Jede absolute Barriere lockt den Widerspruch und den Forschergeist. So auch am Weizmann Institute, wo sich Wissenschafter der Frage gewidmet haben, ob es doch nicht schneller als Lichtgeschwindigkeit gehe.
Ausgangslage ist der sogenannte Quantentunnel-Effekt, der für zahlreiche physikalische Anwendungsvorgänge entscheidend ist, so für die Kernfusion oder Quantencomputer. Bei letzteren wird die neu entdeckte Möglichkeit wahrscheinlch em ehesten vielleicht Realität werden.
Doch zurück: Wie viel Zeit braucht man, um ein Paket von New York nach Tel Aviv zu schicken, und wie verhält sich das im Vergleich dazu, eine E-Mail von einer Seite des Campus des Weizmann Institute of Science zur anderen zu schicken?, fragten sich die Wissenschafter.
Nun, so das Gedankenexperiment weiter, schrumpfe man das Paket auf die Größe eines der Elektronen, aus denen die E-Mail besteht, und man errichte eine undurchdringliche Barriere über dem Ozean. Das “Paket”-Elektron könnte die Überquerung schneller machen, sogar die “Lichtgeschwindigkeitsgrenze” durchbrechen.
Prof. Eli Pollak, zusammen mit Postdoktorand Dr. Tom Rivlin, beide von der Abteilung für chemische und biologische Physik des Weizmann-Instituts, und Prof. Randall Dumont von der McMaster University in Kanada, lieferten kürzlich theoretische Unterstützung für diese Idee.
Undurchdringliche Barrieren sind Bestandteil eines der faszinierendsten Quantenphänomene: des Tunnelns. Seit rund neunzig Jahren untersuchen Forscher die Art und Weise, wie Quantenteilchen solche Barrieren passieren können.
In den 1960er Jahren fügte Thomas Hartman dem Tunneln eine seltsame Wendung hinzu: Er zeigte, dass das Tunneln eine feste Zeitspanne benötigt, unabhängig davon, welche Länge der “Tunnel” das Teilchen durchquert.
Das bedeutet, dass ein Teilchen während des Tunnelns schneller werden könnte, und um sein Ziel in dieser festen Zeitspanne zu erreichen, könnte es sogar die Lichtgeschwindigkeit übertreffen – wenn der Tunnel lang genug oder die Barriere dick genug ist.
Natürlich passt diese Idee nicht zu den Regeln der Relativitätstheorie – weder der speziellen noch der allgemeinen Relativitätstheorie -, die ziemlich streng darauf bestehen, dass Teilchen die Lichtgeschwindigkeit nicht überschreiten können.
Dennoch waren die meisten Forscher nicht übermäßig besorgt über die Ergebnisse dieser Studie, da bereits bekannt war, dass die Quantenmechanik und die Physik der Relativitätstheorie in vielerlei Hinsicht nicht zusammenpassen.
Daher, so die Überlegung, ist dies eine weitere scheinbare Anomalie, die sich von selbst lösen wird, sobald wir herausgefunden haben, wie wir die Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik in Einklang bringen können.
Pollak und seine Kollegen haben kürzlich eine neue Berechnung der Hartman-Idee entwickelt, die auf Gleichungen für das Quantenverhalten basiert, die zuerst von Paul Dirac entwickelt wurden und die es ermöglichen, quantenmechanische Berechnungen durchzuführen, die mit der speziellen Relativitätstheorie vereinbar sind.
Erklärvideo
Ihre Ergebnisse unterstützen das Szenario, in dem sich ein Teilchen in einem Tunnel bewegt und das Timing des Prozesses eine Konstante ist, unabhängig von der Länge des Tunnels (oder der Dicke der Barriere). Theoretisch kann das Teilchen, wenn die Barriere sehr lang ist, das Ende des Tunnels schneller erreichen, als wenn es einfach im offenen Raum ohne Barriere zum gleichen Ziel geflogen wäre.
Und wenn sich das Teilchen normalerweise in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit bewegt, dann wäre ein tunnelndes Teilchen in der Lage, schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ans Ziel zu kommen.
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