Загадочное квантовое туннелирование и почему без него невозможна жизнь

Представьте себе теннисный мяч, который ударяется о стену. В привычной нам ситуации он будет от этой стены отскакивать. Однако, из-за странной природы квантового мира технически существует статистическая вероятность того, что мячик окажется по другую сторону преграды или даже в самой стене.

Здесь мы не говорим о том, что мяч пройдет сквозь стену, по крайней мере, это не совсем так...

Что может произойти на макроуровне?

Если бы произошел странный случай квантового туннелирования на макроуровне, то мяч бы мог внезапно исчезнуть, когда он приблизится к стене, а затем сразу же появиться по другую сторону, при этом сама стена и мяч будут находиться в своих идеальных состояниях. Безусловно, шансов, что это случиться когда-либо крайне мало. Тем не менее, статистическая вероятность этого существует, но теоретически это может произойти.

Причина этого кроется в вероятностной природе квантового мира. Как доказано принципом неопределенности Вернера Гейзенберга, положение и импульс частицы не могут быть известны одновременно. Например, если вы знаете положение электрона, то вы не можете знать его скорость, а если вы знаете скорость, вы не можете знать его положение в пространстве. Из-за этого используются вероятности для «угадывания», где может находиться частица в конкретный момент времени: электрон может иметь большую вероятность оказаться в одном месте, а не в другом. Эти вероятности создают то, что называется «облаком вероятностей».

«Облако вероятности» и квантовое туннелирование

Как видно на рисунке, шансы на то, что электрон окажется в центре облака больше, чем на периферии. Однако, хотя шансы невероятно малы, существует статистическая вероятность того, что электрон может быть обнаружен и вблизи края облака. Здесь вещи начинают становиться странными.




Квантовое туннелирование - это способность частицы, такой как электрон, мгновенно проходить через барьер. Если существует барьер с более высокой энергией, чем у электрона, и электрон приближается к нему, мы обычно считаем, что электрон не может его преодолеть. На самом деле, в большинстве случаев так оно и есть. Тем не менее, каждый электрон время от времени ведет себя совершенно неожиданно. В редких случаях электрон просто появляется на другой стороне барьера.

Как такое возможно?

Из-за вероятностной природы электронов, в тот момент, когда электрон приближается к барьеру, в облаке вероятности все еще присутствует небольшая вероятность того, что электрон может быть обнаружен на другой стороне барьера.




Когда этот маленький шанс реализуется и электрон оказывается по другую сторону, то это значит, что произошло квантовое туннелирование. Технически, электрон не проходит сквозь барьер, потому что, как ни странно, в момент квантового туннелирования времени для электрона не существует, это происходит мгновенно. Таким образом электроны могут мгновенно преодолевать барьеры более высокой энергии.

Звезды и квантовое туннелирование

Хотя это может звучать как очень странное и даже невозможное событие, на самом деле это важно для жизни на Земле, какой мы ее знаем. Солнце и все известные звезды способны сиять благодаря квантовому туннелированию.




В результате ядерного синтеза на Солнце выделяется свет и тепло. Два атомных ядра, оба положительно заряженных, сталкиваются, образуя новый элемент, и в этом процессе выделяются фотоны. Проблема, однако, так как оба ядра заряжены положительно, они отталкиваются друг от друга, так же, как одинаковые полюсы магнитов магнитов. Это означает, что существует энергетический барьер, который ядра должны преодолеть, чтобы слиться. Однако, как показывает математика, ядра на Солнце не обладают достаточной энергией, чтобы преодолеть этот барьер. Единственный способ сделать это возможным - тот самый редкий случай квантового туннелирования. Как ни странно, квантовое туннелирование также может иметь и вредные последствия. Согласно квантовой биологии, рассматривающей живые системы с позиции квантовой теории, мутации ДНК могут происходить в процессе, называемом протонным туннелированием

Если ДНК реплицируется во время этого квантового туннелирования, то может произойти мутация. Существуют и другие случаи мутаций, вызванных квантовым туннелированием, которые, как считают некоторые ученые, вызывают рак. Было даже предположение, что из-за этого живые существа стареют.Странно думать, что то, что позволяет Солнцу сиять и обеспечивать жизнь на Земле, также может быть причиной того, что все в природе стареет, деградирует и умирает. Однако без квантового туннелирования жизнь, какой мы ее знаем, была бы невозможна.