Φωτόνια πιό γρήγορα από το φως

Από σελίδα του Physical Review Letters, Ιούνιος 2001

Τίποτα δεν μπορεί να ταξιδέψει γρηγορότερα από το φως -- εκτός αν είναι ένα κβαντικό σωματίδιο "που ανοίγει σήραγγα" μέσω ενός φράγματος. Σύμφωνα με την παλαιά Νευτώνεια φυσική, το σωματίδιο αυτό δεν θα μπορούσε ποτέ να διαπεράσει ένα τέτοιο φράγμα-εμπόδιο αν το φράγμα είχε ύψος που αντιστοιχεί σε μεγαλύτερη δυναμική ενέργεια από τη συνολική ενέργεια που διαθέτει το σωματίδιο.
Οι φυσικοί έχουν μπερδευτεί για δεκαετίες πόσο χρόνο χρειάζεται για να διανοιχτεί αυτή η μυστηριώδης σήραγγα, αλλά τώρα πια ο χρόνος αυτός μετρήθηκε. Και, με αρκετή βεβαιότητα μετρήθηκε ότι η ταχύτητα διάνοιξης της σήραγγας είναι μεγαλύτερη από αυτή του φωτός.

Το κβαντικό φαινόμενο σήραγγος είναι ένα κάτι περισσότερο από ένα θέμα εσωτερικού ενδιαφέροντος όσων ασχολούνται με αυτό. Το φαινόμενο συσχετίζεται με την κβαντική αβεβαιότητα, και με τη δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου. Όταν δύο κβαντικά σωματίδια, όπως πχ δύο πρωτόνια, έρχονται κοντά το ένα στο άλλο, αλλά τόσο όσο να μην έρχονται σε επαφή, η αβεβαιότητα στις θέσεις τους επιτρέπει στα αντίστοιχα κβαντικά κύματά τους να επικαλυφθούν ως ένα ορισμένο βαθμό. Κατά συνέπεια, μπορούν να ανοίξουν μια σήραγγα μέσω του χάσματος μεταξύ τους, και να αλληλεπιδράσουν.
Είναι ακριβώς αυτό που συμβαίνει μέσα στον ήλιο και τα αστέρια -- τα πρωτόνια που συγκρατιούνται σε μια απόσταση μεταξύ τους, λόγω της απωστικής δύναμης από τα θετικά φορτία τους, μπορούν ακόμα να φτάσουν σε σύντηξη εξ' αιτίας του φαινομένου της σήραγγας. Και εκείνη η πυρηνική σύντηξη είναι που κρατά το εσωτερικό του ήλιου τόσο πολύ θερμό με την ενέργεια που εκλύει , και κάνει την επιφάνειά του να ακτινοβολεί. Σε τελευταία ανάλυση χωρίς το φαινόμενο της σήραγγας, δεν θα είμαστε σε ζωή εδώ πάνω στη γη.

Ο Raymond Chaio, του Πανεπιστημίου Berkeley της Καλιφόρνιας, και οι συνάδελφοί του έχουν μετρήσει στην πραγματικότητα ένα διαφορετικό, αλλά σχετικό είδος σήραγγας. Έχουν επινοήσει ένα πείραμα στο οποίο δύο φωτόνια (σωματίδια του φωτός) παράγονται ταυτόχρονα σε μια πηγή, και ταξιδεύουν σε παράλληλες πορείες. Το ένα φωτόνιο πηγαίνει κατ' ευθείαν σε έναν ανιχνευτή. Το άλλο φωτόνιο έρχεται αντιμέτωπο με ένα εμπόδιο (καθρέφτη), που θα μπορούσε να ανακλά τα φωτόνια αν ίσχυαν οι κλασσικοί νόμοι της Νευτώνειας φυσικής. Αλλά σύμφωνα με τη κβαντική θεωρία υπάρχει μια υψηλή πιθανότητα ότι μερικά από τα φωτόνια που φθάνουν στον καθρέφτη θα συνεχίσουν κατ' ευθείαν μέσω του καθρέπτη, και θα πάνε με αυτόν τον τρόπο στον ανιχνευτή.

Ειναι αρκετά σίγουρο, ότι αυτό πράγματι συμβαίνει. Το εμπόδιο-καθρέφτης έχει πάχος 1,1 μικρόμετρα. Έτσι κάτι που ταξιδεύει μέσω αυτού με την ταχύτητα του φωτός, θα του έπαιρνε 3,6 femtoseconds για να το διαπεράσει. Αλλά το νέο πείραμα είναι τόσο εκλεπτυσμένο που μπορεί να συγκρίνει τους χρόνους άφιξης των ζευγαριών των φωτονίων, του ενός που έχει περάσει εκτός του εμποδίου παρακάμπτοντάς το και του άλλου που πέρασε μέσα από αυτό. Το πείραμα δείχνει ότι αυτό που περνά μέσα από το εμπόδιο φθάνει πρώτο! Ανοιξε δηλαδή 'σήραγγα' μέσω του κβαντικού φράγματος γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός, σε λιγότερο από 3,6 femtoseconds!
Καθώς λένε οι ερευνητές , "είναι σαν το σωματίδιο να υπερπήδησε τον όγκο του εμποδίου". Αλλά μην τους ρωτήσετε, αυτούς ή οποιονδήποτε άλλο, τι σημαίνει αυτό. Είναι γνωστή η φράση του Richard Feynman, "κανένας δεν καταλαβαίνει την κβαντική μηχανική".

Πρόβλημα κβαντικής σήραγγας : Αν μία κυματοσυνάρτηση ενός σωματιδίου συναντήσει ένα φράγμα δυναμικού (Μια περιοχή με δυναμικό μεγαλύτερο της ολικής ενέργειας Ε), τότε σύμφωνα με την κλασσική Νευτώνεια μηχανική, δεν μπορεί ένα κύμα-σωματίδιο να περάσει μέσα από το φράγμα, και για αυτό ονομάζεται "κλασική απαγορευμένη περιοχή". Στην κβαντική μηχανική όμως υπάρχει πεπερασμένη πιθανότητα το σωματίδιο να "διαρρέει" μέσα από το φράγμα, μέσα δηλαδή από την απαγορευμένη περιοχή, άρα η ενέργεια του να ξεπεράσει την ολική του ενέργεια Ε. Το φαινόμενο αυτό λέγεται φαινόμενο σήραγγας.