Quantentunneln ist eines der interessantesten Dinge, die Physiker studieren …
Stellen Sie sich einen Tennisball vor, der gegen eine Wand schlägt. In einer Situation, an die wir gewöhnt sind, wird er von dieser Wand abprallen. Aufgrund der seltsamen Natur der Quantenwelt besteht jedoch technisch gesehen eine statistische Wahrscheinlichkeit, dass der Ball auf der anderen Seite der Barriere oder sogar in der Wand selbst landet.
Hier geht es nicht um die Tatsache, dass der Ball durch die Wand geht, zumindest ist dies nicht ganz richtig …
Was kann auf Makroebene passieren?
Wenn es auf Makroebene einen seltsamen Fall von Quantentunneln gäbe, könnte der Ball plötzlich verschwinden, wenn er sich der Wand nähert, und dann sofort auf der anderen Seite wieder auftauchen, während sich die Wand selbst und der Ball in ihrem idealen Zustand befinden würden. Natürlich sind die Chancen, dass dies jemals passieren wird, äußerst gering. Trotzdem gibt es eine statistische Wahrscheinlichkeit dafür, aber theoretisch könnte es passieren.
Der Grund dafür liegt in der Wahrscheinlichkeit der Quantenwelt. Wie das Unsicherheitsprinzip von Werner Heisenberg beweist, können Position und Impuls eines Teilchens nicht gleichzeitig bekannt sein. Wenn Sie beispielsweise die Position eines Elektrons kennen, können Sie seine Geschwindigkeit nicht kennen, und wenn Sie die Geschwindigkeit kennen, können Sie seine Position im Raum nicht kennen. Aus diesem Grund werden Wahrscheinlichkeiten verwendet, um zu "erraten", wo sich ein Teilchen zu einem bestimmten Zeitpunkt befinden kann: Ein Elektron hat möglicherweise eine hohe Wahrscheinlichkeit, an einem Ort und nicht an einem anderen zu sein. Diese Wahrscheinlichkeiten erzeugen eine sogenannte "Wolke von Wahrscheinlichkeiten".
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Wahrscheinlichkeitswolken- und Quantentunneling
Wie Sie in der Abbildung sehen können, ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich das Elektron im Zentrum der Wolke befindet, größer als an der Peripherie. Obwohl die Chancen unglaublich gering sind, besteht eine statistische Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron in der Nähe des Wolkenrandes nachgewiesen werden kann. Hier wird es merkwürdig.
Elektronenwahrscheinlichkeitswolke.
Quantentunneln ist die Fähigkeit eines Teilchens wie eines Elektrons, eine Barriere sofort zu passieren. Wenn es eine höhere Energiebarriere als das Elektron gibt und sich das Elektron dieser nähert, nehmen wir normalerweise an, dass das Elektron diese nicht überwinden kann. In den meisten Fällen ist es sogar so. Trotzdem verhält sich jedes Elektron von Zeit zu Zeit völlig unerwartet. In seltenen Fällen erscheint ein Elektron einfach auf der anderen Seite der Barriere.
Wie ist das möglich?
Aufgrund der Wahrscheinlichkeitscharakteristik von Elektronen besteht in dem Moment, in dem sich ein Elektron der Barriere nähert, in der Wahrscheinlichkeitswolke immer noch eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass sich das Elektron auf der anderen Seite der Barriere befindet.
Wahrscheinlichkeitswolke und Barriere.
Wenn diese kleine Chance erkannt wird und sich das Elektron auf der anderen Seite befindet, bedeutet dies, dass ein Quantentunneln stattgefunden hat. Technisch gesehen passiert das Elektron die Barriere nicht, da seltsamerweise zum Zeitpunkt des Quantentunnelns keine Zeit für das Elektron existiert, sondern sofort geschieht. Auf diese Weise können Elektronen sofort höhere Energiebarrieren überwinden.
Sterne und Quantentunnel
Während dies wie ein sehr seltsames und sogar unmögliches Ereignis klingt, ist es für das Leben auf der Erde, wie wir es kennen, tatsächlich wichtig. Die Sonne und alle bekannten Sterne können durch Quantentunneln scheinen.
Durch die Kernfusion werden Licht und Wärme an die Sonne abgegeben. Zwei Atomkerne, beide positiv geladen, kollidieren zu einem neuen Element und dabei werden Photonen freigesetzt. Das Problem ist jedoch, dass beide Kerne, da sie positiv geladen sind, sich gegenseitig abstoßen, genau wie die gleichen Pole von Magneten in Magneten. Dies bedeutet, dass es eine Energiebarriere gibt, die die Kerne überwinden müssen, um zu verschmelzen. Wie die Mathematik zeigt, haben die Kerne auf der Sonne jedoch nicht genug Energie, um diese Barriere zu überwinden. Der einzige Weg, dies zu ermöglichen, ist der sehr seltene Fall des Quantentunnelns.
Ironischerweise kann Quantentunneln auch schädliche Folgen haben. Laut der Quantenbiologie, die lebende Systeme aus der Perspektive der Quantentheorie betrachtet, können DNA-Mutationen in einem Prozess auftreten, der als Protonentunneln bezeichnet wird.
Wenn sich DNA während dieses Quantentunnelns repliziert, kann eine Mutation auftreten. Es gibt andere Fälle von Quantentunnel-Mutationen, von denen einige Wissenschaftler glauben, dass sie Krebs verursachen. Es gab sogar die Annahme, dass Lebewesen aus diesem Grund altern.
Es ist seltsam zu denken, dass das, was die Sonne scheinen und Leben auf der Erde bringen lässt, auch der Grund sein kann, warum alles in der Natur altert, sich verschlechtert und stirbt. Ohne Quantentunneln wäre ein Leben, wie wir es kennen, jedoch unmöglich.
