Für die Uneingeweihten ist die Quantenphysik ein Wissenschaftszweig, der die Teilchen beschreibt, aus denen die Materie besteht, und die Kräfte, mit denen sie interagieren. Wenn wir etwas über die Quantenwelt gelernt haben, ist es dies; die Quantenwelt ist seltsamIn einem unvorstellbar kleinen Maßstab verhalten sich die Dinge nicht intuitiv. Die Physiker haben vielleicht einen guten Einblick in die Mathematik hinter der Quantenphysik, aber diese Mathematik kann manchmal auf Dinge hinweisen, die sie am Kopf kratzen lassen.
Niels Bohr hat einmal berühmt gesagt, dass "diejenigen, die nicht schockiert sind, wenn sie zum ersten Mal auf die Quantentheorie stoßen, sie unmöglich verstanden haben können."
In der Quantenwelt können verschränkte Teilchen schneller als Licht kommunizieren, winzige Teilchen an mehreren Orten gleichzeitig existieren, Teilchen zufällig ein- und ausgehen und einige Teilchen können sich wie Geister durch Wände "teleportieren"Ja, die Quantenwelt ist seltsam. Wie Sie vielleicht vermutet haben, konzentrieren wir uns hier auf das letzte Beispiel, einen Prozess namens Quantentunneling.
Quantentunneln ist in seiner grundlegendsten und verständlichsten Erklärung das mechanische Phänomen, bei dem sich eine Wellenfunktion durch eine Potentialbarriere ausbreiten kann.
Stellen Sie sich vor, Sie werfen einen Ball gegen die Wand. Er trifft die Wand und springt nach hinten. Wenn Sie ihn einen Hügel hinunter rollen lassen, bleibt er dort, wenn er den Boden erreicht. Gelegentlich werden Teilchen auf der QuantenskalaHüpfe durch die Wand, anstatt "zurückzuspringen". Obwohl es wie ein Plot-Gerät aus Marvels erscheinen mag. Rächer Dieses Phänomen wurde bereits 1928 bei zwei Physikern bemerkt geschrieben in Natur dass Partikel manchmal „durch den Berg rutschen und aus dem Tal entkommen“ scheinen
Ihre Barriere ist hier nicht gut
Stellen Sie sich vor, Sie und Ihre kleine Schwester kämpfen mit Nerf Guns dagegen an. In diesem Fall schießen Sie von verschiedenen Seiten des Raums aus aufeinander. Ihre Schwester kauert ein paar Mal zwischen einer kleinen Wand aus SchichtkissenFuß hoch und ein paar Fuß breit, während Sie konsequent Ihre feuern Rivale Nemesis MXVII bei ihr. Da dies die Quantenwelt ist, haben Sie Millionen von Patronen in Ihre Waffe geladen. In unserem Fall werden 99,999% Ihrer Nerf-Patronen von der Wand abprallen. Ein sehr kleiner Prozentsatz wird sich jedoch zu der "teleportieren"auf der anderen Seite der Mauer landen die letzten Schüsse auf deine Schwester.
Wie sind Ihre Nerf-Pellets auf magische Weise auf der anderen Seite der provisorischen Wand erschienen? Dafür müssen Sie sich beim Quantentunneln bedanken. Hier beginnt unsere Geschichte.
Partikel können durch den Berg rutschen und aus dem Tal entkommen.
Seit der ersten Veröffentlichung des Papiers über die Idee des Quanten Tunnelbau 1928 Forscher waren bestrebt, mehr über dieses Phänomen zu erfahren, zu verstehen, wie es funktioniert, und eine direkte Antwort auf die uralte Frage zu erhalten, wie schnell das "Tunneln" stattfindet.
Das Tunneln selbst ist eine gute Erinnerung daran, wie sich seltsame Teilchen auf Quantenebene verhalten können. Beim Quantentunneln kann ein subatomares Teilchen auf der gegenüberliegenden Seite einer Barriere erscheinen, die es nicht durchdringen kann.
Angenommen, Sie würden ein subatomares Teilchen wie ein Elektron oder ein Proton in einen Raum auf einer Seite eines potenziellen Energiehügels freisetzen. Das Teilchen verfügt nicht über die Energie, um es über den Hügel zu bringen, sodass Sie sicher sind, dass das Teilchenwird an Ort und Stelle bleiben. Trotzdem ist das Partikel plötzlich verschwunden. Wie in der Abbildung oben, bemerken Sie, wenn Sie auf die andere Seite des Hügels gehen, dass das Partikel es irgendwie über unseren Hügel geschafft hat. Partikel, die im Tunnel durch Barrieren schleichen können, genau wiedies, und es kann häufiger sein als Sie denken.
Tatsächlich kann das Quantentunneln für Prozesse von grundlegender Bedeutung sein wie die Photosynthese. Sobald sie das Quantentunneln entdeckt haben, p Hysiker erkannten, dass es tatsächlich viele Rätsel löste. Es erklärte verschiedene chemische Bindungen und radioaktive Zerfälle und wie Wasserstoffkerne in der Sonne ihre gegenseitige Abstoßung und Verschmelzung überwinden und Sonnenlicht erzeugen können.
Halbleiter, Transistoren und Dioden würden ohne sie nicht funktionieren. Und natürlich beinhaltet Quantencomputer auch das Tunneln. Es stellt sich heraus, dass Partikel durch den Berg rutschen und ziemlich oft aus dem Tal entkommen.
Sie müssen einige der wichtigsten Ideen hinter der Quantenphysik verstehen, bevor Sie mit dem Tunneln beginnen können.
Einer der wichtigsten Unterschiede zwischen klassischer Physik und Quantenphysik ist die Quantenphysik probabilistisch . Kehren wir zu unserem Beispiel für Partikel- und Hügelbarrieren zurück. Wenn wir versuchen würden, einen Ball über den Hügel zu schieben, würden wir jederzeit genau wissen, wo sich der Ball befindet. Da wir jedoch ein Partikel verwenden, tun wir dies nichtIm Gegensatz zu einer Kugel können wir nicht genau wissen, wo sich ein Partikel zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet.
Sie können dem danken Heisenberg-Unsicherheitsprinzip um dies zu klären. Es heißt, dass wir niemals sowohl die genaue Position als auch das Moment eines subatomaren Teilchens kennen können. Interessanterweise hat es nichts mit dem Mangel an geeigneten Messwerkzeugen zu tun. Das Heisenberg-Unsicherheitsprinzip scheint ein grundlegender Bestandteil von zu seindie Natur der Realität. Es gibt jedoch einige gute Nachrichten.
Wir können die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Teilchen zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet, in sehr hohem Maße messen. Quantenphysiker modellieren diese Wahrscheinlichkeiten mithilfe einer Wellenfunktion. Kurz gesagt, eine Wellenfunktion ist eine Beschreibung der Wahrscheinlichkeit, ein Objekt zu findenan einem bestimmten Ort und zu einer bestimmten Zeit.
Immer noch bei uns? Eine seltsame Eigenschaft von Wellen ist, dass sie selten aufhören, wenn sie auf etwas treffen. Denken Sie an Schall. Schallwellen aus Ihrer Musik hören nicht auf, wenn sie mit festen Gegenständen in Kontakt kommen. Deshalb auch bei verschlossener TürIhre Mitbewohner können immer noch hören, wie Sie Kpop sprengen.
Wenn dies einfach nicht der Fall wäre, würde das Sonnenlicht, das auf Ihr Haus trifft, einfach aufhören und Ihr Zuhause niemals erwärmen. Dasselbe passiert mit den Wellenformen, die zur Beschreibung von Quantenteilchen verwendet werden. Die Wellenfunktion eines Objekts kann sich in oder sogar in die Vergangenheit erstreckeneine Barriere. Da diese Funktion die Wahrscheinlichkeit eines Partikels in einem bestimmten Raum beschreibt, landet dieses Partikel gelegentlich auch auf der anderen Seite der Barriere. Sinnvoll?
Könnten Sie durch Wände gehen?
Vielleicht theoretisch, aber höchstwahrscheinlich nein. Obwohl dies eine coole und gefährliche Kraft sein könnte, ist die Wahrscheinlichkeit, dass dies geschieht, ziemlich nahe bei Null. Jack Fraser, Absolvent der Physik an der Universität Oxford angegeben, dass , "Seit Beginn des Universums [vor 13,8 Milliarden Jahren] könnten eine Billion Menschen eine Wand betreten, eine Billion Mal pro Sekunde - und die Wahrscheinlichkeit, dass einer von ihnen durch die Wand geht, ist immer noch so gering, dass sie [praktisch] ist] Null. "Warum? Die Wahrscheinlichkeit eines Objekttunnelns hängt direkt mit der Masse des Objekts zusammen. Die durchschnittliche Person wiegt ungefähr 70 kg; ein Elektron wiegt ungefähr 9x10–31 kg.
Aber wenn Sie das Gefühl haben, die Quantenpartei zu verpassen, ist nicht jede Hoffnung verloren. Einige Nachforschungen hat das vorgeschlagen Quantentunneln könnte in unserem Körper stattfinden, da die Enzyme, die für die Aktivierung von Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen verantwortlich sind, das Wasserstoff-Tunneln fördern könnten. Interessanterweise ist eines dieser Enzyme für die Umwandlung verantwortlich. Ethanol in Acetaldehyd die Verbindung, die nach einer Nacht beim Trinken Kopfschmerzen, Schwindel und Übelkeit verursacht. Vielleicht verpassen Sie also doch nicht die Quantenparty.
Wie schnell erfolgt das Quantentunneln?
Dies ist die nächste logische Frage. In den letzten Jahrzehnten war dies jedoch ein heiß diskutiertes Thema, zusammen mit dem, was mit dem Teilchen passiert, wenn es sich durch die Barriere "bewegt". Wie viele Dinge in der Quantenwelt ist auch dasAntworten auf diese Fragen sind nicht einfach.
Forscher haben zuvor versucht, die Zeit, die zum Tunneln benötigt wird, mit unterschiedlichen und oft fragwürdigen Ergebnissen zu messen, wobei einige argumentieren, dass das Ereignis möglicherweise vorliegt. noch schneller als die Lichtgeschwindigkeit . Doch erst im vergangenen Jahr haben Wissenschaftler den Fall möglicherweise mit einem historischen geknackt. 20 Jahre langes Forschungsexperiment .
In der veröffentlichten Papier angeführt von Physikern aus der Programm für Quanteninformationswissenschaft Am kanadischen Institut für fortgeschrittene Forschung beschreiben Forscher nicht nur, wie sie den Prozess gemessen haben, sondern auch die Anzahl, die sie erhalten haben. "Quantentunneln ist eines der rätselhaftesten Quantenphänomene. Und es ist fantastisch, dass wir es jetzt tatsächlich könnenum es auf diese Weise zu studieren ", sagt Studienkoautor Aephraim Steinberg, Co-Direktor des Quantum Information Science Program.
Wie haben sie es gemacht? Sie haben einige der grundlegendsten Prinzipien der Quantenphysik verwendet, um dies zu erreichen. In ihrem Experiment haben sie verwendet 8.000 Rubidiumatome auf ein Milliardstel Grad über Null Kelvin abgekühlt.
Die Atome mussten diese Temperatur haben, sonst hätten sie sich zufällig mit hoher Geschwindigkeit bewegt, anstatt in einem kleinen Klumpen zu bleiben. Die kanadischen Physiker verwendeten einen Laser, um eine Barriere zu erzeugen, und fokussierten sie so, dass die Barriere war. 1,3 Mikrometer dick oder die Dicke von ungefähr 2.500 Rubidiumatome . Mit einem anderen Laser schob das Team die Rubidiumatome in Richtung Barriere und bewegte sie in einem gleichmäßigen Tempo von ungefähr 0,8 Zoll 3,8 mm pro Sekunde . Die meisten Rubidiumatome prallten von der Barriere ab. Dank unseres alten Kumpeltunnels. 3% der Atome drang in die Barriere ein und schaffte es auf die andere Seite.
Die Wahl des Rubidiums war nicht zufällig. Es wurde verwendet, weil der Spin des Atoms durch Laser verändert werden kann. Je länger es dauerte, bis das Rubidium durch die Barriere tunnelte, desto mehr würde sich der Spin ändern. Durch Messen des Spins eines AtomsVor und nach dem Eintritt in die Barriere konnten die Wissenschaftler feststellen, wie lange die Atome zum Tunneln gebraucht haben. Wie lange hat der Prozess gedauert? Durchschnittlich 0,61 Millisekunden .
Das Ergebnis erwies sich als etwas verwirrend, da dies in der Quantenwelt relativ langsam ist, insbesondere wenn man bedenkt, dass frühere Arbeiten darauf hinwiesen, dass das Tunneln sofort erfolgen könnte. Unabhängig davon ist es ein weiteres beeindruckendes Beispiel dafür, wie ein Ansatz zur Entmystifizierung des Quanten beitragen könnteDer größte Vorteil ist, dass es möglich war, dieses Ereignis zu messen. "Wir arbeiten an einer neuen Messung, bei der wir die Barriere dicker machen und dann den Grad der Präzession in verschiedenen Tiefen bestimmen. Es wird sehr interessant sein zu sehen, ob dieDie Geschwindigkeit der Atome ist konstant oder nicht ", sagt das Team.
Obwohl nicht so mysteriös wie einige der mehr Out-There-Fälle Quantentunneln ist ein wichtiger Teil der Natur unserer Welt und unseres Universums. Das Verständnis des Quantentunnelns könnte uns helfen, die Entwicklung neuer Technologien voranzutreiben. wie Quantencomputer . Es wird interessant sein, welche neuen Quantenphänomene wir testen können.