Κβαντικό Φαινόμενο Σήραγγας: Ένα φαινόμενο του μικρόκοσμου τόσο σημαντικό

Κβαντικό Φαινόμενο Σήραγγας. Ένα Φαινόμενο Του Μικρόκοσμου, Τόσο Σημαντικό Για Την Ζωή Στον Μακρόκοσμο

Όταν σκεφτόμαστε τον μικρόκοσμο, στον οποίο κυριαρχεί η κβαντική μηχανική, μας έρχονται στο μυαλό εξωτικά φαινόμενα που έρχονται σε αντίθεση με την διαίσθησή μας και την λογική με την οποία έχουμε μάθει να κοιτάμε τον δικό μας κόσμο, όπως η κβαντική διεμπλοκή και τα πειράματα της διπλής σχισμής. Ένα τέτοιο, κβαντικό φαινόμενο είναι και το φαινόμενο σήραγγας. Ένα “παράλογο” φαινόμενο, όπου τα σωματίδια κάνουν αυτό που -τουλάχιστον με την κλασική ματιά του μακρόκοσμου- δεν είναι σε θέση να κάνουν. Που ξεπερνούν εμπόδια, τα οποία για τις δικές τους δυνατότητες είναι ανυπέρβλητα…

Τι είναι, όμως, το φαινόμενο της σήραγγας; Ας ξεκινήσουμε από το τι δεν είναι. Δεν αφορά… σκάψιμο τούνελ! Δεν τρυπάει ύλη, ούτε περνάει μέσα από αυτή, όπως καμιά φορά μας αφήνουν να καταλάβουμε τα κλασικά ανάλογα· τα παραδείγματα που χρησιμοποιούμε εμείς οι φυσικοί για να την εξηγήσουμε (ένα τέτοιο παράδειγμα θα δώσουμε και εμείς, αναγκαστικά, παρακάτω). Κανένα σωματίδιο δεν περνάει μέσα από άλλο σωματίδιο· δεν περνάει μέσα από ύλη. Αντίθετα, κατά το φαινόμενο σήραγγας, τα σωματίδια ξεπερνούν δυναμικά. Ξεπερνούν, δηλαδή, στάθμες δυναμικού χωρίς να διαθέτουν την ενέργεια που χρειάζονται για να το κάνουν αυτό.

Χωρίς, φυσικά, να είμαστε βέβαιοι πως αυτό θα συμβεί οπωσδήποτε· πως θα το κάνουν όλα τα σωματίδια. Γνωρίζουμε καλά, πως κβαντομηχανική και κβαντικά φαινόμενα σημαίνουν τυχαιότητα και πιθανότητες.

Είναι, λοιπόν, ένα νεοανακαλυφθέν φαινόμενο, το οποίο μας έχει ενθουσιάσει και τρέχουμε όλοι να ασχοληθούμε με μία ακόμη νέα και εντυπωσιακή εξωτική συμπεριφορά του κβαντικού κόσμου; Όχι! Το φαινόμενο σήραγγας έχει παρατηρηθεί και είναι γνωστό εδώ και 100 περίπου χρόνια.

Αποτελεί μία -ακόμα- μυστήρια συμπεριφορά που εμφανίζει ο μικρόκοσμος, η οποία έχει νόημα και παίζει σημαντικό ρόλο μόνο σε αυτόν; Και πάλι, όχι! Το φαινόμενο σήραγγας παίζει ουσιαστικό ρόλο στον μακρόκοσμο. Χωρίς αυτό δεν θα υπήρχε η ενέργεια που μας χαρίζει ο Ήλιος, για παράδειγμα, ή ακόμα και η εξέλιξη που αφορά την ύπαρξη της ίδιας της ζωής, καθώς έρευνες δείχνουν πως οι αυθόρμητες μεταλλάξεις του DNA στηρίζονται σε αυτό το μηχανισμό (όπως έχουμε αναφέρει στο σχετικό άρθρο).

Και δεν τελειώνουμε εδώ…
Στο φαινόμενο σήραγγας, επίσης, στηρίζεται η ραδιενεργή διάσπαση. Αποτελεί ένα από τα βασικά φαινόμενα στην κβαντική βιολογία. Επιπλέον, είναι σημαντικό στη λειτουργία των συσκευών ημιαγωγών και των διόδων σήραγγας. Και έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη του μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας (scanning tunneling microscope – STM), ένα σημαντικότατο εργαλείο έρευνας επάνω στην βιολογία, την χημεία και την επιστήμη υλικών.

Φαινόμενο σήραγγας μέσα από ένα φράγμα δυναμικού. Η ενέργεια του σωματιδίου δεν μεταβάλλεται, το πλάτος όμως της κυματοσυνάρτησης μειώνεται. (CC BY-NC 4.0; Ümit Kaya)

Τι είναι το φαινόμενο σήραγγας

Ας ξεκινήσουμε και εμείς με το κλασικό “κλασικό ανάλογο” του φαινομένου, το παράδειγμα που, σχεδόν πάντα, χρησιμοποιούμε για να περιγράψουμε το τι συμβαίνει. Ας φανταστούμε μια παρέα παιδιών που παίζουν μπάλα σε έναν ήσυχο δρόμο (ναι, κάποτε γινόταν και αυτό!). Και ας φανταστούμε ότι ο δρόμος που παίζουν ακολουθεί την καμπύλη ενός λοφίσκου· ο δρόμος δηλαδή ανηφορίζει για να ξανακατηφορίσει μετά, με τα παιδιά να βρίσκονται στη βάση της ανηφόρας. Εάν ένα παιδί κλωτσήσει τη μπάλα αρκετά δυνατά, αυτό μπορεί να της δώσει αρκετή ταχύτητα ώστε να ανέβει όλο τον λόφο (όλη την ανηφόρα) και να κατέβει από την άλλη μεριά. Αν δεν την κλωτσήσει αρκετά δυνατά, τότε η μπάλα θα φτάσει έως κάποιο σημείο της ανηφόρας και μετά θα ξανακυλήσει πίσω, προς τη βάση που βρίσκονται τα παιδιά.

Ας το δούμε και κάπως αλλιώς (έτσι, για να έχουμε πολλές ανάλογες εικόνες). Έστω ότι έχετε μία μπίλια μέσα σε ένα μπολ. Αν την χτυπήσετε με το δάχτυλό σας αρκετά δυνατά, τότε αυτή μπορεί να ανέβει έως το χείλος του μπολ και να πεταχτεί έξω από αυτό. Αν, όμως, της δώσετε μικρότερη ταχύτητα, τότε η μπίλια θα φτάσει σε κάποιο ύψος στα τοιχώματα του μπολ, και μετά θα επιστρέψει πίσω, στη βάση του σκεύους.

Φανταστείτε, τώρα, πως το παιδί από το πρώτο παράδειγμα κλωτσάει απαλά την μπάλα, δίνοντάς της μια σχετικά μικρή ταχύτητα, αυτή όμως καταφέρνει να ανέβει όλη την ανηφόρα, όλο τον λόφο και συνεχίζει την πορεία της από την άλλη μεριά. Ή ότι χτυπάτε την μπίλια που βρίσκεται μέσα στο μπολ ελάχιστα, αυτή όμως καταφέρνει να φτάσει στο χείλος του μπολ και να βγει έξω από αυτό. Αδύνατον; Με όσα βλέπουμε στον δικό μας κόσμο, στον μακρόκοσμο, ναι! Αδύνατο για ένα κβαντικό σωματίδιο; Όχι! Μπορεί να συμβεί μια χαρά!

Τι είναι αυτό που μπορεί να συμβεί (μια χαρά, όπως είπαμε) στον μαγικό κβαντικό κόσμο και στο σωματίδιο του (π.χ. ένα ηλεκτρόνιο); Το ηλεκτρόνιο δεν ανεβαίνει “ανηφόρες” από ύλη· θα ήταν παράλογο να σκεφτούμε μια τέτοια εικόνα. Αντίθετα, “ανεβαίνει” ή, καλύτερα, ξεπερνάει φράγματα δυναμικού. Αν εκτοξεύσουμε, για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο προς μία περιοχή που διαθέτει ηλεκτρικό πεδίο που το απωθεί, τότε αυτό κατά την κίνησή του δέχεται δύναμη που αντιστέκεται στην κίνηση αυτή.

Αν, λοιπόν, το ηλεκτρόνιο έχει αρκετή ταχύτητα -αρκετή κινητική ενέργεια- τότε θα ξεπεράσει το απωστικό πεδίο και θα συνεχίσει από την άλλη μεριά, ενώ άν δεν έχει την απαιτούμενη ενέργεια, τότε το ηλεκτρικό πεδίο θα “νικήσει” στέλνοντας το ηλεκτρόνιο προς τα πίσω, σωστά; Λάθος! Το φαινόμενο σήραγγας επιδεικνύει ακριβώς αυτό! Το ότι ακόμα κι αν το ηλεκτρόνιο δεν διαθέτει την απαραίτητη ενέργεια, είναι πιθανό να ξεπεράσει το δυναμικό και να βρεθεί από την άλλη μεριά.

Πως διατηρεί τον Ήλιο ζωντανό;

Όλοι γνωρίζουμε ότι η θερμότητα, το φως και γενικά η ενέργεια που μας προσφέρει ο Ήλιος παράγεται από αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης, που λαμβάνουν χώρα στον πυρήνα του· για την ακρίβεια σύντηξη πυρήνων υδρογόνου. Οι πυρήνες του υδρογόνου συνενώνονται για να δημιουργήσουν πυρήνες ηλίου. Ωστόσο, τα περισσότερα άτομα υδρογόνου δεν διαθέτουν αρκετή ενέργεια ώστε να ενωθούν μεταξύ τους. Για να συντηχθούν, πρέπει να ξεπεράσουν τις δυνάμεις απώθησης των θετικών τους φορτίων, δηλαδή το φράγμα Coulomb. Όμως γενικά, δεν έχουν αρκετή ενέργεια για να το κάνουν αυτό.

Τότε, πώς εξακολουθεί ο Ήλιος να συγχωνεύει πυρήνες υδρογόνου και να παράγει ενέργεια; Εδώ έρχεται να μας σώσει η κβαντική σήραγγα! Λόγω του φαινομένου αυτού, οι πυρήνες του υδρογόνου μπορούν να κάνουν μία… ζαβολιά. Με την ενέργεια που ήδη διαθέτουν έρχονται σχετικά κοντά μεταξύ τους και το υπόλοιπο φράγμα δυναμικού (για το οποίο δεν διαθέτουν την απαιτούμενη ενέργεια) το ξεπερνούν μέσω του φαινομένου της σήραγγας.

Δεν θα ξεπεράσουν όλοι οι πυρήνες υδρογόνου το φράγμα δυναμικού. Δεν θα εμφανίσουν όλοι το φαινόμενο σήραγγας· μόνο ορισμένοι. Όμως, ακόμη και αυτή η μικρή πιθανότητα είναι αρκετή για να κρατήσει τον Ήλιο μας -και εμάς- ζωντανούς.

πηγή https://pop-sci.gr/