Kada većina nas pomisli na kvantnu mehaniku, zamišljamo čudne, neodređene, talasaste pojave koje se dešavaju u svetu mikroskopskih i subatomskih razmera. Ali kvantna mehanika ne opisuje nužno samo ono što je veoma malo — ona se odnosi na skup osobina koje su svojstvene svim fizičkim sistemima.
Zašto kvantne pojave retko uočavamo u našem svetu?
Razlog što te kvantne pojave retko uočavamo u našem, svakodnevnom svetu, jeste to što su one teško vidljive na velikim, makroskopskim razmerama. Zato je Nobelova nagrada za fiziku 2025. godine, koja je dodeljena za otkrića u oblasti kvantnih pojava na makroskopskom nivou — od kvantnog tunelovanja do protoka struje bez napona — zaista predstavlja istorijski pomak u primenjenoj fizici.
U klasičnom svetu, ako bacite loptu na čvrst zid, zid će ostati neprohodan — lopta će se uvek odbiti nazad. Možete ponoviti eksperiment sto, hiljadu ili milion puta — rezultat će uvek biti isti. Dokle god zid stoji, lopta nikada neće proći na drugu stranu.
Kvantni svet: čestica koja prolazi kroz zid
Međutim, u kvantnom svetu stvari se ponašaju drugačije. Ako usmerite subatomsku česticu — recimo, elektron — ka nekoj prepreci, bilo da je to stvarni materijalni zid ili samo energetska barijera, većina elektrona će se zaista odbiti. Ali postoji izvesna verovatnoća da će neki elektron ipak „proći“ kroz prepreku.
Tu verovatnoću određuju: brzina i energija elektrona, visina i debljina barijere, kao i zakoni kvantne fizike.
U tom slučaju, elektron neće biti odbijen — već će, suprotno svakoj klasičnoj logici, tunelovati kroz barijeru i pojaviti se sa druge strane.
Od mikroskopskog ka makroskopskom
Dugo se verovalo da je ovaj fenomen važan samo u mikroskopskom svetu. Ali ako se stvori pravi eksperimentalni uslov, kvantno tunelovanje može se posmatrati i u makroskopskim sistemima, kao što su elektronski kola.
To omogućava ne samo posmatranje kvantnih efekata u velikim sistemima, već i stvaranje potpuno nove vrste računara — kvantnog računara. Upravo je taj pravac istraživanja, započet pre više od 40 godina, doveo do revolucionarnih otkrića u modernoj fizici i do Nobelove nagrade za 2025. godinu.
Energetska dolina i kvantni izlaz
U mnogim naučnim oblastima — fizici, hemiji, pa čak i biologiji — često zamišljamo energetska stanja kao niz brda i dolina.
Zamislite kuglu na vrhu brda. Kada je pustite, ona će se otkotrljati u neku dolinu i tamo zaustaviti. Da bi izašla iz te doline, u klasičnom svetu, mora dobiti energiju dovoljnu da „preskoči zid“. Ali u kvantnom svetu postoji drugi način — kugla može protunelovati kroz zid i pojaviti se u drugoj, nižoj dolini bez ikakvog „skoka“.
Rođenje ideje o kvantnom tunelovanju
Ideja da se talasi mogu širiti kroz prepreke postojala je mnogo pre nego što je sama kvantna mehanika formulisana. Još u XVII veku, holandski naučnik Kristijan Hajgens istraživao je talase na vodi i otkrio da se svaki talas može zamisliti kao kombinacija bezbroj malih kružnih talasa koji se šire u svim pravcima.
Ako, recimo, u plitkoj vodi napravite ravan talas, on će izgledati visok i snažan. Ali ako se dubina vode naglo poveća, visina talasa će se smanjiti i deluje kao da je talas nestao. U stvarnosti, deo energije talasa i dalje prolazi kroz duboku vodu i ponovo se javlja kada voda ponovo postane plitka. To je analogno kvantnom tunelovanju: talas ne prestaje — samo se „priguši“ u zoni prepreke.
Šredingerova revolucija
Tek 1926. godine kvantna talasna priroda materije dobila je matematički oblik kroz Šredingerovu jednačinu. Samo godinu dana kasnije, nemački fizičar Fridrih Hund primenio je tu jednačinu na slučaj čestice koja se nalazi u energetskoj dolini — odnosno u lokalnom minimumu.
Prema klasičnoj fizici, čestica bi mogla da „izađe“ iz doline samo ako dobije dovoljno energije da pređe energetsku barijeru. Ali kvantna mehanika je pokazala nešto drugačije: postoji mala, ali nenulta verovatnoća da se čestica pojavi sa druge strane barijere — kao da je prošla kroz nju. To je bio početak onoga što danas zovemo kvantno tunelovanje.
Radioaktivnost i potvrda fenomena
Početkom tridesetih godina XX veka, fizičari Mandelštam i Leontovič nezavisno su došli do istog zaključka. Istovremeno, Džordž Gamov, kao i par Gurni i Kondon, primenili su koncept kvantnog tunelovanja da objasne zašto neki atomi spontano emituju čestice — fenomen poznat kao alfa raspad.
Radioaktivni atomi, pokazalo se, nisu imali dovoljno energije da „preskoče“ energetsku barijeru koja ih razdvaja od stabilnog stanja. Ali kvantno tunelovanje je omogućavalo da čestice ipak „provire“ kroz tu barijeru i napuste jezgro. Ovim je prvi put pokazano da kvantni efekat ima stvarne, merljive posledice u prirodi.
Zenonov paradoks i ograničenja posmatranja
Jedan zanimljiv aspekt kvantnog sveta jeste da posmatranje može promeniti ishod. Ako stalno „nadgledate“ česticu koja bi mogla da tuneluje, vi zapravo možete sprečiti da se to dogodi. Ta pojava poznata je kao kvantna verzija Zenonovog paradoksa — čestica koja je neprestano „pod nadzorom“ ne može da promeni svoje stanje.
Zbog ovoga se dugo mislilo da je kvantno tunelovanje ograničeno samo na mikroskopske razmere i da je nemoguće izvesti ga u makroskopskom svetu.
Prelomni trenutak: eksperimenti iz 1984–1985.
Sve se promenilo sredinom osamdesetih. Na Univerzitetu Berkli u Kaliforniji, tim naučnika je uspeo da napravi sistem u kome se kvantno tunelovanje dešava na makroskopskom nivou.
Taj tim su činili: Džon Klark (John Clarke), profesor i vođa laboratorije, Mišel Devore (Michel H. Devoret), njegov postdoktorand iz Francuske i Džon Martinis (John M. Martinis), američki student doktorskih studija.
Upravo ova trojka dobila je Nobelovu nagradu za fiziku 2025. godine za svoje pionirsko otkriće.
