Kvantno tuneliranje jedna je od najzanimljivijih stvari koje fizičari proučavaju …
Zamislite tenisku loptu kako udara o zid. U situaciji na koju smo navikli, on će odskočiti sa ovog zida. Međutim, zbog čudne prirode kvantnog svijeta, tehnički postoji statistička vjerojatnost da će lopta završiti na drugoj strani barijere ili čak u samom zidu.
Ovdje ne govorimo o činjenici da će lopta proći kroz zid, barem, to nije sasvim istina …
Što se može dogoditi na makro razini?
Ako bi se dogodio čudan slučaj kvantnog tuneliranja na makro razini, onda bi lopta mogla iznenada nestati kad se približi zidu, a zatim bi se ponovno pojavila na drugoj strani, dok bi zid i lopta bili u idealnom stanju. Naravno, šanse da se to ikada dogodi izuzetno su malene. Bez obzira na to, postoji statistička vjerojatnost za to, ali u teoriji se to moglo dogoditi.
Razlog tome leži u vjerojatnoj prirodi kvantnog svijeta. Kao što je dokazano principom nesigurnosti Wernera Heisenberga, položaj i zamah čestice ne mogu se istovremeno znati. Na primjer, ako znate položaj elektrona, tada ne možete znati njegovu brzinu, a ako znate brzinu, ne možete znati njegov položaj u prostoru. Zbog toga se vjerojatnosti koriste za „nagađanje” gdje se čestica može nalaziti u određenom trenutku: elektron može imati veliku vjerojatnost da će biti na jednom mjestu, a ne na drugom. Te vjerojatnosti stvaraju ono što se naziva "oblakom vjerojatnosti".
Promotivni video:
Vjerojatni oblak i kvantno tuneliranje
Kao što možete vidjeti na slici, šanse da se elektron nalazi u središtu oblaka su veće nego na periferiji. Međutim, iako su izgledi nevjerojatno mali, postoji statistička vjerojatnost da bi se elektron mogao otkriti blizu ruba oblaka. Ovdje stvari počinju postajati čudne.
Oblak vjerojatnosti elektrona.
Kvantno tuneliranje je sposobnost čestice, kao što je elektron, da odmah prođe kroz barijeru. Ako postoji veća energetska barijera od elektrona, a elektron joj se približava, obično pretpostavljamo da ga elektron ne može prevladati. Zapravo, u većini slučajeva jest. Ipak, svaki se elektron s vremena na vrijeme ponaša potpuno neočekivano. U rijetkim se slučajevima jedan elektron jednostavno pojavi na drugoj strani barijere.
Kako je ovo moguće?
Zbog vjerojatnosti prirode elektrona, trenutka kada se elektron približi barijeri, još uvijek je mala vjerojatnost u oblaku vjerojatnosti da bi se elektron mogao naći s druge strane barijere.
Vjerojatni oblak i barijera.
Kada se ta mala šansa realizira i elektron se nalazi na drugoj strani, to znači da je došlo do kvantnog tuneliranja. Tehnički gledano, elektron ne prolazi kroz barijeru, jer, začudo, u trenutku kvantnog tuneliranja vremena za elektron ne postoji, događa se odmah. Na taj način, elektroni mogu trenutno svladati više energetske barijere.
Zvijezde i kvantno tuneliranje
Iako ovo može zvučati kao vrlo čudan i čak nemoguć događaj, za život na Zemlji zapravo je važan onakav kakav znamo. Sunce i sve poznate zvijezde mogu zasjati kroz kvantno tuneliranje.
Kao rezultat nuklearne fuzije, sunca se oslobađaju svjetlost i toplina. Dvije atomske jezgre, obje pozitivno nabijene, sudaraju se u obliku novog elementa i u tom se procesu fotoni oslobađaju. Problem je, međutim, u tome što su obje jezgre pozitivno nabijene, međusobno se odbijaju, baš kao i isti stupi magneta u magnetima. To znači da postoji energetska barijera koju jezgre moraju savladati da bi se spojile. Međutim, kao što pokazuje matematika, jezgre na Suncu nemaju dovoljno energije da prebrode ovu barijeru. Jedini način da se to postigne je kroz vrlo rijedak slučaj kvantnog tuneliranja.
Ironično, kvantno tuneliranje također može imati štetne posljedice. Prema kvantnoj biologiji, koja žive sustave promatra iz perspektive kvantne teorije, mutacije DNA mogu se dogoditi u procesu koji se zove probijanje protona.
Ako se DNK replicira tijekom ovog kvantnog tuneliranja, tada se može dogoditi mutacija. Postoje i drugi slučajevi mutacija kvantnih tunela za koje neki znanstvenici vjeruju da uzrokuju rak. Čak je postojala pretpostavka da zbog toga žive stvari ostare.
Čudno je misliti da ono što dopušta Suncu da svijetli i osigurava život na Zemlji, može biti i razlog da se sve u prirodi stara, degradira i umire. Međutim, bez kvantnih tunelacija, život kakav znamo bio bi nemoguć.