Işık Hızını Kıran: Kuantum Tüneli Bilmecesi...

Kuantum tünelleme, parçacıkların enerji bariyerlerini aşmasına olanak tanır. Parçacıkların tünel açması için gereken süreyi ölçmek için, süperlüminal tünelleme hızlarına ilişkin önceki iddialara meydan okuyabilecek yeni bir yöntem önerildi. Bu yöntem, ince zaman farklarını tespit etmek için atomları saat olarak kullanmayı içerir.

Tünel açma olarak bilinen kuantum fiziğinin şaşırtıcı bir olgusunda, parçacıkların ışık hızından daha hızlı hareket ettiği görülmektedir. Ancak Darmstadtlı fizikçiler, parçacıkların tünele girmesi için gereken sürenin şimdiye kadar yanlış ölçüldüğüne inanıyor. Kuantum parçacıklarının hızını durdurmak için yeni bir yöntem öneriyorlar. Klasik fizikte aşılamayan katı yasalar vardır. 

Örneğin yuvarlanan bir topun yeterli enerjisi yoksa tepeyi aşamaz; bunun yerine zirveye ulaşmadan önce geri dönecektir. Kuantum fiziğinde bu prensip o kadar katı değildir. Burada bir parçacık, üzerinden geçmek için yeterli enerjiye sahip olmasa bile bir engeli geçebilir. Sanki bir tünelden geçiyormuş gibi davranıyor; bu nedenle olaya “kuantum tünelleme” de deniyor. Salt teorik sihirden çok uzak olan bu olgunun, flash bellek sürücülerinin çalışması gibi pratik uygulamaları da var.

Kuantum Tüneli ve Görelilik 

Geçmişte parçacıkların ışıktan daha hızlı tünel açtığı deneyler ilgi çekmişti. Sonuçta Einstein'ın görelilik teorisi ışıktan hızlı hızları yasaklıyor. Bu nedenle soru, tünel açma için gereken sürenin bu deneylerde doğru şekilde "durdurulup durdurulmadığı"dır. TU Darmstadt'tan fizikçiler Patrik Schach ve Enno Giese, tünel açan bir parçacığın "zamanını" tanımlamak için yeni bir yaklaşım izliyor. Şimdi bu zamanı ölçmek için yeni bir yöntem önerdiler. Deneylerinde bunu tünellemenin kuantum doğasına daha uygun olduğuna inandıkları bir şekilde ölçtüler. Deneylerinin tasarımını ünlü Science Advances dergisinde yayınladılar . 

Dalga-Parçacık İkililiği ve Kuantum Tüneli 

Kuantum fiziğine göre atom veya hafif parçacıklar gibi küçük parçacıklar ikili bir yapıya sahiptir. Deneye bağlı olarak parçacık veya dalga gibi davranıyorlar. Kuantum tünelleme parçacıkların dalga doğasını vurgular. Bir "dalga paketi", su dalgasına benzer şekilde bariyere doğru yuvarlanır. Dalganın yüksekliği, konumu ölçüldüğünde parçacığın bu konumda gerçekleşme olasılığını gösterir. Dalga paketi bir enerji bariyerine çarparsa bir kısmı yansıtılır. Ancak küçük bir kısmı bariyere nüfuz eder ve parçacığın bariyerin diğer tarafında görünme olasılığı da düşüktür.

Tünel Açma Hızının Yeniden Değerlendirilmesi 

Önceki deneyler, hafif bir parçacığın tünel açıldıktan sonra serbest yolu olan parçacığa göre daha uzun bir mesafe kat ettiğini gözlemlemişti. Bu nedenle ışıktan daha hızlı hareket ederdi. Ancak araştırmacıların parçacığın yerini geçişten sonra tanımlaması gerekiyordu. Dalga paketinin en yüksek noktasını seçtiler.

Enno Giese, "Fakat parçacık klasik anlamda bir yol izlemez" diye itiraz ediyor. Parçacığın belirli bir zamanda tam olarak nerede olduğunu söylemek imkansızdır. Bu, A noktasından B noktasına gitmek için gereken süre hakkında açıklama yapmayı zorlaştırıyor. 

Tünel Açma Süresini Ölçmeye Yeni Bir Yaklaşım 

Öte yandan Schach ve Giese, Albert Einstein'ın bir alıntısından yola çıkıyor: "Zaman, saatten okunan şeydir." Tünel açma parçacığının kendisini saat olarak kullanmayı öneriyorlar. Tünel oluşturmayan ikinci bir parçacık referans görevi görür. Bu iki doğal saati karşılaştırarak kuantum tünelleme sırasında zamanın daha yavaş mı, daha hızlı mı yoksa eşit derecede hızlı mı aktığını belirlemek mümkün. Parçacıkların dalga doğası bu yaklaşımı kolaylaştırır. 

Dalgaların salınımı saatin salınımına benzer. Spesifik olarak Schach ve Giese, atomların saat olarak kullanılmasını önermektedir. Atomların enerji seviyeleri belirli frekanslarda salınır. Bir atoma lazer darbesi ile hitap edildikten sonra seviyeleri başlangıçta senkronize olarak salınır; atom saati başlatılır. Ancak tünel açma sırasında ritim biraz değişir. İkinci bir lazer darbesi, atomun iki iç dalgasının karışmasına neden olur. Parazitin tespit edilmesi, enerji seviyelerinin iki dalgasının birbirinden ne kadar uzakta olduğunu ölçmeyi mümkün kılar ve bu da geçen zamanın kesin bir ölçümüdür.

Tünel açmayan ikinci bir atom, tünel açma ve açmama arasındaki zaman farkını ölçmek için referans görevi görür. İki fizikçi tarafından yapılan hesaplamalar, tünel oluşturan parçacığın biraz gecikmeli bir zaman göstereceğini öne sürüyor. Patrik Schach, "Tüneldeki saat diğerinden biraz daha eski" diyor. Bu, süper ışık hızını tünel açmaya bağlayan deneylerle çelişiyor gibi görünüyor. 

Deneyi Uygulamanın Zorluğu 

Schach, prensipte testin günümüz teknolojisiyle yapılabileceğini ancak bunun deneyciler için büyük bir zorluk olduğunu söylüyor. Bunun nedeni, ölçülecek zaman farkının yalnızca 10-26 saniye civarında olmasıdır ; bu son derece kısa bir süredir. Fizikçi, bunun tek tek atomlar yerine saat olarak atom bulutlarının kullanılmasına yardımcı olduğunu açıklıyor. Efekti, örneğin saat frekanslarını yapay olarak artırarak güçlendirmek de mümkündür. Giese, "Şu anda bu fikri deneysel meslektaşlarımızla tartışıyoruz ve proje ortaklarımızla iletişim halindeyiz" diye ekliyor. Bir ekibin yakında bu heyecan verici deneyi gerçekleştirmeye karar vermesi oldukça muhtemel.