Новый выпуск научно-популярного проекта PBS Space Time посвящен одной из самых интригующих загадок современной физики — возможности преодоления скорости света при квантовом туннелировании. Ведущий канала разбирает новые теоретические расчеты и экспериментальные данные, которые приближают науку к пониманию этого феномена. Как оказывается, поместить на пути частицы «метафорическую кирпичную стену» — это, парадоксально, лучший способ заставить материю двигаться быстрее фотона, не нарушая при этом фундаментальные законы Эйнштейна.
🧱 Квантовый барьер: как обойти законы классической физики 1:19
Представьте, что вы едете на автомобиле к крутому холму, и посреди подъема у вас глохнет двигатель. Если у машины достаточно кинетической энергии, она перевалит через вершину, но если скорости не хватит, она неизбежно покатится назад. В классической физике преодолеть этот холм без нужного запаса энергии невозможно. Однако в квантовом мире, где действуют фундаментальные силы, правила меняются, формируя так называемые потенциальные барьеры.
Примером такого барьера служит сильное ядерное взаимодействие, удерживающее протоны и нейтроны внутри атомного ядра. В классических условиях у этих частиц нет энергии, чтобы покинуть ядро, однако при радиоактивном распаде они все же «просачиваются» наружу. Этот феномен и называется квантовым туннелированием.
Ключ к преодолению барьера кроется в квантовой неопределенности. Между наблюдениями квантовые частицы не обладают строго определенными свойствами, включая их пространственное положение. Местонахождение протона описывается волновой функцией — абстрактной волной, кодирующей вероятность обнаружения частицы в той или иной точке при измерении.
Согласно уравнению Шрёдингера, описывающему движение волновых функций, при столкновении с барьером (например, стенкой ядра) большая часть волны отражается обратно. Однако из-за «размытой» природы волновой функции ее крошечная часть неизбежно просачивается на другую сторону барьера. Протон оказывается одновременно и отраженным, и прошедшим сквозь стену. При наблюдении система коллапсирует в одно из этих состояний, приводя либо к сохранению стабильности, либо к радиоактивному распаду.
Квантовое туннелирование — это не экзотическая редкость, оно окружает нас повсюду:
- Оно обеспечивает протекание реакций термоядерного синтеза, благодаря которым светит Солнце.
- Оно управляет рядом важнейших биологических процессов.
- Оно является критически важным элементом для работы современных транзисторов и микросхем.
Несмотря на повсеместность этого явления, ученые до сих пор крайне мало знают о том, что происходит с частицей непосредственно в момент преодоления барьера, и занимает ли этот процесс какое-то время.
⏱️ Эффект Хартмана: мгновенная телепортация? 4:32
Определить так называемое «время туннелирования» в туманном квантовом мире чрезвычайно сложно. Тем не менее, как показывает ряд теоретических определений, сверхсветовое движение здесь действительно возможно. В 1962 году физик Томас Хартман обнаружил поразительный эффект: при определенных условиях время, необходимое частице для туннелирования, перестает зависеть от толщины барьера.
Это означает, что если удвоить толщину стены, частице все равно потребуется ровно столько же времени, чтобы оказаться на другой стороне. Для достаточно толстого барьера этот «эффект Хартмана» фактически позволяет физической материи телепортироваться между точками быстрее, чем это расстояние преодолел бы свет в вакууме.
Такие выводы явно противоречат специальной теории относительности Альберта Эйнштейна, согласно которой сверхсветовое движение позволяет отправлять сигналы в прошлое и порождает временные парадоксы. Чтобы примирить эффект Хартмана с относительностью, физики часто обращаются к анализу формы волновой функции.
Если положение туннелирующей частицы изначально размыто, трудно понять, в какой момент запускать и останавливать секундомер. Логично делать это, когда центр волновой функции пересекает границы барьера. Но что если волновая функция деформируется в процессе?
Ведущий канала приводит наглядную аналогию с квантовым поездом:
- Если измерять время движения поезда через туннель, включая секундомер в момент прохождения центра состава через въезд, а выключая — когда локомотив показывается из выезда, то зафиксированное время окажется аномально коротким.
- В кванвом сценарии сквозь барьер проходит только первый вагон, тогда как остальная часть состава отражается и едет назад.
- В момент наблюдения все вагоны, кроме одного, исчезают, что создает иллюзию сверхсветового прыжка.
Подобное «сверхсветовое» смещение центра волновой функции можно зафиксировать даже при движении частицы в пустом пространстве без всяких барьеров, из-за естественного расплывания волнового пакета. Чтобы распутать этот узел, ученым потребовалось переформулировать сам вопрос: возможно ли передать сообщение сквозь барьер быстрее, чем через пустоту?
✉️ Уравнение Дирака и спасение причинности 7:31
Большинство ранних исследований времени туннелирования опирались на уравнение Шрёдингера, в котором изначально не заложен предел скорости света из теории Эйнштейна. В недавней работе группа исследователей применила уравнение Дирака, которое корректно учитывает специальную теорию относительности, что заставляет относиться к результатам моделирования гораздо серьезнее.
Авторы работы предложили мысленный эксперимент: вы хотите отправить другу сообщение, закодированное в группе частиц, и стремитесь сделать это как можно скорее. Стоит ли посылать сигнал через пустое пространство или запустить его сквозь физический барьер?
Согласно выводам нового исследования, ответ зависит от того, что именно считать «приемом сообщения»:
- Если фиксация сообщения происходит в тот самый миг, когда прилетает самая первая частица, то туннелирующий сигнал действительно приходит раньше. Причем чем толще барьер, тем больше выигрыш во времени, что полностью подтверждает расчеты Хартмана.
- При этом новые расчеты по уравнению Дирака показывают, что волновой пакет туннелирующей частицы не претерпевает радикальных деформаций. Его нельзя назвать просто «отрезанным передним краем» старой волновой функции.
Означает ли это окончательную верификацию сверхсветовой связи? Как объясняет ведущий канала, радоваться рано. Действительно, среднее время в пути для тех частиц, которые успешно туннелировали, оказывается меньше времени свободного полета. Однако ключевое слово здесь — «для тех, которые пробились».
Подавляющее большинство частиц отражается барьером. С увеличением толщины преграды количество прошедших сквозь нее частиц падает экспоненциально, доходя до ничтожных долей. Если вы будете посылать сигнал снова и снова, ваш друг с колоссальной долей вероятности получит свободно летящую частицу намного раньше, чем туннелирующую, просто потому, что первая гарантированно доберется до цели на любом осмысленном расстоянии.
По мнению авторов исследования, именно этот вероятностный барьер выступает «спасательным кругом» для принципа причинности. Чтобы нарушить причинность и создать парадоксальную петлю времени, ваш друг должен иметь возможность отправить вам ответный сигнал, на который повлияло ваше сообщение. Ученые отмечают, что для полной проверки этой гипотезы требуются дополнительные исследования, но общая картина ясна: любые сигналы во Вселенной ограничены рамками теории относительности. В макромире «казино всегда остается в выигрыше».
🕰️ Спиновые часы: как измерить неуловимое время 10:06
Пока теоретики спорят о формулах, экспериментаторы ищут способы измерить время туннелирования на практике. Эксперименты, начатые еще в 1980-х годах, подтверждали реальность эффекта Хартмана, но страдали от проблем с интерпретацией результатов: как физически измерить время процесса, происходящего на квантовых масштабах? Для этого ученым потребовались настоящие внутренние часы внутри самой частицы.
В 2020 году в авторитетном научном журнале Nature была опубликована работа, авторы которой предложили использовать в качестве стрелки часов ось квантового спина частицы. Этот метод опирается на явление ларморовской прецессии: в соприкосновении с внешним магнитным полем магнитный дипольный момент частицы начинает прецессировать, подобно крутящемуся волчку. Скорость этого вращения можно использовать как хронометр.
В ходе эксперимента физики направляли ультрахолодные атомы рубидия на лазерное поле, развернутое на небольшом участке пространства. Мощности этого поля было достаточно для полного отражения атомов — оно выступало в роли барьера. Тем не менее некоторым частицам удавалось туннелировать сквозь него. Во время нахождения внутри барьера спин этих вырвавшихся частиц изменялся под воздействием магнитного поля лазера. Чем дольше частица оставалась внутри стены, тем сильнее сдвигался ее спин.
Результаты эксперимента показали следующее:
- Сами по себе атомы в данном опыте не двигались быстрее света, поскольку исследователи не ставили перед собой такой задачи. Их целью было доказать работоспособность спиновых часов как концепта, и эта задача была успешно выполнена.
- Сдвиг спина туннелировавших атомов с высокой точностью совпал с теоретическими предсказаниями квантовой механики.
Этот успех имеет прямое отношение к сверхсветовому эффекту Хартмана: созданные учеными спиновые часы должны корректно зафиксировать этот эффект в будущих экспериментах с более быстрыми частицами и более толстыми барьерами. Теоретические выкладки и практический инструментарий физиков наконец-то сходятся в одной точке.
🧲 Вопросы зрителей: монополи, кристаллы Вселенной и магия Хогвартса 14:15
В традиционной рубрике ответов на вопросы к прошлому выпуску о магнитных монополях ведущий PBS Space Time прояснил несколько сложных физических (и не только) концепций.
Пользователь с ником macronuck поинтересовался природой «ежовых конфигураций» (hedgehog configurations) — излучающих узлов в поле Хиггса, которые могут приводить к появлению магнитных монополей. Если их нельзя устранить гладким изменением векторов, как они вообще создаются в высокоэнергетических событиях? Ведущий объяснил, что при экстремально высоких энергиях направление поля Хиггса начинает хаотично и бурно меняться, а соседние точки поля оказываются слабо связанными друг со другом. Только при остывании поля соседние участки прочно связываются, «замораживая» возникшие при высоких температурах пространственные разрывы.
Отвечая на вопрос nate underwood о том, могло ли поле Хиггса сформироваться вообще без монополей и разрывов, автор отметил, что теоретически это возможно. Однако вероятность такого исхода ничтожно мала по той же причине, по какой невозможно вырастить идеальный кристалл размером со Вселенную — в макроструктурах всегда будут дефекты.
Зритель eric предположил, что если магнитные монополи были достаточно массивными, чтобы вызвать коллапс ранней Вселенной, то сегодня мы можем обнаружить их исключительно внутри черных дыр. Ведущий пояснил, что это зависит от их плотности и от космической инфляции. Согласно недавним научным работам, одиночный магнитный монополь сам по себе может проявлять свойства черной дыры, обладая собственным горизонтом событий. Но даже попав внутрь классической черной дыры, монополь выдаст свое присутствие: черная дыра будет излучать линии магнитного поля точно так же, как если бы она обладала электрическим зарядом. Пока что наблюдаемые вокруг черных дыр поля соответствуют обычным дипольным структурам с северным и южным полюсами.
Напоследок пользователь wasco 92 задал шуточный вопрос из области поп-культуры: зачем Барти Крауч-младший в облике Грозного Глаза Грюма организовал сложную интригу с Кубком огня, если мог просто взять кровь Гарри Поттера при любой из их многочисленных встреч? Ведущий с юмором парировал этот выпад, найдя связь с темой текущего выпуска. По его шутливой гипотезе, порталы (Portkeys) в мире волшебников работают на технологии червоточин или квантового туннелирования. Именно этот квантовый процесс позволяет магии обходить защитные барьеры Хогвартса, поскольку «волшебники абсолютно ничего не смыслят в квантовой механике».
