Kvantu tunelēšana ir viena no visinteresantākajām lietām, ko fiziķi pēta …
Iedomājieties tenisa bumbiņu, kas sit pret sienu. Situācijā, kurā esam pieraduši, viņš atlēks no šīs sienas. Tomēr kvantu pasaules dīvainā rakstura dēļ tehniski pastāv statistiska varbūtība, ka bumba nonāks barjeras otrā pusē vai pat pašā sienā.
Šeit mēs nerunājam par to, ka bumba vismaz ies cauri sienai, vismaz tā nav pilnīgi taisnība …
Kas var notikt makro līmenī?
Ja makro līmenī būtu dīvains kvantu tunelēšanas gadījums, bumba varētu pēkšņi pazust, kad tā nonāk tuvu sienai, un tad uzreiz atkal parādīties otrā pusē, kamēr siena un bumba būtu ideālajos stāvokļos. Protams, iespējas, ka tas kādreiz notiks, ir ārkārtīgi niecīgas. Neskatoties uz to, pastāv statistiska varbūtība, bet teorētiski tā varētu notikt.
Iemesls tam ir kvantu pasaules varbūtība. Kā pierādījis Vernera Heizenberga nenoteiktības princips, daļiņas atrašanās vieta un impulss nav vienlaicīgi zināmi. Piemēram, ja jūs zināt elektrona stāvokli, tad jūs nevarat zināt tā ātrumu, un, ja jūs zināt ātrumu, jūs nevarat zināt tā stāvokli telpā. Tādēļ varbūtības tiek izmantotas, lai "uzminētu", kur daļiņa var atrasties noteiktā laika brīdī: elektronam var būt liela varbūtība atrasties vienā vietā, nevis citā. Šīs varbūtības rada tā saukto “varbūtību mākoni”.
Reklāmas video:
Varbūtības mākonis un kvantu tunelēšana
Kā redzat attēlā, elektronu izredzes atrasties mākoņa centrā ir lielākas nekā perifērijā. Tomēr, kaut arī izredzes ir neticami mazas, pastāv statistiska iespēja, ka netālu no mākoņa malas varētu atklāt elektronu. Šajā vietā lietas sāk kļūt dīvainas.
Elektronu varbūtības mākonis.
Kvantu tunelēšana ir daļiņas, piemēram, elektrona, spēja uzreiz iziet cauri barjerai. Ja ir augstāka enerģijas barjera nekā elektrons, un elektrons tai tuvojas, parasti mēs pieņemam, ka elektrons to nevar pārvarēt. Faktiski vairumā gadījumu tā ir. Neskatoties uz to, katrs elektrons laiku pa laikam uzvedas pilnīgi negaidīti. Retos gadījumos elektrons vienkārši parādās barjeras otrajā pusē.
Kā tas ir iespējams?
Sakarā ar elektronu varbūtības raksturu, kad elektrons tuvojas barjerai, varbūtības mākonī joprojām ir neliela iespēja, ka elektronu varētu atrast barjeras otrā pusē.
Varbūtības mākonis un barjera.
Kad šī mazā iespēja tiek realizēta un elektrons atrodas otrā pusē, tas nozīmē, ka ir notikusi kvantu tunelēšana. Tehniski elektrons neiziet cauri barjerai, jo dīvainā kārtā kvantu tunelēšanas brīdī elektronam nepastāv laiks, tas notiek uzreiz. Tādā veidā elektroni var uzreiz pārvarēt augstākas enerģijas barjeras.
Zvaigznes un kvantu tunelēšana
Lai gan tas var izklausīties kā ļoti dīvains un pat neiespējams notikums, patiesībā tas ir svarīgi dzīvībai uz Zemes, kā mēs to zinām. Saule un visas zināmās zvaigznes spēj spīdēt caur kvantu tunelēšanu.
Kodolsintēzes rezultātā saulē izdalās gaisma un siltums. Divi atomu kodoli, abi pozitīvi lādēti, saduras, veidojot jaunu elementu, un šajā procesā fotoni tiek atbrīvoti. Problēma tomēr ir tā, ka, tā kā abi serdeņi ir pozitīvi uzlādēti, tie atgrūž viens otru, tāpat kā tie paši magnētu stabi magnātos. Tas nozīmē, ka pastāv enerģijas barjera, kas kodoliem jāpārvar, lai saplūst. Tomēr, kā liecina matemātika, Saules kodoliem nav pietiekami daudz enerģijas, lai pārvarētu šo barjeru. Vienīgais veids, kā to panākt, ir ļoti retais kvantu tunelēšanas gadījums.
Ironiski, ka kvantu tunelēšanai var būt arī kaitīgas sekas. Saskaņā ar kvantu bioloģiju, kas dzīvo sistēmu aplūko no kvantu teorijas perspektīvas, DNS mutācijas var notikt procesā, ko sauc par protonu tunelēšanu.
Ja DNS atkārtojas šīs kvantu tunelēšanas laikā, var notikt mutācija. Ir arī citi kvantu tunelēšanas mutāciju gadījumi, pēc kuriem daži zinātnieki uzskata, ka tie izraisa vēzi. Bija pat pieņēmums, ka tāpēc dzīvās lietas noveco.
Dīvaini ir domāt, ka tas, kas ļauj saulei spīdēt un nodrošina dzīvību uz Zemes, var būt arī iemesls tam, ka dabā viss noveco, degradējas un mirst. Tomēr bez kvantu tunelēšanas dzīve, kā mēs zinām, nebūtu iespējama.