Квантовото тунелиране е едно от най-интересните неща, които физиците изучават …
Представете си как тенис топка се удря в стена. В ситуация, с която сме свикнали, той ще отскочи от тази стена. Поради странната природа на квантовия свят, технически има статистическа вероятност топката да се озове от другата страна на преградата или дори в самата стена.
Тук не говорим за факта, че топката ще мине през стената, поне това не е напълно вярно …
Какво може да се случи на макро ниво?
Ако имаше странен случай на квантово тунелиране на макро ниво, то топката може внезапно да изчезне, когато се доближи до стената, и веднага след това да се появи отново от другата страна, докато самата стена и топката ще бъдат в идеалните си състояния. Разбира се, шансовете това да се случи някога са изключително малки. Въпреки това има статистическа вероятност за това, но на теория това може да се случи.
Причината за това се крие в вероятностния характер на квантовия свят. Както е доказано от принципа на несигурност на Вернер Хайзенберг, позицията и импулсът на една частица не могат да бъдат познати едновременно. Например, ако знаете положението на един електрон, тогава не можете да знаете неговата скорост и ако знаете скоростта, не можете да знаете положението му в пространството. Поради това вероятностите се използват, за да се „отгатне“къде може да бъде частица в определен момент във времето: един електрон може да има голяма вероятност да бъде на едно място, а не на друго. Тези вероятности създават това, което се нарича „облак от вероятности“.
Промоционално видео:
Вероятност облак и квантово тунелиране
Както можете да видите на фигурата, шансовете електронът да бъде в центъра на облака са по-големи, отколкото в периферията. Въпреки че коефициентът е невероятно малък, има статистически шанс да се открие електрон близо до ръба на облака. Тук нещата започват да стават странни.
Електронна вероятност облак.
Квантовото тунелиране е способността на частица, като електрон, да мигновено да премине през бариера. Ако има по-висока енергийна бариера от електрона и електронът се приближи до нея, обикновено приемаме, че електронът не може да го преодолее. Всъщност в повечето случаи е така. Въпреки това, всеки електрон се държи напълно неочаквано от време на време. В редки случаи електронът просто се появява от другата страна на бариерата.
Как е възможно?
Поради вероятностния характер на електроните, в момента, когато един електрон наближи бариерата, все още има малък шанс в вероятностния облак, че електронът може да бъде намерен от другата страна на бариерата.
Вероятност облак и бариера.
Когато този малък шанс се реализира и електронът е от другата страна, това означава, че е настъпило квантово тунелиране. Технически, електронът не преминава през бариерата, защото, колкото и да е странно, в момента на квантовото тунелиране време за електрон не съществува, това се случва моментално. По този начин електроните могат незабавно да преодолеят по-високи енергийни бариери.
Звезди и квантово тунелиране
Въпреки че това може да звучи като много странно и дори невъзможно събитие, всъщност е важно за живота на Земята, както го познаваме. Слънцето и всички известни звезди са в състояние да греят чрез квантово тунелиране.
В резултат на ядрения синтез на слънцето се отделят светлина и топлина. Две атомни ядра, и двете положително заредени, се сблъскват, за да образуват нов елемент и в този процес се освобождават фотони. Проблемът обаче е, че тъй като и двете ядра са положително заредени, те се отблъскват едно друго, подобно на едни и същи полюси от магнити в магнити. Това означава, че има енергийна бариера, която ядрата трябва да преодолеят, за да се слеят. Както показва математиката, ядрата на Слънцето нямат достатъчно енергия, за да преодолеят тази бариера. Единственият начин да направим това възможно е чрез много редкия случай на квантово тунелиране.
По ирония на съдбата, квантовото тунелиране също може да има вредни последици. Според квантовата биология, която разглежда живите системи от гледна точка на квантовата теория, ДНК мутации могат да възникнат в процес, наречен тунелиране на протони.
Ако ДНК се репликира по време на това квантово тунелиране, тогава може да настъпи мутация. Има и други случаи на мутации на квантови тунели, които някои учени смятат, че причиняват рак. Имаше дори предположение, че поради това живите същества остаряват.
Странно е да се мисли, че това, което позволява на Слънцето да свети и осигурява живот на Земята, също може да бъде причината, че всичко в природата остарява, деградира и умира. Въпреки това, без квантово тунелиране, животът, както знаем, би бил невъзможен.
