Kvantové tunelování je jednou z nejzajímavějších věcí, které fyzici studují …
Představte si, že tenisový míček zasáhne zeď. V situaci, na kterou jsme zvyklí, se odrazí od této zdi. Avšak kvůli podivné povaze kvantového světa existuje technicky statistická šance, že míč skončí na druhé straně bariéry nebo dokonce ve zdi samotné.
Tady nemluvíme o tom, že míč projde zdí, alespoň to není úplně pravda …
Co se může stát na makro úrovni?
Pokud by na makro úrovni došlo k podivnému případu kvantového tunelování, pak by míček mohl náhle zmizet, když se dostane blízko ke zdi, a pak by se okamžitě znovu objevil na druhé straně, zatímco samotná zeď a míč by byly v jejich ideálním stavu. Šance, že k tomu někdy dojde, jsou samozřejmě velmi malé. Přesto existuje statistická pravděpodobnost, ale teoreticky se to může stát.
Důvodem toho je pravděpodobnost kvantového světa. Jak dokazuje Werner Heisenbergův princip nejistoty, polohu a hybnost částice nelze poznat současně. Například, pokud znáte polohu elektronu, pak nemůžete znát jeho rychlost a pokud znáte jeho rychlost, nemůžete znát jeho polohu v prostoru. Protože toto, pravděpodobnosti jsou zvyklé na “hádat” kde částice může být v určitém okamžiku v čase: elektron může mít vysokou pravděpodobnost být na jednom místě, a ne na jiném. Tyto pravděpodobnosti vytvářejí tzv. „Oblak pravděpodobností“.
Propagační video:
Pravděpodobnost cloudu a kvantového tunelování
Jak vidíte na obrázku, šance, že se elektron nachází ve středu mraku, jsou větší než na periferii. Přestože jsou šance neuvěřitelně malé, existuje statistická šance, že elektron bude detekován poblíž okraje cloudu. To je místo, kde věci začnou být divné.
Oblak pravděpodobnosti elektronů.
Kvantové tunelování je schopnost částice, jako je elektron, okamžitě projít bariérou. Pokud existuje vyšší energetická bariéra než elektron a elektron se k ní přiblíží, obvykle předpokládáme, že jej elektron nemůže překonat. Ve skutečnosti je to ve většině případů. Každý elektron se nicméně z času na čas chová zcela nečekaně. Ve vzácných případech se elektron na druhé straně bariéry jednoduše objeví.
Jak je tohle možné?
Vzhledem k pravděpodobnostní povaze elektronů, ve chvíli, kdy se elektron přiblíží k bariéře, je v cloudu pravděpodobnosti stále malá šance, že by se elektron mohl najít na druhé straně bariéry.
Pravděpodobnost cloudu a bariéry.
Když je tato malá šance realizována a elektron je na druhé straně, znamená to, že došlo k kvantovému tunelování. Technicky elektron neprochází bariérou, protože kupodivu v okamžiku kvantového tunelování čas pro elektron neexistuje, okamžitě se stává. Tímto způsobem mohou elektrony okamžitě překonat vyšší energetické bariéry.
Hvězdy a kvantové tunely
I když to může znít jako velmi podivná a dokonce nemožná událost, je ve skutečnosti důležité pro život na Zemi, jak jej známe. Slunce a všechny známé hvězdy jsou schopny prosvítat kvantovým tunelem.
V důsledku jaderné fúze se na slunce uvolňuje světlo a teplo. Dvě atomová jádra, obě pozitivně nabitá, se srazí, aby vytvořily nový prvek, a v tomto procesu se uvolní fotony. Problém je však v tom, že protože obě jádra jsou kladně nabitá, vzájemně se odpuzují, stejně jako stejné póly magnetů v magnetech. To znamená, že existuje energetická bariéra, kterou musí jádra překonat, aby se mohla roztavit. Jak však ukazuje matematika, jádra na Slunci nemají dostatek energie k překonání této bariéry. Jediným způsobem, jak toho dosáhnout, je velmi vzácný případ kvantového tunelování.
Je ironií, že kvantové tunely mohou mít také škodlivé důsledky. Podle kvantové biologie, která nahlíží na živé systémy z pohledu kvantové teorie, se mohou mutace DNA vyskytnout v procesu zvaném protonové tunely.
Pokud se DNA replikuje během tohoto kvantového tunelování, může dojít k mutaci. Existují i další případy kvantových tunelových mutací, o nichž někteří vědci věří, že způsobují rakovinu. Dokonce se předpokládalo, že z tohoto důvodu živé věci stárnou.
Je zvláštní si myslet, že to, co umožňuje Slunci svítit a poskytovat život na Zemi, může být také příčinou toho, že všechno v přírodě stárne, degraduje a umírá. Bez kvantového tunelování by však život, jak víme, byl nemožný.