שוברת מהירות האור: חידת המנהור הקוונטית

בתופעה מדהימה של פיזיקת קוונטים הידועה בשם מנהור, נראה שחלקיקים נעים מהר יותר ממהירות האור. עם זאת, פיזיקאים מדרמשטאדט מאמינים שהזמן שלוקח לחלקיקים לעבור במנהרה נמדד שגוי עד כה. הם מציעים שיטה חדשה לעצור את המהירות של חלקיקים קוונטיים.

בפיזיקה הקלאסית ישנם כללים קשים שאי אפשר לעקוף אותם. למשל, אם לכדור מתגלגל אין מספיק אנרגיה, הוא לא יעבור על גבעה, אלא יסתובב לפני שיגיע לפסגה ויהפוך את כיוונו. בפיזיקת הקוונטים, העיקרון הזה לא כל כך קפדני: חלקיק עלול לעבור מחסום, גם אם אין לו מספיק אנרגיה לעבור עליו. הוא מתנהג כאילו הוא חומק דרך מנהרה, וזו הסיבה שהתופעה ידועה גם בשם "מנהור קוונטי". למה שנשמע קסום יש יישומים טכניים מוחשיים, למשל בכונני זיכרון פלאש.

מנהור קוונטים ויחסות

בעבר, ניסויים שבהם חלקיקים נהרו מהר יותר מהאור משכו תשומת לב מסוימת. אחרי הכל, תורת היחסות של איינשטיין אוסרת מהירויות מהירות מהאור. השאלה היא אם כן האם הזמן הנדרש למנהור "הופסק" בצורה נכונה בניסויים אלו. הפיזיקאים פטריק שך ו-Enno Giese מ-TU Darmstadt עוקבים אחר גישה חדשה להגדרת "זמן" עבור חלקיק מנהור. כעת הם הציעו שיטה חדשה למדידת הזמן הזה. בניסוי שלהם, הם מודדים את זה בצורה שלדעתם מתאימה יותר לאופי הקוונטי של מנהור. הם פרסמו את עיצוב הניסוי שלהם בכתב העת הנודע התקדמות המדע.

דואליות גל-חלקיקים ומנהור קוונטי

לפי פיזיקת הקוונטים, לחלקיקים קטנים כמו אטומים או חלקיקי אור יש אופי כפול.

בהתאם לניסוי, הם מתנהגים כמו חלקיקים או כמו גלים. מנהור קוונטי מדגיש את אופי הגל של חלקיקים. "חבילת גל" מתגלגלת לכיוון המחסום, דומה לגל מים. גובה הגל מעיד על ההסתברות שבה החלקיק יתממש במיקום זה אם מיקומו היה נמדד. אם חבילת הגל פוגעת במחסום אנרגיה, חלק ממנה משתקף. עם זאת, חלק קטן חודר את המחסום וקיימת סבירות קטנה שהחלקיק יופיע בצד השני של המחסום.

הערכה מחדש של מהירות מנהור

ניסויים קודמים הבחינו שחלקיק אור עבר מרחק ארוך יותר לאחר ביצוע מנהור מזה שהיה לו נתיב חופשי. לכן הוא היה נוסע מהר יותר מהאור. עם זאת, החוקרים נאלצו להגדיר את מיקומו של החלקיק לאחר מעברו. הם בחרו את הנקודה הגבוהה ביותר של חבילת הגלים שלו.

"אבל החלקיק אינו הולך בדרך במובן הקלאסי", מתנגד אנו גיזה. אי אפשר לומר בדיוק היכן נמצא החלקיק בזמן מסוים. זה מקשה על הצהרות לגבי הזמן הנדרש להגיע מא' ל-ב'.

גישה חדשה למדידת זמן מנהור

שך וגיזה, לעומת זאת, מודרכים על ידי ציטוט מאת אלברט איינשטיין: "הזמן הוא מה שאתה קורא בשעון." הם מציעים להשתמש בחלקיק המנהור עצמו כשעון. חלקיק שני שאינו עובר מנהרה משמש כאסמכתא. על ידי השוואת שני השעונים הטבעיים הללו, ניתן לקבוע אם הזמן חולף לאט יותר, מהר יותר או מהר באותה מידה במהלך מנהור קוונטי.

אופי הגל של החלקיקים מקל על גישה זו. תנודת הגלים דומה לתנודה של שעון. באופן ספציפי, שך וגייס מציעים להשתמש באטומים כשעונים. רמות האנרגיה של האטומים מתנודדות בתדרים מסוימים. לאחר פנייה לא אָטוֹם עם דופק לייזר, הרמות שלו מתנדנדות בתחילה מסונכרנות – השעון האטומי מופעל. במהלך מנהור, לעומת זאת, הקצב משתנה מעט. דופק לייזר שני גורם לשני הגלים הפנימיים של האטום להפריע. זיהוי ההפרעה מאפשר למדוד כמה רחוקים שני הגלים של רמות האנרגיה זה מזה, וזה בתורו מדד מדויק של הזמן שחלף.

אטום שני, שאינו מנהרה, משמש כאסמכתא למדידת הפרש הזמן בין מנהור ללא מנהור. חישובים של שני הפיזיקאים מצביעים על כך שחלקיק המנהור יראה זמן מושהה מעט. "השעון שעובר מנהור מעט ישן יותר מהאחר", אומר פטריק שך. נראה שזה סותר ניסויים שייחסו מהירות על-לומינלית למנהור.

האתגר של יישום הניסוי

באופן עקרוני, ניתן לבצע את הבדיקה עם הטכנולוגיה של היום, אומר שך, אבל זה אתגר גדול עבור הנסיינים. הסיבה לכך היא שהפרש הזמן שיש למדוד הוא רק בסביבות 10^-26 שניות – זמן קצר ביותר. זה עוזר להשתמש בענני אטומים כשעונים במקום באטומים בודדים, מסביר הפיזיקאי. אפשר גם להגביר את האפקט, למשל על ידי הגדלה מלאכותית של תדרי השעון.

"כרגע אנחנו דנים ברעיון הזה עם עמיתים ניסויים ונמצאים בקשר עם שותפי הפרויקט שלנו", מוסיף Giese. בהחלט ייתכן שצוות יחליט בקרוב לבצע את הניסוי המרגש הזה.