착 될 수있는 다양한 사고 실험이 고안되었습니다. 각 입자의 시계가 장벽에있는 동안 만 진드기 만 틱하고 많은 전송 된 입자의 시계를 읽으면 다양한 시간을 보여줍니다. 그러나 평균은 터널링 시간을 제공합니다.
물론이 모든 것이 말보다 쉬웠습니다. 최근 Nature 의 수석 저자 인 Ramón Ramos는“그들은 이번에는 이번에는 측정하는 방법에 대한 미친 아이디어를 생각해 내고 있었고 결코 일어나지 않을 것이라고 생각했습니다. 종이. "이제 과학이 발전했고 우리는이 실험을 현실화하게되어 기뻤습니다."
.임베디드 시계
물리학 자들은 1980 년대 이래로 터널링 시간을 측정했지만 최근 초 미식 측정은 2014 년 스위스 연방 기술 연구소의 Ursula Keller 실험실에서 시작되었습니다. 그녀의 팀은 Attoclock이라는 것을 사용하여 터널링 시간을 측정했습니다. Keller의 Attoclock에서, 헬륨 원자의 전자는 장벽을 만나며, 이는 시계의 손처럼 제자리에 회전합니다. 전자는 장벽이 특정 방향에있을 때 가장 자주 터널을 터널 - 정오에 정오라고 부릅니다. 그런 다음 전자가 장벽에서 나오면 그 순간 장벽의 정렬에 의존하는 방향으로 차게됩니다. 터널링 시간을 측정하기 위해 Keller의 팀은 대부분의 터널링 이벤트가 시작되었을 때 정오와 대부분의 발신 전자의 각도 사이의 각도 차이를 측정했습니다. 그들은 50 억에 달하는 50 배의 차이를 측정했습니다.
그런 다음 2019 년에보고 된 작업에서 Litvinyuk의 그룹은 헬륨에서 더 간단한 수소 원자로 전환하여 켈러의 Attoclock 실험에서 개선되었습니다. 그들은 최대 두 개의 다문에서 더 짧은 시간을 측정하여 터널링이 거의 순간적으로 발생 함을 시사합니다.
그러나 일부 전문가들은 Attoclock 측정 기간이 터널링 시간에 좋은 대리가 아니라고 결론지었습니다. 작년 측정 분석을 발표 한 Manzoni는 접근 방식이 Hartman의 터널링 시간 정의와 비슷한 방식으로 결함이 있다고 말했다.
한편 Steinberg, Ramos 및 토론토 동료 인 David Spierings와 Isabelle Racicot은 더 설득력있는 실험을 추구했습니다.
이 대안 적 접근법은 많은 입자가 스핀이라는 고유 자기 특성을 가지고 있다는 사실을 활용합니다. 스핀은 위 또는 아래로 가리키는 화살표와 같습니다. 그러나 측정하기 전에 어떤 방향으로도 가리킬 수 있습니다. 아일랜드 물리학 자 조셉 라 모르 (Joseph Larmor)가 1897 년에 발견 한 것처럼, 입자가 자기장에있을 때 스핀 각도가 회전하거나 "성전환". 토론토 팀은이 세차를 사용하여 시계의 손으로 행동했습니다.
연구원들은 레이저 빔을 장벽으로 사용하고 그 안에 자기장을 켰습니다. 그런 다음 스핀이 특정 방향으로 정렬 된 루비듐 원자를 준비하고 장벽을 향해 표류하는 원자를 보냈습니다. 다음으로, 그들은 다른 쪽에서 나온 원자의 스핀을 측정했습니다. 개별 원자의 스핀을 측정하면 항상 "up"또는 "down"에 대한 실망스러운 답변을 반환합니다. 그러나 측정을 반복해서 반복하면 수집 된 측정은 평균적으로 스핀의 각도가 평균적으로 얼마나 많은지, 원자는 장벽 안에 있었기 때문에 일반적으로 그곳에 소비되는 시간을 보여줍니다.
.연구원들은 루비듐 원자가 1980 년대에 이론적으로 예측 된 larmor 클록 시간에 따라 평균적으로 장벽 내부에서 평균 0.61 밀리 초 소비되었다고보고했다. 원자가 여유 공간을 통과하는 데 걸리는 시간보다 시간이 적습니다. 따라서 계산에 따르면 장벽을 실제로 두껍게 만들면 Steinberg는 속도를 높이면 원자가 한쪽에서 다른쪽으로 더 빠르게 조명보다 더 빠르게 터널을 터뜨릴 것이라고합니다.
.역설이 아닌 미스터리
1907 년에 Albert Einstein은 그의 새로운 상대성 이론이 광범위한 의사 소통보다 더 빠른 의사 소통을 불가능하게 만들어야한다는 것을 깨달았습니다. 앨리스와 밥이 두 사람을 고속으로 움직 이다고 상상해보십시오. 상대성으로 인해 시계는 다른 시간을 말합니다. 한 가지 결과는 Alice가 밥에게 더 빠른 신호를 보내면 즉시 앨리스에게 초강대국 응답을 보낸다면 밥의 답변은 앨리스에게 초기 메시지를 보내기 전에 앨리스에게 연락 할 수 있다는 것입니다. 아인슈타인은“달성 된 효과는 원인보다 우선 할 것이다
전문가들은 일반적으로 터널링이 실제로 인과 관계를 깰 수는 없지만 정확한 이유에 대한 합의는 없습니다. Steinberg는“우리는 완전히 통일 된 사고 방식이 있다고 생각하지 않습니다. "역설이 아닌 미스터리가 있습니다."
좋은 추측이 잘못되었습니다. Manzoni는 2000 년대 초반 초능 터널링 문제에 대해 들었을 때 동료와 협력하여 계산을 다시 만들었습니다. 그들은 상대 론적 영향 (빠르게 움직이는 입자에 대한 시간이 느려지는 곳)을 설명하면 터널링이 하위 속도로 떨어질 것이라고 생각했습니다. Manzoni는“놀랍게도 그곳에서 초대형 터널링을 할 수있었습니다. "실제로, 문제는 상대 론적 양자 역학에서 훨씬 더 과감했습니다."
연구원들은 초강대국 터널링이 초강대국 신호를 허용하지 않는 한 문제가되지 않는다고 강조합니다. 이런 식으로 아인슈타인을 귀찮게하는“거리의 으스스한 행동”과 비슷합니다. 으스스한 작용은 원거리 입자가 "얽힌"능력을 말해서, 하나의 측정은 두 가지의 특성을 즉시 결정합니다. 먼 입자 사이의 이러한 즉각적인 연결은 역설을 유발하지 않습니다.
그러나 멀리 떨어진 으스스한 행동에 대한 손으로 짜는 양을 고려할 때, 초자연적 인 터널링에 대한 놀랍게도 작은 소란이 이루어졌습니다. 케임브리지 대학교 (University of Cambridge)의 터널링 시간 문제를 연구하는 그레이스 필드 (Grace Field)는“터널링을 통해이 짜증나는 두 가지 시스템을 다루지 않을 것입니다. “우주를 여행하는 단일 시스템을 다루고 있습니다. 그런 식으로 얽힘보다 더 이상한 것 같습니다.”
New Journal of Physics 에 출판 된 논문에서 9 월, Pollak과 두 명의 동료들은 초강대국 터널링이 통계적 이유 때문에 초대형 신호를 허용하지 않는다고 주장했다. 신호 전원은 항상 여유 공간을 통해 신호를 보내는 것을 선호합니다.
그러나 왜 초자연적으로 그것을 통해 그것을 만들 것이라는 희망으로 초 두께의 장벽으로 입자를 폭파 할 수 없었습니까? 하나의 입자만이 메시지를 전하고 물리학을 깨뜨리기에 충분하지 않습니까? 상황에 대한 통계적 견해에 동의하는 Steinberg는 단일 터널 입자가 정보를 전달할 수 없다고 주장합니다. 신호에는 세부 사항과 구조가 필요하며, 상세한 신호를 보내려는 모든 시도는 신뢰할 수없는 장벽보다 항상 공기를 통해 더 빠르게 전송됩니다.
Pollak은 이러한 질문이 향후 연구의 주제라고 말했다. “Steinberg의 실험은 더 많은 이론에 대한 자극이 될 것이라고 생각합니다. 그것이 어디로 이어지는가, 나는 모른다.”
숙고는 Steinberg의 다음 목록을 포함하여 더 많은 실험과 함께 발생합니다. 그와 그의 팀은 장벽의 다른 영역 내에서 자기장을 국소화함으로써“입자가 장벽에서 얼마나 오래 소비하는지뿐만 아니라 장벽 내에서 그 시간을 소비하는 곳”을 조사 할 계획이라고 그는 말했다. 이론적 계산에 따르면 Rubidium 원자는 대부분의 시간을 방벽의 입구와 출구 근처에서 보내지 만 중간에는 시간이 거의 없습니다. 라모스는“놀랍고 직관적이지 않다”고 말했다.
많은 터널링 입자의 평균 경험을 조사함으로써, 연구원들은 한 세기 전에 예상되는 양자 역학의 개척자들보다“산 내부”가 진행되는 일에 대한 더 생생한 그림을 그렸습니다. Steinberg의 관점에서, 개발은 양자 역학의 이상한 명성에도 불구하고“입자가 어디에서 끝나는 지 볼 때, 이전에 무엇을했는지에 대한 더 많은 정보를 제공한다”는 점을 집으로 이끌어 낸다.
.이 기사는 Le Scienze 에서 이탈리아어로 재 인쇄되었습니다 .
