اگرچه شما را از درون یک دیوار آجری در سکوی نه و سه چهارم [اشاره به داستان هری پاتر] عبور نمی‌دهد، اما تونل‌زنی کوانتومی، که در آن یک ذره از سدی به ظاهر غیرقابل عبور تونل می‌زند، هم‌چنان یک پدیده‌ی گیج‌کننده و شهودی است.
با این وجود پیشرفت‌های خوبی در این زمینه حاصل شده است. برای نمونه فیزیکدانان تجربی مستقر در تورنتو که از اتم‌های روبیدیم برای مطالعه‌ی این اثر استفاده کرده‌اند، برای نخستین بار مدت زمانی را که این اتم‌ها در عبور از یک مانع سپری می‌کنند، اندازه‌گیری کردند.
یافته‌های آن‌ها که ۲۲ جولای ۲۰۲۰ (۱ مرداد ۱۳۹۹) در نشریه‌ی نیچر منتشر شده بود، نشان داد که تونل‌زنی کوانتومی – حداقل در یک روش تفکر در مورد این پدیده – یک رویداد آنی نیست.
برای درک این‌که تونل کوانتومی چقدر عجیب است، توپی را در نظر بگیرید که روی زمین صاف می‌غلتد و با یک تپه‌ی کوچک روبه‌رو می‌شود. اتفاق بعدی به سرعت توپ بستگی دارد. یا به بالا می‌رود و از طرف دیگر به پایین می‌غلتد یا بخشی از سربالایی را بالا می‌رود و سپس به پایین سُر می‌خورد، چون انرژی کافی برای عبور از سربالایی را ندارد.
با این حال، چنین وضعیتی برای ذرات در جهان کوانتومی صادق نیست. حتی زمانی که یک ذره انرژی کافی برای عبور از بالای تپه را ندارد، گاهی اوقات هم‌چنان می‌تواند به سمت دیگر برود. گویی ذره تونلی را در تپه حفر کرده و در سمت دیگر ظاهر می‌شود.
چنین موضوع عجیبی با اندیشیدن به ذره بر حسب تابع موج آن، که نمایشی ریاضی از حالت کوانتومی آن است، به بهترین وجه قابل درک است.
تابع موج تکامل و گسترش می‌یابد. و دامنه‌ی آن در هر نقطه از زمان و مکان به شما امکان می‌دهد تا در صورت اندازه‌گیری، احتمال یافتن ذره را در آن زمان محاسبه کنید. طبق تعریف، این احتمال می‌تواند در بسیاری از مکان‌ها به‌طور هم‌زمان غیر صفر باشد.
برخورد ذره با یک مانع انرژی باعث تغییر گسترش تابع موج می‌شود که به‌طور تصاعدی درون سد شروع به فروپاشی می‌کند. با این حال، مقداری از آن نشت می‌کند و دامنه‌ی آن در سمت دور مانع، به صفر نمی‌رسد. بنابراین، احتمال محدودی، هر چند اندک، برای تشخیص ذره در آن سوی سد وجود دارد. چیزی که به آن «تونل کوانتومی» (Quantum Tunnel) گفته می‌شود.
فیزیکدانان از اواخر دهه‌ی ۱۹۲۰ درباره‌ی تونل کوانتومی اطلاع داشتند. حتی امروزه این پدیده در دستگاه‌هایی مانند دیودهای تونل‌زنی، میکروسکوپ‌های تونل‌زنی روبِشی و کیوبیت‌های ابررسانا برای محاسبات کوانتومی کاربرد دارد.
از زمان کشف آن، پژوهشگران برای درک واضح‌تر آنچه هنگام تونل‌زنی روی می‌دهد، تلاش زیادی کرده‌اند. یکی از تازه‌ترین آزمایش‌ها، توسط «افریام اشتاینبرگ» (Aephraim Steinberg) ادعا می‌کند که متوسط زمان گذر اتم‌های روبیدیم از یک مانع را اندازه‌گیری کرده است. این زمان در حد یک میلی‌ثانیه است و به هیچ وجه نمی‌توان آن را آنی دانست.
این تیم هم‌چنین پیش‌بینی عجیب دیگری از مکانیک کوانتومی را تأیید کرد: هرچه انرژی یک ذره‌ی تونل‌زنی کمتر باشد یا کندتر حرکت می‌کند، زمان کمتری را در سد می‌گذراند. این نتیجه غیرقابل تصور است، زیرا تصور روزمره‌ی ما از چگونگی کار جهان را به چالش می‌کشد که انتظار داریم ذره‌ی کندتر برای مدت طولانی‌تری در سد باقی بماند.
پژوهشگران امیدوارند در آزمایش‌های آینده به نتایج مشابه دیگری دست یابند و اندازه‌گیری آنان در آزمایش‌های دیگر تأیید شود.
نگاره‌ی رویه: طرحی گرافیکی از تونل کوانتومی
اعتبار: Yuichiro Chino, Getty Images
منبع: Scientific American