Нимц, Гюнтер

Материал из Циклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Гюнтер Нимц

Günter Nimtz
Файл:Demomirror.jpg
Нимц демонстрирует элементы своего эксперимента с двойной призмой в лабораториях Кёльнского университета.


Дата рождения
22 сентября 1936 года









Гюнтер Нимц (англ. Günter Nimtz; [Нет даты!]) — немецкий физик. Известен исследованиями узкозонных полупроводников и жидких кристаллов, а также утверждениями о том, что частицы могут двигаться быстрее скорости света при квантовом туннелировании.

Академическая карьера[править]

Гюнтер Нимц изучал электротехнику в Мангейме и физику в Гейдельбергском университете. Окончил Венский университет и в 1983 году стал профессором физики в Кёльнском университете. В 1977 году работал научным сотрудником в Университете Макгилла (Монреаль, Канада). В 2001 году получил статус почётного профессора. В 2004 году был приглашённым профессором в Шанхайском университете и Пекинском университете почты и телекоммуникаций. С 2001 по 2008 год преподавал и занимался фундаментальными исследованиями в Университете Кобленца-Ландау.

Промышленные исследования и разработки[править]

Файл:KMW+Porsche.jpg
Безэховая электромагнитная камера с новыми пирамидальными поглотителями из нанометаллической плёнки на стенах. Автомобиль Porsche проходит испытание на электромагнитную совместимость.

В 1993 году Гюнтер Нимц и Ахим Эндерс изобрели новый поглотитель для электромагнитных безэховых камер. Он основан на металлической плёнке толщиной 10 нанометров, размещённой на негорючем пирамидальном носителе. В компании Merck в Дармштадте Нимц разработал аппарат для производства керамических аэрозолей.

Эксперименты, связанные со сверхсветовым квантовым туннелированием[править]

Нимц и его соавторы исследуют сверхсветовое квантовое туннелирование с 1992 года[1]. В их эксперименте микроволны направлялись либо через две разделённые в пространстве призмы, либо через волноводы с частотной фильтрацией. В последнем случае использовался либо дополнительный волновод меньшего размера, либо отражающая дифракционная структура. В 1994 году Нимц и Хорст Айхман провели эксперимент по туннелированию в лабораториях Hewlett-Packard, после чего Нимц заявил, что частотно-модулированная (ЧМ) несущая волна передала сигнал в 4,7 раза быстрее света из-за эффекта квантового туннелирования. Недавно этот эксперимент был успешно воспроизведён Петером Эльзеном и Симоном Тебеком и представлен на немецком конкурсе школьников по физике «Jugend forscht» в 2019 году[2]. Они получили первый приз земли Рейнланд-Пфальц и премию Гереуса в Германии.

Файл:Double prism tunneling.svg
Схема эксперимента Нимца и Штальхофена с двойной призмой. Фотоны могут быть обнаружены за правой призмой, пока зазор не превысит примерно один метр. Длина волны составляла 33 мм.

Альфонс Штальхофен и Нимц[3] описали эксперимент, в котором пучок микроволн направлялся на пару призм. Угол обеспечивал полное внутреннее отражение и создание эванесцентной волны. Поскольку вторая призма находилась близко к первой, часть света просачивалась через этот зазор. Прошедшие и отражённые волны достигали детекторов одновременно, несмотря на то, что прошедший свет также преодолел расстояние зазора. Это является основанием для утверждения о передаче информации со скоростью, превышающей скорость света.

Нимц и его коллеги утверждали, что измеренное время туннелирования затрачивается на фронте барьера, тогда как внутри барьера время равно нулю[4]. Этот результат наблюдался в нескольких туннельных барьерах и в различных полях. Туннелирование с нулевым временем уже было рассчитано несколькими теоретиками[5], в то время как другие математические результаты указывают на полностью досветовой процесс, когда стандартное понятие релятивистской причинности используется вместе с релятивистскими волновыми уравнениями для волновой функции[6].

Научные оппоненты и их интерпретации[править]

Крис Ли заявил, что здесь нет новой физики, и что кажущаяся передача со скоростью выше скорости света может быть объяснена тщательным рассмотрением того, как измеряется время прибытия (будь то групповая скорость или какая-либо другая мера). Недавние статьи Герберта Уинфула указывают на ошибки в интерпретации Нимца[3]. В этих статьях предполагается, что Нимц предоставил довольно тривиальное экспериментальное подтверждение общей теории относительности. Уинфул говорит, что в эксперименте Нимца нет ничего специфически квантово-механического, что на самом деле результаты согласуются с предсказаниями классического электромагнетизма (уравнений Максвелла), и что в одной из своих статей о туннелировании через волноводы меньшего размера Нимц сам написал: «Поэтому микроволновое туннелирование, то есть распространение направляемых эванесцентных мод, может быть описано с чрезвычайно высокой степенью точности теорией, основанной на уравнениях Максвелла и подходе фазового времени». (В другом месте Нимц утверждал, что поскольку эванесцентные моды имеют мнимое волновое число, они представляют собой «математическую аналогию» квантовому туннелированию[3], и что «эванесцентные моды не полностью описываются уравнениями Максвелла, и необходимо учитывать квантовую механику»). Поскольку законы Максвелла соблюдают специальную теорию относительности, Уинфул утверждает, что эксперимент, который можно описать с использованием этих законов, не может включать релятивистское нарушение причинности (что подразумевалось бы передачей информации быстрее света). Он также утверждает, что «не наблюдалось ничего, что двигалось бы быстрее света. Измеренная задержка — это время жизни запасённой энергии, вытекающей с обеих сторон барьера. Равенство задержек передачи и отражения — это то, что ожидается для энергии, вытекающей с обеих сторон симметричного барьера».

Эфраим М. Штейнберг из Торонтского университета также заявил, что Нимц не продемонстрировал нарушение причинности (что подразумевалось бы передачей информации быстрее света). Штейнберг также использует классический аргумент. В статье в New Scientist он использует аналогию с поездом, идущим из Чикаго в Нью-Йорк, но оставляющим вагоны на каждой станции по пути, так что центр поезда движется вперёд на каждой остановке; таким образом, скорость центра поезда превышает скорость любого из отдельных вагонов. Герберт Уинфул утверждает, что аналогия с поездом является вариантом «аргумента изменения формы» для сверхсветовых скоростей туннелирования, но далее он говорит, что этот аргумент на самом деле не подтверждается экспериментами или моделированием, которые фактически показывают, что прошедший импульс имеет ту же длину и форму, что и падающий импульс. Вместо этого Уинфул утверждает, что групповая задержка при туннелировании на самом деле не является временем прохождения импульса (чья пространственная длина должна быть больше длины барьера, чтобы его спектр был достаточно узким для туннелирования), а является временем жизни энергии, запасённой в стоячей волне, которая образуется внутри барьера. Поскольку запасённая энергия в барьере меньше энергии, запасённой в безбарьерной области той же длины из-за деструктивной интерференции, групповая задержка для выхода энергии из области барьера короче, чем она была бы в свободном пространстве, что, по мнению Уинфула, является объяснением кажущегося сверхсветового туннелирования. Это становится очевидно неверным в установке со стоячим волноводом на частотах ниже частоты отсечки.

Помимо этих интерпретаций, другие авторы опубликовали статьи, в которых утверждается, что квантовое туннелирование не нарушает релятивистское понятие причинности, и что эксперименты Нимца (которые, как утверждается, имеют чисто классическую природу) также не нарушают его[7]. Были опубликованы некоторые оппозиционные теоретические интерпретации[7][8][6].

Интерпретация Нимца[править]

В физической лаборатории Университета Кобленца, 2008 год

Нимц и другие утверждают, что анализ формы сигнала и частотного спектра показал, что была измерена сверхсветовая скорость сигнала, и что туннелирование является единственным наблюдаемым нарушением специальной теории относительности[4]. Однако, в противоречие своим оппонентам, они явно указывают, что это не приводит к нарушению примитивной причинности: из-за временной протяжённости любого вида сигнала невозможно передать информацию в прошлое. В конце концов, они утверждают, что туннелирование в целом можно объяснить с помощью виртуальных фотонов, частиц, введённых Ричардом Фейнманом и показанных для эванесцентных мод Али, а также Карнильей и Манделем[8]. В этом смысле принято вычислять мнимое волновое число туннелирования с помощью уравнений Гельмгольца и Шрёдингера, как это делали Гюнтер Нимц и Герберт Уинфул. Однако Нимц подчёркивает, что в конечном итоге конечное время туннелирования всегда получалось с помощью подхода фазового времени Вигнера[9]. Гюнтер Нимц отмечает, что такие эванесцентные моды существуют только в классически запрещённой области энергии. Как следствие, они не могут быть объяснены ни классической физикой, ни постулатами специальной теории относительности: отрицательная энергия эванесцентных мод следует из мнимого волнового числа, то есть из мнимого показателя преломления согласно соотношению Максвелла для электромагнитных и упругих полей. Нимц явно указывает, что туннелирование действительно противоречит специальной теории относительности, и что любое другое утверждение должно считаться неверным. Все волны имеют нулевое время туннелирования[10][11], и барьер можно рассматривать как вневременное макроскопическое пространство. Модель туннелирования Уинфула неверна. Недавно в нескольких экспериментах с фотонными и шрёдингеровскими волновыми пакетами было доказано, что все волны имеют нулевое время туннелирования[10].

Связанные эксперименты[править]

Позже группа Келлера в Швейцарии заявила, что туннелирование частиц действительно происходит за нулевое реальное время. Их тесты включали туннелирование электронов, где группа утверждала, что релятивистское предсказание времени туннелирования должно составлять 500-600 аттосекунд (аттосекунда — это одна квинтиллионная доля секунды). Всё, что удалось измерить, составило 24 аттосекунды, что является пределом точности теста. Однако другие физики считают, что эксперименты по туннелированию, в которых частицы, по-видимому, проводят аномально короткое время внутри барьера, на самом деле полностью совместимы с теорией относительности[6], хотя существуют разногласия относительно того, включает ли объяснение изменение формы волнового пакета или другие эффекты.

Это заявленное нулевое время туннелирования для электронов находится в очевидном противоречии с известным фактом, что квантовое туннелирование является полностью досветовым эффектом (а именно, оно согласуется со стандартным понятием релятивистской причинности и не приводит к распространению информации быстрее света) при моделировании с помощью релятивистского уравнения Дирака[6]. Следовательно, либо уравнение Дирака должно быть отброшено для моделирования релятивистского туннелирования, либо интерпретация экспериментальных результатов должна быть согласована со стандартным понятием релятивистской причинности из учебников, в котором волновая функция не может распространяться за пределы своей оболочки будущего светового конуса[6].

Временные выводы и будущие исследования[править]

Интерпретация Нимца основана на следующей теории: выражение в пропагаторе фотона Фейнмана означает, что фотон имеет наибольшую вероятность двигаться точно со скоростью света , но он имеет ненулевую вероятность нарушить законы специальной теории относительности как «виртуальный фотон» на коротких масштабах времени и длины. Хотя было бы невозможно передавать информацию на космологически значимых масштабах времени с использованием туннелирования (вероятность туннелирования просто слишком мала, если классически запрещённая область слишком велика), на коротких масштабах времени и длины туннелирующим фотонам разрешено распространяться быстрее света, учитывая их свойство как виртуальных частиц. Вероятность распространения фотона не равна нулю, даже если угловая частота фотона омега не равна произведению скорости света c и импульса волны p[12][13]. Нимц более подробно написал о сигналах и описанной интерпретации экспериментов по сверхсветовому туннелированию[9].

Хотя его экспериментальные результаты хорошо задокументированы с начала 1990-х годов, интерпретация Гюнтером Нимцем последствий этих результатов представляет собой весьма спорную тему[14], которую многочисленные исследователи считают неверной (см. выше, #Научные оппоненты и их интерпретации). Были опубликованы некоторые оппозиционные исследования по туннелированию с нулевым временем[5]. Общие описания сигналов сверхсветового туннелирования, представленные в большинстве учебников и статей, скорректированы в окончательные выводы согласно Бриллюэну и другим важным физикам[9].

Примечания[править]

  1. ↑ Enders A., Nimtz G. On superluminal barrier traversal // J. Phys. I France. — 1992. — том 2. — № 9. — С. 1693–1698. — DOI:10.1051/jp1:1992236 — Bibcode: 1992JPhy1...2.1693E
  2. ↑ Superluminares Tunneln: Informationsübertragung mit Überlichtgeschwindigkeit. www.jugend-forscht.de. Проверено 27 июля 2026.
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 G. Nimtz, A. A. Stahlhofen (2007), "Macroscopic violation of special relativity", arΧiv:0708.0681 [quant-ph] 
  4. ↑ 4,0 4,1 G. Nimtz and A. A. Stahlhofen, "Universal tunneling time for all fields", Ann. Phys. (Berlin), 17, 374, 2008
  5. ↑ 5,0 5,1 T. Hartman, J. Appl. Phys. 33, 3427, 1962; W. Franz, Phys. Status Solidi, 22, K139, 1967; Collins et al., J. Phys. C20, 6213, 1987; F. Low and P. Mende, Ann. Phys. NY, 210, 380, 1991; G. Nimtz, LNP 702, 506, 2006; Zero time tunneling – revisited, G. Nimtz and H. Aichmann, Z. Naturforsch. 72a, 881 (2017)
  6. ↑ 6,0 6,1 6,2 6,3 6,4 Gavassino L., Disconzi M. M. Subluminality of relativistic quantum tunneling // Physical Review A. — 2023. — том 107. — № 3. — DOI:10.1103/PhysRevA.107.032209 — Bibcode: 2023PhRvA.107c2209G
  7. ↑ 7,0 7,1 A number of papers are listed in "Faster-than-light speeds in tunneling experiments: an annotated bibliography", Markus Pössels Webseiten.
  8. ↑ 8,0 8,1 C. Carniglia and L. Mandel, Phys. Rev. D 3, 280, 1971; S. T. Ali, Phys. Rev. B 7, 1668, 1973
  9. ↑ 9,0 9,1 9,2 H. Aichmann and G. Nimtz, Found. Phys. 44, 678 (2014)
  10. ↑ 10,0 10,1 Nimtz Günter, Aichmann Horst All waves have a zero tunneling timeангл. // Zeitschrift für Naturforschung A. — 2021. — том 76. — № 4. — С. 295–297. — ISSN 1865-7109. — DOI:10.1515/zna-2020-0299 — Bibcode: 2021ZNatA..76..295N
  11. ↑ Nimtz Günter, Aichmann Horst Zero-Time Tunneling - Revisited // Zeitschrift für Naturforschung. — 2017. — том 72. — № 9. — С. 881–884. — DOI:10.1515/zna-2017-0172 — Bibcode: 2017ZNatA..72..881N
  12. ↑ C. Cargnilia and L. Mandel, Phys. Rev. D3, 280 (1971)
  13. ↑ T. S. Ali, Phys. Rev. D7, 1668 (1973)
  14. ↑ CNR Catalog of publications. Архивировано из первоисточника 16 июля 2012. Проверено 17 февраля 2019.

Литература[править]

  • Nimtz G. Do Evanescent Modes Violate Relativistic Causality? // Special Relativity. — Springer Berlin Heidelberg, 2006. — Т. 702. — С. 506–531. — (Lecture Notes in Physics). — ISBN 978-3-540-34522-0. — DOI:10.1007/3-540-34523-x_19

Ссылки[править]

Рувики

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Нимц, Гюнтер», расположенная по адресу:

—https://ru.ruwiki.ru/wiki/Нимц,_Гюнтер

Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий.

Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».

Источник — http://cyclowiki.org/w/index.php?title=Нимц,_Гюнтер&oldid=2715924