Kvantno tuneliranje je ena najbolj zanimivih stvari, ki jih proučujejo fiziki …
Predstavljajte si, da bi teniška žoga udarila v steno. V situaciji, ki smo je navajeni, bo odskočil s te stene. Vendar pa zaradi čudne narave kvantnega sveta tehnično obstaja statistična verjetnost, da bo žoga končala na drugi strani pregrade ali celo v sami steni.
Tu ne govorimo o tem, da bo žoga šla skozi zid, vsaj to ni povsem res …
Kaj se lahko zgodi na makro ravni?
Če bi na makro ravni prišlo do nenavadnega primera kvantnega tuneliranja, bi žoga lahko nenadoma izginila, ko se bo približala steni, nato pa se takoj znova pojavila na drugi strani, medtem ko bi bila sama stena in žoga v svojih idealnih stanjih. Seveda so možnosti, da se bo to kdaj zgodilo, izredno majhne. Kljub temu obstaja statistična verjetnost tega, v teoriji pa bi se lahko zgodilo.
Razlog za to je v verjetnosti kvantnega sveta. Kot je dokazano z načelom negotovosti Werner Heisenberga, položaja in zagon delca ni mogoče istočasno poznati. Na primer, če poznate položaj elektrona, potem ne morete vedeti njegove hitrosti, in če poznate hitrost, ne morete vedeti njegovega položaja v vesolju. Zaradi tega se verjetnosti uporabljajo za "ugibanje", kje je lahko nek delček v določenem trenutku: lahko ima elektron velika verjetnost, da se nahaja na enem mestu, ne pa na drugem. Te verjetnosti ustvarjajo tako imenovano "oblak verjetnosti."
Promocijski video:
Verjetnostni oblak in kvantna tunelacija
Kot lahko vidite na sliki, so možnosti, da je elektron v središču oblaka, večji kot na obodu. Kljub temu, da je kvota neverjetno majhna, obstaja statistična možnost, da bi blizu roba oblaka lahko zaznali elektron. Tu se začnejo stvari čudno začeti.
Elektronski verjetnostni oblak.
Kvantno tuneliranje je sposobnost delca, kot je elektron, da v trenutku preide skozi pregrado. Če je večja energetska ovira od elektrona in se ji elektroni približajo, običajno domnevamo, da jo elektron ne more premagati. Pravzaprav v večini primerov je tako. Kljub temu se vsak elektron občasno obnaša popolnoma nepričakovano. V redkih primerih se elektron preprosto pojavi na drugi strani pregrade.
Kako je to mogoče?
Zaradi verjetnostne narave elektronov, v trenutku, ko se elektron približa oviri, je v verjetnostnem oblaku še vedno majhna možnost, da bi bil elektron mogoče najti na drugi strani bariere.
Verjetnostni oblak in ovira.
Ko se ta majhna priložnost uresniči in je elektron na drugi strani, to pomeni, da je prišlo do kvantnega tuneliranja. Tehnično gledano elektroni ne preidejo ovire, saj, nenavadno, v trenutku kvantnega tuneliranja časa za elektrone ne obstaja, se zgodi v trenutku. Na ta način lahko elektroni v trenutku premagajo višje energetske ovire.
Zvezde in kvantno tuneliranje
Čeprav se to morda sliši kot zelo nenavaden in celo nemogoč dogodek, je življenje na Zemlji dejansko pomembno, kot ga poznamo. Sonce in vse znane zvezde lahko zasijejo s pomočjo kvantnih tunelov.
Zaradi jedrske fuzije se na soncu sproščata svetloba in toplota. Dva atomska jedra, oba pozitivno nabiti, trčita, da tvorita nov element, pri tem pa se sprostijo fotoni. Težava pa je, da ker sta obe jedri pozitivno nabiti, se odbijajo med seboj, tako kot enaka pola magnetov v magnetih. To pomeni, da obstaja energijska ovira, ki jo morajo jedra premagati, da se zlijejo. Vendar, kot kaže matematika, jedra na Soncu nimajo dovolj energije, da bi premagala to oviro. Edini način, da to dosežemo, je prek zelo redkega primera kvantnega tuneliranja.
Ironično je, da lahko tudi kvantna tunelacija povzroči škodljive posledice. Po kvantni biologiji, ki živi sistem gleda z vidika kvantne teorije, se mutacije DNA lahko pojavijo v procesu, imenovanem tuneliranje protonov.
Če se DNK med tem kvantnim tuneliranjem razmnoži, lahko pride do mutacije. Obstajajo tudi drugi primeri mutacij kvantnih tunelov, za katere nekateri znanstveniki verjamejo, da povzročajo raka. Obstajala je celo domneva, da se zaradi tega živa bitja starajo.
Nenavadno je misliti, da je lahko tisto, kar Soncu dovoli, da sije in zagotavlja življenje na Zemlji, tudi razlog, da se vse v naravi stara, degradira in umira. Vendar bi bilo brez kvantnih tuneliranj življenje, kot vemo, nemogoče.