量子力学の根本的な方程式が発見されるやいなや、物理学者は理論が許す最も奇妙な現象の 1 つを特定しました。
「量子トンネリング」は、電子などの粒子がより大きなものとどれほど大きく異なるかを示しています。壁に向かってボールを投げると、ボールは後方に跳ね返ります。谷の底まで転がり、そこにとどまります。しかし、パーティクルが時折壁を飛び越えます。 2 人の物理学者が Nature で書いたように、「山をすり抜けて谷から逃げる」可能性があります。 1928 年、トンネリングの最も初期の説明の 1 つに。
物理学者はすぐに、障壁を通り抜ける粒子の能力が多くの謎を解決することに気づきました。さまざまな化学結合と放射性崩壊、および太陽内の水素原子核が相互の反発を克服して融合し、太陽光を生成する方法について説明しました。
しかし、物理学者は好奇心をそそるようになりました。彼らは、粒子が障壁を通過するのにどのくらいの時間がかかるのか疑問に思いました.
問題は、答えが意味をなさないことでした.
トンネリング時間の最初の暫定的な計算は 1932 年に印刷物に掲載されました。以前の刺し傷でさえ、個人的に行われた可能性がありますが、「意味をなさない答えを得た場合、それを公開しません」と Aephraim Steinberg は述べています。トロント大学の物理学者
トーマス・ハートマンという名前のテキサス・インスツルメンツの半導体エンジニアが、数学の衝撃的な意味を明確に取り入れた論文を書いたのは、1962 年のことでした。
Hartman は、障壁がショートカットとして機能しているように見えることを発見しました。粒子がトンネルを通過すると、バリアが存在しない場合よりも移動にかかる時間が短くなります。さらに驚くべきことに、彼はバリアを厚くしても、粒子がバリアを通過するのにかかる時間がほとんど増加しないことを計算しました。これは、十分な厚さの障壁があれば、粒子は空の空間を同じ距離を移動する光よりも速く一方の側から他方の側に飛び跳ねることができることを意味します。
要するに、量子トンネリングは、物理的に不可能と思われる超光速の移動を可能にしているように見えました.
「ハートマン効果の後、人々は心配し始めました」とスタインバーグは言いました。
議論は何十年にもわたって渦巻いていたが、その理由の 1 つは、トンネリング時間の問題が量子力学の最も謎めいた側面のいくつかをひっかいたように思われたためです。イスラエルのワイツマン科学研究所の理論物理学者である Eli Pollak は、次のように述べています。物理学者は最終的に、トンネル時間の少なくとも 10 の代替数式を導き出し、それぞれがトンネル プロセスに関する異なる視点を反映しています。誰も問題を解決しませんでした.
しかし、トンネリング時間の問題は、ラボでのトンネリング時間を正確に測定した一連の名人実験に支えられて復活しています。
Nature で報告された、これまでで最も高く評価された測定結果 7 月、トロントのスタインバーグのグループは、ラーモア時計法と呼ばれるものを使用して、ルビジウム原子が反発するレーザー場を通過するのにかかる時間を測定しました。
オーストラリアのグリフィス大学の物理学者である Igor Litvinyuk は、次のように述べています。 em>自然 昨年。
ミネソタ州のコンコーディア大学の理論物理学者であるルイス・マンゾーニも、ラーモア時計の測定値に説得力があると考えています。 「彼らが測定しているのは、実際にはトンネリング時間です」と彼は言いました。
最近の実験は、未解決の問題に新たな注目を集めています。ハートマンの論文から 60 年が経ち、物理学者がトンネリング時間をどれほど慎重に再定義したり、実験室でどれほど正確に測定したりしても、量子トンネリングは常にハートマン効果を示すことがわかりました。トンネリングは不治のようで、頑強に超光速です。
「[トンネル粒子] が光よりも速く移動できるのはどうしてですか?」リトヴィニュクは言った。 「測定が行われるまでは、純粋に理論的なものでした。」
何時?
現実そのものが存在するため、トンネリング時間を特定するのは困難です。
巨視的なスケールでは、オブジェクトが A から B に移動するのにかかる時間は、単に距離をオブジェクトの速度で割ったものです。しかし、量子論は、距離と速度の両方を正確に知ることは禁じられていることを教えてくれます.
量子論では、粒子には可能な位置と速度の範囲があります。これらの選択肢の中から、測定の瞬間に何らかの形で明確な特性が結晶化します。これがどのように起こるかは、最も深い問題の 1 つです。
つまり、粒子が検出器に衝突するまでは、粒子はどこにでもあり、特にどこにも存在しないということです。これにより、パーティクルがバリア内などのどこかで以前にどれだけの時間を過ごしたかを言うのが非常に難しくなります。リトヴィニュク氏は、「それがそこで過ごす時間はわかりません。同時に 2 つの場所に存在する可能性があるからです」と述べています。
トンネリングのコンテキストで問題を理解するには、粒子の可能な位置を表すベル カーブを想像してください。波束と呼ばれるこの釣鐘曲線は、位置 A を中心としています。ここで、波束が津波のように障壁に向かって移動する様子を想像してください。量子力学の方程式は、波束が障害物にぶつかったときにどのように 2 つに分割されるかを表しています。そのほとんどは反射し、A に向かって戻ります。しかし、確率の小さなピークはバリアをすり抜けて B に向かって進み続けます。したがって、粒子はそこで検出器に登録される可能性があります。
しかし、粒子が B に到着したとき、その移動、つまり障壁内での時間について何が言えるでしょうか?突然現れる前は、粒子は反射と透過の 2 つの確率波でした。結界に入ったことも、入らなかったこともある。 「トンネリング時間」の意味が不明確になります。
それでも、A で始まり B で終わる粒子は、その間にあるバリアと紛れもなく相互作用し、この相互作用は「時間内の何か」であるとポラックは述べています。問題は、それは何時ですか?
1990 年代に大学院生だった時から、トンネリング時間の問題に「執着しているように見える」スタインバーグは、この問題は時間の特異な性質に起因すると説明した。オブジェクトには、質量や位置などの特定の特性があります。しかし、直接測定できる固有の「時間」はありません。 「『野球の位置は？』と尋ねることはできますが、『野球の時間は？』と尋ねるのは意味がありません」とスタインバーグは言いました。 「時間は、粒子が所有するプロパティではありません。」代わりに、時計の刻み (最終的には位置の変化) など、世界の他の変化を追跡し、これらの時間の増分を呼び出します。
しかし、トンネルのシナリオでは、粒子自体の内部に時計はありません。では、どのような変更を追跡する必要があるのでしょうか?物理学者は、トンネリング時間の代用となる可能性が無限にあることを発見しました。
トンネリング時間
ハートマン (および 1932 年に彼の前にいたリロイ アーチボルド マッコール) は、トンネリングにかかる時間を測定するための最も単純なアプローチを採用しました。 Hartman は、自由空間内を A から B に移動する粒子と、バリアを横切らなければならない粒子の到着可能性が最も高い時間の差を計算しました。彼は、バリアが送信された波束のピークの位置をどのようにシフトするかを考慮することによってこれを行いました.
しかし、このアプローチには問題があります。それは、バリアが粒子の速度を上げるという奇妙な示唆を除けばです。粒子の波束の最初と最後のピークを単純に比較することはできません。粒子の最も可能性の高い出発時間 (ベル曲線のピークが A にあるとき) と最も可能性の高い到着時間 (ピークが B に達するとき) の差を計測しても、個々の粒子の飛行時間はわかりません。 B で検出された粒子は、必ずしも A で開始されたわけではありません。それは、バリアにはるかに近いフロント テールを含め、初期確率分布のどこにでもありました。これにより、B にすばやく到達するチャンスが得られました。
粒子の正確な軌道は不明であるため、研究者はより確率論的なアプローチを求めました。彼らは、波束がバリアに衝突した後、各瞬間に、粒子がバリアの内側にある確率 (およびそうでない確率) があるという事実を考慮しました。物理学者は、各瞬間の確率を合計して、平均トンネリング時間を導き出します。
確率の測り方については、1960年代後半から、粒子そのものに「時計」をつけてみるというさまざまな思考実験が考案されました。各パーティクルのクロックがバリア内にある間だけ時を刻み、送信された多くのパーティクルのクロックを読み取ると、さまざまな時間の範囲が示されます。しかし、平均はトンネリング時間を与えます。
もちろん、これはすべて言うは易く行うは難しです。 「彼らは、この時間を測定する方法についてクレイジーなアイデアを思いつき、それは決して起こらないだろうと考えていました」と、最近の Nature の筆頭著者である Ramón Ramos は言いました。 紙。 「現在、科学は進歩しており、この実験を実現できてうれしく思います。」
組み込みクロック
物理学者は 1980 年代からトンネル時間を測定してきましたが、最近の超精密測定の台頭は、2014 年にスイス連邦工科大学チューリッヒ校の Ursula Keller の研究室で始まりました。彼女のチームは、アトクロックと呼ばれるものを使用してトンネリング時間を測定しました。ケラーのアトクロックでは、ヘリウム原子からの電子が、時計の針のようにその場で回転するバリアに遭遇します。電子は、障壁が特定の方向にあるときに最も頻繁にトンネリングします — アトクロックで正午と呼びます.次に、電子が障壁から出てくると、その瞬間の障壁の配置に応じた方向に蹴られます。トンネリング時間を測定するために、ケラーのチームは、ほとんどのトンネリング イベントが開始された正午と、ほとんどの電子が放出される角度との角度差を測定しました。彼らは 50 アト秒、つまり 10 億分の 1 秒の差を測定しました。
その後、2019 年に報告された研究で、Litvinyuk のグループは、ヘリウムからより単純な水素原子に切り替えることで、ケラーのアトクロック実験を改善しました。彼らはさらに短い時間を測定し、最大で 2 アト秒であり、トンネリングがほぼ瞬時に発生することを示唆しています。
しかし、その後、一部の専門家は、アトクロックが計測する時間はトンネリング時間の適切な代用にはならないと結論付けました。昨年測定の分析を発表した Manzoni は、Hartman のトンネリング時間の定義と同様に、このアプローチには欠陥があると述べた:電子が障壁からほぼ瞬時にトンネリングすることは、後から考えると有利なスタートを切ったと言える。 .
一方、Steinberg、Ramos、およびトロントの同僚である David Spierings と Isabelle Racicot は、より説得力のある実験を行いました。
この代替アプローチは、多くの粒子がスピンと呼ばれる固有の磁気特性を持っているという事実を利用しています。スピンは、上向きまたは下向きでのみ測定される矢のようなものです。ただし、測定前は、任意の方向を指すことができます。アイルランドの物理学者ジョセフ・ラーモアが 1897 年に発見したように、粒子が磁場の中にあると、スピンの角度が回転、つまり「歳差運動」します。トロントのチームは、この歳差運動をラーモア時計と呼ばれる時計の針として使用しました。
研究者は、バリアとしてレーザービームを使用し、その内部の磁場をオンにしました。次に、スピンを特定の方向に揃えたルビジウム原子を準備し、原子をバリアに向かってドリフトさせました。次に、反対側から出てきた原子のスピンを測定しました。個々の原子のスピンを測定すると、常に「上」または「下」という明確な答えが返されません。しかし、測定を何度も行うと、収集された測定値から、原子が障壁内にある間にスピンの角度が平均でどれだけ歳差運動したか、つまり、原子が障壁内で通常どれくらいの時間を過ごしたかが明らかになります。
研究者は、ルビジウム原子が障壁内で平均して 0.61 ミリ秒を費やしたことを報告しました。これは、1980 年代に理論的に予測されたラーモア時計の時間と一致しています。これは、原子が自由空間を移動するのにかかる時間よりも短い時間です。したがって、バリアを非常に厚くすれば、加速によって原子が一方の側から他方の側へ光よりも速くトンネルすることが計算で示される、とスタインバーグは述べた。
パラドックスではなくミステリー
1907 年、アルバート アインシュタインは、彼のまったく新しい相対性理論が超光速通信を不可能にしなければならないことに気付きました。アリスとボブの 2 人が高速で離れていく様子を想像してください。相対性のために、彼らの時計は異なる時間を示します。 1 つの結果として、アリスが超光速信号をボブに送信し、ボブがすぐに超光速応答をアリスに送信した場合、ボブの応答はアリスが最初のメッセージを送信する前にアリスに到達する可能性があります。 「達成された効果は原因に先行する」とアインシュタインは書いた.
専門家は一般に、トンネリングによって因果関係が実際に破られることはないと確信していますが、そうでない正確な理由についてはコンセンサスが得られていません。 「それについて完全に統一された考え方があるとは思えません」とスタインバーグは言いました。 「そこにはパラドックスではなく謎があります。」
いくつかの良い推測は間違っています。マンゾーニは、2000 年代初頭に超光速トンネルの問題について聞いたとき、同僚と協力して計算をやり直しました。彼らは、相対論的効果 (高速で移動する粒子の時間が遅くなる) を考慮すれば、トンネリングがサブルミナール速度に低下すると考えていました。 「驚いたことに、そこにも超光速トンネルが存在する可能性がありました」とマンゾーニ氏は言います。 「実際、この問題は相対論的量子力学ではさらに深刻でした。」
研究者は、超光速の信号伝達が許可されない限り、超光速のトンネリングは問題ではないと強調しています。これは、アインシュタインを悩ませた「遠くからの不気味な行動」に似ています。不気味な行動とは、遠く離れた粒子が「絡み合う」能力を指すため、一方を測定すると、両方の特性が即座に決定されます。遠く離れた粒子間のこの瞬間的な接続は、パラドックスを引き起こしません。これは、ある粒子から別の粒子へのシグナル伝達には使用できないためです。
とはいえ、離れた場所での不気味なアクションに手が回る量を考えると、驚くべきことに、超光速トンネリングについてはほとんど騒ぎ立てられていません。ケンブリッジ大学でトンネリング時間の問題を研究している Grace Field は、「トンネリングでは、状態がこの不気味な方法でリンクされている、別々の 2 つのシステムを扱っているわけではありません」と述べています。 「宇宙を移動する単一のシステムを扱っています。そういう意味では、もつれよりも奇妙に思えます。」
New Journal of Physics に掲載された論文で 9 月、Pollak と 2 人の同僚は、超光速トンネリングは統計上の理由から超光速信号伝達を許可しないと主張しました。非常に厚いバリアを通過するトンネリングは非常に高速に発生しますが、そのようなバリアを通過するトンネリング イベントが発生する可能性は非常に低いです。シグナル送信者は常に、フリー スペースを介してシグナルを送信することを好みます。
しかし、超光速で通過できることを期待して、超厚いバリアに大量の粒子を吹き飛ばすことができなかったのはなぜですか?メッセージを伝え、物理学を打ち破るには、たった 1 つの粒子で十分ではないでしょうか?この状況の統計的見解に同意するスタインバーグは、トンネルを通過した単一の粒子では情報を伝達できないと主張しています。信号には詳細と構造が必要であり、詳細な信号を送信しようとする試みは、信頼できない障壁を通過するよりも常に空気を介して送信されます.
ポラック氏は、これらの問題は今後の研究課題であると述べました。 「スタインバーグの実験は、さらなる理論への原動力になると信じています。それがどこにつながるのか、私にはわかりません。」
熟考は、スタインバーグのリストの次のものを含む、より多くの実験と一緒に行われます.彼と彼のチームは、バリア内のさまざまな領域内の磁場を特定することにより、「粒子がバリア内で過ごす時間だけでなく、その時間をバリア内のどこで過ごすか」を調べることを計画しています。理論計算によると、ルビジウム原子はほとんどの時間をバリアの入口と出口の近くで過ごしますが、中間ではほとんど時間がかかりません。 「これは驚くべきことであり、まったく直感的ではありません」と Ramos 氏は述べています。
多くのトンネリング粒子の平均的な経験を精査することにより、研究者は、1世紀前に量子力学の先駆者が予想していたよりも、「山の中で」起こっていることのより鮮明な絵を描いています.スタインバーグの見解では、この開発は、量子力学の奇妙な評判にもかかわらず、「粒子がどこに行き着くかを見ると、それが以前に何をしていたかについてより多くの情報を与えてくれる」という点を思い起こさせます。
この記事は le Scienze でイタリア語で転載されました .
