På den subatomära nivån kan partiklar flyga genom till synes oacceptabla barriärer som spöken.
I decennier har fysiker undrat hur lång tid den så kallade kvanttunneln tar. Nu, efter en treårig utredning, har ett internationellt team av teoretiska fysiker svar. De mätte en tunnelingelektron från en väteatom och fann att dess passage var praktiskt taget omedelbart, enligt en ny studie.
Partiklar kan passera genom fasta föremål inte för att de är väldigt små (även om de är), utan för att fysikens regler är olika på kvantnivå.
Föreställ dig att en boll rullar nerför en dal mot en lutning så hög som Mount Everest; utan en boost från en jetpack skulle bollen aldrig ha tillräckligt med energi för att rensa backen. Men en subatomär partikel behöver inte gå över kullen för att komma till andra sidan.
Partiklar är också vågor som sträcker sig oändligt i rymden. Enligt den så kallade vågekvationen betyder detta att en partikel kan hittas i valfri position på vågen.
Tänk nu vågen som slår en barriär; den fortsätter igenom men tappar energi, och dess amplitud (toppens höjd) faller ner. Men om hindret är tillräckligt tunt, sönder vågens amplitud inte ner till noll. Så länge det fortfarande finns lite energi kvar i den plattade vågen, finns det en chans - om än en liten - att en partikel kan flyga genom kullen och ut på andra sidan.
Att genomföra experiment som fångade denna svårfångade aktivitet på kvantnivå var "väldigt utmanande" för att säga mildt sagt, berättade co-författaren Robert Sang, en experimentell kvantfysiker och en professor vid Griffith University i Australien, till Live Science i ett e-postmeddelande.
"Du måste kombinera mycket komplicerade lasersystem, ett reaktionsmikroskop och ett väteatomsystem för att fungera samtidigt," sade Sang.
Deras uppsättning etablerade tre viktiga referenspunkter: början på deras interaktion med atomen; den tid som en befriad elektron förväntades komma ut bakom en barriär; och den tid då det verkligen verkade, sa Sang i en video.
Att hålla tiden med ljus
Forskarna använde en optisk tidtagningsanordning som kallas ett attoklock - ultrashort, polariserade ljuspulser som kunde mäta elektronernas rörelser till attosekundet, eller en miljarddels miljardstund av en sekund. Deras attoklock badade väteatomer i ljus med en hastighet av 1000 pulser per sekund, vilket joniserade atomerna så att deras elektroner kunde komma ut genom barriären, rapporterade forskarna.
Ett reaktionsmikroskop på andra sidan av en barriär mätte elektronens fart när det dök upp. Reaktionsmikroskopet upptäcker energinivåer i en laddad partikel efter att den interagerar med ljuspulsen från attoclocket, "och från det kan vi dra slutsatsen hur lång tid det tog att gå igenom barriären," sa Sang till Live Science.
"Precisionen att vi kunde mäta detta till var 1,8 attosekunder," sade Sang. "Vi kunde dra slutsatsen att tunnlingen måste vara mindre än 1,8 attosekunder" - nästan direkt, tillade han.
Även om mätsystemet var komplex, var den atom som användes i forskarnas experiment enkla - atomväte, som bara innehåller en elektron. Tidigare experiment utförda av andra forskare använde atomer som innehöll två eller flera elektroner, såsom helium, argon och krypton, enligt studien.
Eftersom frigjorda elektroner kan interagera med varandra kan dessa interaktioner påverka partiklarnas tunneltider. Det kan förklara varför tidigare studier uppskattningar var längre än i den nya studien, och med tiotals attosekunder, förklarade Sang. Enkelheten i vätgas atomstruktur gjorde det möjligt för forskarna att kalibrera sina experiment med en noggrannhet som var utom räckhåll vid tidigare försök, vilket skapade ett viktigt riktmärke mot vilket andra tunnelpartiklar nu kan mätas, rapporterade forskarna.
Resultaten publicerades online 18 mars i tidskriften Nature.
