Η κβαντική σήραγγα είναι ένα από τα χαρακτηριστικότερα κβαντομηχανικά φαινόμενα που αναδεικνύουν την βαθύτερη διαφορά του μικρόκοσμου με τον μακρόκοσμο. Ρίξτε μια μπάλα στον τοίχο. Θα αναπηδήσει προς τα πίσω. Όμως, ένα κβαντομηχανικό σωματίδιο μπορεί περιστασιακά να διασχίζει τον κλασικά αδιαπέραστο τοίχο!

Φέτος είναι το Διεθνές Έτος Κβαντικής Επιστήμης και Τεχνολογίας, που σηματοδοτεί τα 100 χρόνια από την ανακάλυψη της κβαντομηχανικής. Η κβαντομηχανική κάνει ακριβείς προβλέψεις σε ατομική και υποατομική κλίμακα, αλλά οι φυσικοί εξακολουθούν ακόμα να προβληματίζονται για το πώς πρέπει να ερμηνεύονται οι εξισώσεις και τα φαινόμενα της κβαντικής φυσικής.

Αφήστε μια μπάλα να κυλήσει σε μια κοιλάδα και θα εγκλωβιστεί για πάντα σ’ αυτή. Αλλά το κβαντομηχανικό σωματίδιο, «μπορεί να διεισδύσει μέσα από το βουνό και να διαφύγει από την κοιλάδα» – όπως χαρακτηριστικά αναφερόταν σε άρθρο πριν από έναν αιώνα στο περιοδικό Nature, σε μια από τις πρώτες περιγραφές του εξωφρενικού αυτού φαινομένου.

Η δυνατότητα των κβαντικών σωματιδίων να διασχίζουν κλασικά απαγορευμένες περιοχές πεπερασμένης έκτασης και να συνεχίζουν την κίνησή τους από την άλλη μεριά του «φράγματος», αναφέρεται συνήθως ως φαινόμενο σήραγγας. Η ονομασία του φαινομένου προέρχεται από την κλασική εικόνα ενός σφαιριδίου που επιχειρεί να ανέβει σε έναν λόφο, αλλά η ταχύτητά του δεν είναι αρκετή ώστε να φτάσει στην κορυφή και να περάσει στην άλλη πλευρά του λόφου. Σύμφωνα με την κλασική φυσική, ο μόνος τρόπος για να βρεθεί στην άλλη πλαγιά του λόφου είναι να υποθέσουμε ότι υπάρχει μια σήραγγα πριν την κορυφή, στην οποία το σφαιρίδιο διεισδύει και φτάνει εύκολα στην άλλη πλευρά.

Στον μικρόσκοσμο όμως η δυνατότητα διείσδυσης των σωματιδίων σε τέτοιες απαγορευμένες περιοχές είναι απόλυτα φυσιολογική. Αν η έκταση μιας τέτοιας περιοχής είναι πεπερασμένη, η εκθετική απόσβεση που υφίσταται εκεί η κυματοσυνάρτηση του σωματιδίου δεν είναι αρκετή για να μηδενίσει την πιθανότητα να διασχίσει το φράγμα δυναμικού και να βρεθεί εκ νέου σε μια ενεργειακά επιτρεπόμενη περιοχή.

Στην περιοχή του φράγματος η κυματοσυνάρτηση υφίσταται μια εκθετική μείωση του πλάτους της που αφήνει όμως μια μικρή πιθανότητα στο σωματίδιο να φτάσει ως την άλλη πλευρά και να συνεχίσει την κίνησή του ως ένα κύμα με αισθητά μειωμένο πλάτος. (Περισσότερες λεπτομέρειες για το φαινόμενο σήραγγος μπορείτε να διαβάσετε στην Κβαντομηχανική Ι του Στέφανου Τραχανά).

Η δυνατότητα των σωματιδίων να διέρχονται μέσα από εμπόδια λύνει πολλά μυστήρια. Για παράδειγμα, εξήγησε διάφορους χημικούς δεσμούς, τις ραδιενεργές διασπάσεις και το πως οι πυρήνες υδρογόνου (τα πρωτόνια) στο εσωτερικό του ήλιου μπορούν να υπερνικήσουν την μεταξύ τους ηλεκτροστατική άπωση και να συντηχθούν (συνενωθούν) αρχικά προς πυρήνες του δευτερίου (²H) και στη συνέχεια προς πυρήνες ηλίου (⁴He), παράγοντας ηλιακό φως.

Οι φυσικοί, αφού περιέγραψαν μαθηματικά πώς τα κβαντομηχανικά σωματίδια περνάνε μέσα από αδιαπέραστα φράγματα, πήγαν ένα βήμα πιο μακριά. Αναρωτήθηκαν, αν έχει νόημα το ερώτημα: πόσο χρόνο χρειάζεται ένα σωματίδιο για να διασχίσει ένα φράγμα; Και πραγματοποίσαν πειράματα με σκοπό την ακριβή μέτρηση της χρονικής διάρκειας του φαινομένου σήραγγος στο εργαστήριο^(*).

Στην πρόσφατη δημοσίευση στο περιοδικό Nature των Sharoglazova et al, με τίτλο «Energy–speed relationship of quantum particles challenges Bohmian mechanics» , υποστηρίζεται ότι η μέτρηση της διάρκειας του κβαντομηχανικού φαινομένου σήραγγας μπορεί να καθορίσει την αλήθεια ή όχι της μπομιανής κβαντομηχανικής (θεωρία de Broglie-Bohm). Πρόκειται για μια εναλλακτική ερμηνεία της κβαντικής φυσικής σύμφωνα με την οποία τα σωματίδια καθοδηγούνται από κύματα. Η μπομιανή μηχανική θεωρεί ότι το σωματίδιο δεν είναι ένα πράγμα, αλλά δύο – ένα κύμα και ένα (στην κυριολεξία σημειακό) σωματίδιο του οποίου η κίνηση καθορίζεται από το κύμα. Και προφανώς, έρχεται σε σύγκρουση με την κβαντομηχανική ερμηνεία της Κοπεγχάγης, ότι η φύση είναι εγγενώς πιθανοκρατούμενη, φιλοδοξώντας να επαναφέρει τον ρεαλισμό και τον ντετερμινισμό στον μικρόκοσμο.

Οι ερευνητές Sharoglazova et al έστησαν ένα πείραμα για να διερευνήσουν την ταχύτητα των σωματιδίων που διασχίζουν ένα ενεργειακό φράγμα. Κατασκεύασαν έναν κυματοδηγό – μια κατοπτρική δομή που περιορίζει την κίνηση των φωτονίων προς μία κατεύθυνση. Με ένα λέιζερ στο ένα άκρο του κυματοδηγού, δημιούργησαν φωτόνια που συναντούσαν ένα φράγμα (ένα σκαλοπάτι στην κατοπτρική επιφάνεια) με τόση ενέργεια που σύμφωνα με την κλασική φυσική, δεν θα μπορούσαν να περάσουν.

Όταν ένα σωματίδιο διαπερνά ένα φράγμα, η κινητική του ενέργεια είναι χαμηλότερη από τη δυναμική ενέργεια του φράγματος, πράγμα που σημαίνει ότι η τοπική κινητική του ενέργεια είναι αρνητική. Αυτή η ενέργεια υπολογίστηκε για κάθε εκτέλεση του πειράματος και αποδείχθηκε ότι όσο πιο αρνητική ήταν, τόσο πιο γρήγορα ταξίδευαν τα σωματίδια μέσα στο φράγμα. Η διάδοση του φωτός μέσω των κατόπτρων σήμαινε ότι ο αριθμός των ενεργών σωματιδίων στους κυματοδηγούς μειωνόταν με την απόσταση μέσα στο φράγμα. Οι χρόνοι παραμονής βρέθηκαν πεπερασμένοι, σε αντίθεση με την πρόβλεψη του Bohm ότι το χρονικό διάστημα παραμονής των σωματιδίων μέσα στο φράγμα είναι άπειρο.

Όμως, με μια πρώτη ματιά, φαίνεται ότι η εν λόγω μελέτη από μόνη της, είναι απίθανο να συνεισφέρει ακόμα και στην βέβαιη μη-εγκυρότητα της μπομιανής ερμηνείας της κβαντομηχανικής. Το πείραμά της Sharoglazova και των συνεργατών της βασίζεται σε μια σειρά από υποθέσεις, όπως για παράδειγμα, η εξίσωση που καθορίζει την χρονική εξέλιξη της κυματοσυνάρτησης ισχύει για σωματίδια με μάζα ηρεμίας διάφορη του μηδενός, αλλά στο πείραμα χρησιμοποιήθηκαν φωτόνια που δεν έχουν μάζα ηρεμίας. Δεν παύει όμως να είναι μια σημαντική μελέτη, τουλάχιστον, όσον αφορά το στήσιμο της πειραματικής διάταξης και την συλλογή των δεδομένων του πειράματος.

Περισσότερες λεπτομέρειες μπορείτε να βρείτε εδώ:
‘Tour de force’ experiment probes quantum tunnelling in action και εδώ:
Tunnelling photons challenge interpretation of quantum mechanics.

(*) Ένα άλλο κβαντομηχανικό φαινόμενο που προβλημάτισε τους φυσικούς, όσον αφορά την διάρκειά του, είναι το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Διαβάστε σχετικά: Πόσο διαρκεί το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο;

Κατηγορίες:ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ

Ετικέτες: ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΣΗΡΑΓΓΑΣ, PHYSICS