Rompere la velocità della luce: il mistero del tunnel quantistico

In uno straordinario fenomeno della fisica quantistica noto come tunneling, le particelle sembrano muoversi più velocemente della luce. I fisici di Darmstadt ritengono però che finora il tempo trascorso dalle particelle nel tunnel sia stato misurato in modo errato. Propongono un nuovo modo per fermare la velocità delle particelle quantistiche.

Nella fisica classica esistono regole rigide che non possono essere aggirate. Ad esempio, se una palla che rotola non ha abbastanza energia, non andrà oltre la collina, ma girerà su se stessa prima di raggiungere la cima e invertirà la direzione. Nella fisica quantistica questo principio non è del tutto rigido: una particella può attraversare una barriera, anche se non ha abbastanza energia per superarla. Si comporta come se scivolasse attraverso un tunnel, motivo per cui questo fenomeno è noto anche come “tunnel quantistico”. Ciò che sembra magico ha applicazioni tecniche concrete, ad esempio nelle memorie flash.

Tunneling quantistico e relatività

In passato, gli esperimenti con particelle più veloci della luce hanno attirato una certa attenzione. Dopotutto, la teoria della relatività di Einstein vieta velocità superiori a quelle della luce. La domanda è quindi se il tempo necessario per il tunneling sia stato adeguatamente “messo in pausa” in questi esperimenti. I fisici Patrick Schach ed Eno Giese dell’Università di Darmstadt seguono un nuovo approccio per determinare il “tempo” di una particella tunnel. Ora hanno proposto un nuovo modo per misurare questo tempo. Nel loro esperimento, l’hanno misurato in un modo che ritengono più adatto alla natura quantistica del tunneling. Hanno pubblicato il progetto del loro esperimento sulla famosa rivista Progresso della scienza.

Dualità onda-particella e tunneling quantistico

Secondo la fisica quantistica, le piccole particelle come gli atomi o le particelle di luce hanno una duplice natura.

A seconda dell’esperimento si comportano come particelle o come onde. Il tunneling quantistico evidenzia la natura ondulatoria delle particelle. Un “pacchetto d’onde” rotola verso la barriera, simile al flusso d’acqua. L’altezza dell’onda indica la probabilità che una particella si materializzi in quella posizione se la sua posizione fosse misurata. Se un pacchetto d’onde colpisce una barriera energetica, parte di esso viene riflesso. Tuttavia, una piccola porzione penetra nella barriera e c’è una piccola possibilità che la particella appaia dall’altra parte della barriera.

Rivalutazione della velocità del tunnel

Precedenti esperimenti avevano osservato che una particella leggera percorreva una distanza maggiore dopo il tunneling rispetto a una particella che aveva un percorso libero. Pertanto, avrebbe viaggiato più veloce della luce. Tuttavia, i ricercatori dovevano determinare la posizione della particella dopo il suo passaggio. Hanno scelto il punto più alto del pacchetto d’onda.

“Ma la particella non segue un percorso in senso classico”, obietta Eno Giese. È impossibile determinare esattamente dove si trovava una particella in un dato momento. Ciò rende difficile fare dichiarazioni sul tempo necessario per andare da A a B.

Un nuovo approccio per misurare il tempo di tunneling

D’altra parte, Shash Brief è guidato da una citazione di Albert Einstein: “Il tempo è ciò che leggi sull’orologio”. Propongono di utilizzare la particella stessa del tunnel come un orologio. La seconda particella non spesa funge da riferimento. Confrontando questi due orologi naturali, è possibile determinare se il tempo scorre più lentamente, più velocemente o alla stessa velocità durante il tunneling quantistico.

La natura ondulatoria delle particelle facilita questo approccio. L’oscillazione delle onde è come l’oscillazione di un orologio. Nello specifico, Schach e Giese propongono di utilizzare gli atomi come orologi. I livelli energetici degli atomi oscillano a determinate frequenze. Dopo essersi rivolto ad A mais Con un impulso laser, i loro livelli oscillano inizialmente in modo sincrono: si avvia l’orologio atomico. Durante il tunnel il ritmo cambia leggermente. Un secondo impulso laser fa sì che le due onde interne dell’atomo si sovrappongano. Il rilevamento dell’interferenza consente di misurare la distanza tra due onde di livello energetico, il che a sua volta è una misurazione accurata del tempo trascorso.

Per quanto riguarda il secondo atomo, che non è tunnellizzato, serve come riferimento per misurare la differenza di tempo tra scavare tunnel e non scavare tunnel. I calcoli dei fisici suggeriscono che la particella tunnel apparirà un po’ più tardi. “L’orologio scavato nel tunnel è un po’ più vecchio dell’altro”, spiega Patrick Schach. Ciò sembra contraddire gli esperimenti che attribuivano la velocità della luce al tunneling.

La sfida di implementare l’esperimento

In linea di principio, il test potrebbe essere eseguito utilizzando la tecnologia attuale, afferma Schach, ma rappresenta una sfida enorme per gli esperimenti. Questo perché la differenza di tempo da misurare è solo di circa 10^-26 Secondi: un tempo molto breve. Il fisico spiega che è utile usare nuvole di atomi come orologi invece dei singoli atomi. È anche possibile amplificare l’effetto, ad esempio aumentando artificialmente le frequenze dell’orologio.

«Stiamo attualmente discutendo questa idea con i nostri colleghi sperimentali e siamo in contatto con i nostri partner di progetto», aggiunge Gizzi. È molto probabile che presto il team deciderà di condurre questo entusiasmante esperimento.

Riferimento: “Teoria unificata dei tempi dei tunnel promossa dagli orologi Ramsey” di Patrick Schach e Eno Giese, 19 aprile 2024, Progresso della scienza.
doi: 10.1126/sciadv.adl6078