Posted by ნიუტონის კანონების მიხედვით, ორმოში ჩავარდნილი ბურთი უკან ვერასოდეს ამოხტება თუ დამატებით იმპულსს არ მივანიჭებთ მას.
კვანტურ სამყაროში ყველაფერი სხვაგვარადაა. აქ უკვე არა რეალურ ფიზიკურ ორმოზეა საუბარი, არამედ პირობით სიტუაციაზე, როცა ნაწილაკს ენერგიის გარკვეული მარაგი ესაჭიროება, რათა გადალახოს ბარიერი, რომელიც მას ფიზიკოსების მიერ ”პოტენციურ ორმოდ” წოდებული ორმოდან გარეთ გამოსვლაში ეწინააღმდეგება. თუ ბარიერის გარეთ არსებული ენერგეტიკული ველის დაძაბულობის დონე ნაწილაკის ენერგიაზე დაბალია, მას შანსი აქვს ამ ბარიერის გარეთ აღმოჩნდეს, მაშინაც, თუ ამ ნაწილაკის რეალური კინეტიკური ენერგია ბარირის კიდეზე გადასასვლელად არასაკმარისია. ნაწილაკის მიერ პოტენციური ბარიერის სწორედ ასეთ გადასვლას უწოდებენ კვანტური ტუნელირების ეფექტს.
კვანტური მექანიკის მიხედვით, ნაწილაკი აღიწერება ტალღური ფუნქციით, რომელიც ნაწილაკის მდებარეობის ალბათობას განსაზღვრავს დროის მოცემულ მომენტში. თუ ნაწილაკი პოტენციურ ბარიერს ეხლება, შროდინგერის განტოლება (მოკლედ შროდინგერის განტოლების შესახებ) საშაულებას გვაძლევს, მასში ნაწილაკის გასვლის ალბათობა გამოვითვალოთ. ტალღური ფუნქცია არა უბრალოდ ენერგეტიკულად შთაინთქმება ბარიერის მიერ, არამედ ექსპონენციალურად ძალიან სწრაფად მიილევა. სხვანაირად რომ ვთქვათ, კვანტურ სამყაროში, ენერგეტიკული ბარიერი გადღაბნილია, ეწინააღმდეგება ნაწილაკის მოძრაობას, თუმცა არ არის მყარი, გაუვალი კედელი, როგორც ეს ნიუტონის კლასიკურ მექანიკაშია.
თუ ბარიერის ენერგია საკმარისად დაბალია, ან ნაწილაკის ჯამური ენერგია ახლოა ზღვრულთან, ბარიერთან მიახლოებასთან ერთად ტალღური ფუნქცია სწრაფად მიილევა, თუმცა მისი გადალახვის შანსს ნაწილაკს მაინც უტოვებს. ანუ არსებობს გარკვეული ალბათობა, რომ ნაწილაკს აღმოვაჩენთ ბარიერს მიღმა, რაც მაკრო სამყაროში წარმოუდგენელია. თუ ნაწილაკი ბარიერის კიდეს გასცდა, მაშინ იმ ორმოს გარე კედელზე “დაგორდება”, რომლიდანაც ამოვიდა.
კვანტური ტუნელირების ეფექტი შეიძლება განვიხილოთ, როგორც ნაწილაკის ”გაჟონვა” პოტენციურ ბარიერს იქეთ, რის მერეც ნაწილაკი მოძრაობას აგრძელებს. ბუნებაში, ასევე თანამედროვე ტექნოლოგიებში, ასეთი მოვლენების ბევრი მაგალითი არსებობს. ავიღოთ ტიპიური რადიოაქტიური დაშლა (ბირთვული დაშლა და სინთეზი): მძიმე ბირთვი ალფა-ნაწილაკს ასხივებს, რომელიც ორი პროტონისა და ორი ნეიტრონისგან შედგება. ერთის მხრივ, პროცესი ასე შეგვიძლია წარმოვიდგინოთ, რომ მძიმე ბირთვი ამ ალფა ნაწილაკს შიდაბირთვული ძალებით აკავებს, როგორც ორმო აკავებს ბურთს. თუმცა, თუ ალაფა-ნაწილაკს ბირთვული ძალების გადასალახავად საჭირო ენერგია არ გააჩნია, ბირთვიდან მისი მოწყვეტის შანსი მაინც არსებობს. სპონტანურ ალფა-გამოსიხვებაზე დაკვირვებისას, ტუნელირების ეფექტის რეალურად არსებობაში ვრწმუნდებით.
ეფექტის მეორე მნიშვნელოვანი მაგალითი, თერმობირთვული სინთეზია, ვარსკვლავების ენერგიის წყარო. თერმობირთვული სინთეზის ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი ეტაპი დეითერიუმის (!!!) ბირთვების შეჯახებაა, რის შედეგადაც ჰელიუმი წარმოიქმნება, ხოლო ერთი ნეიტრონი კი გამოსხივდება. ერთნაირი მუხტის მქონე ნაწილაკებს შორის უძლიერესი განმზიდველი ძალა მოქმედებს (ამ შემთხვევაში დეითერიუმის პროტონებს შორის), ანუ გვაქვს უძლიერესი პოტენციური ბარიერი. თუმცა, ვარსკვლავის სიღრმეში ისეთი მაღალი ტემპერატურა და წნევაა, რომ ბირთვების ენერგია მათი სინთზის (შერწყმის) ზღვარს უახლოვდება, რის შედეგადაც ტუნელირების ეფექტი იწყებს მოქმედებას, ხდება შერწყმა და ვარსკვლავიც ანათებს.
ტუნელირების ეფექტი, ელექტრონული მიკროსკოპების ტექნოლოგიაში გამოიყენება. მიკროსკოპის მეტალის შუპის წვეტი, საკვლევი მასალის ზედაპირთან ზემცირე მანძილამდე მიჰყავთ. მეტალის ატომთა ელექტრონების გადასვლას საკვლევი მასალის ზედაპირზე პოტენციური ბარიერი ეწინააღმდეგება. საკვლევი მასალის ზედაპირთან შუპის ასეთ ზემცირე მანძილზე მოძრაობით, ასე რომ ვთქვათ, თითოეული ატომის დათვალიერება ხდება. ატომთან უშუალო სიახლოვისას ბარიერი უფრო დაბალია, ვიდრე ამ სიახლოვეებს შორის. შესაბამისად, როცა მოწყობილობა ატომთან მაქსიმალურ სიახლოვეშია, დენი, ტუნელის ეფქტით გაჟონილი ელექტრონების ხარჯზე იზრდა, ხოლო ატომებს შორის შუალედში კი სუსტდება, რაც ზედაპირის დეტალური დათვალიერების საშულებას იძლევა, თითქოს მის ”კარტოგრაფირებას” ვახდენდეთ. აღსანიშნავია, რომ ელექტრონული მიკროსკოპიც ატომური თეორიის სისწორის ერთ-ერთი მტკიცებულებათაგანია (რეზერფორდის ცდა; ბორის ატომი).
ახალი ექსპერიმენტის ჩარჩოებში, ავსტრიელმა მეცნიერებმა, იონების სპონტანური გაცვლის 15 წუთიანი რეაქციის მერე, “გათავისუფლებული” იონების რაოდენობა დაითვალეს. თერმული მოძრაობის გარეშე მცირეა შანსი იმისა, რომ დეიტერიუმის (წყალბადის იზოტოპი ერთი ნეიტრონით) იონი ჩაანაცვლებს წყალბადის ნორმალურ ატომს (H2) ერთ-ერთ მოლეკულაში. თუმცა, ზოგიერთ შემთხვევაში, იონი და მოლეკულა უახლოვდებიან ერთმანეთს და გაცვლა მაინც ხორციელდება, კვანტური ტუნელირების ეფექტის გამო. გაირკვა, რომ სივრცის ერთ კუბურ სანტიმეტრში, კვანტური ტუნელირებით იონების გაცვლის რეაქცია 5 . 10 -20 –ჯერ წამში სიხშირით მიმდინარეობდა.
სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, იონებისა და მოლეკულების მიახლოების ყოველი ასი მილიარდი შემთხვევისთვის, კვანტური იონური გაცვლის მხოლოდ ერთი შემთხვევა ხდებოდა. მიღებული შედეგები ძალიან, ძალიან კარგად ეთანხმება წინა თეორიული გამოთვლების შედეგებს.
კვანტური ტუნელირების ეფექტის როლის გააზრებამ, მოლეკულებად ატომების სინთეზისა და გადაწყობის პროცესებში, ისეთი რეაქციების უკეთ გაგებაში დაგვეხმარება, რომლებიც ვარსკვლავთშორისი და გალაქტიკათშორისი კოსმოსის ცივ პირობებში მიმდინარეობს. გარდა ამისა, იმავე ეფექტს შეუძლია საკმაოდ მნიშვნელოვანი როლი ითამაშოს თერმობირთვული შერწყმის (სინთეზი) რეაქციებში, რომელთა მართვას და სუფთა ენერგიის წყაროდ ქცევას კაცობრიობა ახლა ცდილობს (თერმობირთვული რეაქტორის კედლების უჩვეულო დაცვა).