Если вы ударите мячом об стену, он отскочит в обратном направлении в соответствии со всеми канонами классической физики. Но мир квантовой физики является намного более загадочным и непредсказуемым, если вместо мяча взять квантовую частицу, то она может внезапно появиться с другой стороны стены благодаря явлению, называемому квантовым туннелированием. Несмотря на то, что это явление изучено достаточно хорошо и широко используется в практических целях, лишь недавно группе ученых-физиков удалось измерить время, требующееся на “телепортацию” частицы из одного места в другое.
Явление квантового туннелирования используется в электронных микроскопах, диодах, транзисторах и некоторых других электронных компонентах. Именно это явление несет ответственность за самопроизвольный распад радиоактивных элементов, именно при помощи квантового туннелирования частицы, из которых состоят ядра атомов радиоактивных элементов, покидают пределы этих ядер.
Несмотря на достаточно высокую степень изученности явления квантового туннелирования, ученым до последнего времени не было достоверно известно, сколько времени занимает процесс перехода частицы сквозь барьер. Некоторые из ученых предполагали, что туннелирование происходит мгновенно, но это, в свою очередь, означает, что частица движется быстрее скорости света и она может стать нарушителем причинно-следственных связей.
Для измерения времени квантового туннелирования, исследователи из университета Гриффита (Griffith University) и австралийского Национального университета “обрушили” на атомы водорода свет мощного лазера, который излучает 1000 импульсов за одну секунду. Это, по мнению ученых, должно было создать правильные условия, при которых электрон может “сбежать” из атома и дать возможность измерить время туннелирования.
В результате экспериментов ученые получили обескураживающие результаты. Весьма похоже, что квантовое туннелирование происходит практически мгновенно, на этот процесс требуется менее 1.8 аттосекунды (одной миллиардной доли из одной миллиардной доли секунды).
Интересен тот факт, что это не первая попытка измерения времени квантового туннелирования. В 2017 году исследователи из института Макса Планка, Германия, используя атомы криптона и аргона, выяснили, что для туннелирования частиц требуется порядка 180 аттосекунд времени. Тем не менее, ученые считают, что в результатах более ранних экспериментов могли возникнуть ошибки из-за их сложности, связанных с использованием более сложных атомов, нежели атомы водорода, у которых имеется всего один электрон.
“Предыдущие эксперименты не могли дать точного результата” – рассказывает Игорь Литвинюк, ведущий исследователь, – “Во-первых, в них использовались весьма приблизительные модели, которые слабо учитывали возможность возникновения взаимодействий одного электрона с другим электроном этого же атома. И во-вторых, в этих экспериментах измерялась относительная задержка туннелирования электронов из атомов одного вида по отношению к атомам другого вида”.
Исследователи надеются, что им, наконец, удалось решить старую физическую загадку, связанную с квантовым туннелированием. Но, учитывая “истинный дух” непредсказуемой квантовой механики, 100-процентной уверенности в достоверности полученных результатов нет и не может быть ни в каком из случаев.