Quantumtunneling is een van de meest interessante dingen die natuurkundigen bestuderen …
Stel je voor dat een tennisbal een muur raakt. In een situatie waaraan we gewend zijn, zal hij tegen deze muur stuiteren. Vanwege de vreemde aard van de kwantumwereld is er echter technisch gezien een statistische kans dat de bal aan de andere kant van de barrière of zelfs in de muur zelf terechtkomt.
Hier hebben we het niet over dat de bal door de muur gaat, dit is tenminste niet helemaal waar …
Wat kan er gebeuren op macroniveau?
Als er een vreemd geval was van kwantumtunneling op macroniveau, dan zou de bal plotseling kunnen verdwijnen als hij dicht bij de muur komt en dan onmiddellijk weer aan de andere kant verschijnen, terwijl de muur zelf en de bal in hun ideale staat zouden zijn. De kans dat dit ooit zal gebeuren, is natuurlijk extreem klein. Desalniettemin is er een statistische waarschijnlijkheid, maar in theorie zou het kunnen gebeuren.
De reden hiervoor ligt in de probabilistische aard van de kwantumwereld. Zoals bewezen door het onzekerheidsprincipe van Werner Heisenberg, kunnen de positie en het momentum van een deeltje niet tegelijkertijd bekend zijn. Als je bijvoorbeeld de positie van een elektron kent, kun je de snelheid ervan niet weten, en als je de snelheid kent, kun je zijn positie in de ruimte niet weten. Daarom worden waarschijnlijkheden gebruikt om te "raden" waar een deeltje zich op een bepaald moment in de tijd kan bevinden: een elektron kan een grote kans hebben om op de ene plaats te zijn, en niet op een andere. Deze kansen creëren wat een "wolk van waarschijnlijkheden" wordt genoemd.
Promotie video:
Probability Cloud en Quantum Tunneling
Zoals je in de figuur kunt zien, is de kans dat het elektron zich in het midden van de wolk bevindt groter dan aan de rand. Hoewel de kans ongelooflijk klein is, is er een statistische kans dat een elektron nabij de rand van de wolk kan worden gedetecteerd. Dit is waar dingen raar beginnen te worden.
Elektron waarschijnlijkheid wolk.
Quantumtunneling is het vermogen van een deeltje, zoals een elektron, om onmiddellijk door een barrière te gaan. Als er een hogere energiebarrière is dan het elektron, en het elektron nadert het, nemen we meestal aan dat het elektron deze niet kan overwinnen. In feite is het in de meeste gevallen. Niettemin gedraagt elk elektron zich van tijd tot tijd volledig onverwacht. In zeldzame gevallen verschijnt een elektron gewoon aan de andere kant van de barrière.
Hoe is dit mogelijk?
Vanwege de probabilistische aard van elektronen is er op het moment dat een elektron de barrière nadert, nog een kleine kans in de waarschijnlijkheidswolk dat het elektron aan de andere kant van de barrière kan worden gevonden.
Waarschijnlijkheid wolk en barrière.
Wanneer deze kleine kans wordt gerealiseerd en het elektron zich aan de andere kant bevindt, betekent dit dat er kwantumtunneling heeft plaatsgevonden. Technisch gezien passeert het elektron de barrière niet, omdat, vreemd genoeg, op het moment van kwantumtunneling de tijd voor het elektron niet bestaat, maar onmiddellijk gebeurt. Op deze manier kunnen elektronen onmiddellijk hogere energiebarrières overwinnen.
Sterren en kwantumtunneling
Hoewel dit klinkt als een heel vreemde en zelfs onmogelijke gebeurtenis, is het eigenlijk belangrijk voor het leven op aarde zoals wij dat kennen. De zon en alle bekende sterren kunnen door kwantumtunneling schijnen.
Als gevolg van kernfusie komen licht en warmte vrij op de zon. Twee atoomkernen, beide positief geladen, botsen om een nieuw element te vormen, en daarbij komen fotonen vrij. Het probleem is echter dat aangezien beide kernen positief geladen zijn, ze elkaar afstoten, net zoals dezelfde polen van magneten in magneten. Dit betekent dat er een energiebarrière is die de kernen moeten overwinnen om te smelten. Zoals de wiskunde echter aantoont, hebben de kernen op de zon niet genoeg energie om deze barrière te overwinnen. De enige manier om dit mogelijk te maken, is door het zeer zeldzame geval van kwantumtunneling.
Ironisch genoeg kan kwantumtunneling ook schadelijke gevolgen hebben. Volgens de kwantumbiologie, die levende systemen bekijkt vanuit het perspectief van de kwantumtheorie, kunnen DNA-mutaties optreden in een proces dat protontunneling wordt genoemd.
Als DNA repliceert tijdens deze kwantumtunneling, kan er mutatie optreden. Er zijn andere gevallen van kwantumtunneling-mutaties waarvan sommige wetenschappers denken dat ze kanker veroorzaken. Er was zelfs een aanname dat hierdoor levende wezens verouderen.
Het is vreemd om te denken dat wat de zon laat schijnen en leven op aarde geeft, ook de reden kan zijn dat alles in de natuur veroudert, degradeert en sterft. Zonder kwantumtunneling zou het leven zoals we het kennen echter onmogelijk zijn.
