بر پایه گزارش خبرگزاری ایسنا، جهان فیزیک همیشه مطابق انتظارهای ما از زندگی روزمره رفتار نمیکند. در مقیاسهای بزرگ، اگر جسمی با مانعی برخورد کند و انرژی کافی برای عبور از آن نداشته باشد، انتظار داریم متوقف شود یا مسیرش را تغییر دهد. اما در مقیاس کوانتومی، ذره میتواند با احتمالی مشخص از مانعی عبور کند که طبق قوانین فیزیک کلاسیک، انرژی لازم برای عبور از آن را ندارد.
دیواری که برای ذره آنقدرها هم دیوار نیست
دکتر پروین آذرفام، متخصص فیزیک پزشکی، در گفتوگو با ایسنا برای توضیح تونلزنی کوانتومی به مثال توپی اشاره کرد که به سمت دیوار حرکت میکند. اگر انرژی توپ کمتر از مقدار لازم برای عبور از دیوار باشد، در فیزیک کلاسیک انتظار نداریم توپ ناگهان در سوی دیگر دیوار ظاهر شود.
او گفت در مکانیک کوانتومی، ذره مانند گلولهای بسیار کوچک با مسیر و موقعیتی کاملاً مشخص توصیف نمیشود. وضعیت کوانتومی ذره با تابع موج بیان میشود و این تابع میتواند در ناحیهای که از دید فیزیک کلاسیک برای ذره ممنوع است، دامنه داشته باشد.
به گفته آذرفام، همین ویژگی باعث میشود احتمال یافتن ذره در سوی دیگر یک سد انرژی، حتی زمانی که در توصیف کلاسیک انرژی کافی برای عبور از آن وجود ندارد، صفر نباشد. این پدیده تونلزنی کوانتومی نام دارد.
او تأکید کرد استفاده از عبارت «عبور از دیوار» ممکن است برداشت نادرستی ایجاد کند؛ زیرا ذره مانند جسمی کوچک نیست که سوراخی در دیوار ایجاد کند یا به شکل معمول از میان آن بگذرد. آنچه رخ میدهد، نتیجه ماهیت کوانتومی سیستم و توصیف احتمالاتی آن است.
چرا این پدیده در زندگی روزمره دیده نمیشود؟
این پرسش مطرح است که اگر تونلزنی واقعی است، چرا هر روز شاهد عبور اجسام از دیوار نیستیم؟
آذرفام توضیح داد قوانین مکانیک کوانتومی برای همه سامانهها بنیادی هستند، اما آثار کوانتومی در مقیاسهای مختلف به یک شکل دیده نمیشوند. یک ذره زیراتمی ممکن است در شرایطی مشخص احتمال قابلتوجهی برای تونلزنی داشته باشد، اما جسمی روزمره از تعداد بسیار زیادی ذره تشکیل شده است و رفتار جمعی چنین سامانهای تفاوت زیادی با رفتار یک ذره منفرد دارد.
او افزود ضخامت و ارتفاع سد و ویژگیهای ذره، از جمله عواملی هستند که بر احتمال تونلزنی اثر میگذارند. هرچه شرایط برای تونلزنی نامناسبتر باشد، این احتمال میتواند بهشدت کاهش یابد.
به گفته آذرفام، اینکه ذرات میتوانند از سد عبور کنند، به این معنا نیست که هر جسمی میتواند از هر مانعی بگذرد. این پدیده به شرایط فیزیکی سیستم وابسته است و در مقیاس روزمره، احتمال وقوع آن برای اجسام ماکروسکوپی آنقدر ناچیز است که در عمل مشاهده نمیشود.
او خاطرنشان کرد یکی از جذابیتهای فیزیک این است که یک قانون بنیادی میتواند در مقیاسهای مختلف، نمودهای متفاوتی داشته باشد. شهود انسان از جهان پیرامونش بیشتر بر پایه تجربه اجسام بزرگ شکل گرفته است؛ بنابراین طبیعی است که رفتار کوانتومی عجیب به نظر برسد.
آذرفام گفت تونلزنی کوانتومی از مدتها پیش در فیزیک نظری مطرح بود، اما اهمیت آن زمانی افزایش یافت که آزمایشها توانستند آثارش را بهطور مستقیم بررسی کنند. به گفته او، تونلزنی تنها نتیجهای ریاضی از معادلات کوانتومی نیست و شواهد تجربی مهمی برای آن وجود دارد. یکی از نمونههای تاریخی این شواهد به آزمایشهای مربوط به تونلزنی در نیمهرساناها و ابررساناها بازمیگردد.
او افزود در سال ۱۹۷۳، لئو اساکی و ایوار گیور برای کشفیات تجربی خود درباره پدیدههای تونلزنی در نیمهرساناها و ابررساناها، به همراه برایان جوزفسون، جایزه نوبل فیزیک را دریافت کردند. این موضوع نشان میدهد تونلزنی از دههها پیش بهعنوان پدیدهای فیزیکی واقعی و قابل آزمایش شناخته شده است.
وقتی این پدیده عجیب به زندگی روزمره میرسد
آذرفام بیان کرد تونلزنی کوانتومی ممکن است در نگاه نخست پدیدهای مربوط به جهان بسیار کوچک اتمها و ذرات به نظر برسد، اما آثار آن در فناوریهای واقعی نیز دیده میشود. تونلزنی الکترونها در نیمهرساناها پدیدهای شناختهشده و اندازهگیریشده است و در برخی قطعات الکترونیکی کاربرد دارد.
او گفت گوشی موبایل، لپتاپ، فلش و SSD از جمله نمونههای مرتبط با این فناوری هستند و یکی از ملموسترین نمونهها، حافظه فلش است. در ساختار حافظههای فلش، از تونلزنی الکترونها برای ذخیره یا پاککردن بار الکتریکی در سلولهای حافظه استفاده میشود. بنابراین هنگام ذخیره اطلاعات روی فلش، کارت حافظه یا برخی انواع حافظههای الکترونیکی، یک پدیده کوانتومی در سازوکار ذخیرهسازی نقش دارد.
وی همچنین به «میکروسکوپ تونلی پیمایشی» اشاره کرد که با اندازهگیری جریان تونلی میان نوک میکروسکوپ و سطح ماده، امکان بررسی ساختار ماده را در مقیاس اتمی فراهم میکند. این فناوری نشان میدهد یک پدیده کوانتومی میتواند به ابزاری برای مطالعه مستقیم ماده در مقیاسی بسیار کوچک تبدیل شود.
فیزیک هستهای؛ چرا بعضی هستهها پایدار میمانند و بعضی واپاشی میکنند؟
دکتر محمدعلی حسین پورفیض، متخصص حوزه فیزیک هستهای، در گفتوگو با ایسنا درباره دلیل پایداری برخی هستهها گفت برای درک پایداری هسته باید به برهمکنشهای میان اجزای آن توجه کرد. پروتونها بار مثبت دارند و میان آنها دافعه الکتریکی وجود دارد، اما در فاصلههای بسیار کوتاه، نیروی هستهای قوی نیز در ساختار هسته نقش ایفا میکند.
او افزود پایداری هسته به یک عامل واحد وابسته نیست. تعداد پروتونها و نوترونها، نحوه توزیع آنها، انرژی حالت هسته و ویژگیهای برهمکنشهای هستهای، همگی میتوانند بر پایداری یا ناپایداری هسته اثر بگذارند.
به گفته پورفیض، تنها با توجه به تعداد پروتونها نمیتوان درباره پایدار یا ناپایدار بودن یک هسته قضاوت کرد. نسبت نوترون به پروتون نیز در بسیاری از هستهها اهمیت دارد و هستههای مختلف برای رسیدن به وضعیت پایدارتر میتوانند رفتارهای متفاوتی داشته باشند.
او خاطرنشان کرد اگر در برخی هستهها ترکیب پروتونها و نوترونها از محدودههای مناسب فاصله بگیرد، هسته ممکن است از طریق فرآیند واپاشی به وضعیت دیگری منتقل شود.
چرا یک هسته واپاشی میکند؟
این متخصص فیزیک هستهای واپاشی هستهای را بهطور کلی فرآیندی دانست که طی آن، یک هسته ناپایدار به حالت یا هستهای با وضعیت پایدارتر تبدیل میشود. به گفته او، این واپاشی بسته به نوع هسته و فرآیند موردنظر میتواند به شکلهای مختلفی مانند آلفا، بتا یا گاما رخ دهد.
او توضیح داد در واپاشی آلفا، هسته یک ذره آلفا، یعنی مجموعهای شامل دو پروتون و دو نوترون، منتشر میکند. در واپاشی بتا، تبدیلهایی میان نوترون و پروتون همراه با انتشار ذرات مربوط به این فرآیند رخ میدهد و در واپاشی گاما، هسته انرژی اضافی خود را به شکل تابش الکترومغناطیسی گسیل میکند.
پورفیض افزود این فرآیندها سازوکار یکسانی ندارند و نباید همه انواع پرتوزایی را با یک توضیح واحد بیان کرد.
او تأکید کرد برای نمونه، در واپاشی آلفا، تونلزنی کوانتومی یکی از مفاهیم مهم برای توضیح چگونگی خروج ذره آلفا از سد پتانسیلی هسته است؛ همان پدیدهای که در بحثهای مربوط به اسرار فیزیک نیز میتواند نمونهای جذاب از رفتار کوانتومی باشد.
تونلزنی کوانتومی نشان میدهد رفتار طبیعت در مقیاس کوانتومی میتواند با شهودی که از جهان روزمره شکل گرفته است، تفاوت داشته باشد. این پدیده، علاوه بر نقش در توضیح برخی فرآیندهای هستهای، در آزمایشها و فناوریهای مختلف نیز بررسی و استفاده شده است. فیزیک هستهای نیز با بررسی ساختار، پایداری و واپاشی هستهها، تصویر دقیقتری از فرآیندهای رخداده در کوچکترین مقیاسهای ماده ارائه میدهد و ارتباط این دو حوزه، نمونهای از پیوند مفاهیم بنیادی فیزیک در توصیف رفتار جهان است.