Найменший відрізок часу — зептосекунда

Тобто зептосекунда — це одна мільярдна трильйонної частки секунди. Вчені з Інституту Макса Планка в Німеччині змогли виміряти зміни всередині атома на зептосекундній шкалі.

Це вдалося зробити під час дослідження фотоефекту. Альберт Ейнштейн описав його ще в 1905 році, а через шістнадцять років отримав Нобелевську премію за пояснення його природи. Фотоефект — це явище «вибивання» світлом електронів із речовини. Коли фотон «вдаряє» по електрону, той покидає орбіту атомного ядра.

Дослідникам з Інституту Макса Планка вдалося зафіксувати електронну емісію атомів гелію (відносно простого газу, чиї атоми мають лише два електрони), вимірявши крихітний період часу, який потрібен, щоб електрон залишив атом після «удару» фотона. Для цього фізикам знадобилася так звана «атосекундна стрік-камера», яка складається з двох лазерів у різних ділянках спектра, що генерують ультракороткі імпульси.

Перший лазер генерував ультрафіолетовий промінь, який мав вивільнити з гелію лише один електрон і тривав близько 100 атосекунд (одна атосекунда дорівнює 10⁻¹⁸ секунди). Другий лазер, навпаки, був інфрачервоним і мав захопити електрони, що покинули атоми гелію. Він тривав чотири фемтосекунди (фемтосекунда — це 10⁻¹⁵ секунди).

Коли інфрачервоний лазер детектував електрони, вчені змогли вирахувати тривалість події — 850 зептосекунд. Результати експерименту опубліковані в журналі Nature Physics.

Експеримент дає дослідникам певні припущення про те, як відбувається цей квантовий процес. У майбутньому ці припущення можуть бути корисними для розробки квантових комп’ютерів і вивчення надпровідності.

«Учені поводяться з електронами як із колективним об’єктом, але багато інформації присутнє на рівні окремих електронів. Якщо ви справді хочете зрозуміти атоми на найбазовішому рівні, вам потрібно вивчати, як окремі електрони взаємодіють один з одним», — розповідає керівник команди дослідників Мартін Шульце.

За його словами, вчені використовують гелій — один із найпростіших атомів, — щоб протестувати свої методи. Дослідження процесів у них на крихітному рівні є лише першим кроком до розуміння складніших атомів із більшою кількістю електронів.

Факти про зептосекунду

Зептосекунда (10⁻²¹ секунди) настільки мала, що її важко уявити в повсякденному житті. Для порівняння, якщо секунда — це відстань від Землі до Місяця, то зептосекунда — це товщина людської волосини на цій відстані. Цей масштаб дозволяє вченим зазирнути в квантові процеси, які відбуваються швидше, ніж будь-які хімічні реакції чи навіть рух молекул.

Перше вимірювання в зептосекундах було здійснено ще в 2016 році, коли дослідники зафіксували час у 850 зептосекунд для подібного процесу. Проте в 2020 році вчені з Університету Гете в Німеччині побили цей рекорд, вимірявши ще коротший проміжок — 247 зептосекунд. Це сталося під час спостереження за рухом фотона через молекулу водню (H₂), що відкрило нові горизонти для точності у фізиці.

Цікаво, що зептосекундні вимірювання пов’язані з фундаментальними константами природи. Наприклад, швидкість світла (близько 300 000 км/с) у поєднанні з такими малими одиницями часу дозволяє обчислити, як швидко світло долає відстань розміром із молекулу — приблизно 0,1 нанометра. Це дає уявлення про те, наскільки швидкими є квантові явища.

Нові дослідження зептосекунд у 2025 році

Станом на березень 2025 року дослідження зептосекунд продовжують розвиватися. Нещодавно вчені з Массачусетського технологічного інституту (MIT) повідомили про прорив у вимірюванні руху електронів у складніших молекулах, таких як вуглекислий газ (CO₂). Використовуючи вдосконалену лазерну технологію, вони досягли точності до 200 зептосекунд, що дозволяє краще зрозуміти динаміку хімічних зв’язків на квантовому рівні.

Ще одне дослідження, проведене в Японії в січні 2025 року, показало, що зептосекундні імпульси можуть бути використані для створення надшвидких «квантових знімків» атомних процесів. Ця технологія має потенціал для розробки нових матеріалів із надпровідними властивостями, які працюють за кімнатної температури — мрія сучасної фізики.

Ці нові експерименти також підтверджують ідею, що зептосекундні вимірювання можуть допомогти у створенні квантових комп’ютерів. Контроль над рухом електронів із такою точністю відкриває можливості для маніпуляції квантовими станами, що є ключовим для обчислень наступного покоління.

У майбутньому зептосекундні технології можуть знайти застосування не лише в науці, а й у медицині. Наприклад, точне відстеження руху електронів у біомолекулах може допомогти розробити нові методи лікування раку, спрямовані на зміну квантових процесів у клітинах. Тож зептосекунда — це не просто абстрактна одиниця, а ключ до технологій завтрашнього дня.