الجسيمات الكمّيّة يمكنها المرور عبر الجدران

بقلم: ميندي فايسبرغر

على المستوى تحت الذري Subatomic، قد تمر الجسيمات عبر حواجز تبدو غير منفذة كالأشباح. وطوال عقود تساءل الفيزيائيون عن المدة التي يستغرقها ما يعرف بظاهرة النفق الكمي Quantum Tunnelling. الآن، وبعد بحث دام ثلاث سنوات، حصل فريق دولي من علماء الفيزياء النظرية على إجابة. قاس الفريق إلكترونا نفقيا من ذرة للهيدروجين فوجدوا أن مروره كان لحظيّاً، وفقاً لدراسة حديثة.
واستخدم الباحثون جهازاً بصريّاً لقياس الوقت يعرف بـ«ساعة الأتو» Attoclock – وهي نبضات ضوئية فائقة الاستقطاب يمكنها قياس حركات الإلكترونات حتى مستوى الأتوثانية Attossecond، أو جزء من بليون من بليون جزء من الثانية. وغمرت ساعة الأتو ذرات الهيدروجين في الضوء بمعدل 1,000 نبضة في الثانية؛ مما أدى إلى تأين الذرات حتى تتمكن الإلكترونات من التسرب عبر حاجز.
قام مجهر تفاعلي Reaction Microscope على الجانب الآخر من الحاجز بقياس القوة الدافعة للإلكترونات عند ظهورها. ويكشف المجهر التفاعلي مستويات الطاقة في الجسيمات المشحونة بعد تفاعلها مع النبضة الضوئية لساعة الأتو، «ومن هذا يمكننا استنتاج الوقت الذي استغرقه المرور عبر الحاجز. وبلغت الدقة التي أمكننا أن نقيس بها ذلك 1.8 أتوثانية؛ مما مكننا من استنتاج أن تشكّل النفق يجب أن يستغرق أقل من 1.8 أتو ثانية»، كما صرح لـ«لايف ساينس» روبرت سانغ Robert Sang، اختصاصي فيزياء الكم التجريبية والأستاذ في جامعة غريفيث Griffith University بأستراليا.
على الرغم من تعقيد منظومة القياس، فقد كانت الذرة المستخدمة في تجارب الباحثين بسيطة- هيدروجين ذري، يحتوي على إلكترون واحد فقط. واستخدمت تجارب سابقة أجراها باحثون آخرون ذرات تحتوي على إلكترونين أو أكثر، مثل الهيليوم والأرغون والكريبتون، وفقاً للدراسة. ونظراً لأن الإلكترونات المحرّرة يمكنها أن تتفاعل مع بعضها البعض، فقد تؤثر تلك التفاعلات في أزمنة تشكّل أنفاق الجسيمات. وأوضح سانغ أن ذلك قد يفسر سبب كون طول تقديرات الدراسات السابقة أطول مما ظهر في الدراسة الجديدة بعشرات الثواني. وأفاد باحثو الدراسة أن بساطة التركيب الذري للهيدروجين سمحت للباحثين بمعايرة تجاربهم بدقة لم تكن ممكنة في المحاولات السابقة؛ مما خلق معياراً يمكن على أساسه قياس الجسيمات النفقية Tunnelling Particles الأخرى.