تصور کنید توپ تنیسی را به سمت دیواری آجری پرتاب می‌کنید؛ اما توپ به‌جای برگشتن، ناگهان در سوی دیگر دیوار ظاهر می‌شود. نه آجرها شکسته‌اند و نه راهی پنهان وجود داشته است. شبیه جادو به نظر می‌رسد، این طور نیست؟! در دنیای بسیار کوچکِ اتم‌ها، چنین رویدادی با نام «تونل‌زنی کوانتومی» واقعاً رخ می‌دهد ؛ پدیده‌ای که بدون درک آن، درخشش خورشید، قابل توضیح نبود و حتی راه رسیدن به برخی فناوری‌های الکترونیکی و ابزارهای پیشرفته‌ی تصویربرداری هموار نمی شد .
دیوارهایی که همیشه دیوار نیستند
در زندگی روزمره، سدها تکلیف روشنی دارند. اگر توپی را با انرژی ناکافی به‌سمت بالای تپه پرتاب کنیم، توپ پیش از رسیدن به قله بازمی‌گردد. در فیزیک کلاسیک نیز ذره‌ای که انرژی لازم برای عبور از یک مانع را ندارد، از آن نمی‌گذرد؛ احتمال عبورش دقیقاً صفر است.
حالا همان توپ را تا مقیاس یک الکترون کوچک کنید. ناگهان داستان عوض می‌شود: الکترون می‌تواند با وجود انرژی کمتر از ارتفاعِ سد انرژی، در طرف دیگر آن آشکار شود. احتمال چنین اتفاقی ممکن است بسیار کم باشد، ولی لزوماً صفر نیست و در واقع هر روز این پدیده در اطراف ما در حال رخ دادن است. گویی طبیعت برای ذرات ریز، راهی مخفی در دل دیوار گذاشته است؛ هرچند واقعاً هیچ تونل فیزیکی‌ای در کار نیست.
چطور چنین چیزی ممکن است؟
کلید ماجرا این است که ذرات کوانتومی فقط مانند توپ های کوچک رفتار نمی‌کنند؛ آن‌ها ویژگی‌های موجی هم دارند. وضعیت یک الکترون را با کمیتی ریاضی به نام «تابع موج» توصیف می‌کنیم. از این تابع می‌توان احتمال مشاهده نتیجه‌های مختلف اندازه‌گیری را به دست آورد.
وقتی موج به مانعی می‌رسد، الزاماً در مرز آن متوقف نمی‌شود؛ بخشی از آن به ناحیه‌ای نفوذ می‌کند که طبق فیزیک کلاسیک ممنوع است و دامنه‌اش معمولاً به‌صورت نمایی کاهش می‌یابد. اگر مانع به‌اندازه‌ی کافی نازک باشد، این دامنه به سوی دیگر هم می‌رسد و احتمال آشکارشدن ذره در آن‌طرف، غیرصفر می‌شود. نکته مهم این است که عبور از یک سد با انرژی بالاتر به معنای خلق انرژی از هیچ نیست. بقای انرژی همچنان برقرار است و انرژی اضافی جادویی به ذره نمی‌دهد، تنها فهم کلاسیکی ما کامل نبوده است.
به‌طور کلی، هرچه مانع بلندتر یا ضخیم‌تر باشد، احتمال تونل‌زنی کمتر است. می‌توان آن را به قرعه‌کشی تشبیه کرد: در هر برخورد با مانع، عبور قطعی نیست؛ اما طبیعت با قواعد دقیق ریاضی، شانس مشخصی برای آن تعیین می‌کند.
راز کوانتومیِ درخشش خورشید
اینجاست که این پدیده از یک شگفتی نظری به موضوعی حیاتی تبدیل می‌شود. خورشید انرژی خود را از همجوشی هسته‌ای به دست می‌آورد؛ واکنش‌هایی که در نهایت هسته‌های هیدروژن را به هلیم تبدیل می‌کنند و انرژی آزادشده از آن‌ها زمین را گرم نگه می‌دارد.
اما یک مشکل وجود دارد: پروتون‌ها بار الکتریکی مثبت دارند و یکدیگر را دفع می‌کنند. برای همجوشی، هسته‌ها باید آن‌قدر به هم نزدیک شوند که برهم‌کنش هسته‌ای بتواند اثر بگذارد. با اینکه دمای مرکز خورشید حدود ۱۵ میلیون درجه‌ی سانتی‌گراد است، با این حال انرژی گرماییِ معمول پروتون‌ها برای عبور کلاسیکی از سد دافعه کولنی کافی نیست.
تونل‌زنی کوانتومی راه را باز می‌کند. هسته‌ها گاهی می‌توانند با وجود کمبود انرژی کلاسیکی، به فاصله‌ی لازم برای واکنش برسند. این اتفاق همچنان بسیار نادر است؛ به‌خصوص در مرحله‌ی آغازین همجوشی پروتون‌ـ‌پروتون. بااین‌حال، شمار باورنکردنی ذرات در خورشید باعث می‌شود همین رخدادهای نادر، انرژی ستاره را تأمین کنند. با این درک تاره شاید نگاه متفاوتی به طلوع بعدی خورشید داشته باشید.
از شگفتی علمی تا فناوری واقعی
تونل‌زنی فقط در دل ستارگان اتفاق نمی‌افتد؛ مهندسان از آن ابزار ساخته‌اند. یکی از زیباترین نمونه‌ها «میکروسکوپ تونلی روبشی» یا STM است؛ دستگاهی که می‌تواند سطح مواد را با تفکیک‌پذیری در مقیاس اتمی بررسی کند.
در این میکروسکوپ، سوزن رسانای بسیار تیزی را بدون تماس، تا فاصله‌ای فوق‌العاده کم به سطح نزدیک می‌کنند. با اعمال ولتاژ مناسب، الکترون‌ها از شکاف بسیار باریک میان سوزن و سطح تونل می‌زنند و جریان الکتریکی پدید می‌آید. این جریان به فاصله حساسیت شگفت‌انگیزی دارد؛ بنابراین با حرکت‌دادن سوزن و اندازه‌گیری جریان، می‌توان نقشه‌ای بسیار دقیق از سطح به دست آورد.
شکل 1: عملکرد و ساختار میکروسکوپ تونلی پیمایشی (STM).
تونل‌زنی در برخی قطعات نیمه‌رسانا، سازوکارهای حافظه‌ی فلش و مدارهای ابررسانای کوانتومی نیز نقش دارد. برای نمونه، در «پیوند جوزفسون» که از اجزای مهم بسیاری از کیوبیت‌های ابررساناست، جفت‌الکترون‌ها می‌توانند از میان یک سد نازک تونل بزنند. آنچه زمانی تنها یک معمای ریاضی بود، امروز به ابزار مهندسی تبدیل شده است.
پس آیا انسان می‌تواند از دیوار بگذرد؟
شاید بپرسید اگر الکترون از مانع عبور می‌کند، آیا یک انسان هم می‌تواند از دیوار رد شود؟ در توصیف‌های کوانتومی، برای برخی رخدادهای مربوط به اجسام بزرگ ممکن است احتمال کاملاً صفر نباشد؛ اما احتمال تونل‌زنیِ یک انسان از دیوار معمولی آن‌قدر ناچیز است که در عمل باید آن را ناممکن دانست.
جهان از آنچه فکر می‌کنیم عجیب‌تر است
ما عادت داریم جهان را با تجربه‌های روزمره توضیح دهیم: توپ‌ها به دیوار برخورد می‌کنند، موانع جلوی حرکت را می‌گیرند و برای گذشتن از تپه باید انرژی کافی داشت. اما در مقیاس اتمی، دامنه‌های احتمال، تداخل و رفتار موجی در تعیین نتیجه نقش اساسی دارند.
تونل‌زنی کوانتومی یادآوری می‌کند که «غیرممکن به نظر رسیدن» با «غیرممکن بودن» یکی نیست. همین پدیده در قلب ستارگان رخ می‌دهد، به دانشمندان امکان مطالعه‌ی اتم‌ها را می‌دهد و به فناوری‌های نو کمک می‌کند. شاید درس بزرگ آن این باشد: جهان امکان‌هایی دارد که شهود روزمره ما هرگز برای تصورشان آموزش ندیده است.