ایجاد تونل کوانتومی زمان­بر است یا در آن واحد انجام می­ شود؟

بیگ بنگ: در دنیای عجیب کوانتوم، ایجاد تونل به آن سوی موانع توسط ذرات امر عجیبی تلقی نمی­ شود. حال اینکه در شرایط عادی چنین امری بعید به نظر می­ رسد. با این وجود که این فرایند، که تونل­ زنی کوانتومی نامیده می­ شود، ثبت شده است، فیزیکدانان هنوز نتوانسته ­اند آنی ­بودن و یا زمان­بر بودن آن را مشخص کنند. اینک تیم تحقیقاتی فیزیک اتمی موسسه­ ماکس پلانک جوابی برای این سوال یافته است.

به گزارش بیگ بنگ، رایج ­ترین آزمایش برای توضیح این پدیده عجیب کوانتومی، آزمایش توپ در تپه می ­باشد. طبیعتا توپ برای حرکت نیاز به مقدار انرژی معینی دارد وگرنه در جای خود باقی می­ ماند. اما در فیزیک کوانتوم، احتمالی وجود دارد که در آن توپ به صورت تصادفی شروع به حرکت کند که به آن فرایند تونل زنی کوانتومی می­ گویند. مدتهاست که این مسئله توسط دانشمندان به اثبات رسیده است که ذرات بنیادی خارج ­شونده از اتم ها، از اصلی­ ترین عوامل فروپاشی رادیواکتیویته هستند.

قسمتی از فرایند که هنوز مورد بحث دانشمندان است، مدت زمان لازم برای انجام این فرایند می­ باشد. دو نظریه در این باره وجود دارد. نظریه اول یا نظریه “مرد ساده” می­ گوید که این فرایند بصورت آنی اتفاق می­ افتد و الکترون متواری­ شده در انتهای تونل با سرعت صفر نمایان می­ شود. اما در سال ۱۹۵۵ میلادی، یوجین وگنر فیزیکدان این نظریه را ارائه داد که مدت زمانی محدود برای انجام این فرایند مورد نیاز است.

تیم تحقیقاتی موسسه­ پلانک به منظور بررسی این مسئله، عمل تونل ­زنی کوانتومی را توسط یک الکترون انجام دادند و به اندازه ­گیری زمان احتمالی مورد نیاز این فرایند پرداختند. از آنجایی که این فرایند در بازۀ زمانی بسیار کوچکی اتفاق می ­افتد، دانشمندان روشی جالب را به کار گرفتند که مشخص کند کدام نظریه در این فرایند اتفاق می­ افتد.

به منظور ایجاد فرایند تونل ­زنی، دانشمندان به مخلوطی از اتم­های گازهای کریپتون و آرگون، پالس ­های لیزری کوتاه ارسال کردند. این امر موقتا میدان الکتریکی که الکترون­ ها را در جای خود نگه می­ دارد، ضعیف کرده و احتمال ایجاد تونل توسط یکی از این الکترون­ ها را افزایش می­ دهد. مسیر خروج الکترون از هسته نیز با میدان الکتریکی لیزر هدایت می­ شود و در این آزمایش به خصوص، نور لیزر در حال چرخش است که خود باعث می­ شود “محفظه­ انرژی” که الکترون­ ها در آن قرار دارند نیز بچرخد.

این بدین معنی است که تیم تحقیقاتی می ­تواند با بررسی مسیر الکترون به این سوال پاسخ دهد. اگر این فرایند زمان­بر باشد، محفظۀ انرژی باید کمی تغییر زاویه داده باشد و اگر این فرایند بصورت آنی اتفاق افتاده باشد، الکترون­ ها باید مسیر خروج متفاوتی داشته باشند. به منظور اندازه ­گیری زمان مورد نیاز برای ایجاد تونل توسط الکترون، محققان پالس ­های لیزری کوتاهی به اتم ­های در حال چرخش ارسال می­ کنند. اگر زمان انجام فرایند صفر باشد(نظریه مرد ساده) این کار تاثیری بر الکترون نخواهد گذاشت اما اگر این کار زمان­بر باشد(نظریه وگنر) مسیر حرکت الکترون دارای انحراف خواهد بود.

استفاده از اتم­ های کریپتون و آرگون به مشاهدۀ تفاوت در مسیر خروج کمک بسیاری کرد. موانع این اتم­ ها ارتفاع و طول تونل مختلفی دارند که این معنی را می ­­دهد که اگر زمانی برای این فرایند مورد نیاز بود، تفاوتی جزئی در مسیر خروج مشاهده می­ شد. اگر هم که زمان انجام این فرایند صفر باشد، الکترون ­های هر دو اتم مسیر مشابهی خواهند داشت. محققان دریافتند که زمان بدون شک نقش مهمی در این فرایند ایفا می­ کند. در این آزمایش،۸۰ و ۱۸۰ اتوثانیه(یک میلیاردم میلیاردم ثانیه) طول کشید که الکترون­ها عمل تونل­ زنی کوانتومی را انجام دهند که اثباتی بر نظریه­ قدیمی وگنر فیزیکدان بود. مطالعات فوق در مجله Physical Review Letters منتشر شد.

ترجمه: رضا کاظمی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: newatlas.com

image_pdfimage_print

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *