Átmehetünk-e a falakon a kvantumalagútban?

A kvantumjelenségek megértését kicsit megnehezíti a világról alkotott klasszikus felfogásunk, amely szerint minden tárgynak egy adott időben meghatározott helyzete és sebessége van. A kvantumentitásokat ugyanis némi szeszélyesség jellemzi, például egyidejűleg több helyen is lehetnek. 

Amikor egy részecske akadályba ütközik, tapasztalatunk szerint meg fog állni, vagy kitér az útjából, mert a klasszikus fizikai világ így működik. Ehhez képest a kvantumok birodalma olyan, mintha Alice csodaországába csöppennénk, egészen más törvények vonatkoznak rá, és itt akár az is előfordulhat, hogy egy kvantumrészecske (vagy egy Alice) áthalad a falon.

A részecskék természete

Az atomi vagy szubatomi világot eredendő bizonytalanság hatja át, így a részecskék helyzetének, tömegének, sebességének pontos mérése lehetetlen – írja a Scienceabc. Egy kvantumentitásnak számos potenciális pozíciója és sebessége van. Amíg a tárgyon mérést nem végeznek, az különféle momentumok szuperpozíciójaként létezik: mindenhol ott van, és különösebben sehol sincs.

Minden részecske hullám természetű, és leírható a hozzá tartozó hullámfüggvénnyel. Ez a hullámfüggvény a megfigyelhető mennyiségek valószínűségeinek hozzájárulásából adódik. Ezek a valószínűségek hullámokhoz hasonlóan apadnak és áradnak, innen ered a hullámfüggvény elnevezés.

Hullámember

Egy kvantumentitás valószínűségi hullámként létezik, ezért nem kell konkrét pozíciót felvennie. Louis de Broglie 1924-es képlete szerint (amelyért Nobel-díjat is kapott) bármilyen tömegű és sebességű tárgynak van lendülete, és bármely tárgy hullámhosszát a lendületével hozza összefüggésbe oly módon, hogy a hullámhossz csökken, ahogy a tárgy impulzusa nő.

Ez azt jelenti, hogy ahhoz, hogy a hullámtermészet nyilvánvaló legyen, egy objektum méretének összehasonlíthatónak kell lennie a hullámhosszával, vagy a hullámának kölcsönhatásba kell lépnie más objektumokkal, amelyek körülbelül akkora méretűek, mint a saját hullámhossza. A saját Broglie-hullámhosszuknál lényegesen nagyobb objektumok esetében a hullámszerű tulajdonságok nem mutathatók ki.

Minél nagyobb egy objektum, annál rövidebb lesz a Broglie-hullámhossza. A normál sebességgel közlekedő hétköznapi tárgyak esetében ez a hullámhossz annyira nevetségesen kicsi, hogy a kvantumviselkedés nem érzékelhető.

A kvantumalagút-küldetés

A kvantumalagút-effektus akkor következik be, amikor a részecskék áthaladnak egy olyan gáton, amelyen a klasszikus fizika elméletei szerint nem lehet átjutni. A gát lehet fizikailag átjárhatatlan közeg (például vákuum) vagy nagy energiájú régió. A részecske hullámfüggvénye az akadálynak ütközve elhalhat, de nem azonnal, csak gyorsan és fokozatosan. Ha a gát elég vékony, akkor exponenciálisan csökkenő amplitúdója a másik oldalon nullától eltérő (nagyobb) lehet.

Az átjutás sikere tehát nagyban függ az akadály vastagságától, de a magasságától és attól is, hogy a küldetéshez elég energiája van-e a részecskének.

A kvantumalagút-hatás érvényesül a félvezető diódák, a számítógépes memóriakártyák és a pásztázó alagútmikroszkópok működésében is. Mi, emberek azonban sajnos csak normál sebességű, hétköznapi tárgyaknak számítunk, úgyhogy a hullámhosszunk olyan kicsi, hogy kvantumviselkedésünk nem teszi lehetővé (egyelőre) a faljárást.