كسر سرعة الضوء: لغز نفق الكم

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

في الفيزياء الكلاسيكية، هناك قوانين صارمة لا يمكن تجنبها. على سبيل المثال، إذا لم يكن لدى الكرة المتدحرجة طاقة كافية، فلن تتمكن من الصعود فوق التل، ولكنها ستستدير وتعكس اتجاهها قبل الوصول إلى القمة. في فيزياء الكم، هذا المبدأ ليس صارمًا جدًا: يمكن للجسيم أن يعبر حاجزًا حتى لو لم يكن لديه ما يكفي من الطاقة لتجاوزه. إنه يتصرف مثل الانزلاق عبر نفق، ولهذا السبب تُعرف هذه الظاهرة أيضًا باسم “النفق الكمي”. إن ما يبدو أنه سحر له تطبيقات تكنولوجية ملموسة، على سبيل المثال في محركات أقراص الذاكرة المحمولة.

نفق الكم والنسبية

في الماضي، جذبت التجارب التي تنتقل فيها الجسيمات بسرعة أكبر من الضوء بعض الاهتمام. ففي نهاية المطاف، تحظر النظرية النسبية لأينشتاين السرعات الأسرع من الضوء. والسؤال هو ما إذا كان الوقت اللازم لحفر الأنفاق في هذه الاختبارات قد “توقف” بشكل صحيح. يتبع الفيزيائيان باتريك شاش وإينو جيزه من جامعة دارمشتات منهجًا جديدًا لتحديد “الزمن” للجسيم النفقي. وقد تم الآن اقتراح طريقة جديدة للقياس. في تجربتهم، قاموا بقياس النفق بالطريقة التي يعتقدون أنها تناسب طبيعتها الكمومية. لقد نشروا تصميم تجربتهم في مجلة مرموقة التقدم العلمي.

ازدواجية الموجة والجسيم ونفق الكم

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

اعتمادًا على التجربة، تتصرف مثل الجسيمات أو الموجات. يسلط النفق الكمي الضوء على الطبيعة الموجية للجسيمات. يمكن تشبيه “جيب الموجة” بموجة من الماء تتدحرج نحو عائق. يمثل ارتفاع الموجة احتمالية تأثير الجسيم في هذا الموقع إذا تم قياس موضعه. إذا اصطدمت الحزمة الموجية بحاجز الطاقة، فإن جزءًا منها ينعكس. ومع ذلك، فإن جزءًا صغيرًا يخترق الحاجز ويكون للجسيم احتمال ضئيل للظهور على الجانب الآخر من الحاجز.

إعادة تقييم سرعة النفق

لاحظت التجارب السابقة أن الجسيمات الضوئية تنتقل لمسافة أبعد بعد حفر الأنفاق مقارنة بالمسار الحر. لذلك كان سيسافر أسرع من الضوء. ومع ذلك، كان على الباحثين تحديد موقع الجسيم بعد مروره. لقد اختاروا أعلى نقطة في الحزمة الموجية.

يقول إينو كيز: “لكن الجسيم لا يتبع مسارًا بالمعنى الكلاسيكي”. من المستحيل تحديد مكان وجود الجسيم بالضبط في وقت معين. من الصعب الإدلاء ببيانات حول الوقت اللازم للانتقال من A إلى B.

نهج جديد لقياس وقت النفق

من ناحية أخرى، يسترشد موقع Shock and Geezy بمقولة ألبرت أينشتاين: “الوقت هو ما تقرأه من الساعة”. يوصون باستخدام جزيئات الأنفاق كساعات. الجسيم الثاني بدون نفق بمثابة مرجع. ومن خلال مقارنة هاتين الساعتين الطبيعيتين، من الممكن تحديد ما إذا كان الوقت يمر بشكل أبطأ أو أسرع أو بمعدل متساو أثناء النفق الكمي.

الطبيعة الموجية للجسيمات تسهل هذا النهج. إن تذبذب الأمواج يشبه تذبذب الساعة. على وجه الخصوص، يقترح Schach وGiese استخدام الذرات كساعات. تتأرجح مستويات الطاقة للذرات عند ترددات معينة. بعد العنوان ذرة مع نبض الليزر، تتأرجح حالاته في البداية بشكل متزامن – تبدأ الساعة الذرية. ومع ذلك، أثناء النفق، يتغير الإيقاع قليلاً. تتسبب نبضة ليزر ثانية في تداخل الموجتين الداخليتين للذرة. من خلال اكتشاف التداخل، يمكن قياس مدى تباعد موجتين من مستويات الطاقة، وهو قياس دقيق للوقت المنقضي.

أما الذرة الثانية غير النفقية فهي بمثابة مرجع لقياس الفارق الزمني بين حفر الأنفاق وحفر الأنفاق. تشير حسابات الفيزيائيين إلى أن جسيم النفق سيظهر وقتًا متأخرًا قليلاً. يقول باتريك شاش: “إن الساعة النفقية أقدم قليلاً من غيرها”. وهذا يتناقض مع التجارب التي نسبت السرعة الفائقة للضوء إلى حفر الأنفاق.

التحدي المتمثل في تنفيذ التجربة

من حيث المبدأ، يمكن إجراء التجربة باستخدام تكنولوجيا اليوم، ولكنها تشكل تحديًا كبيرًا أمام المجربين. وذلك لأن الفارق الزمني المراد قياسه يبلغ حوالي 10 فقط^-26 ثواني – وقت قصير جدا. ويوضح الفيزيائي أن هذا يمكّننا من استخدام سحب الذرات كساعات بدلاً من الذرات الفردية. من الممكن أيضًا تضخيم التأثير عن طريق زيادة ترددات الساعة بشكل مصطنع.

يقول كييز: “نحن نناقش هذه الفكرة حاليًا مع زملائنا التجريبيين ونتواصل مع شركائنا في المشروع”. ومن المرجح أن يقرر الفريق قريبًا إجراء هذه التجربة المثيرة.

المرجع: باتريك شاش وإينو كيز، 19 أبريل 2024، “نظرية موحدة لأزمنة الأنفاق مستوحاة من ساعات رامزي” التقدم العلمي.
دوى: 10.1126/sciadv.adl6078