Niemcom udało się zmierzyć najkrótszy dotąd odcinek czasu

{reklama-artykul}Chociaż dla nas sekunda to bardzo krótka jednostka czasu, w skali atomowej sekunda stanowi całą wieczność. Na przykład, aby przerwać i uformować wiązania chemiczne potrzeba zaledwie femtosekund, podczas gdy femtosekunda to 0,000 000 000 000 001 s. Są jednak wydarzenia, które trwają jeszcze krócej. Naukowcy właśnie zdołali dokładnie zmierzyć czas trwania jednego z krótszych dotąd poznanych – przejścia światła przez cząsteczkę wodoru.

Ułamek sekundy

Zatem, ile czasu światło potrzebuje, aby przejść przez cząsteczkę wodoru? Dokładnie 247 zeptosekund, a 1 zeptosekunda to zaledwie 0,000 000 000 000 000 000 001 sekundy. W jaki sposób dokonano tego pomiaru?

Pomiar wraz ze swoimi współpracownikami przeprowadził Reinhard Dörner z Uniwersytetu Johanna Wolfganga Goethego we Frankfurcie. Uczeni wykorzystali do niego akcelerator cząstek o nazwie PETRA III, należący do laboratorium fizyki i ośrodka badawczego zlokalizowanego w Hamburgu – DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron).

Atomowe interakcje

W ramach swoich wysiłków zespół naukowców doprowadził do zderzenia z cząstkami wodoru promieni rentgenowskich. Najpierw ustawiono jednak energię wspomnianych promieni tak, aby pojedynczy foton, czyli cząsteczka światła, wybił dwa elektrony z cząsteczki wodoru (pojedyncza cząsteczka wodoru posiada dwa protony i dwa elektrony).

Gdy promienie rentgenowskie uderzyły w cząstkę wodoru, foton wybił najpierw jeden elektron z cząsteczki, a potem drugi. Te interakcje doprowadziły do powstania interferencji fal, którą Dörner był w stanie zmierzyć z pomocą specjalnego mikroskopu o nazwie COLTRIMS (Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) – mikroskopu zdolnego do rejestrowania szybkich reakcji atomowych.

Schemat przedstawiający przejście światła przez cząsteczkę wodoru (czerwone kropki reprezentują jądra jej atomów). Foton (oznaczony żółtą strzałką), powoduje powstanie w chmurze elektronów (oznaczonej szarym kolorem) fal elektronowych. | Źródło: Sven Grundmann/ Uniwersytet Johanna Wolfganga Goethego we Frankfurcie

„Ponieważ znaliśmy przestrzenną orientację cząsteczki wodoru, wykorzystaliśmy interferencję dwóch fal elektronowych, aby precyzyjnie obliczyć, kiedy foton do pierwszego, a kiedy dotarł do drugiego atomu wodoru.”, powiedział Sven Grundmann z Uniwersytetu w Rostocku, współautor badania.

To właśnie na drodze wspomnianych przez Grundmanna obliczeń badacze doszli do tego, iż światło potrzebuje 247 zeptosekund, by pokonać cząsteczkę wodoru. Co jednak ciekawe, ten czas nie zawsze musi być taki sam. Może być on nieco krótszy lub dłuższy – w zależności od tego, w jaki sposób w danym momencie w cząsteczce wodoru ułożone są elektrony, a jak wiadomo – ich położenie zmienia się nieustannie.

Ciekawe, czy kiedyś uda nam się dokładnie zmierzyć czas trwania jeszcze krótszych wydarzeń, mieszcząc się w przedziale jeszcze mniejszych jednostek czasu, takich jak joktosekunda. Być może w końcu pojawi się technologia, która to umożliwi.

Źródło: Science, fot. tyt. Pixabay/nile