Läpi harmaan kiven
Mainitsin aiemmassa merkinnässä kvanttifysiikan ilmiöstä nimeltä tunneloituminen. Kvanttifysiikka (kuten myös suhteellisuusteoria) paljastaa, että maailma on pohjimmiltaan hyvin erilainen kuin mitä arkikokemuksen perusteella kuvittelee. Todellisuudessa on kaikenlaista kummallista, kuten kvanttivärähtelyitä, virtuaalisia hiukkasia ja Casimirin voimaa. Tunneloituminen on eräs näistä arkijärjelle vieraista asioista. Se on kvanttifysiikassa keskeinen ilmiö, ja on vastuussa raskaiden atomiydinten radioaktiivisuudesta. Palohälyttimien toiminta perustuu juurikin radioaktiivisuuteen, eli tunneloitumista hyödynnetään melkein joka kodissa.
Tunneloituminen liittyy hiukkasten kvanttimekaaniseen käyttäytymiseen. Asia on helpointa ymmärtää tarkastelemalla ensin klassista mekaniikkaa. Klassisessa mekaniikassa kappaleilla on kahdenlaista energiaa: liike-energiaa ja potentiaalienergiaa. Liike-energia on sitä isompi mitä nopeammin kappale liikkuu. Jos tarkastellaan kappaleen liikettä Maapallon gravitaatiokentässä, niin potentiaalienergia on negatiivinen ja itseisarvoltaan sitä isompi, mitä alempana kappale on. Kokonaisenergia säilyy, joten jos kappale siirtyy alemmas, niin sen potentiaalienergiasta tulee negatiivisempi ja liike-energia kasvaa. Vesivoimaloiden energiantuotto perustuu tähän gravitaatiokentän energian hyödyntämiseen. Vastaavasti ilmaan heitetyllä kappaleella pitää olla tarpeeksi suuri liike-energia, jotta se pääsisi nousemaan tietylle korkeudelle. Jos talon pihalla on korkea aita, niin pihalla olevalla pallolla pitää olla tarpeeksi liike-energiaa aidan ylittääkseen, jotta se pääsisi toiselle puolelle.
Kvanttimekaniikassakin hiukkasella on liike-energiaa ja potentiaalienergiaa, ja niiden summa on vakio. Mutta toisin kuin klassisen mekaniikan kappaleella, kvanttimekaniikan hiukkasella ei ole määrättyä paikkaa. On vain todennäköisyys sille, että hiukkanen on tietyssä paikassa kun sitä sieltä etsitään. Tämä todennäköisyys ei ole missään täysin nolla, aina on joku pieni mahdollisuus että hiukkanen löytyy mistä sitä ikinä etsiikään. Jos hiukkasen paikka on eri mittauskerroilla erilainen, voidaan sanoa, että se on siirtynyt. Kyse ei kuitenkaan ole liikkeestä: hiukkanen ei ole matkannut välissä olevan tilan halki. Mittausten välissä sillä kun ei ole ollut mitään määrättyä sijaintia.
Sellaisen hiukkasen, joka on voimakkaasti sidottu toiseen hiukkaseen, todennäköisyys löytyä mistään muualta kuin sidoskumppaninsa läheltä on erittäin pieni. Esimerkiksi molekyylin osana olevat atomiytimet löytyvät yleensä suunnilleen samoilta paikoilta. Samoin arkisen mittakaavan kappaleiden tapauksessa todennäköisyys kvanttimekaaniselle siirtymälle on äärimmäisen vähäinen. On periaatteessa mahdollista, että avaimet ovat siirtyneet keittiön pöydältä jääkaappiin käymättä välissä olevan tilan kautta, mutta hajamielisyys on verrattoman paljon luultavampi selitys.
Mahdollisuus siirtyä paikasta toiseen kulkematta välissä olevan tilan halki johtaa kiinnostaviin seurauksiin. Toisin kuin klassisessa fysiikassa, kvanttimekaniikassa pallon ei tarvitse ylittää aitaa päästäkseen toiselle puolelle, joten sillä ei tarvitse olla aidan korkeudelle nousemiseen tarvittavaa energiaa. Tunneloituminen tarkoittaa tällaista siirtymistä paikasta toiseen tavalla, joka olisi klassisessa mekaniikassa esteiden takia mahdotonta.
Tunneloituminen on yleensä hyvin epätodennäköistä. Se on sitä todennäköisempää, mitä suurempi on paikkojen potentiaalienergian ero (pallon on helpompi tunneloitua pihalta, jos aidan toisella puolella maanpinta on alempana) ja sitä vähemmän todennäköistä, mitä kauemmas pitää siirtyä (paksumman aidan läpi on vaikeampi tunneloitua). Mutta jos kokeilee tarpeeksi monta kertaa, eli odottaa tarpeeksi kauan, niin lopulta pallo siirtyy.
Atomiydinten radioaktiivisuudessa on kyse tunneloitumisesta. Atomiydin koostuu protoneista ja neutroneista. Ydinvoima vetää protoneita ja neutroneita yhteen ja estää niitä pakenemasta ytimestä. Mutta ydinvoiman kantama on melko lyhyt, joten jos protoni pääsee tarpeeksi kauas ytimestä, niin se on vapaa. Niinpä atomiytimeen sidottu protoni tunneloituu lopulta pois, ja ytimeen jää vähemmän protoneita. Toisin sanoen ydin muuttuu eri alkuaineeksi, ja säteilee poistuneet hiukkaset ympäristöönsä. Usein poistuneiden hiukkasten liike-energia on iso, mikä tekee radioaktiivisista aineista ihmisille vaarallisia, koska nopeat hiukkaset vahingoittavat ihmiskehon soluja. Tunneloitumisen epätodennäköisyys on sen takana, että joillakin radioaktiivisilla aineilla kestää kauan hajota.
Eräs kosmologian keskeisistä kysymyksistä, Higgsin kentän vakaus, liittyy sekin tunneloitumiseen. Tällä hetkellä Higgsin kenttä on asettunut kaikkialla näkemässämme avaruudessa rauhalliseen tilaan, jossa se ei liiku minnekään. Mutta Higgsin kentällä saattaa olla joku tila, jossa sen potentiaalienergia olisi vielä alhaisempi, jonne se voisi siis tunneloitua. Tämän seurauksena aine sellaisena kuin sen tunnemme tuhoutuisi välittömästi ja lisäksi maailmankaikkeus romahtaisi. Ei tiedetä, onko Higgsin kentän tila täysin vakaa, mutta joka tapauksessa sen elinikä on paljon pidempi kuin maailmankaikkeuden ikä, joten asiasta ei muiden kuin hiukkaskosmologien tarvitse kantaa huolta.
Pikku-uutisia: Suhteellisuusteorian tutkija Stephen Hawking on ilmaissut näkemyksensä eräästä mustiin aukkoihin liittyvästä spekulatiivisesta seikasta. Tästä on uutisoitu laajalti; asiasta kiinnostuneille voi suositella Matt Strasslerin blogikirjoitusta.
”Atomiydinten radioaktiivisuudessa on kyse tunneloitumisesta.”, voiko tunneloitumista ja sen kautta protonien ”pakenemista” tapahtua minkälaisissa atomiytimissä tahansa, vai vaaditaanko ytimen rakenteelta kuten protonien ja neutronien määriltä/suhteilta jotain erityistä, jotta tunneloitumisilmiö on ylipäätään mahdollinen vai onko kyse ainoastaan todennäköisyyksistä?
Eikö Higgsin kenttä perustu duplettiin ø+ / ø0 ? Voisiko dupletti ollakin ø+ / ø- ja Higgsin kentän vastin olisi dynaamisesti havaintoavaruudelta piilossa? Silloin kenttä olisi fundamentaalisti symmetrinen (vakaa) vaikka symmetria ei olisi suoraan mitattavissa, kentän arvo (jännite) voisi myös vaihdella lokaalisti.
Mika:
Ensinnäkään en ole varma, voiko kaikkia atomiydinten hajoamisia ymmärtää tunneloitumisen avulla. Toisekseen hajoamisessa voi irrota (ja yleensä tuleekin) myös isompia kokonaisuuksia kuin yksittäisiä protoneita tai neutroneita. Jotkut atomiytimet ovat vakaita, niin että radioaktiivista hajoamista ei tapahdu. Vakaus riippuu juurikin mainitsemastasi protonien ja neutronien määrän suhteesta. En tosin tiedä, ovatko ne absoluuttisen stabiileja, vai onko niiden elinikä vain verrattoman iso eli tunneloitumisen todennäköisyys pieni. (En tunne ydinfysiikkaa juurikaan, tunnelointi on minulle tutumpi muista yhteyksistä.)
Lyhyt vastaus on siis: en tiedä!
Eusa:
En ymmärrä kysymystä.
Muistettakoon, että kommenttiosio ei ole paikka omien teorioiden esittelemiselle.
Hei.
Muistelen lukeneeni joskus yli kymmenen vuotta sitten Tieteen Kuvalehdestä (ei toki mikään laatujulkaisu), että tutkijat olivat saaneet valon kulkemaan itseään neljä kertaa nopeammin, kun se kohtasi matkalla seitsemän erittäin ohutta ”kultapaperia” (jutusta ei käynyt ilmi, miksi ”paperin” täytyi olla juuri kultaa).
Idea kuitenkin perustui tunneloitumiseen. Kun fotoni tunneloitui kullan läpi, kullan potentiaalienergia ilmeisesti lisäsi fotonin vauhtia (tutkijoiden näkemys). Tämä herättää kysymyksen: jos fotonin energia kasvaa, eikö sen pitäisi muuttaa aallonpituutta, sinisemmäksi, mutta ei tietenkään vaikuttaa nopeuteen? Toinen asia on se, että kirjoituksesi perusteella hiukkanen ei kulje minkään paikan kautta tunneloituessaan, joten kuinka siihen voi siirtyä potentiaalienergiaa kullasta?
Luonnollisesti tämä koe sai ruunsaasti vastustusta, mutta mieleeni jäi toteamus, että ei ole mahdollista siirtää informaatiota yli valonnopeuden, joten koko koe on merkityksetön. Tähän vastattiin, että oli siirretty Beethovenin (tai vastaavan) sinfonia. Siihen vastattiin, että se ei ole informaatiota. Nyt kysyisinkin sinulta, että mitä fyysikot itse asiassa tarkoittavat informaatiolla?
En ole tuon artikkelin jälkeen törmännyt tähän missään, joten se varmaankin oli huuhaata. Mielenkiinnosta kuitenkin kysyn, että oletko itse kuullut tuosta ja törmännyt näihin juttuihin (muuallakin kuin hörhöissä nettikeskusteluissa)?
Jernau Morat Gurgeh:
En tiedä tuota artikkelia enkä tunne koetta, johon siinä mahdollisesti viitataan, joten en osaa kommentoida tarkasti. Kvanttimekaniikassa on teleportaatioksi kutsuttu ilmiö, joka on eri asia kuin tunneloituminen, kyse saattoi olla siitä. (Senkään avulla tosin ei voi siirtää informaatiota valoa nopeammin.)
En osaa vastata tuohon informaatiokysymykseen kovin yleisesti. Kvanttimekaniikassa systeemin tilaa kuvaa tietty määrä lukuja, joita sanotaan kvanttiluvuiksi. Esimerkiksi vetyatomia kuvaa, yksinkertaisimmassa approksimaatiossa, vain kolme kokonaislukua. Kaikki vetyatomit, joilla on samat kvanttiluvut, ovat identtisiä. Informaation siirtäminen koostuu silloin joko määrätyt (ei siis epämääräiset) kvanttiluvut omaavan systeemin siirtämisestä paikasta toiseen, tai kaukana olevan systeemin kvanttilukujen muuttamisesta määrätyllä (ei siis satunnaisella) tavalla. Mutta tämä taitaisi vaatia oman merkintänsä.