Strona główna / Popularnonaukowe / Przestrzeń czasu zerowego. Tunelowanie kwantowe i prędkości nadświetlne

Aktualności

30.05.2022

PIKNIK NA SKRAJU DROGI I INNE UTWORY z Nagrodą Nowej Fantastyki

Z przyjemnością ogłaszamy, że książka "Piknik na skraju drogi i inne utwory" Arkadija i Borisa Strugackich otrzymała Nagrodę „Nowej Fantastyki” w kategorii Wznowienie Roku.

Wywiady

04.07.2022

"Gdy ją odnajdą". Wywiad z Lią Middleton

Zapraszamy do przeczytania wywiadu z Lią Middleton. Z autorką książki "Gdy ją odnajdą" rozmawiał Bartosz Soczówka.

Posłuchaj i zobacz

01.08.2022

Rozmowa z Błażejem Torańskim

Nowy odcinek naszego podcastu to rozmowa Marcina Cichońskiego z Błażejem Torańskim, autorem książki "Kat polskich dzieci. Opowieść o Eugenii Pol".

Bestsellery

TOP 20

  1. Jestem jedną z żon Laila Shukri
  2. Sąpierz Katarzyna Puzyńska
  3. Ziobranoc, Europo Aleksander Daukszewicz, Krzysztof Daukszewicz

Przestrzeń czasu zerowego. Tunelowanie kwantowe i prędkości nadświetlne

Astrid Haibel, Günter Nimtz

Pan Bóg jest wyrafinowany

Światło przemieszczające się z prędkością większą od prędkości światła, które można zatrzymać, a potem ponownie wysłać w dalszą drogę? Czy to możliwe? Czy Einstein jednak się mylił?
Takie właśnie pytania zaprzątają myśli fizyków od 1994 roku, gdy jeden z autorów tej książki, profesor Günter Nimtz, przesłał XXXX symfonię Mozarta przez tak zwaną barierę tunelowania z prędkością 4,7 razy większą od prędkości światła. Na drugim końcu dźwięk symfonii zabrzmiał w całej swej krasie. Gdy wraz ze swoim współpracownikiem Achimem Endersem Nimtz przedstawił te wciąż jeszcze dość niejasne wyniki tak zwanego efektu tunelowania nadświetlnego, w środowisku fizyków wybuchły gorące emocje. Wspomniana prezentacja miała miejsce na corocznym wiosennym spotkaniu Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego w położonym w górach Schwarzwaldu mieście Freudenstadt. Pamiętam, że wówczas sam nie mogłem uwierzyć, iż naruszenie podstaw teorii względności jest w ogóle możliwe. Einstein stwierdził: „Nic nie może poruszać się z prędkością większą od prędkości światła”. Teraz wiemy, że nie zawsze musi tak być. Jesteśmy świadkami rzadkiego wydarzenia – zmiany paradygmatu fizyki. Musieliśmy się pogodzić z tym, że nawet teoria względności Einsteina nie jest świętym Graalem fizyki. Jest jedynie makroskopową teorią lokalną i fakt ten determinuje jej ograniczenia. Ponieważ operuje w skali makroskopowej, nigdy nie zdoła powiedzieć czegokolwiek na temat najmniejszych procesów przyrody, zachodzących na poziomie atomowym. To potrafi jedynie mechanika kwantowa. Z faktu, że teoria względności ma lokalną naturę, wynika, iż nigdy nie stwierdzimy, czy Wszechświat jest skończony, czy nie. Nawet tak zwany płaski lub hiperboliczny wszechświat, który można by uważać za nieskończony z racji swej natury, może określać jedynie globalną topologię, a to mogłoby oznaczać, iż wszechświat jednak jest skończony. Uzyskane przez Nimtza wyniki, bazujące na kwantowej naturze przyrody, zmuszają nas do przyjęcia prawdy wykraczającej poza teorię względności – prawdy, której jeszcze w pełni nie pojęliśmy.
Czy to oznacza, że każda teoria naukowa jest błędna, ponieważ w przyszłości może ją zastąpić jakaś inna teoria, wywracająca do góry nogami wszystko, co uważaliśmy wcześniej za ugruntowaną wiedzę naukową? W ostatnich latach takie podejrzenia, którym zwykle towarzyszy lament nad upadkiem wiedzy, wysuwano coraz częściej, szczególnie w mediach. W sierpniu 2001 roku niemiecki tygodnik „Die Zeit” zamieścił na swoich łamach następujące stwierdzenie:

W obliczu błyskawicznie malejącego czasu połowicznego rozpadu wiedzy na świecie, która zmienia się tak szybko, jak nigdy wcześniej, każda teoria naukowa zakrojona na szeroką skalę musi stawić czoło konieczności, a zarazem i niemożliwości, pogodzenia się z tym, że w niedalekiej przyszłości będzie uważana za minioną już intelektualną modę.

Zmierzmy się zatem z tym mitem o czasie połowicznego rozpadu naszej wiedzy, który od jakiegoś czasu nęka społeczeństwo. Zgodnie z tym poglądem, nasza wiedza co pięć lat staje się nieaktualna i zastępują ją wnioski płynące z najnowszych odkryć. Świat zmienia się w tempie zapierającym dech w piersiach, dlaczegóż by więc taki sam proces nie miał dotyczyć i wiedzy? Brzmi to logicznie, a więc taka musi być prawda. Trudno o bardziej błędne stwierdzenie! Newtonowska teoria grawitacji wciąż obowiązuje, nawet w świetle teorii względności. Układ okresowy pierwiastków nie stracił ani trochę na ważności w ciągu minionych stuleci. Od czasów Pitagorasa i Platona dowód matematyczny jest niezmiennie uważany za wieczną, metafizyczną prawdę. Nie ulega przy tym wątpliwości, że ilość wiedzy naukowej podwaja się mniej więcej co pięć lat, jednak wiedza ugruntowana w poprzednim okresie nie staje się bezwartościowa za sprawą najnowszych odkryć. Przeciwnie: odkrycia te rozszerzają ją, przesuwają jej granice dalej, na nowe, niezbadane wcześniej obszary. Zatem teoria względności Einsteina nie obaliła teorii Newtona, lecz ją jedynie rozszerzyła. Po dziś dzień to jabłko spada z drzewa na ziemię, a nie odwrotnie.
Jaki jest związek między efektem tunelowania nadświetlnego a teorią względności Einsteina? Nie ma sensu dyskutować na temat tego, czy efekt ten zaprzecza postulatowi Einsteina, czy nie. Einstein zajmuje się pustą przestrzenią, natomiast tunelowanie nie zachodzi w pustce. Właśnie w tym miejscu możemy dostrzec ewolucję teorii fizycznych. Podobnie jak teoria światła i grawitacji, tak samo mechanika kwantowa rozszerzyła teorię względności tak, by mogła ona objąć proces tunelowania, niemożliwy na gruncie fizyki klasycznej. To nieklasyczne rozszerzenie wskazuje na możliwość istnienia prędkości większych od prędkości światła.
Fizycy mogliby się nawet z tym pogodzić, choć z pewną niechęcią, gdyby nie pewien inny potencjalny problem. Otóż można wykazać, że postulat Einsteina nie dopuszcza do łamania zasady przyczynowości, czyli mówiąc innymi słowy, zachowuje powszechnie i zawsze kolejność (porządek) przyczyny i skutku. Jeśli gdziekolwiek w tym Wszechświecie nastąpiła najpierw przyczyna, a potem pojawił się skutek, to nie znajdzie się w nim żadne inne miejsce, w którym efekt poprzedzałby swoją przyczynę. Filozof John Leslie Mackie nazwał tę podstawową zasadę „spoiwem Wszechświata”. Teraz jednak pojawił się następujący problem: w przypadku fal elektromagnetycznych poruszających się z prędkością nadświetlną nie można już zapewnić spełnienia zasady przyczynowości! Efekt może się pojawić przed przyczyną. Człowiek mógłby istnieć przed swymi narodzinami!
Czy odkryta przez Nimtza prędkość nadświetlna narusza owo „spoiwo”? Gdyby prędkość taka istniała w przestrzeni, faktycznie doprowadziłaby do całkowitej katastrofy fizyki. Einstein zauważył jednak kiedyś, że „Pan Bóg jest wyrafinowany, ale nie złośliwy”. Autorzy niniejszej książki dowodzą w rozdziale 5.5, iż nawet w przypadku efektu tunelowania to spoiwo zachowuje swoją ważność, mimo iż tunelujący sygnał przemieszcza się z prędkością większą od światła. Wydaje się, że to nie postulat Einstei­na, lecz powszechna przyczynowość jest podstawową zasadą przyrody.
Nawet jeśli Pan Bóg pozwala nam zachować to, co całkowicie niezbędne – wewnętrzną logikę Wszechświata – to jednak zmusza nas do porzucenia innych, drogich nam idei. Mimo że kolejność przyczyny i skutku jest wszędzie taka sama, to już ich odległość w czasie, a nawet sam czas, mogą być różne dla różnych obserwatorów we Wszechświecie. Czas nie jest taki sam dla wszystkich! Gdy w 1993 roku leciałem na pokładzie wahadłowca kosmicznego, mój czas płynął inaczej. Biegł wolniej niż czas pozostałych ludzi na Ziemi. Tym sposobem przeżyłem 0,254 milisekundy mniej niż osoby, które pozostały w domu. Można to zmierzyć zegarem atomowym. Być może brzmi to jak paradoks, ale takie są fakty. Zrozumienie efektu dylatacji czasu jest niezwykle trudne. Zegary atomowe nie pokazały nic innego niż to, że mierzony przez nie czas płynie wolniej – czego sam nie zauważyłem. Wynik: z biologicznego punktu widzenia jestem młodszy. Mówiąc szczerze, różnica ta jest niewielka, niemniej jest faktem.
Fizyka może nas więc jeszcze niejednym zaskoczyć i niniejsza książka jest dobrym tego przykładem. Jestem pewny, że czeka nas jeszcze wiele „wyrafinowanych” niespodzianek. Podzielam też przekonanie Einsteina, że nasz Pan Bóg nigdy nie okaże złośliwości i nie postawi na głowie logiki tego świata.

prof. dr Ulrich Walter
astronauta, uczestnik misji Spacelab D2
dyrektor Zakładu Technik Kosmicznych na politechnice w Monachium


Przedmowa

Na początku XX stulecia Albert Einstein opracował teorię względności i zrewolucjonizował nasze spojrzenie na przestrzeń i czas [1] . Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Paul Dirac i Wolfgang Pauli rozwinęli teorię kwantową, która wyjaśniła dualizm korpuskularno-falowy światła, a także trudny do pojęcia fakt, że w świecie mikrofizyki przyczynowość i determinizm ulegają rozmyciu.
Od tego czasu nieustannie odkrywamy nowe fakty związane z tymi prawami natury. Takimi fascynującymi zjawiskami są między innymi „efekt tunelowania i zerowy czas w tunelu” – i im właśnie jest poświęcona niniejsza książka.
Gdy po raz pierwszy opublikowaliśmy wyniki naszych badań procesu tunelowania, niespodziewanie wzbudziły one falę olbrzymiego zainteresowania tymi zagadnieniami. Pojawiły się doniesienia na ten temat w prasie i posypały się propozycje wygłoszenia wykładów. Stacje telewizyjne usiłowały sfilmować efekt tunelowania w zaciemnionych laboratoriach i odwiedzały nas wycieczki szkolne, by przyglądać się, jak przeprowadzamy doświadczenia. Na licznych forach internetowych rozgorzały dyskusje zwolenników i przeciwników efektu tunelowania. Wciąż przechowujemy wiele teczek z listami rozentuzjazmowanych fanów, którzy doradzają nam, w jaki sposób moglibyśmy zbudować wehikuł czasu lub perpetuum mobile.
Z drugiej strony pojawiły się głosy fizyków, takich jak Moses Fayngold, którzy usilnie starali się wykazać, iż kwantowomechaniczny efekt tunelowania nie prowadzi do pogwałcenia szczególnej teorii względności [2]. Fayngold zakłada, że fizycy przeprowadzający doświadczenia nie mają pojęcia, iż odpowiednimi wielkościami są prędkości sygnału i energii.
W niniejszej książce omawiamy efekt tunelowania i wynikające z niego konsekwencje, przedstawiamy jego historyczne tło, unikając przy tym przytaczania wzorów. Naszym celem było zrozumiałe wyjaśnienie tego zagadnienia, począwszy od pierwszych udanych pomiarów skończonej wartości prędkości światła, których dokonał Ole Rømer, po zwiększenie tej prędkości za sprawą mechanizmu tunelowania. Doprowadziło to do praktycznego wykorzystania tunelowania w technice, na przykład w optoelektronice i technologii półprzewodnikowej. Omówimy nie tylko problemy filozoficzne i techniczne oraz ograniczenia w możliwościach wykorzystania tego zadziwiającego procesu, ale wspomnimy również o potencjalnych zastosowaniach praktycznych.
W pracy nad niniejszą książką wspierało nas i służyło nam radą wiele osób, za co jesteśmy im wdzięczni. Są to: prof. Ursula Haibel, prof. Udo Kindermann, prof. Peter Mittelstaedt, Beate Neugebauer i dr Ralf-Michael Vetter. Dziękujemy również dr. Hansowi-Joachimowi Nimtzowi za dokonanie wiernego przekładu książki na język angielski.

Kolonia, sierpień 2007 r. Günter Nimtz
Astrid Haibel 

1. Liczby w nawiasach kwadratowych są odsyłaczami do bibliografii zamieszczonej na końcu książki (przyp. tłum.).