빛의 속도를 깨다: 양자 터널 미스터리

터널링이라고 알려진 양자물리학의 놀라운 현상에서 입자는 빛의 속도보다 빠르게 움직이는 것처럼 보입니다. 그러나 다름슈타트의 물리학자들은 지금까지 터널 내 입자가 보낸 시간이 잘못 측정되어 왔다고 믿고 있습니다. 그들은 양자 입자의 속도를 멈추는 새로운 방법을 제안합니다.

고전 물리학에는 우회할 수 없는 엄격한 법칙이 있습니다. 예를 들어, 구르는 공에 에너지가 부족하면 언덕을 넘어갈 수 없습니다. 대신 최고점에 도달하기 전에 하락할 것입니다. 양자물리학에서는 이 원리가 완전히 엄격하지는 않습니다. 여기서 입자는 장벽을 통과할 만큼 충분한 에너지가 없더라도 장벽을 통과할 수 있습니다. 마치 터널을 통과해 미끄러지는 것처럼 행동하기 때문에 이 현상을 '양자 터널링'이라고도 합니다. 단순한 이론적인 마술이 아닌 이 현상은 플래시 메모리 드라이브의 작동과 같은 실제적인 응용이 가능합니다.

양자 터널링과 상대성 이론

과거에는 빛보다 빠른 입자를 이용한 실험이 주목을 받았습니다. 결국, 아인슈타인의 상대성 이론은 빛보다 빠른 속도를 금지합니다. 따라서 문제는 이러한 실험에서 터널링에 필요한 시간이 적절하게 “일시 중지”되었는지 여부입니다. 다름슈타트 대학의 물리학자 Patrick Schach와 Eno Giese는 터널링 입자의 “시간”을 결정하는 새로운 접근 방식을 따릅니다. 그들은 이제 이 시간을 측정하는 새로운 방법을 제안했습니다. 실험에서 그들은 터널링의 양자 특성에 더 적합하다고 믿는 방식으로 이를 측정했습니다. 그들은 유명한 잡지에 실험 디자인을 게재했습니다. 과학의 발전.

파동-입자 이중성과 양자 터널링

양자물리학에 따르면 원자나 빛의 입자 등 작은 입자는 이중성을 갖고 있다.

실험에 따라 입자처럼 행동하거나 파동처럼 행동합니다. 양자 터널링은 입자의 파동 특성을 강조합니다. 물의 흐름과 유사하게 “파도 패킷”이 장벽을 향해 굴러갑니다. 파고는 위치를 측정한 경우 입자가 해당 위치에 나타날 확률을 나타냅니다. 파동 패킷이 에너지 장벽에 부딪히면 그 일부가 반사됩니다. 그러나 작은 부분이 장벽을 관통하고, 장벽 반대편에 입자가 나타날 가능성도 적습니다.

터널 속도 재평가

이전 실험에서는 가벼운 입자가 터널링 후 자유 경로를 가진 입자보다 더 긴 거리를 이동한 것으로 관찰되었습니다. 그러므로 빛보다 빠르게 이동했을 것이다. 그러나 연구자들은 입자가 통과한 후 입자의 위치를 ​​확인해야 했습니다. 그들은 파동 패킷에서 가장 높은 지점을 선택했습니다.

“그러나 입자는 고전적인 의미의 경로를 따르지 않습니다”라고 Eno Giese는 반대합니다. 주어진 시간에 입자가 정확히 어디에 있었는지 확인하는 것은 불가능합니다. 이로 인해 A에서 B까지 이동하는 데 필요한 시간에 대해 설명하기가 어렵습니다.

터널링 시간을 측정하는 새로운 접근 방식

반면에, Shash Brief는 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)의 “시간은 시계에서 읽는 것”이라는 인용문을 따릅니다. 그들은 터널 입자 자체를 시계로 사용할 것을 제안합니다. 사용되지 않은 두 번째 입자는 참조 역할을 합니다. 이 두 가지 자연시계를 비교함으로써 양자 터널링 동안 시간이 더 느리게 흐르는지, 더 빠르게 흐르는지, 아니면 같은 속도로 흐르는지를 판단할 수 있습니다.

입자의 파동 특성은 이러한 접근 방식을 용이하게 합니다. 파도의 진동은 시계의 진동과 같습니다. 특히 Schach와 Giese는 원자를 시계로 사용할 것을 제안합니다. 원자의 에너지 준위는 특정 주파수에서 진동합니다. A에게 말을 건 후 옥수수 레이저 펄스를 사용하면 레벨이 처음에 동기식으로 진동하여 원자 시계가 시작됩니다. 터널 중에는 리듬이 조금씩 변합니다. 두 번째 레이저 펄스는 원자의 두 내부 파동을 중첩시킵니다. 간섭을 감지하면 두 에너지 준위 파동이 얼마나 멀리 떨어져 있는지 측정할 수 있으며, 이를 통해 경과 시간을 정확하게 측정할 수 있습니다.

터널링되지 않은 두 번째 원자는 터널을 파는 것과 터널을 파지 않는 것의 시간차를 측정하는 기준이 된다. 물리학자들의 계산에 따르면 터널 입자는 조금 나중에 나타날 것이라고 합니다. “터널을 뚫고 파낸 시계는 다른 시계보다 조금 더 오래됐어요.” 패트릭 샤크가 말했습니다. 이는 빛의 속도를 터널링에 기인한 실험과 모순되는 것 같습니다.

실험 구현의 과제

원칙적으로 이 테스트는 현재 기술을 사용하여 수행할 수 있지만 이는 실험에 큰 어려움을 안겨준다고 Schach는 말합니다. 측정할 시간차가 약 10초 정도에 불과하기 때문입니다.^-26 초 – 매우 짧은 시간입니다. 물리학자는 개별 원자 대신 원자 구름을 시계로 사용하는 것이 도움이 된다고 설명합니다. 예를 들어 인위적으로 클럭 주파수를 증가시켜 효과를 증폭시키는 것도 가능합니다.

Gizzi는 “우리는 현재 실험 동료들과 이 아이디어를 논의하고 있으며 프로젝트 파트너들과도 접촉하고 있습니다”라고 덧붙였습니다. 팀이 곧 이 흥미로운 실험을 수행하기로 결정할 가능성이 매우 높습니다.

참고: Patrick Schach와 Eno Giese가 작성한 “램지 시계에 의해 촉진된 터널 시간의 통합 이론”, 2024년 4월 19일, 과학의 발전.
도이: 10.1126/sciadv.adl6078