Ο χρόνος, αυτή η αόρατη δύναμη που κυβερνά την καθημερινότητά μας, ρέει αδιάκοπα και γραμμικά. Ή τουλάχιστον, έτσι τον αντιλαμβανόμαστε στον μακρόκοσμο. Όταν όμως το βλέμμα της επιστήμης στρέφεται στα απειροελάχιστα σωματίδια της ύλης, οι κανόνες αλλάζουν δραματικά.
Σε μια ανακάλυψη που υπόσχεται να επαναπροσδιορίσει την κατανόησή μας για την κβαντική πραγματικότητα, ερευνητές από την Ομοσπονδιακή Πολυτεχνική Σχολή της Λωζάνης (EPFL) κατάφεραν το ακατόρθωτο: μέτρησαν τη διάρκεια ενός κβαντικού γεγονότος χωρίς τη χρήση εξωτερικού ρολογιού, αποκαλύπτοντας πως το «τώρα» στον κβαντικό κόσμο έχει, τελικά, μετρήσιμη διάρκεια.
Η μελέτη έρχεται να απαντήσει σε ένα ερώτημα που ταλαιπωρεί τους φυσικούς από την εποχή των θεμελιωτών της κβαντομηχανικής. Πόσο διαρκεί πραγματικά μια κβαντική μετάβαση; Είναι ακαριαία, όπως συχνά φανταζόμαστε τα «κβαντικά άλματα», ή εξελίσσεται μέσα σε έναν απειροελάχιστο, αλλά υπαρκτό χρόνο;
Το παράδοξο της κβαντικής χρονομέτρησης
Μέχρι σήμερα, η προσπάθεια μέτρησης τέτοιων φαινομένων έμοιαζε με γόρδιο δεσμό. Τα γεγονότα αυτά συμβαίνουν σε κλίμακα αττοδευτερολέπτων (attoseconds) – δηλαδή σε δισεκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου. Για να δώσουμε μια τάξη μεγέθους, ένα αττοδευτερόλεπτο είναι για το δευτερόλεπτο ό,τι το δευτερόλεπτο για την ηλικία του σύμπαντος.
Το μεγαλύτερο εμπόδιο, ωστόσο, δεν ήταν μόνο η ταχύτητα, αλλά η ίδια η φύση της μέτρησης. Η εισαγωγή ενός εξωτερικού «ρολογιού» ή μιας συσκευής χρονομέτρησης σε ένα κβαντικό σύστημα ενέχει τον κίνδυνο αλλοίωσης του ίδιου του φαινομένου που μελετάται. Όπως εξηγεί ο καθηγητής Hugo Dil, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας στο EPFL, η χρήση εξωτερικών κλιμάκων χρόνου μπορεί να δημιουργήσει τεχνητά δεδομένα (artifacts), θολώνοντας την εικόνα της πραγματικότητας.
Η λύση κρύβεται στο spin
Η καινοτομία της ομάδας του EPFL έγκειται στην κατάργηση του εξωτερικού παρατηρητή-χρονομέτρη. Αντί να προσπαθήσουν να χρονομετρήσουν το ηλεκτρόνιο «απ' έξω», βρήκαν τον τρόπο να διαβάσουν την πληροφορία που είναι κωδικοποιημένη μέσα στο ίδιο το σωματίδιο.
Οι ερευνητές εστίασαν στο φαινόμενο της φωτοεκπομπής: όταν το φως χτυπά ένα υλικό, διεγείρει τα ηλεκτρόνια, τα οποία απορροφούν ενέργεια και δραπετεύουν. Αυτή η διαδικασία, όπως αποδείχθηκε, δεν είναι στιγμιαία. Κατά τη διάρκειά της, το σπιν (spin) του ηλεκτρονίου – μια θεμελιώδης κβαντική ιδιότητα που μοιάζει με περιστροφή – αλλάζει. Αναλύοντας προσεκτικά αυτές τις μεταβολές στο σπιν, η ομάδα μπόρεσε να υπολογίσει με ακρίβεια πόσο χρόνο χρειάστηκε το ηλεκτρόνιο για να μεταβεί από την αρχική του κατάσταση στην τελική, ελεύθερη κατάσταση.
Ο Fei Guo, πρώτος συγγραφέας της μελέτης, διευκρινίζει πως η μέθοδος βασίζεται στην κβαντική συμβολή. Καθώς το ηλεκτρόνιο διεγείρεται, ακολουθεί ταυτόχρονα πολλαπλά κβαντικά μονοπάτια που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Αυτή η αλληλεπίδραση αφήνει μια χαρακτηριστική «υπογραφή» στο σπιν, η οποία λειτουργεί ως ενσωματωμένο χρονόμετρο.
Η αρχιτεκτονική της ύλης ορίζει τον χρόνο
Ίσως το πιο εντυπωσιακό εύρημα της έρευνας είναι ότι ο κβαντικός χρόνος δεν είναι σταθερός, αλλά εξαρτάται άμεσα από τη γεωμετρία του υλικού. Οι επιστήμονες πειραματίστηκαν με διαφορετικά υλικά, χρησιμοποιώντας την τεχνική SARPES (spin and angle resolved photoemission spectroscopy), και τα αποτελέσματα ήταν αποκαλυπτικά.
Σε υλικά με τρισδιάστατη δομή, όπως ο κοινός χαλκός, η μετάβαση ήταν εξαιρετικά γρήγορη, διαρκώντας μόλις 26 αττοδευτερόλεπτα. Αντιθέτως, σε υλικά με πιο σύνθετη, δισδιάστατη δομή (όπως το δισελενιούχο τιτάνιο), η διαδικασία επιβραδύνθηκε σημαντικά, φτάνοντας τα 140-175 αττοδευτερόλεπτα. Η μεγαλύτερη καθυστέρηση καταγράφηκε στο τελλουριούχο χαλκό (CuTe), ένα υλικό με μονοδιάστατη, αλυσιδωτή δομή, όπου η μετάβαση ξεπέρασε τα 200 αττοδευτερόλεπτα.
Το συμπέρασμα είναι σαφές: όσο χαμηλότερη είναι η συμμετρία της ατομικής δομής ενός υλικού, τόσο περισσότερο «αργεί» να ολοκληρωθεί το κβαντικό άλμα. Η γεωμετρία του χώρου, δηλαδή, υπαγορεύει τον ρυθμό του χρόνου σε μικροσκοπικό επίπεδο.
Νέοι ορίζοντες για την τεχνολογία
Η σημασία αυτής της ανακάλυψης εκτείνεται πέρα από τη θεωρητική φυσική. Η δυνατότητα ακριβούς μέτρησης και, ενδεχομένως, ελέγχου αυτών των χρονικών παραθύρων ανοίγει νέους δρόμους για την επιστήμη των υλικών και την τεχνολογία.
Κατανοώντας πώς η δομή ενός υλικού επηρεάζει την ταχύτητα των κβαντικών φαινομένων, οι επιστήμονες μπορούν πλέον να σχεδιάσουν υλικά με «κομμένες και ραμμένες» ιδιότητες για συγκεκριμένες εφαρμογές. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε ταχύτερα και πιο αποδοτικά εξαρτήματα για κβαντικούς υπολογιστές, νέους αισθητήρες ακριβείας ή καινοτόμες μεθόδους αποθήκευσης ενέργειας.
Επιπλέον, η μελέτη ρίχνει φως σε ένα από τα πιο σκοτεινά σημεία της σύγχρονης φυσικής: τον ρόλο του χρόνου στην κβαντομηχανική. Αν ο χρόνος δεν είναι απλώς μια εξωτερική παράμετρος αλλά μια μεταβλητή που επηρεάζεται από την ύλη σε τόσο θεμελιώδες επίπεδο, ίσως χρειαστεί να αναθεωρήσουμε κάποιες από τις βασικές μας παραδοχές για το πώς λειτουργεί το Σύμπαν.
