Tunelowanie kwantowe to jedna z najciekawszych rzeczy, którą badają fizycy …
Wyobraź sobie piłkę tenisową uderzającą o ścianę. W sytuacji, do której jesteśmy przyzwyczajeni, odbije się od tej ściany. Jednak ze względu na dziwną naturę świata kwantowego istnieje techniczne prawdopodobieństwo, że kulka znajdzie się po drugiej stronie bariery lub nawet w samej ścianie.
Tutaj nie mówimy o tym, że piłka przejdzie przez ścianę, przynajmniej nie jest to do końca prawdą …
Co może się wydarzyć na poziomie makro?
Gdyby istniał dziwny przypadek tunelowania kwantowego na poziomie makro, to kula mogłaby nagle zniknąć, gdy zbliży się do ściany, a następnie natychmiast ponownie pojawić się po drugiej stronie, podczas gdy ściana i kula byłyby w idealnym stanie. Oczywiście szanse, że to się kiedykolwiek wydarzy, są bardzo małe. Niemniej jednak istnieje statystyczne prawdopodobieństwo, ale teoretycznie może się to zdarzyć.
Przyczyna tego leży w probabilistycznej naturze świata kwantowego. Jak udowodniła zasada nieoznaczoności Wernera Heisenberga, położenie i pęd cząstki nie mogą być znane jednocześnie. Na przykład, jeśli znasz położenie elektronu, nie możesz znać jego prędkości, a jeśli znasz prędkość, nie możesz znać jego położenia w przestrzeni. Z tego powodu prawdopodobieństwa są używane do „odgadywania”, gdzie cząstka może znajdować się w określonym momencie: istnieje duże prawdopodobieństwo, że elektron znajdzie się w jednym miejscu, a nie w innym. Te prawdopodobieństwa tworzą coś, co nazywa się „chmurą prawdopodobieństw”.
Film promocyjny:
Chmura prawdopodobieństwa i tunelowanie kwantowe
Jak widać na rysunku, szanse na to, że elektron znajdzie się w centrum chmury są większe niż na obrzeżach. Jednak chociaż szanse są niewiarygodnie małe, istnieje statystyczna szansa, że elektron mógłby zostać wykryty w pobliżu krawędzi chmury. To jest, gdy sprawy zaczynają się dziwnie.
Chmura prawdopodobieństwa elektronów.
Tunelowanie kwantowe to zdolność cząstki, takiej jak elektron, do natychmiastowego przejścia przez barierę. Jeśli istnieje wyższa bariera energetyczna niż elektron i elektron zbliża się do niej, zwykle zakładamy, że elektron nie może jej pokonać. W rzeczywistości w większości przypadków tak jest. Niemniej jednak od czasu do czasu każdy elektron zachowuje się zupełnie nieoczekiwanie. W rzadkich przypadkach elektron po prostu pojawia się po drugiej stronie bariery.
Jak to jest możliwe?
Ze względu na probabilistyczną naturę elektronów, w momencie zbliżania się elektronu do bariery istnieje nadal niewielka szansa w chmurze prawdopodobieństwa, że elektron znajdzie się po drugiej stronie bariery.
Chmura prawdopodobieństwa i bariera.
Kiedy ta mała szansa zostanie zrealizowana, a elektron znajdzie się po drugiej stronie, oznacza to, że nastąpiło tunelowanie kwantowe. Z technicznego punktu widzenia elektron nie przechodzi przez barierę, ponieważ, co dziwne, w momencie tunelowania kwantowego czas na elektron nie istnieje, dzieje się to natychmiast. W ten sposób elektrony mogą natychmiast pokonać wyższe bariery energetyczne.
Gwiazdy i tunelowanie kwantowe
Chociaż może się to wydawać bardzo dziwnym, a nawet niemożliwym wydarzeniem, w rzeczywistości jest ważne dla życia na Ziemi, jakie znamy. Słońce i wszystkie znane gwiazdy mogą świecić przez tunelowanie kwantowe.
W wyniku syntezy jądrowej światło i ciepło są uwalniane na Słońcu. Dwa jądra atomowe, oba naładowane dodatnio, zderzają się, tworząc nowy pierwiastek, w wyniku czego uwalniane są fotony. Problem polega jednak na tym, że ponieważ oba rdzenie są naładowane dodatnio, odpychają się nawzajem, tak jak te same bieguny magnesów w magnesach. Oznacza to, że istnieje bariera energetyczna, którą jądra muszą pokonać, aby ulec fuzji. Jednak, jak pokazuje matematyka, jądra na Słońcu nie mają wystarczającej energii, aby pokonać tę barierę. Jedynym sposobem, aby to umożliwić, jest bardzo rzadki przypadek tunelowania kwantowego.
Jak na ironię, tunelowanie kwantowe może również mieć szkodliwe konsekwencje. Zgodnie z biologią kwantową, która postrzega żyjące systemy z perspektywy teorii kwantowej, mutacje DNA mogą wystąpić w procesie zwanym tunelowaniem protonów.
Jeśli DNA replikuje się podczas tego kwantowego tunelowania, może dojść do mutacji. Istnieją inne przypadki kwantowych mutacji tunelowych, które zdaniem niektórych naukowców powodują raka. Było nawet założenie, że z tego powodu żywe istoty się starzeją.
Dziwne jest myślenie, że to, co pozwala Słońcu świecić i zapewniać życie na Ziemi, może być również przyczyną starzenia się, degradacji i umierania wszystkiego w przyrodzie. Jednak bez tunelowania kwantowego życie, jakie znamy, byłoby niemożliwe.