Il tunneling quantistico è una delle cose più interessanti studiate dai fisici …
Immagina una pallina da tennis che colpisce un muro. In una situazione a cui siamo abituati, rimbalzerà su questo muro. Tuttavia, a causa della strana natura del mondo quantistico, c'è tecnicamente una probabilità statistica che la palla finisca dall'altra parte della barriera o addirittura nel muro stesso.
Qui non stiamo parlando del fatto che la palla passerà attraverso il muro, almeno, questo non è del tutto vero …
Cosa può succedere a livello macro?
Se ci fosse uno strano caso di tunneling quantistico a livello macro, allora la palla potrebbe scomparire improvvisamente quando si avvicina al muro, e poi immediatamente riapparire dall'altra parte, mentre il muro stesso e la palla sarebbero nei loro stati ideali. Naturalmente, le possibilità che ciò accada sono estremamente ridotte. Tuttavia, esiste una probabilità statistica di ciò, ma in teoria potrebbe accadere.
La ragione di ciò risiede nella natura probabilistica del mondo quantistico. Come dimostrato dal principio di indeterminazione di Werner Heisenberg, la posizione e la quantità di moto di una particella non possono essere conosciute contemporaneamente. Ad esempio, se conosci la posizione di un elettrone, non puoi conoscere la sua velocità e se conosci la velocità, non puoi conoscere la sua posizione nello spazio. Per questo motivo, le probabilità vengono utilizzate per "indovinare" dove può trovarsi una particella in un determinato momento: un elettrone può avere un'alta probabilità di trovarsi in un luogo e non in un altro. Queste probabilità creano quella che viene chiamata una "nuvola di probabilità".
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Probability Cloud e Quantum Tunneling
Come puoi vedere nella figura, le possibilità che l'elettrone si trovi al centro della nuvola sono maggiori che alla periferia. Tuttavia, sebbene le probabilità siano incredibilmente piccole, esiste una possibilità statistica che un elettrone possa essere rilevato vicino al bordo della nuvola. È qui che le cose iniziano a diventare strane.
Nuvola di probabilità elettronica.
Il tunneling quantistico è la capacità di una particella, come un elettrone, di passare istantaneamente attraverso una barriera. Se c'è una barriera energetica più alta dell'elettrone e l'elettrone si avvicina, di solito presumiamo che l'elettrone non possa superarla. In effetti, nella maggior parte dei casi lo è. Tuttavia, ogni elettrone si comporta di tanto in tanto in modo completamente inaspettato. In rari casi, un elettrone appare semplicemente dall'altra parte della barriera.
Com'è possibile?
A causa della natura probabilistica degli elettroni, nel momento in cui un elettrone si avvicina alla barriera, c'è ancora una piccola possibilità nella nuvola di probabilità che l'elettrone possa essere trovato dall'altra parte della barriera.
Probabilità nuvola e barriera.
Quando questa piccola possibilità si realizza e l'elettrone si trova dall'altra parte, significa che si è verificato il tunneling quantistico. Tecnicamente, l'elettrone non passa attraverso la barriera, perché, stranamente, al momento del tunneling quantistico, il tempo per l'elettrone non esiste, avviene istantaneamente. In questo modo, gli elettroni possono superare istantaneamente le barriere energetiche più elevate.
Stelle e tunneling quantistico
Anche se questo può sembrare un evento molto strano e persino impossibile, in realtà è importante per la vita sulla Terra come la conosciamo. Il sole e tutte le stelle conosciute sono in grado di brillare attraverso il tunneling quantistico.
Come risultato della fusione nucleare, la luce e il calore vengono rilasciati dal sole. Due nuclei atomici, entrambi caricati positivamente, si scontrano per formare un nuovo elemento e in questo processo vengono rilasciati fotoni. Il problema, tuttavia, è che poiché entrambi i nuclei sono caricati positivamente, si respingono a vicenda, proprio come gli stessi poli dei magneti nei magneti. Ciò significa che esiste una barriera energetica che i nuclei devono superare per fondersi. Tuttavia, come mostra la matematica, i nuclei del Sole non hanno abbastanza energia per superare questa barriera. L'unico modo per renderlo possibile è attraverso il caso molto raro del tunneling quantistico.
Ironia della sorte, anche il tunneling quantistico può avere conseguenze dannose. Secondo la biologia quantistica, che vede i sistemi viventi dal punto di vista della teoria quantistica, le mutazioni del DNA possono verificarsi in un processo chiamato tunneling protonico.
Se il DNA si replica durante questo tunneling quantistico, può verificarsi una mutazione. Ci sono altri casi di mutazioni di tunneling quantistico che alcuni scienziati ritengono causino il cancro. Si presumeva addirittura che a causa di ciò gli esseri viventi stessero invecchiando.
È strano pensare che ciò che permette al Sole di brillare e fornire vita sulla Terra possa anche essere la ragione per cui tutto in natura invecchia, degrada e muore. Tuttavia, senza il tunneling quantistico, la vita come la conosciamo sarebbe impossibile.
