I tunnel quantistici mostrano come le particelle possono rompere la velocità della luce
Non appena furono scoperte le equazioni radicali della meccanica quantistica, i fisici identificarono uno dei fenomeni più strani che la teoria consente.
Il "tunneling quantistico" mostra quanto profondamente le particelle come gli elettroni differiscono dalle cose più grandi. Lancia una palla contro il muro e rimbalza all'indietro; lascialo rotolare sul fondo di una valle e rimane lì. Ma di tanto in tanto una particella salterà attraverso il muro. Ha la possibilità di "scivolare attraverso la montagna e scappare dalla valle", come scrissero due fisici su Nature nel 1928, in una delle prime descrizioni del tunneling.
I fisici hanno subito capito che la capacità delle particelle di scavalcare le barriere risolveva molti misteri. Ha spiegato vari legami chimici e decadimenti radioattivi e come i nuclei di idrogeno nel sole sono in grado di superare la loro reciproca repulsione e fusione, producendo luce solare.
Ma i fisici si sono incuriositi, prima lievemente, poi morbosamente. Quanto tempo, si chiedevano, impiega una particella per attraversare una barriera?
Il guaio era che la risposta non aveva senso.
Il primo calcolo provvisorio del tempo di tunneling apparve in stampa nel 1932. Anche le pugnalate precedenti potrebbero essere state fatte in privato, ma "quando ottieni una risposta a cui non hai senso, non la pubblichi", ha osservato Aephraim Steinberg , un fisico presso l'Università di Toronto.
Fu solo nel 1962 che un ingegnere di semiconduttori alla Texas Instruments di nome Thomas Hartman scrisse un documento che abbracciava esplicitamente le implicazioni scioccanti della matematica.
Hartman ha scoperto che una barriera sembrava agire come una scorciatoia. Quando una particella entra in galleria, il viaggio richiede meno tempo che se la barriera non fosse lì. Ancora più sorprendente, ha calcolato che l'ispessimento di una barriera difficilmente aumenta il tempo necessario a una particella per attraversarla. Ciò significa che con una barriera sufficientemente spessa, le particelle potrebbero saltare da un lato all'altro più velocemente della luce che viaggia alla stessa distanza attraverso lo spazio vuoto.
In breve, il tunneling quantistico sembrava consentire viaggi più veloci della luce, una presunta impossibilità fisica.
"Dopo l'effetto Hartman, è allora che la gente ha iniziato a preoccuparsi", ha detto Steinberg.
La discussione ha avuto una spirale per decenni, in parte perché la questione del tempo di tunneling sembrava graffiare alcuni degli aspetti più enigmatici della meccanica quantistica. "Fa parte del problema generale di che cosa è il tempo e di come misuriamo il tempo nella meccanica quantistica e qual è il suo significato", ha detto Eli Pollak , un fisico teorico presso l'Istituto di scienza Weizmann in Israele. Alla fine i fisici hanno derivato almeno 10 espressioni matematiche alternative per il tempo di tunneling, ciascuna riflettendo una prospettiva diversa sul processo di tunneling. Nessuno ha risolto la questione.
Ma la questione del tempo di tunneling sta tornando, alimentata da una serie di esperimenti virtuosi che hanno misurato con precisione il tempo di tunneling in laboratorio.
Nella misurazione più apprezzata finora, riportata su Nature a luglio, il gruppo di Steinberg a Toronto ha utilizzato quello che viene chiamato il metodo dell'orologio di Larmor per misurare quanto tempo gli atomi di rubidio hanno impiegato per scavare un tunnel attraverso un campo laser repulsivo.
"L'orologio di Larmor è il modo migliore e più intuitivo per misurare il tempo di tunneling e l'esperimento è stato il primo a misurarlo molto bene", ha detto Igor Litvinyuk , un fisico della Griffith University in Australia che ha riportato una diversa misurazione del tempo di tunneling in Natura l'anno scorso.
Anche Luiz Manzoni , fisico teorico del Concordia College in Minnesota, trova convincente la misurazione dell'orologio di Larmor. "Quello che misurano è in realtà il tempo di tunneling", ha detto.
I recenti esperimenti stanno portando nuova attenzione su una questione irrisolta. Nei sei decenni trascorsi dall'articolo di Hartman, non importa quanto attentamente i fisici abbiano ridefinito il tempo di tunneling o quanto precisamente lo abbiano misurato in laboratorio, hanno scoperto che il tunneling quantistico mostra invariabilmente l'effetto Hartman. Il tunneling sembra essere irrimediabilmente, decisamente superluminale.
"Come è possibile viaggiare più veloci della luce?" Litvinyuk ha detto. "Era puramente teorico fino a quando non sono state effettuate le misurazioni."
A che ora?
Il tempo di tunneling è difficile da definire perché la realtà stessa lo è.
Su scala macroscopica, quanto tempo impiega un oggetto per andare da A a B è semplicemente la distanza divisa per la velocità dell'oggetto. Ma la teoria quantistica ci insegna che la conoscenza precisa sia della distanza che della velocità è proibita.
Nella teoria quantistica, una particella ha una gamma di possibili posizioni e velocità. Tra queste opzioni, proprietà definite in qualche modo si cristallizzano al momento della misurazione. Come ciò avvenga è una delle domande più profonde.
Il risultato è che finché una particella non colpisce un rivelatore, è ovunque e in nessun luogo in particolare. Questo rende davvero difficile dire quanto tempo la particella ha trascorso in precedenza da qualche parte, ad esempio all'interno di una barriera. "Non puoi dire quanto tempo trascorre lì", ha detto Litvinyuk, "perché può essere simultaneamente due posti allo stesso tempo."
Per comprendere il problema nel contesto del tunneling, immagina una curva a campana che rappresenta le possibili posizioni di una particella. Questa curva a campana, chiamata pacchetto d'onda, è centrata nella posizione A. Ora immagina il pacchetto d'onda che viaggia, come uno tsunami, verso una barriera. Le equazioni della meccanica quantistica descrivono come il pacchetto d'onda si divide in due quando colpisce l'ostacolo. La maggior parte riflette, tornando verso A. Ma un picco di probabilità più piccolo scivola attraverso la barriera e continua ad andare verso B. Quindi la particella ha la possibilità di registrarsi in un rivelatore lì.
Ma quando una particella arriva a B, cosa si può dire del suo viaggio o del suo tempo nella barriera? Prima che si manifestasse improvvisamente, la particella era un'onda di probabilità in due parti, sia riflessa che trasmessa. Entrambi sono entrati nella barriera e non l'hanno fatto. Il significato di "tempo di tunneling" diventa poco chiaro.
Eppure qualsiasi particella che inizia in A e finisce in B interagisce innegabilmente con la barriera nel mezzo, e questa interazione "è qualcosa nel tempo", come disse Pollak. La domanda è: che ore sono?
Steinberg, che ha avuto "un'apparente ossessione" con la questione del tempo di tunneling da quando era uno studente laureato negli anni '90, ha spiegato che il problema deriva dalla natura peculiare del tempo. Gli oggetti hanno determinate caratteristiche, come la massa o la posizione. Ma non hanno un "tempo" intrinseco che possiamo misurare direttamente. "Posso chiederti: 'Qual è la posizione del baseball?' ma non ha senso chiedersi: "Che ore sono le partite di baseball?", ha detto Steinberg. "Il tempo non è una proprietà che nessuna particella possiede." Invece, tracciamo altri cambiamenti nel mondo, come i battiti degli orologi (che in definitiva sono cambiamenti di posizione) e chiamiamo questi incrementi di tempo.
Ma nello scenario di tunneling, non c'è orologio all'interno della particella stessa. Quindi quali modifiche dovrebbero essere monitorate? I fisici hanno trovato un'infinità di possibili proxy per il tempo di tunneling.
Tempi di tunneling
Hartman (e LeRoy Archibald MacColl prima di lui nel 1932) adottarono l'approccio più semplice per misurare la durata del tunneling. Hartman ha calcolato la differenza nel tempo di arrivo più probabile di una particella che viaggia da A a B nello spazio libero rispetto a una particella che deve attraversare una barriera. Lo ha fatto considerando come la barriera sposta la posizione del picco del pacchetto d'onda trasmesso.
Ma questo approccio ha un problema, a parte il suo strano suggerimento che le barriere accelerano le particelle. Non è possibile confrontare semplicemente i picchi iniziali e finali del pacchetto d'onda di una particella. Calcolare la differenza tra l'ora di partenza più probabile di una particella (quando il picco della curva a campana si trova in A) e l'ora di arrivo più probabile (quando il picco raggiunge B) non ti dice l'ora di volo di una singola particella, perché un la particella rilevata in B non iniziava necessariamente in A. Era ovunque e ovunque nella distribuzione di probabilità iniziale, inclusa la sua coda anteriore, che era molto più vicina alla barriera. Questo gli ha dato la possibilità di raggiungere B rapidamente.
Poiché le traiettorie esatte delle particelle sono inconoscibili, i ricercatori hanno cercato un approccio più probabilistico. Hanno considerato il fatto che dopo che un pacchetto d'onda colpisce una barriera, in ogni istante c'è una certa probabilità che la particella sia all'interno della barriera (e una certa probabilità che non lo sia). I fisici quindi sommano le probabilità in ogni istante per ricavare il tempo medio di tunneling.
Per quanto riguarda le modalità di misurazione delle probabilità, a partire dalla fine degli anni '60 furono concepiti vari esperimenti mentali in cui “orologi” potevano essere attaccati alle particelle stesse. Se l'orologio di ciascuna particella ticchetta solo mentre si trova nella barriera e leggi gli orologi di molte particelle trasmesse, mostreranno un intervallo di tempi diversi. Ma la media dà il tempo di tunneling.
Tutto questo era più facile a dirsi che a farsi, ovviamente. "Stavano solo escogitando idee folli su come misurare questo tempo e pensavano che non sarebbe mai successo", ha detto Ramón Ramos , l'autore principale del recente articolo su Nature . "Ora la scienza è avanzata e siamo stati felici di rendere reale questo esperimento."
Orologi incorporati
Sebbene i fisici abbiano misurato i tempi di tunneling dagli anni '80, il recente aumento di misurazioni ultraprecise è iniziato nel 2014 nel laboratorio di Ursula Keller presso l'Istituto federale di tecnologia di Zurigo. Il suo team ha misurato il tempo di tunneling usando quello che viene chiamato attoclock. Nell'attoclock di Keller, gli elettroni degli atomi di elio incontrano una barriera, che ruota sul posto come le lancette di un orologio. Il tunnel degli elettroni il più delle volte quando la barriera si trova in un certo orientamento: chiamalo mezzogiorno sull'orologio. Quindi, quando gli elettroni emergono dalla barriera, vengono calciati in una direzione che dipende dall'allineamento della barriera in quel momento. Per misurare il tempo di tunneling, il team di Keller ha misurato la differenza angolare tra mezzogiorno, quando è iniziata la maggior parte degli eventi di tunneling, e l'angolo della maggior parte degli elettroni in uscita. Hanno misurato una differenza di 50 attosecondi, o miliardesimi di miliardesimo di secondo.
Quindi, nel lavoro riportato nel 2019, il gruppo di Litvinyuk ha migliorato l'esperimento attoclock di Keller passando dall'elio agli atomi di idrogeno più semplici. Hanno misurato un tempo ancora più breve di massimo due attosecondi, suggerendo che il tunneling avviene quasi istantaneamente.
Ma da allora alcuni esperti hanno concluso che la durata delle misure di attoclock non è un buon indicatore del tempo di tunneling. Manzoni, che ha pubblicato un'analisi della misurazione lo scorso anno, ha affermato che l'approccio è imperfetto in modo simile alla definizione del tempo di tunneling di Hartman: si può dire che gli elettroni che escono dalla barriera quasi istantaneamente, col senno di poi, hanno avuto un vantaggio. .
Nel frattempo, Steinberg, Ramos e i loro colleghi di Toronto David Spierings e Isabelle Racicot hanno portato avanti un esperimento che è stato più convincente.
Questo approccio alternativo utilizza il fatto che molte particelle possiedono una proprietà magnetica intrinseca chiamata spin. Lo spin è come una freccia che viene misurata sempre e solo rivolta verso l'alto o verso il basso. Ma prima di una misurazione, può puntare in qualsiasi direzione. Come scoprì il fisico irlandese Joseph Larmor nel 1897, l'angolo dello spin ruota, o "precessione", quando la particella si trova in un campo magnetico. Il team di Toronto ha utilizzato questa precessione per fungere da lancette di un orologio, chiamato orologio Larmor.
I ricercatori hanno utilizzato un raggio laser come barriera e hanno attivato un campo magnetico al suo interno. Hanno quindi preparato atomi di rubidio con spin allineati in una particolare direzione e hanno inviato gli atomi alla deriva verso la barriera. Successivamente, hanno misurato lo spin degli atomi che sono usciti dall'altra parte. Misurare lo spin di ogni singolo atomo restituisce sempre una risposta poco illuminante di "su" o "giù". Ma esegui la misurazione più e più volte e le misurazioni raccolte riveleranno quanto l'angolo degli spin ha preceduto, in media, mentre gli atomi erano all'interno della barriera, e quindi quanto tempo hanno trascorso tipicamente lì.
I ricercatori hanno riferito che gli atomi di rubidio hanno trascorso, in media, 0,61 millisecondi all'interno della barriera, in linea con i tempi dell'orologio di Larmor teoricamente previsti negli anni '80 . È meno tempo di quanto gli atomi avrebbero impiegato per viaggiare nello spazio libero. Pertanto, i calcoli indicano che se rendessi la barriera molto spessa, ha detto Steinberg, l'aumento di velocità lascerebbe gli atomi tunnel da un lato all'altro più velocemente della luce.
Un mistero, non un paradosso
Nel 1907 Albert Einstein si rese conto che la sua nuovissima teoria della relatività doveva rendere impossibile una comunicazione più veloce della luce. Immagina due persone, Alice e Bob, che si allontanano ad alta velocità. A causa della relatività, i loro orologi raccontano tempi diversi. Una conseguenza è che se Alice invia un segnale più veloce della luce a Bob, che invia immediatamente una risposta superluminale ad Alice, la risposta di Bob potrebbe raggiungere Alice prima di inviare il suo messaggio iniziale. "L'effetto ottenuto precederebbe la causa", ha scritto Einstein.
Gli esperti generalmente sono fiduciosi che il tunneling non interrompa davvero la causalità, ma non c'è consenso sui motivi precisi per cui no. "Non mi sento come se avessimo un modo completamente unificato di pensarci", ha detto Steinberg. "C'è un mistero lì, non un paradosso."
Alcune buone ipotesi sono sbagliate. Manzoni, dopo aver saputo della questione del tunneling superluminale nei primi anni 2000, ha collaborato con un collega per rifare i calcoli. Pensavano che avrebbero visto il tunneling scendere a velocità subluminali se avessero tenuto conto degli effetti relativistici (dove il tempo rallenta per le particelle in rapido movimento). "Con nostra sorpresa, è stato possibile avere tunnel superluminali anche lì", ha detto Manzoni. "In effetti, il problema era ancora più drastico nella meccanica quantistica relativistica."
I ricercatori sottolineano che il tunneling superluminale non è un problema fintanto che non consente la segnalazione superluminale. È simile in questo modo all '"azione spettrale a distanza" che tanto infastidiva Einstein. L'azione spettrale si riferisce alla capacità di particelle distanti di essere "intrappolate", in modo che la misurazione di una determini istantaneamente le proprietà di entrambe. Questa connessione istantanea tra particelle distanti non causa paradossi perché non può essere utilizzata per segnalare l'una all'altra.
Considerando la quantità di torcere le mani su azioni spettrali a distanza, tuttavia, sorprendentemente si è fatto poco clamore sul tunneling superluminale. "Con il tunneling, non hai a che fare con due sistemi separati, i cui stati sono collegati in questo modo spettrale", ha detto Grace Field , che studia la questione del tempo di tunneling presso l'Università di Cambridge. “Hai a che fare con un unico sistema che viaggia nello spazio. In questo modo sembra quasi più strano dell'entanglement. "
In un articolo pubblicato nel New Journal of Physics a settembre, Pollak e due colleghi hanno sostenuto che il tunneling superluminale non consente la segnalazione superluminale per una ragione statistica: anche se il tunneling attraverso una barriera estremamente spessa avviene molto velocemente, la possibilità di un evento di tunneling accadere attraverso una tale barriera è straordinariamente basso. Un segnalatore preferirebbe sempre inviare il segnale attraverso lo spazio libero.
Perché, però, non potresti lanciare tonnellate di particelle sulla barriera ultra-spessa nella speranza che una ce la farà in modo superluminale? Non sarebbe sufficiente una sola particella per trasmettere il tuo messaggio e rompere la fisica? Steinberg, che concorda con la visione statistica della situazione, sostiene che una singola particella tunnel non può trasmettere informazioni. Un segnale richiede dettagli e struttura, e qualsiasi tentativo di inviare un segnale dettagliato sarà sempre inviato più velocemente attraverso l'aria che attraverso una barriera inaffidabile.
Pollak ha detto che queste domande sono oggetto di studi futuri. “Credo che gli esperimenti di Steinberg rappresenteranno uno stimolo per più teoria. Dove porta, non lo so. "
La riflessione avverrà insieme ad altri esperimenti, incluso il prossimo nell'elenco di Steinberg. Localizzando il campo magnetico all'interno di diverse regioni della barriera, lui e il suo team pianificano di sondare "non solo quanto tempo la particella trascorre nella barriera, ma dove trascorre quel tempo all'interno della barriera", ha detto. I calcoli teorici prevedono che gli atomi di rubidio trascorrono la maggior parte del loro tempo vicino all'entrata e all'uscita della barriera, ma pochissimo tempo nel mezzo. "È un po 'sorprendente e per niente intuitivo", ha detto Ramos.
Sondando l'esperienza media di molte particelle di tunneling, i ricercatori stanno dipingendo un'immagine più vivida di ciò che accade "all'interno della montagna" di quanto i pionieri della meccanica quantistica si aspettassero un secolo fa. Dal punto di vista di Steinberg, gli sviluppi portano a casa il punto che, nonostante la strana reputazione della meccanica quantistica, "quando vedi dove finisce una particella, questo ti dà più informazioni su ciò che stava facendo prima".
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/quantum-tunnel-shows-particles-can-break-the-speed-of-light-20201020/ in data Tue, 20 Oct 2020 14:15:10 +0000.