Kvantetunneling er en af de mest interessante ting, som fysikere studerer …
Forestil dig en tennisbold, der rammer en væg. I en situation, vi er vant til, spretter han fra denne væg. På grund af kvanteverdenens underlige karakter er der imidlertid teknisk en statistisk sandsynlighed for, at bolden ender på den anden side af barrieren eller endda i selve væggen.
Her taler vi ikke om det faktum, at bolden i det mindste vil gå gennem væggen, dette er ikke helt sandt …
Hvad kan der ske på makroniveau?
Hvis der var et mærkeligt tilfælde af kvantetunneling på makroniveau, kunne bolden pludselig forsvinde, når den kommer tæt på væggen og derefter straks dukke op på anden siden, mens væggen og kuglen ville være i deres ideelle tilstande. Naturligvis er chancerne for, at dette nogensinde vil ske, ekstremt små. Ikke desto mindre er der en statistisk sandsynlighed for dette, men i teorien kan det ske.
Årsagen hertil ligger i den sandsynlige natur af kvanteverdenen. Som beviset ved Werner Heisenbergs usikkerhedsprincip, kan en partikels position og momentum ikke kendes samtidigt. For eksempel, hvis du kender placeringen af et elektron, kan du ikke vide dens hastighed, og hvis du kender hastigheden, kan du ikke kende dens placering i rummet. På grund af dette bruges sandsynligheder til at”gætte”, hvor en partikel kan være på et bestemt tidspunkt i tid: En elektron kan have en stor sandsynlighed for at være på et sted og ikke på et andet. Disse sandsynligheder skaber det, der kaldes en "sky af sandsynligheder."
Salgsfremmende video:
Sandsynlighed Cloud- og kvantetunneling
Som du kan se på figuren, er chancerne for, at elektronet er i centrum af skyen større end ved periferien. Selvom oddsene er utroligt små, er der imidlertid en statistisk chance for, at et elektron kan detekteres i nærheden af skyen. Det er her ting begynder at blive underlige.
Elektron sandsynlighed sky.
Kvantetunneling er en partikels evne, såsom en elektron, til øjeblikkeligt at passere gennem en barriere. Hvis der er en højere energibarriere end elektronet, og elektronet nærmer sig det, antager vi normalt, at elektronet ikke kan overvinde det. Faktisk er det i de fleste tilfælde. Ikke desto mindre opfører sig hver elektronik helt uventet fra tid til anden. I sjældne tilfælde vises et elektron ganske enkelt på den anden side af barrieren.
Hvordan er det muligt?
På grund af elektronernes sandsynlighed, i det øjeblik en elektron nærmer sig barrieren, er der stadig en lille chance i sandsynlighedsskyen, at elektronet kunne findes på den anden side af barrieren.
Sandsynlighed sky og barriere.
Når denne lille chance realiseres, og elektronet er på den anden side, betyder det, at kvantetunneling er sket. Teknisk går elektronet ikke gennem barrieren, fordi det underligt nok i øjeblikket af kvantetunneling ikke eksisterer tid for elektronet, det sker øjeblikkeligt. På denne måde kan elektroner øjeblikkeligt overvinde højere energibarrierer.
Stjerner og kvantetunneling
Selvom dette kan lyde som en meget mærkelig og endda umulig begivenhed, er det faktisk vigtigt for livet på Jorden, som vi kender det. Solen og alle kendte stjerner er i stand til at skinne gennem kvantetunneling.
Som et resultat af kernefusion frigives lys og varme på solen. To atomkerner, begge positivt ladede, kolliderer for at danne et nyt element, og i denne proces frigøres fotoner. Problemet er imidlertid, at da begge kerner er positivt ladet, frastøder de hinanden, ligesom de samme polakker af magneter i magneter. Dette betyder, at der er en energibarriere, som kernerne skal overvinde for at smelte sammen. Som matematik viser, har kernerne på Solen imidlertid ikke nok energi til at overvinde denne barriere. Den eneste måde at gøre dette på er gennem det meget sjældne tilfælde af kvantetunneling.
Ironisk nok kan kvantetunneling også have skadelige konsekvenser. I henhold til kvantebiologi, der betragter levende systemer fra kvanteteoriens perspektiv, kan DNA-mutationer forekomme i en proces, der kaldes protontunneling.
Hvis DNA gentages under denne kvantetunneling, kan mutation forekomme. Der er andre tilfælde af kvantetunnelmutationer, som nogle forskere mener at forårsager kræft. Der var endda en antagelse om, at der på grund af dette bliver levende ting aldrende.
Det er underligt at tro, at det, der tillader solen at skinne og give liv på Jorden, også kan være grunden til, at alt i naturen ældes, nedbrydes og dør. Uden kvantetunneling ville livet som vi kender det imidlertid være umuligt.