Kvantové tunelovanie je jednou z najzaujímavejších vecí, ktoré fyzici študujú …
Predstavte si, že tenisový loptu zasiahne stenu. V situácii, na ktorú sme zvyknutí, sa odrazí od tejto steny. Avšak kvôli podivnej povahe kvantového sveta existuje technicky štatistická pravdepodobnosť, že lopta skončí na druhej strane bariéry alebo dokonca v samotnej stene.
Tu nehovoríme o skutočnosti, že lopta pôjde múrom, nie je to úplne pravda …
Čo sa môže stať na makroúrovni?
Keby sa vyskytol zvláštny prípad kvantového tunelovania na makroúrovni, potom by sa lopta mohla náhle stratiť, keď sa priblíži k stene, a potom sa okamžite znova objaví na druhej strane, zatiaľ čo samotná stena a lopta by boli v ideálnom stave. Šanca, že sa to niekedy stane, je samozrejme veľmi malá. Existuje však štatistická pravdepodobnosť, ale teoreticky by sa to mohlo stať.
Dôvod tohto spočíva v pravdepodobnostnej povahe kvantového sveta. Ako dokazuje Werner Heisenbergov princíp neistoty, polohu a hybnosť častice nemožno poznať súčasne. Napríklad, ak poznáte polohu elektrónu, potom nemôžete poznať jeho rýchlosť a ak poznáte rýchlosť, nemôžete poznať jeho polohu v priestore. Z tohto dôvodu sa pravdepodobnosti používajú na „uhádnutie“, kedy môže byť častica v konkrétnom okamihu: elektrón môže mať vysokú pravdepodobnosť, že bude na jednom mieste a nie na inom. Tieto pravdepodobnosti vytvárajú to, čo sa nazýva „oblak pravdepodobností“.
Propagačné video:
Pravdepodobnosť oblačnosti a kvantového tunelovania
Ako vidíte na obrázku, šanca elektrónu byť v strede mraku je väčšia ako na periférii. Napriek tomu, že šance sú neuveriteľne malé, existuje štatistická šanca, že elektrón by mohol byť detekovaný blízko okraja mraku. To je miesto, kde sa veci začnú čudovať.
Elektrónový oblak pravdepodobnosti.
Kvantové tunelovanie je schopnosť častice, napríklad elektrónu, okamžite prejsť bariérou. Ak existuje vyššia energetická bariéra ako elektrón a elektrón sa k nej priblíži, zvyčajne predpokladáme, že ju elektrón nedokáže prekonať. V skutočnosti je to vo väčšine prípadov. Každý elektrón sa však z času na čas správa úplne neočakávane. V zriedkavých prípadoch sa elektrón jednoducho objaví na druhej strane bariéry.
Ako je to možné?
Kvôli pravdepodobnostnej povahe elektrónov, v momente, keď sa elektrón blíži k bariére, existuje stále malá pravdepodobnosť v oblaku pravdepodobnosti, že sa elektrón dá nájsť na druhej strane bariéry.
Pravdepodobnosť cloud a bariéra.
Keď je táto malá šanca realizovaná a elektrón je na druhej strane, znamená to, že došlo k kvantovému tunelovaniu. Technicky elektrón neprechádza cez bariéru, pretože, napodiv, v okamihu kvantového tunelovania čas pre elektrón neexistuje, nastáva okamžite. Týmto spôsobom môžu elektróny okamžite prekonať vyššie energetické bariéry.
Hviezdy a kvantové tunelovanie
Aj keď to môže znieť ako veľmi zvláštna a dokonca nemožná udalosť, je skutočne dôležité pre život na Zemi, ako ho poznáme. Slnko a všetky známe hviezdy sú schopné žiariť pomocou kvantového tunela.
V dôsledku jadrovej fúzie sa na slnko uvoľňuje svetlo a teplo. Dve atómové jadrá, obidve pozitívne nabité, sa zrážajú a vytvárajú nový prvok. V tomto procese sa uvoľňujú fotóny. Problém je však v tom, že keďže sú obe jadrá pozitívne nabité, odpudzujú sa navzájom, rovnako ako rovnaké póly magnetov v magnetoch. To znamená, že existuje energetická bariéra, ktorú musia jadrá prekonať, aby sa mohli poistiť. Ako však ukazuje matematika, jadrá Slnka nemajú dostatok energie na prekonanie tejto bariéry. Jediným spôsobom, ako to dosiahnuť, je veľmi zriedkavý prípad kvantového tunelovania.
Je ironické, že kvantové tunelovanie môže mať škodlivé následky. Podľa kvantovej biológie, ktorá vníma živé systémy z hľadiska kvantovej teórie, môžu DNA mutácie nastať v procese nazývanom tunelovanie protónov.
Ak sa DNA replikuje počas tohto kvantového tunelovania, môže dôjsť k mutácii. Existujú aj ďalšie prípady kvantových tunelových mutácií, ktoré podľa niektorých vedcov spôsobujú rakovinu. Dokonca sa predpokladalo, že z tohto dôvodu živé veci starnú.
Je zvláštne si myslieť, že to, čo Slnku umožňuje žiariť a poskytovať život na Zemi, môže byť tiež dôvodom, že všetko v prírode starne, degraduje a zomiera. Bez kvantového tunelovania by však život, ako vieme, nebol možný.