Az alagúthatás jelensége

A kvantummechanika egyik nagy rejtélye az alagúthatás. A lényege nem más, mint az, hogy a töltött részecskék időnként akkor is képesek leküzdeni a potenciálgátakat, amikor elvileg nem rendelkeznek az ehhez szükséges energiával. Minthogy ez mindazok számára akik nem tanultak elektrotechnikát nagyjából úgy hangzik, mint egy kínai kung-fu film (szinkron nélkül), ezért kicsit egyszerűbben is leírom.

A töltött részecske általában egy elektron, proton, ritkábban egy elektronjaitól megfosztott atommag – és persze ezek anti változatai. A potenciálgát pedig egyszerűen egy elektromágneses erőtér, leginkább valamely anyag felszíne, vagy az atomot körülvevő elektronhéj. A jelenség pedig nem más, mint az, hogy egy lassan haladó elektron időnként akkor is be tud lépni egy másik anyagba, ha a behatoláshoz nem rendelkezik elegendő sebességgel. Egy egyszerű – bár szükségszerűen némiképp torzító – hasonlattal élve Hannibál és serege úgy kel át az Alpokon, hogy nincs elég kajájuk és felszerelésük a hegy megmászásához.

A hatás magyarázatául jellemzően az úgynevezett kvantummechanikai féregjáratokat szokták hozni. Ezek a feltételezések szerint olyan rendkívül apró, rövid ideig létező jelenségek, amelyek az általunk ismert háromdimenziós téren kívüli összeköttetést biztosítanak két pont között. Persze felmerülhet, hogy honnan az ötlet, és ez esetünkben egy fontos kérdés. A féregjáratok koncepciója ugyanis nem a kvantummechanikából, hanem a csillagászattal kapcsolatosan a nagy tömegű testek tömegvonzásának fizikájából származik.

Féregjáratok és a kvantummechanika

Az eredeti elképzelés szerint a féregjáratok a fekete lyukak kialakulásakor jönnének létre, mivel azok a feltételezek szerint képesek olyan mértékben meghajlítani a teret, hogy felszakítsák a téridő szövedékét. Szép elképzelés apróbb problémákkal. Az egyik az, hogy mint azt a Létezik-e eseményhorizont? című írásomban írtam, maguk a fekete lyukak sem feltétlenül olyanok, mint amilyeneknek képzeljük őket, ha frissítjük a szökési sebesség fogalmát, akkor ugyanis eltűnik a fekete lyukak legfontosabb kelléke, az eseményhorizont. Az eseményhorizont viszont elengedhetetlen része lenne a gravitációs féregjáratoknak is, hiszen az azokra vonatkozó elmélet azon alapul, hogy az eseményhorizonton túl egy másféle fizika létezik, amely lehetővé teszi a magasabb dimenziójú terekbe történő átlépést. Viszont ha nincsen eseményhorizont, akkor a fekete lyukak csak véges mértékben képesek meghajlítani a téridőt, amely így nem hasad fel, tehát nem jön létre gravitációs féregjárat.

Ám azon túlmenően is vannak problémák a gravitációs féregjárat analógiával a kvantummechanikában, hogy az előbbiek – legalábbis véleményem szerint – nem léteznek. A másik probléma, hogy a nagy egyesített elmélet megalkotása épp az einsteini gravitációs és a kvantumfizika egymással való ellentmondásain vérzik el. Ezen ellentmondások alapja a megjósolhatóság (gravitációs fizika) és a csak statisztikai jellemezhetőség (kvantumfizika), melyek bár talán csak látszólagos ellentmondások (erről majd egy másik írásomban), azonban az biztos, hogy teljesen más gondolkodásmód áll mögöttük, így az egyik elméletből átvinni valamit a másikba – az ellentmondás feloldása nélkül – igencsak érdekes művelet.

Ám miért is kellenek a kvantummechanikai féregjáratok? A már említett alagúthatásra ugyanis az egyik legegyszerűbb válasz az, ha feltételezzük, hogy a részecskék időnként képesek az általunk ismert téren kívül mozogni. Ennek miértje és hogyanja magyarázatára megírt könyvek valószínűleg megtöltenének egy kisebb könyvtárat, bár a legvégső válasz ami ezekből leszűrhető nagyjából ennyi: csak. Ezt persze a reménybeli fizikushallgatók az egyetemeken képesek átlagosan 15 percben elmondani, de ez csak kevéssé változtat a tényen, hogy igazból fogalmunk sincs, hogy miért és hogyan tennék azt, pláne, hogy az alapul szolgáló húrelmélet most kapott egy szép pofont a gravitációs hullámok felfedezésével.

Kvantummechanika féregjáratok nélkül

Ugyanakkor nem feltétlenül ez a legegyszerűbb magyarázat a jelenségre. A jelenség megértéséhez ugyanakkor érdemes visszatérni az alapokhoz, avagy hogyan épül fel az atom. Az atom – jelenlegi ismereteink szerint – két fő részből áll, a pozitív töltésű atommagból és a negatív töltésű elektronfelhőből. Ezek ugyanakkor nem csak úgy vannak, mind az atommagra (amely protonokból és neutronokból áll), mind az elektronokra jellemző egy forgó mozgás (vagy legalábbis egy azt imitáló viselkedés). Ezen felül az elektronok még egyfajta keringési pályán is mozognak az atommag körül.

Általános és középiskolai tanulmányainkból emlékezhetünk egy fontos jelenségre – mellékesen ezen alapul, hogy egyáltalán áramot tudunk termelni az erőművekben – mégpedig arra, hogy a forgó, vagy bármi más módon mozgó töltéssel rendelkező testek maguk körül elektromágneses mezőt gerjesztenek. Nincs ez másként az atommaggal és az elektronokkal sem. Vagyis mindegyik létrehoz egy elektromágneses mezőt, amelynek – amennyiben az adott atom (vagy molekula) nyugalomban van – energiája nem kerül levezetésre. Mindez érdekes jelenségek – valószínűleg az egész kvantummechanika – alapját képezi, ugyanis a levezetetlen energiájú forgó energiamezők – így az elektromágnesesek is – hajlamosak a forgás tengelye körül felcsavarodni, ugyanakkor ez egy szabálytalan és instabil felcsavarodás, amely az elektromágneses erővonalak felszakadásával – és az ezzel együtt járó kitörésekkel rendezi újra magát, tér vissza egyfajta „nyugalminak” tekinthető állapotba. Makroszinten jól ismerjük ezt a jelenséget, ez okozza ugyanis a napkitöréseket, vagy épp a tesla tekercs körüli látványos kisüléseket.

Ugyanakkor az atom (vagy molekula) rendszere annyiban más, hogy ott nem csak egy, hanem több ilyen felcsavarodott elektromágneses mező van, hiszen ilyet nem csak az atommag, hanem a körülötte „keringő” elektronok is előállítanak. Mi több, az atommag és az elektronok összesített töltése azonos, és a létrehozott elektromágneses mező erőssége csak két tényezőtől függ: a töltés nagyságától és a mozgás mértékétől.

Most képzeljük magunk elé az atomot: van benne egy felcsavarodott elektromágneses tér az atommag körül. Van benne egy vagy több (függően attól, hogy milyen atomról van szó) felcsavarodott elektromágneses tér az elektronok körül, melyek összesített ereje semmivel sem kisebb, mint az atommag által generált. Ráadásul ezek az elektronok nem csak a saját tengelyük körül forognak (illetve legalábbis úgy viselkednek, mintha azt tennék), hanem az atommag körül is mozognak és ez a mozgás szintén elektromágneses mezőt gerjeszt. Ezek az elektromágneses mezők természetesen egymásra is hatnak (épp emiatt marad az elektron egyáltalán az atomon belül), valójában egy borzasztóan komplex elektromágneses felhő- és viharrendszerré állnak össze. Igen viharok, hiszen ezek az elektromágneses mezők rendszeresen (ha nem is előre kiszámítható helyen és időben) felszakadnak, ilyenkor az energiájuk nem vész el csupán átadódik a többinek, amelyek a felszakadásukkor visszaadják azt. Ehhez vegyük hozzá, hogy az elektronok tömege elhanyagolható az atommag tömegéhez képest, így az elektromágneses mezők egymással történő kölcsönhatása elsősorban az elektronokra hat vissza. Ennek következtében ez a folyamatosan változó elektromágneses erőtér rendszer folyamatosan változó, igen gyors mozgásra kényszeríti az elektronokat, amely mozgás maga is elektromágneses erőteret gerjeszt – ami szintén visszahat az elektronok mozgására. Tekintettel arra, hogy ez egy többszörös visszacsatolású rendszer, így ennek következtében a részecskék mozgása és az elektromágneses felhő állapota egzakt módon nem, csak statisztikailag jósolható. Lényegében véve ennek következménye a Heisenberg féle bizonytalansági reláció.

Vannak azonban egyéb következményei is ennek a rendszernek. Egyrészt az, hogy az atommagot elsősorban nem egy elektron, hanem egy elektromágneses felhő veszi körbe, lényegében ez alkotja az írásom elején emlegetett potenciálgátat. A másik következménye pedig az, hogy ebben a rendszerben – amennyiben az elektromágneses erőterek felszakadása ehhez elegendő energiát szolgáltat – elektron-pozitron (az elektron anti változata) párok jelenhetnek meg, ahol a pozitron egy elektronnal való találkozása (amely nem feltétlenül ugyanaz, amivel egyidejűleg keletkezett) állíthatja helyre a rendszer egyensúlyát. Vagyis lényegében véve az atomon belüli elektromágneses vihar egy elektron-pozitron páros keletkezése és mozgása formájában realizálódik, és annak a pozitron egy elektronnal történő egyesülése és elektromágneses energiává történő visszaalakulása vet a viharnak is véget. Ugyanakkor a vihar végén meglévő elektronok nem mindegyike egyezik meg azzal, amelyik jelen volt a vihar kezdetén és ennek következtében az elektronpályák is jelentősen átrendeződhetnek.

Alagúthatás – ismét

Mi mindennek következménye az alagúthatás-jelenség szempontjából? Nos, csak az, hogy két magyarázatot is ad a jelenségre és amely magyarázatok mindegyike igaz is lehet (bár valószínű, hogy az adott, egyedi esetben csak az egyik következik be).

Az alagúthatásra vonatkozó egyik magyarázat magának az elektromágneses felhőnek a folyamatos és dinamikus átalakulása. Ennek következtében egy adott térrészben annak erőssége – vagyis a leküzdendő potenciálgát – intenzíven változó, annak vannak maximumai és minimumai. A Hannibálos hasonlattal élve az Alpok magassága folyamatosan változó, van hogy a teljesen járhatatlan Himalája van előtte, de megeshet az is, hogy csak egy szelíd dombság, amin nem különösebb erőfeszítés átjutni. Ennek megfelelően viselkedik a töltött részecske is. Van annak bizonyos statisztikai valószínűsége, hogy az elektron gyengébb potenciálgáttal – elektromágneses felhővel – találkozik, mint ami képes lenne megakadályozni az azon való áthaladást, és amikorra újra megjelenik már a nagyobb ellenálló képességű potenciálgát, addigra már az atomon belül van a részecske, vagy már át is haladt rajta.

A másik magyarázat az atomon belüli elektromos viharokon alapul: megeshet, hogy az ennek során létrejött pozitron épp az atomba belépő elektronba ütközik bele és oltják ki egymást. Ilyenkor az elektron természetesen nem lép be az atomba, ugyanakkor a keletkezett elektron-pozitron páros elektron tagja az atomon belül felesleges, így kivetődik abból, így úgy tűnik, mintha áthaladt volna azon. Hasonlattal élve – ez tényleg sántítani fog – lecsap egy villám és Hannibálnak két hasonmása keletkezik, egyik az Alpok egyik, a másik pedig a túlsó oldalán. Emellett az egyik hasonmás ráadásul anti-Hannibál, így ha hozzáér akár a másik hasonmáshoz akár magához Hannibálhoz, akkor azzal együtt eltűnik. Nos, hozzáér, mégpedig az eredetihez, így ők egy újabb villám keretében eltűnnek, ugyanakkor az Alpok déli oldalán ott maradt az egyik Hannibál hasonmás, és senki nem képes arra, hogy megkülönböztesse az eredetitől.