Tunelowanie kwantowe a wszechświat

Zachodzi niemal w każdej sekundzie naszego życia, a jednak mało kto zdaje sobie sprawy z jego istoty. A czy ty wiesz, na czym polega zjawisko tunelowe?


Tunelowanie kwantowe a wszechświat

Często mówi się o fizyce kwantowej, o tym, że jest trudna, niezrozumiała, ale czy ci, którzy tak mówią, kiedykolwiek próbowali się w nią zagłębić?

Zjawisko tunelowe, bo o nim będzie traktował ten artykuł, polega na tym, że cząstka przekracza teoretycznie niemożliwą do przebicia barierę energetyczną. Jest to uznawane za paradoksalne i przeczy zasadzie zachowania energii, ale jednocześnie zostało udowodnione i opisane językiem matematyki.

Czy jest to ważne zjawisko? Jak najbardziej. Gdyby nie tunelowanie kwantowe, prawdopodobnie nigdy nie powstałoby życie, planety itd. Dlaczego? Otóż ciężkie pierwiastki powstają w jądrach gwiazd w wyniku reakcji termojądrowych, które polegają na fuzji jąder wodoru w wysokich temperaturach. Te temperatury jednak z perspektywy wydajności reakcji są jednak niewystarczające do wytłumaczenia tego, w jakim tempie gwiazdy syntetyzują hel, dlatego też tłumaczy się to zachodzeniem tam tunelowania protonowego. Wskutek tego samego procesu, ale wolniej powstają też cięższe pierwiastki metaliczne, z których składają się między innymi planety skaliste i kosmiczny gruz.

Schemat reakcji termojądrowych, które mogą zachodzić w Słońcu

W dalszej kolejności zjawisko tunelowe występuje w wiązaniach wodorowych w kwasach nukleinowych. W konsekwencji możliwe są mutacje punktowe, ponieważ enzymy replikacyjne rozpoznają zasady azotowe po konkretnych obszarach i jeden proton więcej albo mniej powoduje przyłączenie nieprawidłowej zasady komplementarnej i w konsekwencji zmianę nukleotydu. W białkach enzymatycznych w wyniku zjawiska tunelowego możliwa jest zmiana konformacji miejsca aktywnego, niestety nie wiemy zbyt wiele na temat procesów na poziomie kwantowym zachodzących w organizmach żywych. W wyniku tego procesu mogły też powstać pierwsze związki węgla bazujące na szkieletach benzynowych, od których to teoretycznie wzięły się następnie kwasy nukleinowe i białka.

Tunelowanie elektronowe z kolei jest istotne dla działania przewodnictwa prądu. Elektrony w przewodnikach stosunkowo swobodnie mogą się przemieszczać, dzięki czemu prąd może płynąć. W nadprzewodnikach elektrony łączą się dzięki tunelowaniu tworząc pary Coopera, które łączą się z fononami (zaburzeniami struktury atomowej w metalu) i dzięki temu opór elektryczny maleje do minimum. Mikroskop elektronowy z kolei wysyła wiązkę elektronów w kierunku preparatu. Cząstki tunelują pomiędzy igłą wysyłającą wiązkę a preparatem, a zmiany napięcia są mierzone przez czujniki piezoelektryczne i dzięki temu można uzyskać obraz.

Samo opisywane zjawisko jest ciężkie do wyjaśnienia na gruncie mechaniki klasycznej, która nas zewsząd otacza. Nie możemy rzucić piłką tak, aby ta przeniknęła przez ścianę. Bariery energetyczne w mechanice klasycznej są zbyt duże, a „cząstki” wykazują zbyt mało z pierwotnej natury falowej, która umożliwia zajście tunelowania. Fala po prostu przenika barierę, przez co zmniejsza się jej amplituda, ale reszta parametrów pozostaje taka sama. Punkt materialny nie ma takich właściwości - albo przebije barierę, jednocześnie ją niszcząc, albo się odbije. Można to sobie przyrównać do rozchodzenia się dźwięku - można słyszeć przez ściany, ale już o graniu w piłkę przez ścianę nie słyszałem.

Wykres tunelującej cząstki

Biorąc pod uwagę to, jak podstawowym mechanizmem w fizyce materii jest zjawisko tunelowe, myślę, że ważne jest, aby wspierać badania mające na celu wyjaśnić zagadnienia z nim związane jak choćby mechanizm działania enzymów czy powstawania mutacji punktowych. Współcześnie nawet najlepszy naukowiec sam niewiele zdziała, ponieważ nauka rozwinęła się na tyle, że potrzebny mu będzie drogi sprzęt do laboratorium, współpracownicy, komputery i dużo pracy, nie wystarczy, że wpadnie na genialny pomysł, dlatego ważne jest wsparcie zarówno państwa, jak i prywatnych przedsiębiorców zainteresowanych eksploracją obszarów, które jeszcze nie zostały rozpowszechnione na rynku.

Źródła:

Frank Trixler, Quantum Tunnelling to the Origin and Evolution of Life, Current Organicznej Chemistry, Volume 17, Issue 16, August 2013, https://doi.org/10.2174/13852728113179990083

Taylor, J. (2004). Modern Physics for Scientists and Engineers. Prentice Hall. p. 479. ISBN 978-0-13-805715-2.

J. Bardeen, L. N. Cooper, and J. R. Schrieffer, "Theory of Superconductivity", Phys. Rev. 108, 1175 (1957).


Subskrybuj nas: Google News | Feedly



Chcesz wiedzieć więcej? Polub i obserwuj nas na Facebooku. Jesteśmy także na Twitterze. Zapraszamy na naszą grupę dyskusyjną.

WSPIERAJ NIEZALEŻNE DZIENNIKARSTWO