آیا تونل‌زنی کوانتومی سریع‌تر از نور است؟ بررسی علمی یک پدیده شگفت‌انگیز
1
در دنیای اتم‌ها و الکترون‌ها، دیوارها همیشه آن‌گونه که به نظر می‌رسند نیستند. ذره‌ای که انرژی لازم برای عبور از یک مانع را ندارد، ممکن است به‌طور شگفت‌انگیزی در سوی دیگر ظاهر شود. این پدیده عجیب را «تونل‌زنی کوانتومی» می‌نامند.
قلب خورشید و نقش تونل‌زنی
در هسته خورشید، همین پدیده باعث می‌شود که هسته‌های هیدروژن با سرعتی بالا به هم جوش بخورند و نور خورشید را به زمین برسانند. بدون تونل‌زنی کوانتومی، فرآیند گداخت هسته‌ای به شدت کند می‌بود.
آیا تونل‌زنی سریع‌تر از نور است؟
یک چالش دیرینه برای فیزیکدانان
یکی از سوالات مهم این است که عبور از این سد چقدر زمان می‌برد؟ برخی آزمایش‌ها نشان داده‌اند که این پرش چنان سریع اتفاق می‌افتد که به نظر می‌رسد حتی از سرعت نور نیز فراتر می‌رود. موضوعی که با اصل نسبیت خاص انیشتین در تضاد است.
زمان؛ مفهومی لغزنده در فیزیک کوانتومی
برخی دیگر از آزمایش‌ها، تأخیر کوچکی اما قابل‌اندازه‌گیری را ثبت کرده‌اند. بحث همچنان ادامه دارد، چرا که در فیزیک کلاسیک هم مفهوم زمان به‌سادگی تعریف‌پذیر نیست، چه برسد به دنیای عجیب کوانتوم.
چرا تونل‌زنی کوانتومی با فیزیک کلاسیک ناسازگار است؟
مقایسه با قوانین کلاسیک
در دنیای کلاسیک، اگر یک توپ بیسبال نتواند از دیوار بپرد، بازمی‌گردد. اما در فیزیک کوانتوم، ذرات مانند موج رفتار می‌کنند؛ موج‌هایی که می‌توانند به درون مانع نفوذ کرده و حتی از آن عبور کنند.
موجی که در منطقه ممنوعه زنده می‌ماند
بخشی از این موج در ناحیه‌ای که «ممنوع» تلقی می‌شود، زنده می‌ماند و به ذره امکان واقعی می‌دهد تا در سوی دیگر ظاهر شود. این اصل پایه‌ای در فناوری‌هایی مانند حافظه فلش، اتصالات جوزفسون و میکروسکوپ‌های تونل‌زنی است.
تلاش برای اندازه‌گیری زمان تونل‌زنی
آزمایش‌های اولیه و برداشت نادرست از زمان
در آزمایش‌های اولیه، دانشمندان به قله موج خروجی نگاه کردند و نتیجه گرفتند که ذره بیشتر از حد انتظار پیش رفته، یعنی سریع‌تر از نور حرکت کرده است. اما این قله، یک الگوی متحرک است، نه یک نقطه مانند ذره‌ای منفرد.
پیشنهاد یک روش نوین توسط دانشمندان آلمانی
دو فیزیکدان به نام‌های پاتریک شاخ و انو گیزه از دانشگاه صنعتی دارمشتات معتقدند که ابزار اندازه‌گیری زمان اشتباه تفسیر شده است. آن‌ها پیشنهاد می‌کنند که به‌جای دنبال کردن ذره، خودِ ذره را به ساعت تبدیل کنیم.
ساعتی کوانتومی سوار بر ذره
الهام از ساعت‌های اتمی
در این روش، هر اتم در ترکیبی از دو سطح انرژی داخلی آماده‌سازی می‌شود و به سمت یک مانع نوری فرستاده می‌شود. این ترکیب مانند یک ساعت مچی کوانتومی عمل می‌کند. اگر تونل‌زنی باعث کاهش سرعت این تپش شود، تغییر فاز بین دو سطح انرژی مشخص می‌کند که چقدر زمان گذشته است.
مقایسه با اتم مرجع بدون مانع
در کنار این اتم، یک اتم مرجع وجود دارد که مانعی در مسیرش نیست. این اتم، معیار زمانی است تا بتوان تأخیر حتی کوچک در ساعت اتمیِ تونل‌زده را تشخیص داد.
میزان تأخیر چقدر است؟
عدد شگفت‌انگیز در مقیاس زمان
محاسبات نشان می‌دهد که ساعت کوانتومی، پس از عبور از مانع، تقریباً ۱۰ به توان منفی ۲۶ ثانیه عقب‌تر از ساعت مرجع است. این یعنی چیزی در حدود یک صد سپتیلیونیوم ثانیه؛ زمانی بسیار کوچک اما قابل‌اندازه‌گیری با استفاده از ابرهایی از اتم‌های فوق‌سرد.
مزایای این روش جدید
دقت بالا بدون نیاز به تعیین موقعیت ذره
روش جدید نیازی به تخمین زدن موقعیت لحظه‌ای ذره ندارد و با اصول فیزیک کوانتوم همخوانی کامل دارد.
افزایش دقت با ساعت‌های نوری
افزایش فرکانس گذار بین دو سطح انرژی، مانند جایگزینی ساعت مچی با ساعت نوری، باعث تقویت اثر و افزایش دقت اندازه‌گیری می‌شود.
چرا این مسئله اهمیت دارد؟
کاربرد در مهندسی کوانتومی
دانستن زمان دقیق تونل‌زنی فقط یک بحث تئوریک نیست. در دنیای واقعی، مهندسان کوانتومی در حال طراحی تراشه‌ها و سنسورهایی با موانع بسیار نازک هستند، جایی که نوسانات زمانی در حد پیکوثانیه می‌تواند عملکرد دستگاه را تغییر دهد.
پیش‌بینی نشت جریان و کاهش اتلاف
اندازه‌گیری دقیق این زمان، باعث بهبود مدل‌هایی می‌شود که نشت جریان، اتلاف انسجام و گرمایش تراشه‌ها را پیش‌بینی می‌کنند. در نتیجه، فناوری پردازنده‌های کوانتومی آینده نیز بهره‌مند خواهد شد.
پیوند بین فیزیک کوانتوم و نسبیت
اگر این روش نشان دهد که تونل‌زنی هرگز سریع‌تر از نور نیست، حتی وقتی ساعت همراه ذره حرکت می‌کند، یک پارادوکس دیگر در فیزیک حل می‌شود و هماهنگی نظریه‌های بزرگ مدرن بهتر می‌گردد.
به گفته گیزه، «ما در حال گفتگو با همکاران آزمایشگاهی خود و شرکای پروژه‌مان هستیم.»
آینده تونل‌زنی کوانتومی در آزمایشگاه‌ها
لابراتوارهایی که پیشتر از تداخل‌سنج‌های اتمی برای بررسی گرانش یا شکار ماده تاریک استفاده می‌کردند، اکنون ممکن است این ساعت کوانتومی تونل‌زده را نیز آزمایش کنند.
اگر این پروژه موفقیت‌آمیز باشد، نه تنها یک پدیده معروف کوانتومی به‌طور دقیق زمان‌سنجی خواهد شد، بلکه ابزاری جدید برای اندازه‌گیری بسیار دقیق زمان در مقیاس کوانتومی در اختیار دانشمندان قرار می‌گیرد.
این مطالعه در نشریه Science Advances منتشر شده است.
