Када већина нас помисли на квантну механику, замишљамо чудне, неодређене, таласасте појаве које се дешавају у свету микроскопских и субатомских размера. Али квантна механика не описује нужно само оно што је веома мало — она се односи на скуп особина које су својствене свим физичким системима.
Зашто квантне појаве ретко уочавамо у нашем свету?
Разлог што те квантне појаве ретко уочавамо у нашем, свакодневном свету, јесте то што су оне тешко видљиве на великим, макроскопским размерама. Зато је Нобелова награда за физику 2025. године, која је додељена за открића у области квантних појава на макроскопском нивоу — од квантног тунеловања до протока струје без напона — заиста представља историјски помак у примењеној физици.
У класичном свету, ако баците лопту на чврст зид, зид ће остати непроходан — лопта ће се увек одбити назад. Можете поновити експеримент сто, хиљаду или милион пута — резултат ће увек бити исти. Докле год зид стоји, лопта никада неће проћи на другу страну.
Квантни свет: честица која пролази кроз зид
Међутим, у квантном свету ствари се понашају другачије. Ако усмерите субатомску честицу — рецимо, електрон — ка некој препреци, било да је то стварни материјални зид или само енергетска баријера, већина електрона ће се заиста одбити. Али постоји извесна вероватноћа да ће неки електрон ипак „проћи“ кроз препреку.
Ту вероватноћу одређују: брзина и енергија електрона, висина и дебљина баријере, као и закони квантне физике.
У том случају, електрон неће бити одбијен — већ ће, супротно свакој класичној логици, тунеловати кроз баријеру и појавити се са друге стране.
Од микроскопског ка макроскопском
Дуго се веровало да је овај феномен важан само у микроскопском свету. Али ако се створи прави експериментални услов, квантно тунеловање може се посматрати и у макроскопским системима, као што су електронски кола.
То омогућава не само посматрање квантних ефеката у великим системима, већ и стварање потпуно нове врсте рачунара — квантног рачунара. Управо је тај правац истраживања, започет пре више од 40 година, довео до револуционарних открића у модерној физици и до Нобелове награде за 2025. годину.
Енергетска долина и квантни излаз
У многим научним областима — физици, хемији, па чак и биологији — често замишљамо енергетска стања као низ брда и долина.
Замислите куглу на врху брда. Када је пустите, она ће се откотрљати у неку долину и тамо зауставити. Да би изашла из те долине, у класичном свету, мора добити енергију довољну да „прескочи зид“. Али у квантном свету постоји други начин — кугла може протунеловати кроз зид и појавити се у другој, нижој долини без икаквог „скока“.
Рођење идеје о квантном тунеловању
Идеја да се таласи могу ширити кроз препреке постојала је много пре него што је сама квантна механика формулисана. Још у XVII веку, холандски научник Кристијан Хајгенс истраживао је таласе на води и открио да се сваки талас може замислити као комбинација безброј малих кружних таласа који се шире у свим правцима.
Ако, рецимо, у плиткој води направите раван талас, он ће изгледати висок и снажан. Али ако се дубина воде нагло повећа, висина таласа ће се смањити и делује као да је талас нестао. У стварности, део енергије таласа и даље пролази кроз дубоку воду и поново се јавља када вода поново постане плитка. То је аналогно квантном тунеловању: талас не престаје — само се „пригуши“ у зони препреке.
Шредингерова револуција
Тек 1926. године квантна таласна природа материје добила је математички облик кроз Шредингерову једначину. Само годину дана касније, немачки физичар Фридрих Хунд применио је ту једначину на случај честице која се налази у енергетској долини — односно у локалном минимуму.
Према класичној физици, честица би могла да „изађе“ из долине само ако добије довољно енергије да пређе енергетску баријеру. Али квантна механика је показала нешто другачије: постоји мала, али ненулта вероватноћа да се честица појави са друге стране баријере — као да је прошла кроз њу. То је био почетак онога што данас зовемо квантно тунеловање.
Радиоактивност и потврда феномена
Почетком тридесетих година XX века, физичари Манделштам и Леонтович независно су дошли до истог закључка. Истовремено, Џорџ Гамов, као и пар Гурни и Кондон, применили су концепт квантног тунеловања да објасне зашто неки атоми спонтано емитују честице — феномен познат као алфа распад.
Радиоактивни атоми, показало се, нису имали довољно енергије да „прескоче“ енергетску баријеру која их раздваја од стабилног стања. Али квантно тунеловање је омогућавало да честице ипак „провире“ кроз ту баријеру и напусте језгро. Овим је први пут показано да квантни ефекат има стварне, мерљиве последице у природи.
Зенонов парадокс и ограничења посматрања
Један занимљив аспект квантног света јесте да посматрање може променити исход. Ако стално „надгледате“ честицу која би могла да тунелује, ви заправо можете спречити да се то догоди. Та појава позната је као квантна верзија Зеноновог парадокса — честица која је непрестано „под надзором“ не може да промени своје стање.
Због овога се дуго мислило да је квантно тунеловање ограничено само на микроскопске размере и да је немогуће извести га у макроскопском свету.
Преломни тренутак: експерименти из 1984–1985.
Све се променило средином осамдесетих. На Универзитету Беркли у Калифорнији, тим научника је успео да направи систем у коме се квантно тунеловање дешава на макроскопском нивоу.
Тај тим су чинили: Џон Кларк (John Clarke), професор и вођа лабораторије, Мишел Деворе (Michel H. Devoret), његов постдокторанд из Француске и Џон Мартинис (John M. Martinis), амерички студент докторских студија.
Управо ова тројка добила је Нобелову награду за физику 2025. године за своје пионирско откриће.
