Mamy zatem do czynienia z pierwszą w historii próbą oszacowania częstotliwości występowania zjawiska tunelowego w naturze. To spore osiągnięcie, bowiem istniejące dotychczas obliczenia czysto teoretyczne uznawano za wysoce niepewne. Jak się jednak okazuje, choć sceptycyzm w nauce jest bardzo zdrowy, to tym razem dane obserwacyjne zdają się potwierdzać wcześniejsze obliczenia teoretyczne. Jedno zatem jest pewne, do zjawiska tunelowego dochodzi niezwykle rzadko, średnio raz na sto miliardów przypadków.
Tunelowanie kwantowe to jeden z najlepszych dowodów na to, że świat nie jest taki prosty, jak może się wydawać. Fizyka klasyczna jest w stanie w dużej mierze precyzyjnie opisać zjawiska i procesy zachodzące w otaczającym nas świecie. Istnieje jednak pewien wycinek rzeczywistości, którego zasady fizyki klasycznej nie są w stanie opisać, a nawet więcej, który stoi wprost w sprzeczności z zasadami tejże fizyki.
Czytaj także: Tunel czasoprzestrzenny w laboratorium brzmi jak wymysł? No to pierwsze kroki już za nami
W tym konkretnym przypadku mamy do czynienia z cząstkami subatomowymi posiadającymi określoną energię, które napotykają na swojej drodze barierę, której przekroczenie wymaga energii większej, niż ta cząstka posiada. Według zasad fizyki klasycznej cząstka nieposiadająca wystarczającej energii nie jest w stanie przebić takiej bariery. Okazuje się jednak, że raz na jakiś czas — średnio raz na sto miliardów przypadków — cząstka o energii niższej niż energia bariery potencjału jest w stanie mimo wszystko przez nią przeniknąć.
Jak to możliwe? Według naukowców wynika to z natury falowo-cząsteczkowej takich obiektów jak elektrony. O ile typowa cząstka nie byłaby w stanie przeniknąć przez barierę potencjału, fala czasami jednak może tego dokonać.
W artykule naukowym opublikowanym przez fizyków z Uniwersytetu w Innsbrucku możemy przeczytać o udanej próbie pomiaru reakcji zachodzących między cząsteczką wodoru a anionem deuteru. Autorzy opracowania przyznają, że jest to najwolniejsza reakcja z udziałem naładowanej cząstki, jaką jak dotąd udało się zaobserwować.
Badana przez naukowców reakcja chemiczna polega na przesunięciu pomiędzy cząsteczką wodoru złożoną z dwóch atomów wodoru a atomem składającym się z protonu i neutronu, wokół których krążą dwa elektrony. Po zakończeniu reakcji jeden ze składników cząsteczki ma neutron, a drugi, wciąż naładowany ujemnie, neutronów już nie ma.
Warto tutaj zauważyć, że w skali kosmicznej takie zdarzenia zdarzają się bardzo często. Wynika to z faktu, że wodór jest najpowszechniej występującym pierwiastkiem we wszechświecie. Mimo tego szanse na spotkanie cząsteczki wodoru z deuterem są niezwykle małe. Co więcej, jeśli mamy mieć jakąkolwiek nadzieję na modelowanie bardziej złożonych przypadków tunelowania kwantowego, najpierw musimy oprzeć się na pomiarach przykładów znacznie prostszych.
Jak jednak zmierzyć tak rzadko występujące zdarzenia? Naukowcy z Innsbrucka eksperymentalnie przetestowali częstotliwość występowania takich zdarzeń, wypełniając pułapkę mieszanką jonów deuteru schłodzonych do 10 K (ogrzanych w wyniku zderzeń do 15 K) i gazowego wodoru. W tych temperaturach transfer jest klasycznie niemożliwy, ale obecność ujemnie naładowanych jonów wodoru po 15 minutach dowiodła, że jednak do takich zdarzeń dochodzi, nawet jeżeli rzadko.
Wnioski z eksperymentu były następujące: do zdarzenia tunelowego dochodzi raz na sto miliardów razy, gdy dochodzi do zderzenia anionu deuteru z cząsteczką wodoru. To mała wartość, ale trzeba pamiętać, że nawet niewielka objętość gazu zawiera wiele miliardów cząstek. Wystarczy zatem dodać odpowiednią ilość deuteru, a tunelowanie będzie się pojawiało co chwilę. Pozornie zatem przeprowadzenie takiego pomiaru może wydawać się proste. Pomysł na eksperyment opracowany został już 15 lat temu, ale tunelowanie jest tak rzadkie, że skonstruowanie odpowiedniego eksperymentu, w którym można by go było zmierzyć, wymagało znacznego wysiłku.