Jaki los czekałby Słońce, gdyby zdawało się tylko na fizykę klasyczną?
Wielu z nas kwanty kojarzą się z mikroskalą. Szufladkujemy je często jako zarezerwowane dla świata cząstek. Ale czy jest tak na pewno? Kwantowa rzeczywistość i wszystkie jej dziwactwa wiodą prym również w kosmosie. I wcale nie trzeba się za nimi długo rozglądać.
Okazuje się, że wystarczy udać się na najbliższą nam gwiazdę – Słońce. Chociaż tego lata łatwo jest zapomnieć o jej istnieniu, nasza ulubiona kula ognia nie świeciłaby nam w ogóle, gdyby nie mechanika kwantowa i jedno z jej dobrodziejstw: zjawisko tunelowania kwantowego.
Tunele mają co do zasady łączyć dwa odseparowane od siebie miejsca mimo przeszkód, które się pomiędzy nimi znajdują. I nie inaczej powinniśmy kojarzyć właśnie tunelowanie kwantowe. Bo jest to zjawisko, dzięki któremu cząstki mogą oszukać system i przedostać się kwantowym tunelem przez barierę potencjału, tj. obszar podwyższonego potencjału oddzielający obszary o niższej energii – klasycznie byłaby ona dla cząstek nie do przeskoczenia. U podstaw tych oszustw leżą najważniejsze założenia mechaniki kwantowej, takie jak to, że każda cząstka wykazuje falową naturę i jest jej przypisana fala o pewnej długości. A że jej stan opisuje fala właśnie, może ona niejako rozlewać się w przestrzeni. Istnieje więc niezerowe prawdopodobieństwo, że cząstka przecieknie przez barierę i znajdzie się przy tym w obszarze, który byłby dla niej niedostępny klasycznie.
Co takiego jednak dzieje się na Słońcu, że potrzebuje ono tunelowania kwantowego, żeby móc nam w ogóle świecić? W jądrze Słońca nieustannie kotłują się atomy wodoru, które, zderzając się ze sobą, tworzą hel. Przy okazji tego procesu powstaje ogromna ilość energii, dzięki której najbliższa nam gwiazda może opalać na heban kuracjuszy nad polskim morzem. I choć starożytni nie zdawali sobie sprawy z tych procesów, nie dziwi, że próbowali tłumaczyć skomplikowany fenomen Słońca istnieniem różnorakich bóstw. Tak jak egipski Re przemierzał sklepienie niebieskie w słonecznej barce za dnia, a nocą walczył z siłami ciemności w podziemiach, tak klasyczna fizyka walczyła ze swoim opisem, który nijak nie potrafił pogodzić zjawisk przedstawionych wyżej… Dlaczego? Jądra atomowe wodoru składają się z protonów, które z racji tego, że wszystkie są naładowane pozytywnie, odpychają się i raczej wolą od siebie stronić. Pomimo tego, że temperatura jądra Słońca sięga 15 milionów stopni Celsjusza, wciąż jest to za mało, żeby nadać protonom energii mogącej uzasadnić zachodzącą tam fuzję, a więc właśnie łączenie się lżejszych jąder w jedno cięższe, przy jednoczesnym wydzielaniu ogromnych ilości energii. Przynajmniej, jeśli przyglądamy się temu problemowi z klasycznego punktu widzenia…
Bo kiedy przyjrzymy mu się przez pryzmat mechaniki kwantowej, okazuje się, że istnieje niewielka szansa, że protony pokonają tę, tak zwaną, barierę kulombowską. A wszystko to za sprawą, jakżeby inaczej, tunelowania kwantowego. I chociaż prawdopodobieństwo jego wystąpienia jest małe, protonów w słonecznym jądrze jest tak dużo, że nawet jeżeli do kwantowego tunelu wskoczy tylko jedna na kilka miliardów protonowych par, to wystarczy, żeby utrzymać przy życiu gwiazdę bez której żyć nie moglibyśmy my.
Wbrew pozorom, kosmos swoją kwantową naturę pokazuje na każdym kroku. Spotkasz się z nią w okolicach czarnych dziur i gwiazd neutronowych, otrzesz się o nią przy okazji odkrywania tajemnic ciemnej materii… Mechanika kwantowa to nie tylko małe sprawy, ale również wielkie rzeczy.
O kwantowym kosmosie i kwantach opowiadam więcej w mojej najnowszej książce „Kwanty nie gryzą”. Zapraszam do lektury!
