¿Qué causa el túnel cuántico?

Este es un enfoque hacia atrás. Intenta preguntar lo mismo de cualquier propiedad fundamental.

Q1: ¿Qué causa que los electrones tengan -1 unidad de carga?

A1: Uh, ¿vienes de nuevo?

P2: ¿Qué hace que un objeto en movimiento permanezca en movimiento a menos que las fuerzas externas actúen sobre él?

A2: lo siento … ¿qué?

P3: ¿Qué hace que una pelota sea esférica?

A3: Ahora solo me estás tomando el pelo. Claramente, llamamos bolas a un cierto tipo de objetos esféricos … Si no fuera esférico, no lo llamaríamos bola. ¿Ves cómo lo conseguiste todo al revés?

P4: ¿Qué causa que la radiación electromagnética de alta energía “libere” electrones de las superficies metálicas?

A4: Bien, detengámonos ahí …

Aquí hay una forma más útil de verlo: miramos el mundo y dejamos que decida cómo son nuestros modelos. Este es el último control de cordura. Cada vez que intentamos hacerlo al revés, inventamos un modelo y luego esperamos / esperamos encontrar apoyo para él en realidad, ¡fallamos en prácticamente todas las instancias! El colapso de la función de onda viene a la mente como el fracaso fantástico de algunas mentes fantásticas; mente ⇒ modelo ⇒ la realidad no funciona .

Estoy divagando. Dado que la realidad da forma al modelo, la realidad ⇒ modelo, nunca podremos mirar el modelo y encontrar una causa para algo en la realidad. La razón por la que podemos hacer predicciones sobre cosas nuevas de nuestros modelos de realidad es porque hay más realidad codificada en el modelo de lo que notamos inicialmente. Nuevamente, esto no significa que la causa esté codificada; Hay una diferencia de categoría entre a) la realidad que actúa de cierta manera, yb) que existe una causa para su comportamiento.

Con respecto a Q1 , podemos construir una pregunta similar: ¿Cómo es que el protón tiene +1 unidad de carga? Algunos pueden encontrar que es causada por sus quarks constituyentes. Pero dado que estos quarks son fundamentales y no tienen por qué ser como son, el argumento no resiste el escrutinio.

Por supuesto, es muy útil que nuestro modelo incorpore estas propiedades con respecto a los quarks, pero el punto es que no hay causas para que la realidad sea como es. Tendría más sentido decir que podemos identificar situaciones en las que la carga de unidad +1 surge de trillizos de quarks; no sabemos por qué lo hace, solo cuando lo hace.

Las respuestas dadas a continuación no son muy buenas.

En el túnel, una partícula incidente en un lado de un potencial puede tener una probabilidad no despreciable de encontrarse en el otro lado, incluso si el potencial es mayor que la energía de la partícula. En física clásica, esto no sería posible.

Los sistemas cuánticos se caracterizan por objetos matemáticos llamados observables. Un observable tiene un conjunto de valores asociados que le dan los posibles resultados de las mediciones en esos observables. Hay un observable asociado con si una partícula está presente en alguna región o no. Este observable, combinado con el estado del sistema da la probabilidad de encontrar la partícula en esa región.

El movimiento de un sistema cuántico se describe mediante una ecuación de movimiento local. Tal ecuación dice que el valor del observable para determinar si una partícula está en una región dada es una función del valor de ese observable en regiones cercanas. Además, la probabilidad de encontrar una partícula en una región determinada solo puede cambiar continuamente sobre un límite, como el límite entre una región de bajo y alto potencial. Por lo tanto, tiene que haber una probabilidad distinta de cero para que la partícula esté dentro de la barrera potencial y también debe haber una probabilidad distinta de cero para que esté del otro lado.

Ahora, esto parece muy diferente del tipo de comportamiento que ves que exhiben los objetos en la vida cotidiana. Por ejemplo, si intentas rodar una pelota cuesta arriba, no la verás del otro lado si no la haces rodar lo suficiente. La pelota debe tener suficiente energía para superar la colina. Este tipo de diferencia a menudo se oculta por personas que dicen cosas como ‘la física cuántica solo se aplica a objetos microscópicos’, pero esto está mal. La física cuántica describe las interacciones entre partículas como electrones y protones, etc. Todos los objetos que ves en la vida cotidiana están hechos de tales partículas, por lo que la física cuántica también debe describirlos, o es falso. Por lo tanto, es importante comprender la razón de la diferencia en lugar de pretender que la física cuántica se trata solo de sistemas pequeños.

El problema se resuelve al darse cuenta de que, aunque la partícula puede tener una probabilidad distinta de cero de estar en la barrera potencial, esa probabilidad disminuye muy rápidamente en una distancia que disminuye a medida que aumenta la masa y la diferencia de energía entre la barrera y la partícula aumenta Entonces, cuanto mayor es la diferencia de masa y energía, más rápido disminuye la probabilidad. Ahora, si la masa de la partícula es pequeña y la diferencia de energía es pequeña, entonces la partícula puede tener una probabilidad no despreciable de tunelización, pero si la diferencia de masa y energía es demasiado grande, como para una bola ordinaria rodando una colina , entonces el túnel es insignificante.