"القفزة الكمية" أو بعبارة أخرى، يحدث الانتقال بين الحالات الكمومية بشكل فوري تقريبًا. تتيح طريقة القياس الجديدة الآن قياس وقت العبور بدقة ومراقبة العملية. أحد الأمثلة الشهيرة على الانتقال بين الحالات الكمومية هو التأثير الكهروضوئي الذي أظهره أينشتاين لأول مرة
وهذه واحدة من أشهر وأهم التجارب في القرن العشرين. يضرب الضوء سطحًا معدنيًا ويطلق منه إلكترونات. بغض النظر عن مدى قوة الضوء الذي يسطع على السطح، طالما لم تتم معايرة تردد الضوء بشكل صحيح، فلن يتم إطلاق الإلكترونات. كان ألبرت أينشتاين أول من شرح التجربة، وبالتالي اكتشف الفوتونات - وهي جسيمات ضوئية تحمل طاقة يتناسب حجمها مع تردد الضوء.
وفي الجسيم الثاني، يمتص الإلكترون الفوتون ونتيجة لامتصاص الطاقة، "يقفز" الإلكترون إلى حالة كمومية جديدة ويتم إطلاقه من السطح. هذا التأثير، الذي يسمى "التأثير الكهروضوئي"، سريع جدًا لدرجة أنه يحدث بالنسبة لنا على الفور. والآن تمكن باحثون من فيينا وبرلين من قياس مدة التأثير ومراقبته أثناء حدوثه بطريقة مبتكرة. وقام الباحثون بقياس التأثير على سطح التنغستن ونشروا النتائج في مجلة الطبيعة الشهيرة.
أتوثانية من الفيزياء
يتم دمج التأثير الكهروضوئي في كل الأجهزة الإلكترونية تقريبًا - من الخلايا الشمسية إلى الألياف الضوئية إلى آليات فتح الأبواب. ويحدث التأثير خلال آتو ثانية، أو بمعنى آخر جزء من مليار من مليار من الثانية. ويقول البروفيسور بورغدورفر من معهد الفيزياء النظرية في فيينا إنه "بمساعدة نبضات الليزر السريعة، يمكن ملاحظة الظواهر الفيزيائية في هذا الإطار الزمني. وبالتعاون مع زملاء من ألمانيا، تمكنا من قياس مقدار الوقت الذي يستغرقه الإلكترون للانتقال من حالة كمومية إلى أخرى." حتى اليوم يمكننا تقدير المدة ولكن لا يمكننا قياسها بدقة. الآن أصبح العلماء قادرين على تقدير المدة المطلقة للتأثير الكهروضوئي على سطح التنغستن. وتم تحقيق القدرة الجديدة على تقدير المدة المطلقة من خلال تجارب متعددة وعمليات محاكاة حاسوبية وحسابات نظرية.
ثلاث ساعات ذرية
ومن أجل الحصول على الحساب الدقيق، اتبع الباحثون عدة خطوات: أولاً، تمت دراسة الإلكترونات الممزقة من الهيليوم بمساعدة نبضات الليزر. "إن ذرة الهيليوم سهلة النمذجة، لذلك استخدمناها لحساب الوقت الذي تستغرقه الفوتونات المنبعثة من الذرة بدقة. وأوضح البروفيسور ليميل أنه بالنسبة لنظام معقد مثل المعدن، فإن القياس يعتبر مستحيلا، ولا حتى بواسطة أجهزة الكمبيوتر العملاقة الأكثر تقدما في العالم.
الآن، يمكن للباحثين استخدام ذرات الهيليوم كساعات دقيقة. وفي التجربة الثانية، قامت ساعات الهيليوم بمعايرة ساعات اليود. أما التجربة الثالثة فقد تمكنت أخيرا من استخدام ذرات اليود لقياس انبعاث الفوتونات من سطح التنغستن. كيف يتم ذلك؟ وكانت ذرات اليود متناثرة على سطح التنغستن، وبمساعدة نبضات ليزر قصيرة ضربت السطح، قام الباحثون بقياس نسبة الضوء المنبعث بين ذرات اليود وذرات التنغستن، وبالتالي تمكنوا من قياس المدة الدقيقة. ومن الجدير بالذكر أن الباحثين استخدموا التنغستن لأنه بمساعدة تفاعل الإلكترونات مع حافته يسهل قياسه بدقة عندما تنفصل الإلكترونات عنه.
يعتمد مقدار الوقت الذي يستغرقه الإلكترون للانفصال عن السطح على حالته الأولية. ويتراوح النطاق الزمني من 100 آتو ثانية للإلكترونات الموجودة بالقرب من النواة، وحتى 45 آتو ثانية للإلكترونات الموجودة في غلاف التنغستن. لكن بالطبع غرض التجربة أعم ولم يركز فقط على قياس الزمن المطلق. والآن ينفتح الباحثون أيضًا على التحقيق في عملية الانتقال بين حالتين كموميتين وملاحظة الظواهر الفيزيائية الجديدة التي كانت مخفية عنا حتى الآن.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 2
عادةً لا أعلق على الأخطاء في اللغة العبرية، لكنك تكتب "بشكل صحيح" في العديد من المقالات. لمعلوماتك، اليود الأول غير ضروري.
أثيوبيا؟ تنهار الدالة الموجية في زمن الصفر..