Ostatnie eksperymenty z zakresu mechaniki kwantowej dowodzą, że cząstki mogą przenikać przez ściany z prędkością nadświetlną.
Ledwie sformułowano równania mechaniki kwantowej, naukowcy zidentyfikowali jedno z najdziwniejszych zjawisk dopuszczanych przez tę teorię.
Tak zwane tunelowanie kwantowe (inaczej efekt tunelowy) pokazuje, jak bardzo takie cząstki jak elektrony różnią się od większych obiektów. Jeśli rzucisz piłką o ścianę, piłka się odbije; jeśli stoczy się na dno doliny, to tam zostanie. Ale cząstka czasem przez tę ścianę przeleci. Może „przeniknąć przez górę i uciec z doliny” – jak ujęli to autorzy jednego z pierwszych opisów efektu tunelowego opublikowanego w 1928 r. w „Nature”.
Fizycy i fizyczki szybko zrozumieli, że zdolność cząstek do przenikania przez bariery dostarcza odpowiedzi na wiele zagadek. Wyjaśnia rozmaite wiązania chemiczne, rozpad promieniotwórczy, a także to, w jaki sposób jądra wodoru w Słońcu pokonują wzajemne odpychanie i łączą się, emitując światło.
Samo zjawisko nie przestawało ich jednak intrygować – najpierw trochę, potem coraz bardziej. Zastanawiali się, ile czasu zajmuje cząstce przeniknięcie przez barierę.
Znaleźli odpowiedź. Problem w tym, że wydawała się bezsensowna.
Niepokojące wyniki
Pierwsza nieśmiała kalkulacja została opublikowana w 1932 r. Być może wcześniej ten czy ów próbował obliczyć czas tunelowania w zaciszu swojego gabinetu, „ale kiedy otrzymujesz odpowiedź, której nie potrafisz zrozumieć, nie publikujesz jej” – mówi Aephraim Steinberg, fizyk z University of Toronto.
Dopiero w 1962 r. Thomas Hartman, inżynier zajmujący się półprzewodnikami w firmie Texas Instruments, opisał szokujące implikacje tych obliczeń.
Hartman odkrył, że kiedy cząstka przenika przez barierę, podróż zajmuje mniej czasu, niż gdyby tej bariery nie było. Co jeszcze bardziej zaskakujące, z jego obliczeń wynikało, iż zwiększenie grubości przeszkody właściwie tego czasu nie wydłuża. Prowadziło to do wniosku, że tunelowanie kwantowe pozwala na podróż z prędkością nadświetlną, co jest uważane za fizycznie niemożliwe.
„Efekt Hartmana sprawił, że naukowcy zaczęli się niepokoić” – mówi Steinberg. Dyskusja toczyła się przez kilka dekad, bo kwestia zahacza o najbardziej zagadkowe aspekty mechaniki kwantowej. „To część ogólnego pytania o to, czym jest czas, jak go w mechanice kwantowej mierzymy i jakie ma znaczenie” – mówi Eli Pollak, fizyk z Instytutu Naukowego Weizmanna w Izraelu. Powstało co najmniej 10 alternatywnych wzorów na czas tunelowania. Każdy z nich odzwierciedla inne spojrzenie. Żaden nie rozwiązał problemu.
Dziś kwestia wraca za sprawą serii wirtuozerskich eksperymentów, które pozwoliły precyzyjnie zmierzyć czas tunelowania w laboratorium.
Jaki masz czas?
Czas tunelowania trudno uchwycić, bo trudno uchwycić samą rzeczywistość.
W skali makroskopowej czas, którego dany obiekt potrzebuje, by dotrzeć z punktu A do punktu B, to po prostu odległość między tymi punktami podzielona przez prędkość przemieszczającego się obiektu. Mechanika kwantowa głosi jednak, że nie możemy mieć dokładnej wiedzy o prędkości i odległości.
Na gruncie tej teorii cząstka ma cały zakres możliwych prędkości i położeń. Ostateczne, wybrane spośród tych opcji właściwości w tajemniczy sposób krystalizują się w momencie pomiaru. Jak to się dzieje?
Dopóki cząstka nie uderzy w detektor, znajduje się zarazem wszędzie i nigdzie. Trudno więc stwierdzić, ile czasu spędziła przedtem w jakimś miejscu, np. we wnętrzu bariery. „Nie da się powiedzieć, jak długo się tam znajdowała – mówi Igor Litvinyuk, fizyk z australijskiego Griffith University – ponieważ mogła być jednocześnie w dwóch miejscach”.
Steinberg wyjaśnia, że problem wynika ze szczególnej natury czasu. Obiekty mają określone cechy, m.in. masę czy położenie. Nie mają jednak „wewnętrznego czasu”, który moglibyśmy zmierzyć. „Mogę cię zapytać: »Jakie jest położenie tej piłki?«, ale pytanie: »Jaki jest czas tej piłki?« nie miałoby sensu – mówi fizyk. – Czas nie jest właściwością żadnej cząstki”. Zamiast tego śledzimy inne zmiany w świecie, takie jak tykanie zegara (które ostatecznie również są zmianami położenia), i posługujemy się nimi jako jednostkami czasu.
Zagadka, ale nie paradoks
W 1907 r. Albert Einstein uświadomił sobie, że jego nowiutka teoria względności musi zakładać, iż komunikacja odbywająca się z prędkością nadświetlną jest niemożliwa. Wyobraźcie sobie dwoje ludzi, Alice i Boba, oddalających się od siebie z dużą szybkością. Z powodu względności ich zegarki będą wskazywały różny czas. Jedną z konsekwencji tego stanu rzeczy jest to, że jeśli Alice wyśle do Boba sygnał szybszy niż światło, a Bob natychmiast wyśle jej nadświetlną odpowiedź, to dotrze ona do celu, zanim Alice wyśle swoją pierwszą wiadomość. „Skutek – pisał Einstein – wyprzedzi przyczynę”.
Eksperci są przekonani, że tunelowanie w gruncie rzeczy nie podważa zasady przyczynowości, jednak nie ma wśród nich zgody co do tego, czemu tak się nie dzieje. „Wydaje mi się, że myślimy o tym w sposób nie do końca ujednolicony – mówi Steinberg. – Jest w tym zagadka, ale nie paradoks”.
Gdy na początku XXI w. Manzoni usłyszał o tunelowaniu z prędkością nadświetlną, razem z kolegą próbował przeprowadzić obliczenia od nowa. Sądzili, że jeśli wezmą pod uwagę efekty relatywistyczne (to, że dla szybko poruszających się cząstek czas płynie wolniej), okaże się, iż prędkość tunelowania nie przekracza prędkości światła. „Ku naszemu zdumieniu także wtedy tunelowanie z prędkością nadświetlną okazało się możliwe – mówi Manzoni. – W zasadzie na gruncie relatywistycznej mechaniki kwantowej problem jest jeszcze bardziej drastyczny”.
Badaczki i badacze podkreślają, że to nie szkodzi, dopóki nie pozwala na komunikację zachodzącą z prędkością przekraczającą prędkość światła. Pod tym względem tunelowanie kwantowe jest podobne do owego „upiornego działania na odległość”, które tak niepokoiło Einsteina. Działanie to polega na tym, że oddalone od siebie cząstki mogą być ze sobą „splątane” tak, że pomiar jednej z nich natychmiast określa właściwości drugiej. Splątanie nie prowadzi jednak do paradoksów, ponieważ nie da się go wykorzystać do przesłania sygnału między tymi cząstkami.
W porównaniu z tym, jak łamano sobie głowy nad upiornym działaniem na odległość, tunelowanie z prędkością nadświetlną wywołało zaskakująco mało zamieszania. „W przypadku tunelowania nie mamy do czynienia z dwoma oddzielnymi układami, których stany są ze sobą w ten upiorny sposób powiązane – mówi Grace Field badająca kwestię czasu tunelowania na University of Cambridge – tylko z jednym układem, który przemieszcza się w przestrzeni. Dlatego wydaje się to jeszcze dziwniejsze niż splątanie”.
W artykule opublikowanym w „New Journal of Physics” we wrześniu 2020 r. Pollak i jego dwaj współpracownicy twierdzą, że tunelowanie z prędkością przekraczającą prędkość światła nie pozwala na przesyłanie nadświetlnych sygnałów z powodów statystycznych: chociaż cząstki przenikają przez ekstremalnie grubą barierę bardzo szybko, to prawdopodobieństwo, że w ogóle do tego dojdzie, jest niezwykle niskie. Nadawca sygnału zawsze będzie wolał wysłać go przez pustą przestrzeń.
Dlaczego jednak nie mielibyśmy bombardować jakiejś ultragrubej bariery tonami cząstek w nadziei, że jedna z nich przeniknie przez nią z prędkością nadświetlną? Czy jedna cząstka wystarczyłaby, żeby przekazać wiadomość i złamać prawa fizyki? Steinberg, który zgadza się z interpretacją statystyczną, twierdzi, iż pojedyncza cząstka nie może przenieść informacji. Komunikat musi mieć szczegóły oraz strukturę i dlatego zawsze prędzej prześlemy go przez pustą przestrzeń niż przez nieprzewidywalną barierę.
Według Pollaka będzie to przedmiotem dalszych badań. „Wierzę, że doświadczenia Steinberga pozwolą rozwinąć teorię. Nie wiem jednak, dokąd nas to zaprowadzi”.
Wyciągając średnią z zachowania wielu tunelujących cząstek, naukowcy i naukowczynie tworzą o wiele dokładniejszy obraz tego, co dzieje się „wewnątrz góry”, niż mogliby się spodziewać pionierzy mechaniki kwantowej 100 lat temu. „Kiedy widzisz, jak cząsteczka kończy, daje ci to całkiem sporo informacji o tym, co wcześniej robiła” – mówi Steinberg. Nie taka mechanika kwantowa dziwna, jak ją malują.
Pierwotnie tekst ukazał się w Quanta Magazine, niezależnym portalu internetowym Fundacji Simonsa, której misją jest poszerzanie wiedzy o nauce poprzez omawianie badań i trendów w matematyce, fizyce oraz naukach przyrodniczych. Artykuł publikujemy za zgodą redakcji Quanta Magazine. Tytuł i skróty pochodzą od redakcji „Przekroju”.
Czytaj również:
