Experimentos recentes mostram que as partículas devem ser capazes de ir mais rápido do que a luz quando, através do tunelamento quântico e de forma mecânica, podem passar através de paredes.
Assim que as equações radicais da mecânica quântica foram descobertas, os físicos identificaram um dos fenômenos mais estranhos que a teoria permite.
O “tunelamento quântico” mostra como as partículas, como os elétrons, diferem profundamente de coisas maiores. Jogue uma bola na parede e ela salta para trás; deixe-o rolar até o fundo de um vale e ele ficará lá. Mas uma partícula ocasionalmente salta através da parede. Ele tem a chance de “escorregar pela montanha e escapar do vale”, como dois físicos escreveram na Nature em 1928, em uma das primeiras descrições de túneis.
Os físicos perceberam rapidamente que a capacidade das partículas de criar um túnel através das barreiras resolvia muitos mistérios. Ele explicou várias ligações químicas e decaimentos radioativos e como os núcleos de hidrogênio no sol são capazes de superar sua repulsão mútua e se fundir, produzindo a luz solar.
Mas os físicos ficaram curiosos – um pouco no início, depois morbidamente. Quanto tempo, eles se perguntaram, uma partícula leva para abrir um túnel através de uma barreira?
O problema era que a resposta não fazia sentido.
O primeiro cálculo provisório do tempo de tunelamento apareceu impresso em 1932. Mesmo as primeiras tentativas podem ter sido feitas em particular, mas “quando você recebe uma resposta que não consegue entender, você não a publica”, observou Aephraim Steinberg, um físico da Universidade de Toronto.
Foi só em 1962 que um engenheiro de semicondutores da Texas Instruments chamado Thomas Hartman escreveu um artigo que abordava explicitamente as implicações chocantes da matemática.
Hartman descobriu que uma barreira parecia atuar como um atalho. Quando uma partícula faz um túnel, a viagem leva menos tempo do que se a barreira não estivesse lá. Ainda mais surpreendente, ele calculou que engrossar uma barreira dificilmente aumenta o tempo que uma partícula leva para passar por ela. Isso significa que, com uma barreira suficientemente espessa, as partículas poderiam pular de um lado para o outro mais rápido do que a luz viajando na mesma distância através do espaço vazio.
Em suma, o tunelamento quântico parecia permitir uma viagem mais rápida do que a luz, uma suposta impossibilidade física.
“Depois do efeito Hartman, foi quando as pessoas começaram a se preocupar”, disse Steinberg.
A discussão cresceu em espiral por décadas, em parte porque a questão do tempo de tunelamento parecia arranhar alguns dos aspectos mais enigmáticos da mecânica quântica. “É parte do problema geral do que é o tempo, como medimos o tempo na mecânica quântica e qual é o seu significado”, disse Eli Pollak, um físico teórico do Instituto Weizmann de Ciência em Israel. Os físicos eventualmente derivaram pelo menos 10 expressões matemáticas alternativas para o tempo de tunelamento, cada uma refletindo uma perspectiva diferente sobre o processo de tunelamento. Nenhum resolveu a questão.
Mas a questão do tempo de tunelamento está voltando, alimentada por uma série de experimentos virtuosos que mediram com precisão o tempo de tunelamento em laboratório.
Na medição mais elogiada até agora, relatada na Nature em julho, o grupo de Steinberg em Toronto usou o que é chamado de método do relógio de Larmor para medir quanto tempo os átomos de rubídio levaram para criar um túnel através de um campo de laser repulsivo.
“O relógio Larmor é a melhor e mais intuitiva maneira de medir o tempo de tunelamento, e o experimento foi o primeiro a medi-lo muito bem”, disse Igor Litvinyuk, físico da Griffith University na Austrália que relatou uma medição diferente do tempo de tunelamento na Natureza ano passado.
Luiz Manzoni, físico teórico do Concordia College, em Minnesota, também considera a medição do relógio Larmor convincente. “O que eles medem é realmente o tempo de construção do túnel”, disse ele.
Os experimentos recentes estão trazendo uma nova atenção para um problema não resolvido. Nas seis décadas desde o artigo de Hartman, não importa o quão cuidadosamente os físicos redefiniram o tempo de tunelamento ou quão precisamente eles o mediram em laboratório, eles descobriram que o tunelamento quântico invariavelmente exibe o efeito Hartman. O tunelamento parece ser incurável e robustamente superluminal.
“Como é possível para [uma partícula de tunelamento] viajar mais rápido que a luz Litvinyuk disse. “Era puramente teórico até que as medições foram feitas.”
Que horas?
O tempo de tunelamento é difícil de definir porque a própria realidade o é.
Na escala macroscópica, o tempo que um objeto leva para ir de A a B é simplesmente a distância dividida pela velocidade do objeto. Mas a teoria quântica nos ensina que o conhecimento preciso tanto da distância quanto da velocidade é proibido.
Na teoria quântica, uma partícula tem uma variedade de localizações e velocidades possíveis. Dentre essas opções, propriedades definidas de alguma forma se cristalizam no momento da medição. Como isso acontece é uma das questões mais profundas.
O resultado é que, até que uma partícula atinja um detector, ela estará em toda parte e em nenhum lugar em particular. Isso torna muito difícil dizer quanto tempo a partícula passou anteriormente em algum lugar, como dentro de uma barreira. “Você não pode dizer quanto tempo ele passa lá”, disse Litvinyuk, “porque pode estar simultaneamente em dois lugares ao mesmo tempo”.
Para entender o problema no contexto de tunelamento, imagine uma curva em forma de sino que representa as possíveis localizações de uma partícula. Esta curva em sino, chamada de pacote de ondas, está centralizada na posição A. Agora imagine o pacote de ondas viajando, como um tsunami, em direção a uma barreira. As equações da mecânica quântica descrevem como o pacote de ondas se divide em dois ao atingir o obstáculo. A maior parte reflete, voltando para A. Mas um pico menor de probabilidade desliza pela barreira e continua indo em direção a B. Assim, a partícula tem uma chance de se registrar em um detector ali.
Mas quando uma partícula chega a B, o que pode ser dito sobre sua jornada, ou seu tempo na barreira? Antes de aparecer de repente, a partícula era uma onda de probabilidade de duas partes – refletida e transmitida. Ambos entraram na barreira e não. O significado de “tempo de tunelamento” se torna obscuro.
E, no entanto, qualquer partícula que começa em A e termina em B inegavelmente interage com a barreira intermediária, e essa interação “é algo no tempo”, como disse Pollak. A questão é: que horas são?
Steinberg, que sempre teve “uma aparente obsessão” com a questão do tempo de tunelamento desde que era um estudante de graduação na década de 1990, explicou que o problema se origina da natureza peculiar do tempo. Os objetos têm certas características, como massa ou localização. Mas eles não têm um “tempo” intrínseco que possamos medir diretamente. “Posso perguntar: “Qual é a posição da bola de beisebol?”, Mas não faz sentido perguntar: “Qual é a hora da bola de beisebol” , Disse Steinberg. “O tempo não é uma propriedade que qualquer partícula possui.” Em vez disso, rastreamos outras mudanças no mundo, como tiques de relógios (que são, em última análise, mudanças de posição) e chamamos esses incrementos de tempo.
Mas no cenário de tunelamento, não há relógio dentro da própria partícula. Então, quais mudanças devem ser rastreadas? Os físicos não encontraram um fim para os proxies possíveis para o tempo de tunelamento.
Tempos de tunelamento
Hartman (e LeRoy Archibald MacColl antes dele em 1932) adotou a abordagem mais simples para medir quanto tempo leva o túnel. Hartman calculou a diferença no tempo de chegada mais provável de uma partícula viajando de A para B no espaço livre em relação a uma partícula que precisa cruzar uma barreira. Ele fez isso considerando como a barreira muda a posição do pico do pacote de onda transmitido.
Mas essa abordagem tem um problema, além de sua sugestão estranha de que as barreiras aceleram as partículas. Você não pode simplesmente comparar os picos inicial e final do pacote de onda de uma partícula. O relógio da diferença entre o horário de partida mais provável de uma partícula (quando o pico da curva do sino está localizado em A) e seu horário de chegada mais provável (quando o pico atinge B) não informa o tempo de voo de nenhuma partícula individual, porque um partícula detectada em B não necessariamente começou em A. Ela estava em qualquer lugar e em todos os lugares na distribuição de probabilidade inicial, incluindo sua cauda frontal, que estava muito mais perto da barreira. Isso deu a chance de alcançar B rapidamente.
Uma vez que as trajetórias exatas das partículas são desconhecidas, os pesquisadores buscaram uma abordagem mais probabilística. Eles consideraram o fato de que depois que um pacote de onda atinge uma barreira, a cada instante há alguma probabilidade de que a partícula esteja dentro da barreira (e alguma probabilidade de que não esteja). Os físicos então somam as probabilidades a cada instante para derivar o tempo médio de tunelamento.
Quanto a como medir as probabilidades, vários experimentos mentais foram concebidos a partir do final da década de 1960, nos quais “relógios” podiam ser fixados nas próprias partículas. Se o relógio de cada partícula apenas tiquetaqueia enquanto está na barreira, e você lê os relógios de muitas partículas transmitidas, eles mostrarão uma gama de tempos diferentes. Mas a média dá o tempo de tunelamento.
Tudo isso era mais fácil dizer do que fazer, é claro. “Eles estavam apenas tendo ideias malucas de como medir esse tempo e pensaram que isso nunca aconteceria”, disse Ramón Ramos, o principal autor do recente artigo da Nature. “Agora a ciência avançou e ficamos felizes em tornar esse experimento real.”
Relógios Embutidos
Embora os físicos tenham medido os tempos de construção de túneis desde os anos 1980, o recente aumento das medições ultraprecisas começou em 2014 no laboratório de Ursula Keller no Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique. Sua equipe mediu o tempo de tunelamento usando o que é chamado de attoclock. No attoclock de Keller, os elétrons dos átomos de hélio encontram uma barreira, que gira no lugar como os ponteiros de um relógio. Túnel de elétrons mais frequentemente quando a barreira está em uma certa orientação – chame de meio-dia no attoclock. Então, quando os elétrons emergem da barreira, eles são chutados em uma direção que depende do alinhamento da barreira naquele momento. Para avaliar o tempo de tunelamento, a equipe de Keller mediu a diferença angular entre o meio-dia, quando a maioria dos eventos de tunelamento começou, e o ângulo da maioria dos elétrons de saída. Eles mediram uma diferença de 50 attossegundos, ou bilionésimos de um bilionésimo de segundo.
Em seguida, em um trabalho relatado em 2019, o grupo de Litvinyuk melhorou o experimento attoclock de Keller, mudando de hélio para átomos de hidrogênio mais simples. Eles mediram um tempo ainda mais curto de no máximo dois attossegundos, sugerindo que o tunelamento acontece quase instantaneamente.
Mas alguns especialistas concluíram que a duração que o attoclock mede não é um bom indicador para o tempo de tunelamento. Manzoni, que publicou uma análise da medição no ano passado, disse que a abordagem é falha de forma semelhante à definição de tempo de tunelamento de Hartman: os elétrons que fazem o túnel para fora da barreira quase instantaneamente podem ser considerados, em retrospectiva, como tendo uma vantagem inicial .
Enquanto isso, Steinberg, Ramos e seus colegas de Toronto, David Spierings e Isabelle Racicot, realizaram uma experiência que foi mais convincente.
Essa abordagem alternativa utiliza o fato de que muitas partículas possuem uma propriedade magnética intrínseca chamada spin. O giro é como uma seta que só é medida apontando para cima ou para baixo. Mas antes de uma medição, ele pode apontar em qualquer direção. Como o físico irlandês Joseph Larmor descobriu em 1897, o ângulo de rotação gira, ou “precessa”, quando a partícula está em um campo magnético. A equipe de Toronto usou essa precessão para atuar como os ponteiros de um relógio, chamado de relógio Larmor.
Os pesquisadores usaram um feixe de laser como barreira e ativaram um campo magnético dentro dele. Eles então prepararam átomos de rubídio com spins alinhados em uma direção específica e enviaram os átomos à deriva em direção à barreira. Em seguida, eles mediram o spin dos átomos que saíram do outro lado. Medir o spin de qualquer átomo individual sempre retorna uma resposta nada esclarecedora de “para cima” ou “para baixo”. Mas faça a medição repetidamente e as medições coletadas revelarão quanto o ângulo dos spins precessou, em média, enquanto os átomos estavam dentro da barreira – e, portanto, quanto tempo eles normalmente passaram lá.
Os pesquisadores relataram que os átomos de rubídio passam, em média, 0,61 milissegundos dentro da barreira, em linha com os tempos do relógio de Larmor previstos teoricamente na década de 1980. Isso é menos tempo do que os átomos teriam levado para viajar pelo espaço livre. Portanto, os cálculos indicam que, se você tornasse a barreira realmente espessa, disse Steinberg, a aceleração permitiria que os átomos passassem de um lado para o outro mais rápido do que a luz.
Um mistério, não um paradoxo
Em 1907, Albert Einstein percebeu que sua nova teoria da relatividade deve tornar impossível a comunicação mais rápida do que a luz. Imagine duas pessoas, Alice e Bob, separando-se em alta velocidade. Por causa da relatividade, seus relógios marcam horas diferentes. Uma consequência é que, se Alice enviar um sinal mais rápido que a luz para Bob, que imediatamente envia uma resposta superluminal para Alice, a resposta de Bob pode chegar a Alice antes que ela envie sua mensagem inicial. “O efeito alcançado precederia a causa”, escreveu Einstein.
Os especialistas geralmente se sentem confiantes de que o tunelamento não quebra realmente a causalidade, mas não há consenso sobre as razões precisas do porquê. “Não sinto que temos uma maneira completamente unificada de pensar sobre isso”, disse Steinberg. “Há um mistério aí, não um paradoxo.”
Algumas boas suposições estão erradas. Manzoni, ao ouvir sobre o problema do túnel superluminal no início dos anos 2000, trabalhou com um colega para refazer os cálculos. Eles pensaram que veriam o tunelamento cair para velocidades subluminais se eles levassem em consideração os efeitos relativísticos (onde o tempo diminui para partículas em movimento rápido). “Para nossa surpresa, foi possível ter um túnel superluminal lá também”, disse Manzoni. “Na verdade, o problema era ainda mais drástico na mecânica quântica relativística.”
Os pesquisadores enfatizam que o tunelamento superluminal não é um problema, desde que não permita a sinalização superluminal. É semelhante, dessa forma, à “ação assustadora à distância” que tanto incomodou Einstein. A ação fantasmagórica refere-se à capacidade de partículas distantes serem “emaranhadas”, de modo que a medição de uma determina instantaneamente as propriedades de ambas. Esta conexão instantânea entre partículas distantes não causa paradoxos porque não pode ser usada para sinalizar de uma para a outra.
No entanto, considerando a quantidade de torcer as mãos sobre a ação assustadora à distância, surpreendentemente, pouco barulho foi feito sobre o tunelamento superluminal. “Com o tunelamento, você não está lidando com dois sistemas separados, cujos estados estão ligados dessa forma assustadora”, disse Grace Field, que estuda a questão do tempo de tunelamento na Universidade de Cambridge. “Você está lidando com um único sistema que viaja pelo espaço. Dessa forma, quase parece mais estranho do que emaranhamento.”
Em um artigo publicado no New Journal of Physics em setembro, Pollak e dois colegas argumentaram que o tunelamento superluminal não permite a sinalização superluminal por uma razão estatística: embora o tunelamento através de uma barreira extremamente espessa aconteça muito rápido, a chance de um evento de tunelamento passar por essa barreira é extraordinariamente baixo. Um sinalizador sempre prefere enviar o sinal através do espaço livre.
Por que, no entanto, você não poderia explodir toneladas de partículas na barreira ultra-grossa na esperança de que uma delas atravesse superluminalmente? Não seria apenas uma partícula suficiente para transmitir sua mensagem e quebrar a física? Steinberg, que concorda com a visão estatística da situação, argumenta que uma única partícula em túnel não pode transmitir informações. Um sinal requer detalhes e estrutura, e qualquer tentativa de enviar um sinal detalhado sempre será enviada mais rapidamente pelo ar do que por uma barreira não confiável.
Pollak disse que essas questões são objeto de estudos futuros. “Acredito que os experimentos de Steinberg serão um ímpeto para mais teoria. Aonde isso leva, eu não sei.”
A reflexão ocorrerá junto com mais experimentos, incluindo o próximo na lista de Steinberg. Ao localizar o campo magnético em diferentes regiões da barreira, ele e sua equipe planejam sondar “não apenas quanto tempo a partícula passa na barreira, mas onde ela passa esse tempo dentro da barreira”, disse ele. Cálculos teóricos prevêem que os átomos de rubídio passam a maior parte do tempo perto da entrada e saída da barreira, mas muito pouco tempo no meio. “É meio surpreendente e nada intuitivo”, disse Ramos.
Ao sondar a experiência média de muitas partículas de tunelamento, os pesquisadores estão pintando um quadro mais vívido do que acontece “dentro da montanha” do que os pioneiros da mecânica quântica esperavam um século atrás. Na opinião de Steinberg, os desenvolvimentos mostram que, apesar da estranha reputação da mecânica quântica, “quando você vê onde uma partícula termina, isso lhe dá mais informações sobre o que ela estava fazendo antes.”
Publicado em 22/10/2020 14h53
Artigo original:
- https://www.quantamagazine.org/quantum-tunnel-shows-particles-can-break-the-speed-of-light-20201020/
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