Pobawmy się z nowo poznanym Wielkoludem Bogumiłem który w górach niczym dziecko w piaskownicy turla kulkę (naprawdę wielką kulkę). Boguś bierze „piłeczkę” i umieszcza ją na szczycie góry, by stoczyła się do doliny. Normalnie taka piłeczka dotoczy się do dna, po czym – niczym ambitny turysta – spróbuje wtoczyć się na kolejne wzgórze. Ale siłą rzeczy zabraknie jej energii, więc znowu się stoczy. I tak raz za razem – aż w końcu się zatrzyma w dolinie.
Bogumił, jak to Wielkolud, chce czegoś więcej. Chce, by piłka zdołała wtoczyć się na kolejną górę i stoczyć do innej doliny. A więc musi jej dodać energii – może dmuchnąć, może popchnąć. Tak działa nasz świat. Jednak w pewnym momencie dzieje się coś dziwnego. Piłeczka stacza się do doliny, ale zamiast próbować zdobyć kolejne wzniesienie … znika. Boguś, zdezorientowany, rozgląda się. I co widzi? Piłeczka jest. Ale… w sąsiedniej dolinie. Tak, jakby przeniknęła przez górę. Jakby zignorowała całe to wspinanie się i po prostu poszła na skróty. Czy to magia? Nie. To kwantowa rzeczywistość.
W normalnym świecie (naszym lub naszego nowego przyjaciela Wielkoluda Bogusia) było by to niemożliwe i uchodziło wręcz za magię. Nie lubimy magii i zdarzało się nam nawet czasami kogoś spalić tylko dla tego, że próbował z niej korzystać. Jest jednak świat niezmiernie mały, nie wielkości mrówki, nie wielkości komórki w Twoim ciele. Powiem więcej jest to świat nawet mniejszy od atomu! Tak, ten mały stwór nazwany z greckiego „átomos” czyli niepodzielny (a dokładniej: ἄτομος – átomos (od α-, „nie-” + τέμνω – temno, „ciąć”) ma jeszcze „w sobie” mniejsze elementy a te składają się z jeszcze mniejszych! Ciekawe, hehe to jeszcze nic. To nowy dziwny świat.
W świecie kwantów, czyli na poziomie atomów, elektronów i innych cząstek, nie obowiązują już nasze klasyczne zasady. Cząstka nie jest jak twarda kulka. Jest rozmyta. Jest chmurką.
Tu muszę coś wyjaśnić. Ta chmurka to nie jest jakiś dym, gaz czy para unosząca się nad filiżanką kakao. To coś znacznie bardziej abstrakcyjnego. Fizycy nazywają to chmurką prawdopodobieństwa – a dokładnie: funkcją falową. To nie znaczy, że cząstka jest wszędzie naraz, tylko że nie da się dokładnie powiedzieć, gdzie ona jest – dopóki jej nie „złapiesz” albo nie zmierzysz. Można tylko obliczyć, gdzie najbardziej lubi przebywać.
Innymi słowy: jeśli elektron to niesforne dziecko, a funkcja falowa mówi nam, w którym kącie pokoju jest największa szansa, że je znajdziesz. Może pod stołem? A może w kuchni przy ciastkach?
I właśnie ta niezwykła właściwość cząstek – by być jednocześnie tu i tam, ale tylko „trochę” – sprawia, że mogą przeniknąć przez barierę (o niej za chwilę), mimo że nie mają dość energii, żeby to zrobić tak jak spodziewał się nasz kolega Boguś.
Dlaczego to takie dziwne? Otóż, gdyby Boguś zamknął oczy i puścił swoją piłkę z góry do doliny, nie wiedziałby, gdzie dokładnie ona się znajduje. Może jeszcze się toczy? Może już leży w dolinie? A może – o zgrozo – przeskoczyła do innej doliny? Prawdopodobnie byłaby gdzieś tam… ale dopóki Boguś nie otworzy oczu i nie spojrzy – nie będzie tego wiedział na pewno.
I właśnie tak działa świat kwantowy. Cząstka nie ma jednego, konkretnego miejsca – dopóki nie dokonamy pomiaru, czyli – w naszym przykładzie – dopóki Boguś nie otworzy oczu.
Świetnie! Skoro Boguś już otworzył oczy i odkrył, że piłeczka znalazła się po drugiej stronie góry, czas przyjrzeć się samej górze. Czyli: barierze, która powinna zatrzymać piłkę – albo cząstkę – a jednak… nie zatrzymała.
Góra nie do zdobycia, czyli czym są bariery energetyczne
Zastanówmy się: co właściwie oznacza ta cała bariera, przez którą piłeczka przetunelowała się w sąsiednią dolinę? W fizyce kwantowej bariera energetyczna to nie jakaś ściana z cegieł. To raczej taki obszar, w którym cząstka potrzebowałaby więcej energii, niż aktualnie ma, żeby się przez niego przedostać. Trochę jak strome zbocze, którego nie da się przejść bez porządnego śniadania i kubka gorącej czekolady.
Ale… nie świat kwantów.
W świecie bardzo małych rzeczy (elektronów, neutronów, mionów i innych końców na -on), okazuje się, że taka bariera to nie absolutny zakaz, tylko… utrudnienie. Co więcej, jeśli bariera jest wystarczająco cienka (np. kilka nanometrów), to cząstka może przeniknąć przez nią – nawet jeśli nie ma wystarczającej energii. Naukowcy mówią (lub piszą) o niezerowej szansie na coś takiego. To ciekawe określenie, obrazujące, że tak naprawdę to praktycznie nie ma możliwości na coś takiego ale może się zdarzyć, w innych sytuacjach przecież mówimy że coś może się wydarzyć lub jest bardzo prawdopodobne że się wydarzy. Tutaj jednak mamy niezerową szansę, spróbujcie do sobie określić jako „to praktycznie niemożliwe, ale mimo to może się wydarzyć”
Jeżeli to się wydarzy to znaczy, że doświadczyliśmy tunelowania kwantowego. Czyli to właśnie to sprawiło, że nasz ukochany Boguś trochę się zmieszał, a może i przestraszył. Nie był pierwszy!
Podobnie czuł się w latach 20. XX wieku George Gamow – rosyjski fizyk, który zastanawiał się nad czymś bardzo dziwnym: Dlaczego niektóre atomy są promieniotwórcze? Czyli – czemu ich jądra nagle wypluwają cząstki (np. cząstki alfa), mimo że według znanych wtedy zasad fizyki nie miały prawa tego robić?
W jądrach atomowych siedzą sobie protony i neutrony, ściśnięte razem w gęstą paczkę. Cząstka alfa (czyli 2 protony i 2 neutrony – taki mały hel) nie powinna mieć wystarczająco dużo energii, żeby wydostać się z tego jądra. Powinna tam tkwić na zawsze. A jednak – znikała z wnętrza i nagle pojawiała się na zewnątrz.
Gamow pomyślał: A co jeśli… cząstka wcale nie przeskakuje przez barierę jądra? A co jeśli ona po prostu… przechodzi przez nią, jakby była mgłą? Takie „angielskie wyjście” Pan Gamow wymyślił coś, co wtedy brzmiało absurdalnie, ale dziś znamy jako tunelowanie kwantowe.
I miał rację. Model tunelowania idealnie wyjaśniał szybkość i charakter promieniotwórczości. Od tamtej pory zaczęto zdawać sobie sprawę, że kwantowy świat działa na własnych zasadach, a my – chcąc nie chcąc – musimy się do nich dostosować.
A na co to komu potrzebne?
Tunelowanie brzmi jak magia i wydaje się głupie, ale jeżeli cos jest głupie a działa to czy jest głupie?
– Chociaż to skomplikowane to bez tunelowania nie świeciło by słońce, tam działa to (w największym uproszczeniu) że na miliardy reakcji trafi się jedno tunelowanie ale wszystkich reakcji jest tak dużo, ze zjawisko tunelowania jest w jądrze słońca tak powszechne jak to, że dzieci nie słuchają rodziców. Niby rzadko… ale jednak ciągle
– Bez Tunelowania nie było by sporej części współczesnej elektroniki np. niektórych tranzystorów czy pamięci flash.
– Nie było by też urządzenia które zainspirowało mnie do napisania tego tekstu. Chodzi o mikroskop tunelowy. Wynalazek, który dotyka atomu nie dotykając go. Musiano go skonstruować z prostej przyczyny: my, ludzie (ale chyba też i Boguś), widzimy dzięki światłu. Światło odbija się od przedmiotów, wpada do naszych oczu – i voila, mamy obraz świata. Ale tu pojawia się problem.
Światło… jest za grube.
Nie, nie od burgerów czy pizzy – tylko z natury rzeczy. Każdy promień światła to tak naprawdę fala elektromagnetyczna, która ma swoją długość. A fala światła widzialnego jest kilkadziesiąt razy większa niż atom! W dużym uproszczeniu: Jeśli chcesz zobaczyć coś, fala, którą używasz, musi być mniejsza albo przynajmniej porównywalna z rozmiarem tego czegoś. Więc światło się od atomów nie odbija tak, byśmy mogli to zarejestrować. I dlatego pod zwykłym mikroskopem atomy są niewidzialne.
Co z tym zrobić?
Trzeba było wymyślić coś sprytniejszego. Coś cieńszego niż światło. Coś, co mogłoby „poczuć” atom bez konieczności patrzenia na niego. Trochę się naszukano. Pierwsze pomysły związane z tunelowaniem pojawiły się już w latach 20. XX wieku – wtedy, gdy pan Gamow próbował zrozumieć, czemu jądra atomowe rozsypują się same z siebie. Ale to były czasy, kiedy kwantowa teoria była jeszcze jak noworodek – trochę krzyczała, trochę nie umiała chodzić, a wszyscy wokół się nią ekscytowali, nie do końca wiedząc dlaczego. Coś tam już o tym panu pisaliśmy.
Potem minęły dekady. Rozwinęła się elektronika, pojawiły się tranzystory, a komputery zaczęły wypełniać całe pokoje (i nie były wcale mądrzejsze od kalkulatora). Ale technologia dojrzewała. I w końcu ktoś wpadł na pomysł:
A gdyby tak użyć zjawiska tunelowania… do zbudowania mikroskopu?
Brzmi jak szaleństwo? Pewnie. Ale właśnie dlatego działa. W 1981 roku dwaj naukowcy z laboratorium IBM w Zurychu – Heinrich Rohrer i Gerd Binnig – zbudowali coś, co dziś nazywamy mikroskopem tunelowym, czyli STM (Scanning Tunneling Microscope). I choć na pierwszy rzut oka wyglądał jak coś między durszlakiem a ramieniem Terminatora, to był to przełom. To było coś innego. Coś dziwnego. Coś, czego na pewno nie dalibyśmy Bogusiowi do zabawy – chyba że chcielibyśmy, żeby przypadkiem przesunął kilka atomów i napisał „Bogumił tu był”.
To trochę jak płyta winylowa (taka czarna) albo płyta CD/DVD (ta mała kolorowa).
Tam igła albo laser skanują powierzchnię i to, co odkryją, zamieniają na malutkie impulsy elektryczne. Potem procesory to analizują i – w zależności od rodzaju płyty – odtwarzają muzykę albo pokazują film.
W mikroskopie Skaningowo Tunelowym (STM) dzieje się coś bardzo podobnego.
Malutka igła zawieszona jest nad powierzchnią badanej próbki – tak blisko, że dzieli je dystans rzędu pojedynczych atomów.
I teraz dzieje się magia kwantowa: między igłą a próbką (czyli w tej maleńkiej przestrzeni próżni) zaczyna płynąć prąd tunelowy. On jest tak malutki, że normalnie nikt by go nie zauważył – ale fizycy mają sposoby, żeby go zmierzyć.
Gdy igła przesuwa się nad powierzchnią, prąd raz się pojawia, raz znika, raz rośnie, raz maleje – wszystko zależy od tego, jak blisko igła znajduje się atomów na powierzchni. Komputer rejestruje te zmiany i na tej podstawie buduje obraz powierzchni – jak mapa wysokości.
I teraz najfajniejsze: pamiętacie żart o „Bogumił tu był”? To nie jest żart! Igłą mikroskopu naprawdę można przesuwać pojedyncze atomy. I faktycznie ktoś już kiedyś napisał atomami słowo „IBM”. To było jedno z pierwszych zdjęć pokazujących, że możemy nie tylko patrzeć na świat atomów, ale i układać go niczym klocki LEGO.
Nie będę opisywał konstrukcji całego urządzenia, bo to piekielnie skomplikowane monstrum – ale zasada działania jest właśnie taka.
No i widzicie – zaczęło się od piłeczki turlanej przez Bogusia, a skończyło na maszynie, która pozwala układać piłeczki wielkości atomu. Od zabawy w górach do zabawy w kwantach. A to dopiero początek – bo kto wie, co jeszcze uda nam się zbudować, kiedy znów uwierzymy, że niemożliwe wcale nie jest takie niemożliwe?
Do następnego artykułu
Aleksander Marcin Sanetra