كسر سرعة الضوء: لغز نفق الكم

في ظاهرة مذهلة من فيزياء الكم تُعرف باسم النفق، يبدو أن الجسيمات تتحرك بسرعة أكبر من سرعة الضوء. ومع ذلك، يعتقد الفيزيائيون من دارمشتات أن الوقت الذي تستغرقه الجسيمات في النفق قد تم قياسه بشكل غير صحيح حتى الآن. يقترحون طريقة جديدة لوقف سرعة الجسيمات الكمومية.

في الفيزياء الكلاسيكية، هناك قواعد صارمة لا يمكن التحايل عليها. على سبيل المثال، إذا لم يكن لدى الكرة المتدحرجة طاقة كافية، فإنها لن تتجاوز التل، ولكنها ستستدير قبل أن تصل إلى القمة وتعكس اتجاهها. في فيزياء الكم، هذا المبدأ ليس صارمًا تمامًا: يمكن لجسيم أن يعبر حاجزًا، حتى لو لم يكن لديه ما يكفي من الطاقة لتجاوزه. إنه يتصرف كما لو كان ينزلق عبر نفق، ولهذا السبب تُعرف هذه الظاهرة أيضًا باسم “النفق الكمي”. إن ما يبدو سحريًا له تطبيقات تقنية ملموسة، على سبيل المثال في محركات أقراص الذاكرة المحمولة.

نفق الكم والنسبية

في الماضي، جذبت التجارب التي أجريت فيها الجسيمات بشكل أسرع من الضوء بعض الاهتمام. ففي نهاية المطاف، تحظر النظرية النسبية لأينشتاين السرعات الأسرع من الضوء. وبالتالي فإن السؤال هو ما إذا كان الوقت اللازم لحفر الأنفاق قد “توقف” بشكل صحيح في هذه التجارب. يتبع الفيزيائيان باتريك شاش وإينو جيزه من جامعة دارمشتات منهجًا جديدًا لتحديد “الزمن” للجسيم النفقي. لقد اقترحوا الآن طريقة جديدة لقياس هذه المرة. وفي تجربتهم، قاموا بقياسها بطريقة يعتقدون أنها أكثر ملاءمة للطبيعة الكمومية للنفق. لقد نشروا تصميم تجربتهم في المجلة الشهيرة تقدم العلوم.

ازدواجية الموجة والجسيم ونفق الكم

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

اعتمادا على التجربة، فإنها تتصرف مثل الجسيمات أو مثل الموجات. يسلط النفق الكمي الضوء على الطبيعة الموجية للجسيمات. تتدحرج “حزمة موجية” نحو الحاجز، على غرار تدفق المياه. يشير ارتفاع الموجة إلى احتمالية تجسد الجسيم في هذا الموقع إذا تم قياس موضعه. إذا اصطدمت الحزمة الموجية بحاجز الطاقة، فإن جزءًا منها ينعكس. ومع ذلك، يخترق جزء صغير الحاجز، وهناك احتمال ضئيل أن يظهر الجسيم على الجانب الآخر من الحاجز.

إعادة تقييم سرعة الأنفاق

لاحظت التجارب السابقة أن الجسيم الضوئي قد قطع مسافة أطول بعد النفق مقارنة بجسيم كان له مسار حر. وبالتالي فإنه كان سيسافر أسرع من الضوء. ومع ذلك، كان على الباحثين تحديد موقع الجسيم بعد مروره. لقد اختاروا أعلى نقطة في الحزمة الموجية.

“لكن الجسيم لا يتبع المسار بالمعنى الكلاسيكي”، يعترض إينو جيزي. من المستحيل تحديد مكان وجود الجسيم بالضبط في وقت معين. وهذا يجعل من الصعب الإدلاء ببيانات حول الوقت اللازم للانتقال من A إلى B.

نهج جديد لقياس وقت حفر الأنفاق

من ناحية أخرى، يسترشد شاش وجيز باقتباس من ألبرت أينشتاين: “الوقت هو ما تقرأه على مدار الساعة”. ويقترحون استخدام جسيم النفق نفسه كساعة. الجسيم الثاني الذي لا ينفق يعمل كمرجع. من خلال مقارنة هاتين الساعتين الطبيعيتين، من الممكن تحديد ما إذا كان الوقت يمر بشكل أبطأ أو أسرع أو بنفس السرعة أثناء النفق الكمي.

الطبيعة الموجية للجسيمات تسهل هذا النهج. إن تذبذب الأمواج يشبه تذبذب الساعة. على وجه التحديد، يقترح Schach وGiese استخدام الذرات كساعات. تتأرجح مستويات الطاقة للذرات عند ترددات معينة. بعد مخاطبة أ ذرة مع نبضة ليزر، تتأرجح مستوياتها في البداية بشكل متزامن – تبدأ الساعة الذرية. أثناء النفق، يتغير الإيقاع قليلاً. تتسبب نبضة ليزر ثانية في تداخل الموجتين الداخليتين للذرة. إن اكتشاف التداخل يجعل من الممكن قياس مدى التباعد بين موجتي مستويات الطاقة، والذي بدوره يعد قياسًا دقيقًا للوقت المنقضي.

أما الذرة الثانية، التي لا تنفق، فهي بمثابة مرجع لقياس الفارق الزمني بين حفر الأنفاق وعدم حفر الأنفاق. تشير حسابات الفيزيائيين إلى أن جسيم النفق سيظهر وقتًا متأخرًا قليلاً. يقول باتريك شاش: “إن الساعة التي تم حفرها عبر النفق أقدم قليلاً من الساعة الأخرى”. ويبدو أن هذا يتناقض مع التجارب التي نسبت السرعة الفائقة للضوء إلى حفر الأنفاق.

التحدي المتمثل في تنفيذ التجربة

من حيث المبدأ، يمكن إجراء الاختبار باستخدام التكنولوجيا الحالية، كما يقول شاخ، لكنه يمثل تحديًا كبيرًا للتجارب. وذلك لأن الفارق الزمني المراد قياسه يبلغ حوالي 10 فقط^-26 ثواني – وقت قصير للغاية. ويوضح الفيزيائي أنه يساعد على استخدام سحب الذرات كساعات بدلا من الذرات الفردية. ومن الممكن أيضًا تضخيم التأثير، على سبيل المثال عن طريق زيادة ترددات الساعة بشكل مصطنع.

ويضيف جيزى: “نحن نناقش هذه الفكرة حاليًا مع زملائنا التجريبيين، ونحن على اتصال بشركائنا في المشروع”. من المحتمل جدًا أن يقرر الفريق قريبًا إجراء هذه التجربة المثيرة.

المرجع: “نظرية موحدة لأزمنة الأنفاق تروج لها ساعات رامزي” بقلم باتريك شاتش وإينو جيزه، 19 أبريل 2024، تقدم العلوم.
دوى: 10.1126/sciadv.adl6078