Mematahkan Kecepatan Cahaya: Misteri Terowongan Kuantum

Dalam fenomena fisika kuantum menakjubkan yang dikenal sebagai tunneling, partikel tampak bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya. Namun, fisikawan dari Darmstadt percaya bahwa waktu yang dihabiskan partikel di dalam terowongan hingga saat ini telah diukur secara salah. Mereka mengusulkan cara baru untuk menghentikan kecepatan partikel kuantum.

Dalam fisika klasik terdapat hukum ketat yang tidak dapat dielakkan. Misalnya, jika bola yang menggelinding kekurangan energi, ia tidak akan mampu melewati bukit; Sebaliknya, ia akan turun sebelum mencapai puncaknya. Dalam fisika kuantum, prinsip ini tidak sepenuhnya ketat. Di sini, sebuah partikel dapat melintasi suatu penghalang, meskipun ia tidak memiliki cukup energi untuk melintasinya. Ia berperilaku seolah-olah meluncur melalui terowongan, itulah sebabnya fenomena ini juga dikenal sebagai “terowongan kuantum”. Jauh dari sekadar keajaiban teoritis, fenomena ini memiliki penerapan praktis, misalnya dalam pengoperasian drive memori flash.

Terowongan kuantum dan relativitas

Di masa lalu, eksperimen dengan partikel yang lebih cepat dari cahaya telah menarik perhatian. Bagaimanapun juga, teori relativitas Einstein melarang kecepatan yang lebih cepat dari kecepatan cahaya. Oleh karena itu, pertanyaannya adalah apakah waktu yang diperlukan untuk pembuatan terowongan telah “dijeda” dengan benar dalam eksperimen ini. Fisikawan Patrick Schach dan Eno Giese dari Universitas Darmstadt mengikuti pendekatan baru untuk menentukan “waktu” dari partikel terowongan. Mereka kini telah mengusulkan cara baru untuk mengukur waktu ini. Dalam eksperimennya, mereka mengukurnya dengan cara yang mereka yakini lebih sesuai dengan sifat penerowongan kuantum. Mereka mempublikasikan desain eksperimennya di majalah terkenal Kemajuan ilmu pengetahuan.

Dualitas gelombang-partikel dan penerowongan kuantum

Menurut fisika kuantum, partikel kecil seperti atom atau partikel cahaya mempunyai sifat ganda.

Tergantung pada eksperimennya, mereka berperilaku seperti partikel atau gelombang. Penerowongan kuantum menyoroti sifat gelombang partikel. Sebuah “paket gelombang” menggelinding menuju penghalang, mirip dengan aliran air. Ketinggian gelombang menunjukkan kemungkinan suatu partikel muncul di lokasi tersebut jika posisinya diukur. Jika paket gelombang menabrak penghalang energi, sebagian darinya akan dipantulkan. Namun, sebagian kecil menembus penghalang, dan kecil kemungkinan partikel tersebut akan muncul di sisi lain penghalang.

Evaluasi ulang kecepatan terowongan

Eksperimen sebelumnya mengamati bahwa partikel cahaya menempuh jarak yang lebih jauh setelah melakukan terowongan dibandingkan partikel yang memiliki jalur bebas. Oleh karena itu, ia akan bergerak lebih cepat daripada cahaya. Namun, peneliti harus menentukan lokasi partikel tersebut setelah melintas. Mereka memilih titik tertinggi dalam paket gelombang.

“Tetapi partikel tersebut tidak mengikuti jalur dalam pengertian klasik,” bantah Eno Giese. Tidak mungkin menentukan secara pasti di mana suatu partikel berada pada waktu tertentu. Hal ini menyulitkan untuk membuat pernyataan tentang waktu yang dibutuhkan untuk berpindah dari A ke B.

Pendekatan baru untuk mengukur waktu terowongan

Di sisi lain, Shash Brief dipandu oleh kutipan dari Albert Einstein: “Waktu adalah apa yang Anda baca di jam.” Mereka mengusulkan penggunaan partikel terowongan itu sendiri sebagai jam. Partikel kedua yang tidak terpakai bertindak sebagai referensi. Dengan membandingkan dua jam alami ini, dimungkinkan untuk menentukan apakah waktu berjalan lebih lambat, lebih cepat, atau pada kecepatan yang sama selama penerowongan kuantum.

Sifat gelombang partikel memfasilitasi pendekatan ini. Osilasi gelombang seperti osilasi jam. Secara khusus, Schach dan Giese mengusulkan penggunaan atom sebagai jam. Tingkat energi atom berosilasi pada frekuensi tertentu. Setelah menyapa A Jagung Dengan pulsa laser, levelnya awalnya berosilasi secara serempak – jam atom dimulai. Selama terowongan, ritmenya sedikit berubah. Pulsa laser kedua menyebabkan dua gelombang internal atom saling tumpang tindih. Mendeteksi interferensi memungkinkan untuk mengukur seberapa jauh jarak dua gelombang tingkat energi, yang pada gilirannya merupakan pengukuran akurat dari waktu yang telah berlalu.

Sedangkan untuk atom kedua yang tidak memiliki terowongan, berfungsi sebagai acuan untuk mengukur perbedaan waktu antara menggali terowongan dan tidak menggali terowongan. Perhitungan fisikawan menunjukkan bahwa partikel terowongan akan muncul beberapa saat kemudian. “Jam yang digali melalui terowongan ini sedikit lebih tua dibandingkan jam lainnya,” kata Patrick Schach. Hal ini tampaknya bertentangan dengan eksperimen yang mengaitkan kecepatan cahaya dengan penerowongan.

Tantangan dalam mengimplementasikan eksperimen

Pada prinsipnya, pengujian dapat dilakukan dengan menggunakan teknologi terkini, kata Schach, namun hal ini menghadirkan tantangan besar dalam eksperimen. Hal ini dikarenakan perbedaan waktu yang akan diukur hanya sekitar 10^-26 Detik – waktu yang sangat singkat. Fisikawan tersebut menjelaskan bahwa menggunakan awan atom sebagai jam, bukan sebagai atom individu, akan membantu. Dimungkinkan juga untuk memperkuat efeknya, misalnya dengan meningkatkan frekuensi clock secara artifisial.

“Kami sedang mendiskusikan ide ini dengan rekan eksperimental kami, dan kami juga menjalin kontak dengan mitra proyek kami,” tambah Gizzi. Kemungkinan besar tim akan segera memutuskan untuk melakukan eksperimen menarik ini.

Referensi: “Teori terpadu waktu terowongan yang dipromosikan oleh jam Ramsey” oleh Patrick Schach dan Eno Giese, 19 April 2024, Kemajuan ilmu pengetahuan.
doi: 10.1126/sciadv.adl6078