Экспериментально подтверждается, что элементарная частица должна превысить скорость света, если квантовомеханическим образом «туннелирует» через стену.
От автора перевода: статья переведена в качестве продолжения материала "Новая волна в исследованиях варп-двигателя. Решение Ленца и что из него следует". В ней затрагивались новейшие научные данные о возможности сверхсветовых перемещений в макромире. Предлагаемый перевод затрагивает смежную проблему - квантовое туннелирование на микроуровне, с описанием соответствующих экспериментов и первых выводов, сделанных на их основе. Для тех, кто дочитает, в конце оставлена ссылка на научно-фантастический рассказ. В качестве обложки использована иллюстрация Дарьи Сокол с сайта "scientificrussia.ru",
Едва только были открыты радикальные уравнения квантовой механики, физики открыли один из страннейших феноменов, допускаемых этой теорией.
«Квантовое туннелирование» демонстрирует, сколь глубоко отличаются элементарные частицы, например, электроны, от макроскопических объектов. Например, бросьте мяч о стену – и он отскочит. Дайте ему скатиться на дно ложбинки, и он останется там. Но частица в первом случае может случайно проскочить сквозь стену. У частицы есть шанс «проскользнуть через гору и выкатиться из ложбинки», как написали в журнале Nature двое физиков в 1928 году, в одной из самых ранних характеристик квантового туннелирования.
Физики быстро обнаружили, что способность частиц туннелировать сквозь барьеры позволяет разрешить многие тайны. Эта способность объясняет и различные химические связи, и радиоактивный распад, и термоядерный синтез в недрах Солнца, где ядрам водорода удается преодолеть взаимное отталкивание и слиться – в результате чего возникает солнечный свет.
Но физиков одолело любопытство, сначала умеренное, а потом по-настоящему болезненное. Сколько же времени требуется частице, чтобы туннелировать сквозь барьер?
Проблема заключалась в том, что ответ получался бессмысленным.
Первые ориентировочные подсчеты времени туннелирования были опубликованы в 1932 году. Возможно, в частных разговорах такие оценки делались даже раньше, но «когда получаешь ответ, с виду не имеющий смысла, ты его не публикуешь», - отмечает Эфраим Стейнберг, физик из Университета Торонто.
Только в 1962 году инженер Томас Хартман из «Texas Instruments» написал статью, в которой открыто принимал шокирующие выводы, проистекавшие из математики.
Хартман обнаружил, что по принципу действия барьер напоминает короткое замыкание. Когда частица туннелирует, она тратит на перемещение меньше времени, чем если бы барьер отсутствовал. Еще поразительнее оказалось вот что: он рассчитал, что при утолщении барьера практически не увеличивается время, нужное частице, чтобы через него туннелировать. Таким образом, при наличии достаточно толстого барьера частица могла бы перескочить с одной его стороны на другую быстрее, чем свет преодолел бы то же расстояние в вакууме.
Короче говоря, квантовое туннелирование открывает возможность для сверхсветовых перемещений, которые, казалось бы, в физике не допускаются.
“Настоящие поводы для беспокойства появились только после открытия эффекта Хартмана,” – сказал Стейнберг.
Эта дискуссия закручивалась десятилетиями, отчасти потому, что вопрос о времени туннелирования затрагивает один из наиболее загадочных аспектов квантовой механики. «Отчасти он касается общей проблемы, которая позволила бы понять, что такое время, и как время измеряется в квантовой механике, и что это значит,” сказал Илай Поллак, физик-теоретик из Института Вейцмана в Израиле. Со временем физики вывели не менее 10 альтернативных математических выражений, описывающих туннелирование во времени, и каждое из них отражает свой взгляд на процесс туннелирования. Ни один из этих вариантов не позволил решить проблему.
Но сегодня вопрос о том, как соотносится туннелирование и время, вновь обретает актуальность, благодаря серии виртуозных экспериментов, позволивших точно измерить время туннелирования в лаборатории.
