Na subatomskoj razini čestice mogu letjeti kroz naizgled neprolazne barijere poput duhova.
Desetljećima se fizičari pitaju koliko traje ovo takozvano kvantno tuneliranje. Nakon trogodišnje istrage, međunarodni tim teorijskih fizičara ima odgovor. Izmestili su tunelirajući elektron iz atoma vodika i otkrili su da je njegov prolazak praktički trenutan, pokazala je nova studija.
Čestice mogu prolaziti kroz čvrste predmete, ne zato što su vrlo male (iako jesu), već zato što su pravila fizike na kvantnoj razini različita.
Zamislite kako se lopta kotrlja niz dolinu prema padini visokoj poput Mount Everest; bez pojačanja iz mlaznog džepa, lopta nikad ne bi imala dovoljno energije da očisti brdo. Ali subatomska čestica ne mora prijeći brdo da bi stigla na drugu stranu.
Čestice su također valovi koji se protežu beskonačno u prostoru. Prema tzv. Valnoj jednadžbi to znači da se čestica može naći u bilo kojem položaju na valu.
Sad zamislite kako val udara o prepreku; nastavlja se kroz, ali gubi energiju, i njegova amplituda (visina vrha) opada. Ali ako je prepreka dovoljno tanka, amplituda vala ne opada do nule. Sve dok je u zaravnjenom valu ostalo još malo energije, postoji neka mogućnost - iako mala - čestica koja može letjeti kroz brdo i s druge strane.
Izvođenje eksperimenata koji su zabilježili ovu neuhvatljivu aktivnost na kvantnoj razini bilo je "vrlo teško", u najmanju ruku, koautor studije Robert Sang, eksperimentalni kvantni fizičar i profesor sa sveučilišta Griffith u Australiji, kazao je Live Science e-poštom.
"Morate kombinirati vrlo komplicirane laserske sustave, reakcijski mikroskop i sustav vodikove atomske zrake da biste radili istovremeno", rekao je Sang.
Njihova postava utvrdila je tri važne referentne točke: početak njihove interakcije s atomom; vrijeme kad se očekuje da će oslobođeni elektron izaći iza barijere; i vrijeme kada se zapravo pojavilo, rekao je Sang u videu.
Držanje vremena uz svjetlo
Istraživači su koristili optički uređaj za određivanje vremenskog naziva koji se zove "sat" - ultrazvučni, polarizirani svjetlosni impulsi koji mogu mjeriti pomicanje elektrona prema attosekundi, ili milijardu milijardu sekunde. Njihov je sat okupio atome vodika u svjetlosti brzinom od 1000 impulsa u sekundi što je ioniziralo atome kako bi njihovi elektroni mogli pobjeći kroz barijeru, izvijestili su istraživači.
Reakcijski mikroskop na drugoj strani barijere mjerio je zamah elektrona kad se pojavio. Reakcijski mikroskop otkriva razinu energije u napunjenoj čestici nakon što djeluje na svjetlosni impuls s sata, "i iz toga možemo zaključiti koliko je vremena trebalo da se prođe kroz barijeru", rekao je Sang za Live Science.
"Preciznost kojom bismo to mogli izmjeriti bila je 1,8 attosekundi", rekao je Sang. "Uspjeli smo zaključiti da tuneliranje mora biti manje od 1,8 atsesekundi" - gotovo odmah, dodao je.
Iako je mjerni sustav bio složen, atom korišten u eksperimentima istraživača bio je jednostavan - atomski vodik, koji sadrži samo jedan elektron. Prije eksperimenata koje su proveli drugi istraživači koristili su atome koji su sadržavali dva ili više elektrona, poput helija, argona i kriptona.
Budući da oslobođeni elektroni mogu međusobno komunicirati, te interakcije mogu utjecati na vrijeme tuneliranja čestica. To bi moglo objasniti zašto su procjene dosadašnjih studija bile duže nego u novoj studiji i desetinama atsesekundi, objasnio je Sang. Jednostavnost vodikove atomske strukture omogućila je istraživačima da kalibriraju svoje eksperimente s točnošću koja je bila nedostupna u prethodnim pokušajima, stvarajući važno mjerilo na osnovu kojeg se sada mogu mjeriti ostale čestice tunela, izvijestili su istraživači.
Otkrića su objavljena na mreži 18. ožujka u časopisu Nature.
