Tunelamento quântico é uma das coisas mais interessantes que os físicos estudam …
Imagine uma bola de tênis batendo em uma parede. Em uma situação a que estamos acostumados, ele vai ricochetear nesta parede. No entanto, devido à estranha natureza do mundo quântico, existe tecnicamente uma probabilidade estatística de que a bola vá parar do outro lado da barreira ou mesmo na própria parede.
Aqui não estamos falando do fato da bola passar pela parede, pelo menos, isso não é totalmente verdade …
O que pode acontecer no nível macro?
Se houvesse um caso estranho de tunelamento quântico no nível macro, a bola poderia desaparecer repentinamente quando se aproximasse da parede e, então, reaparecer imediatamente do outro lado, enquanto a própria parede e a bola estariam em seus estados ideais. Claro, as chances de que isso aconteça são extremamente pequenas. No entanto, existe uma probabilidade estatística disso, mas em teoria poderia acontecer.
A razão para isso está na natureza probabilística do mundo quântico. Conforme comprovado pelo princípio da incerteza de Werner Heisenberg, a posição e o momento de uma partícula não podem ser conhecidos simultaneamente. Por exemplo, se você conhece a posição de um elétron, não pode saber sua velocidade e, se conhece a velocidade, não pode saber sua posição no espaço. Por causa disso, as probabilidades são usadas para "adivinhar" onde uma partícula pode estar em um determinado momento no tempo: um elétron pode ter uma alta probabilidade de estar em um lugar e não em outro. Essas probabilidades criam o que é chamado de "nuvem de probabilidades".
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Nuvem de probabilidade e tunelamento quântico
Como você pode ver na figura, as chances de o elétron estar no centro da nuvem são maiores do que na periferia. No entanto, embora as chances sejam incrivelmente pequenas, há uma chance estatística de que um elétron seja detectado perto da borda da nuvem. É aqui que as coisas começam a ficar estranhas.
Nuvem de probabilidade de elétrons.
Tunelamento quântico é a habilidade de uma partícula, como um elétron, de passar instantaneamente por uma barreira. Se houver uma barreira de energia mais alta do que a do elétron, e o elétron se aproximar dela, geralmente supomos que o elétron não pode superá-la. Na verdade, na maioria dos casos é. No entanto, cada elétron se comporta de forma completamente inesperada de vez em quando. Em casos raros, um elétron simplesmente aparece do outro lado da barreira.
Como isso é possível?
Devido à natureza probabilística dos elétrons, no momento em que um elétron se aproxima da barreira, ainda há uma pequena chance na nuvem de probabilidade de que o elétron possa ser encontrado do outro lado da barreira.
Nuvem de probabilidade e barreira.
Quando essa pequena chance é percebida e o elétron está do outro lado, isso significa que ocorreu o tunelamento quântico. Tecnicamente, o elétron não passa pela barreira, porque, curiosamente, no momento do tunelamento quântico, não existe tempo para o elétron, acontece instantaneamente. Dessa forma, os elétrons podem superar instantaneamente as barreiras de energia mais altas.
Estrelas e tunelamento quântico
Embora possa parecer um evento muito estranho e até impossível, é realmente importante para a vida na Terra como a conhecemos. O sol e todas as estrelas conhecidas são capazes de brilhar através de um túnel quântico.
Como resultado da fusão nuclear, luz e calor são liberados no sol. Dois núcleos atômicos, ambos com carga positiva, colidem para formar um novo elemento e, nesse processo, os fótons são liberados. O problema, entretanto, é que, como os dois núcleos têm carga positiva, eles se repelem, assim como os mesmos pólos de ímãs em ímãs. Isso significa que há uma barreira de energia que os núcleos devem superar para se fundir. No entanto, como mostra a matemática, os núcleos do Sol não têm energia suficiente para superar essa barreira. A única maneira de tornar isso possível é através do caso muito raro de tunelamento quântico.
Ironicamente, o tunelamento quântico também pode ter consequências prejudiciais. De acordo com a biologia quântica, que vê os sistemas vivos da perspectiva da teoria quântica, as mutações no DNA podem ocorrer em um processo chamado tunelamento de prótons.
Se o DNA se replica durante esse tunelamento quântico, a mutação pode ocorrer. Existem outros casos de mutações de tunelamento quântico que alguns cientistas acreditam causar câncer. Havia até mesmo a suposição de que, por causa disso, os seres vivos estão envelhecendo.
É estranho pensar que o que permite ao Sol brilhar e dar vida à Terra também pode ser a razão de tudo na natureza envelhecer, se degradar e morrer. No entanto, sem o tunelamento quântico, a vida como a conhecemos seria impossível.
