Kvanttunneling är en av de mest intressanta saker som fysiker studerar …
Föreställ dig en tennisboll som träffar en vägg. I en situation som vi är vana vid, kommer han att studsa från väggen. På grund av kvantvärldens konstiga natur finns det emellertid tekniskt en statistisk chans att bollen hamnar på andra sidan av barriären eller till och med i själva väggen.
Här pratar vi inte om det faktum att bollen kommer att passera genom väggen, åtminstone är det inte helt sant …
Vad kan hända på makronivå?
Om det fanns ett konstigt fall av kvanttunnling på makronivå, kunde bollen plötsligt försvinna när den kommer nära väggen och sedan omedelbart dyka upp på andra sidan, medan själva väggen och bollen skulle vara i deras ideala tillstånd. Naturligtvis är chansen att detta någonsin kommer att vara extremt små. Det finns dock en statistisk sannolikhet för detta, men i teorin kan det hända.
Anledningen till detta ligger i kvantvärldens sannolikhet. Som bevisats av Werner Heisenbergs osäkerhetsprincip, kan inte en partikels position och momentum kännas samtidigt. Om du till exempel känner till en elektrons position kan du inte veta hastigheten och om du vet hastigheten kan du inte veta dess position i rymden. På grund av detta används sannolikheter för att "gissa" var en partikel kan befinna sig vid en viss tidpunkt: en elektron kan ha en stor sannolikhet att befinna sig på ett ställe och inte på en annan. Dessa sannolikheter skapar det som kallas ett "moln av sannolikheter".
Kampanjvideo:
Sannolikhet Cloud och Quantum Tunneling
Som ni ser på figuren är chansen att elektronen befinner sig i molnet mitt större än vid periferin. Men medan oddsen är oerhört små, finns det en statistisk chans att en elektron kan upptäckas nära molnkanten. Det är där saker börjar bli konstiga.
Elektron sannolikhetsmoln.
Kvanttunnling är förmågan hos en partikel, till exempel en elektron, att omedelbart passera genom en barriär. Om det finns en högre energibarriär än elektronen och elektronen närmar sig den antar vi vanligtvis att elektronen inte kan övervinna den. I de flesta fall är det faktiskt det. Trots det uppträder varje elektron helt oväntat då och då. I sällsynta fall visas en elektron helt enkelt på andra sidan av barriären.
Hur är detta möjligt?
På grund av elektronernas sannolikhet, det ögonblick som en elektron närmar sig barriären, finns det fortfarande en liten chans i sannolikhetsmolnet att elektron kan hittas på andra sidan av barriären.
Sannolikhet moln och barriär.
När denna lilla chans förverkligas och elektronen är på andra sidan, betyder det att kvanttunnling har inträffat. Tekniskt sett passerar inte elektronen genom barriären, för konstigt nog, vid tidpunkten för kvanttunnling, tid för elektron finns inte, det händer direkt. På detta sätt kan elektroner direkt övervinna högre energibarriärer.
Stjärnor och kvanttunneling
Även om detta kan låta som en mycket konstig och till och med omöjlig händelse, är det faktiskt viktigt för livet på jorden som vi känner till det. Solen och alla kända stjärnor kan lysa genom kvanttunneling.
Som ett resultat av kärnfusion frigörs ljus och värme på solen. Två atomkärnor, båda positivt laddade, kolliderar för att bilda ett nytt element, och i denna process frigörs fotoner. Problemet är emellertid att eftersom båda kärnorna är positivt laddade, avvisar de varandra, precis som samma magnetpoler i magneter. Detta innebär att det finns en energibarriär som kärnorna måste övervinna för att smälta samman. Som matematiken visar har kärnorna på solen emellertid inte tillräckligt med energi för att övervinna denna barriär. Det enda sättet att göra detta är genom det mycket sällsynta fallet med kvanttunnling.
Ironiskt nog kan kvanttunneling också få skadliga konsekvenser. Enligt kvantbiologi, som visar levande system ur kvantteoriens perspektiv, kan DNA-mutationer uppstå i en process som kallas protontunnel.
Om DNA replikeras under denna kvanttunneling, kan mutation inträffa. Det finns andra fall av mutationer i kvantetunneling som vissa forskare tror orsakar cancer. Det fanns till och med ett antagande att på grund av detta åldras levande saker.
Det är konstigt att tro att det som låter solen skina och ge liv på jorden också kan vara orsaken till att allt i naturen åldras, försämras och dör. Utan kvanttunneling skulle livet som vi känner det emellertid vara omöjligt.
