Kuantum Tünelleme Nedir?

En küçük ölçekte baktığımızda dünya, son derece tuhaftır. İşler bir atomun boyutuna indiğinde, makroskopik dünyamızı yöneten mekanikler artık geçerli değildir.

Kuantum kurallarına göre, elektronlar hem parçacık hem de dalga gibi davranabilir ve nesneler aynı anda farklı durumlarda olabilir. Bu ikilik, kuantum bilgisayarlar gibi sıra dışı teknolojileri mümkün kılmaktadır. Bilim insanlarının kuantum matematiğini incelerken keşfettiği en garip şeylerden biriyse, tünelleme olgusudur.

Kuantum Tünelleme Nedir?

Bir elektron veya proton gibi kuantum mekaniksel bir parçacığı, potansiyel bir enerji tepesindeki bir boşluğa bıraktığınızı hayal edin. Parçacığın kaçamayacağından emin olduğunuzda, yani tepeye tırmanacak kadar enerjiye sahip olmadığından emin olduğunuz zaman, onu kendi haline bırakın. Sürpriz! Eğer parçacığın vaziyetini kontrol etmek için tekrar baktığınızda, parçacık yok olmuş olacaktır. Onun, tepenin diğer tarafına "gizlice" geçtiğini ve orada mutlu bir şekilde durduğunu görürsünüz.

Ama bu nasıl olabilir? İşte tünellenebilir parçacıklar, normalde aşacak enerjiye sahip olmadıkları enerji bariyerlerinden kolayca geçebilirler. Sizin parçacığınız da, normalde aşamayacağı tepeyi, tünelleme yoluyla aşmış ve öteki tarafa geçmiştir.

Bu durum, "fizik kanunları" olarak düşündüğünüz her şeye aykırı mı geliyor? Bunu 1927'de ilk keşfeden bilim insanlarının da düşündüğü şey buydu! Ancak bugün, kuantum dünyasında tünellemenin oldukça yaygın bir olgu olduğunu biliyoruz. Öyle ki; bilgisayarlarımızı ve telefonlarımızı mümkün kılan yarı iletkenler, transistörler ve diyotlar gibi teknolojiler, bu olgu olmasaydı çalışamazdı.

Yaygınlığını biliyor olsak bile tünelleme kavramı, aradan geçen bir asırdan sonra hala bize bazı sürprizler yaşatmaya devam ediyor. Sadece 2016 yılında araştırmacılar, simetrik kümeler içindeki kristal kanal tünellerinde hapsolmuş suyun olduğunu keşfettiler. Bu o kadar tuhaf bir gözlemdi ki araştırmacılar, "suyun yeni durumunu" keşfettiklerini ilan ettiler.

Tünellemenin Gerçek Olduğunu Nasıl Anlarız?

Şöyle diyelim: Tünelleme, Güneş'in parlayabilmesinin asıl nedenidir.

Çoğu yıldız; protonları füzyon denen bir süreç ile helyum çekirdeklerine kaynaştırır ve bu süreçte muazzam miktarda enerji açığa çıkarır. Sorun şu: Evet, bizim Güneş'imiz sıcak sıcak olmasına; ancak Güneş, protonlarının karşılıklı elektrostatik itiminin üstesinden gelebilecek kadar sıcak değil! Ancak ufacık bir tünellenme olasılığı (10²⁸'de 1) bazı parçacıkların bu itici bariyeri aşmasını sağlıyor.

Güneş, aşırı miktarda hidrojene sahip olduğu için, bu küçücük olasılık, Dünya'daki yaşamı da mümkün kılabilecek düzeyde ışık ve ısı üreten, saniyede 10³⁸ füzyon olayına karşılık gelir. Unutmayın: Olasılıklar, tek başına anlamsızdır. Önemli olan, o olasılığın ne sıklıkla denendiği ve tekrar edildiğidir. Bir paranın 4 kere üst üste yazı gelme ihtimali 16'da 1'dir; ancak 16.000 tane parayı aynı anda ve üst üste atarsanız, bırakın 4 tanesini, onlarcası üst üste yazı gelebilecektir. Güneş'te olan da budur.

Kuantum Tünelleme Nasıl Çalışır?

Tünelleme, aslında olan biteni anlatmak konusunda berbat bir tercihtir; çünkü bu terim, bir duvardan geçiveren bir parçacığı ima ediyormuş gibi anlaşılabilir (yani kuantum tünelleme, bilim insanlarının kötü isimlendirdiği olgulardan bir diğeridir). Aslında kuantum tünelleme sürecinde; hiçbir delik, tünel veya başka herhangi bir açıklık söz konusu değildir.

Bunun yerine, kuantum mekaniğinin temel kavramını kullanmalıyız: olasılık. Bir parçacık, en nihayetinde "salınan bir dalga" olarak tanımlanabilir ve genliği, onun belirli bir yerde bulma olasılığını temsil eder. Bir engelle karşılaşıldığında, bu dalga aniden bitmez. Bunun yerine, daha küçük bir genlikle de olsa, bariyerin içinde ve uzak tarafında bu dalga devam eder.

Tünelleme, bir engelin uzak tarafında bir parçacık bulma olasılığıdır. Bir parçacık ne kadar hafif ve bariyer ne kadar küçük ve dar olursa, bu ufak olasılık o kadar olası hale gelir.

Tünelleme, Sadece Fizikçileri ve Mühendisleri İlgilendirmez!

Sentetik kimyagerler, tünelleme olgusunu görmezden gelme eğilimindedir. Ancak bu olay, başka türlü gerçekleşemeyecek kimyasal tepkimeleri de tetikleyebilir.

Örneğin yıldızlararası bulutlar o kadar soğuktur ki (sıcaklıkları -250°C'den daha düşük olabilir), bu bulutlarda aslında hiçbir reaksiyon meydana gelmemelidi; ancak bu bulutların içerisinde su ve formaldehit bulunur! Su ve formaldehit, muhtemelen tünelleme reaktivitesiyle oluşan bileşiklerdir.

Bilim insanları doğada daha fazla tünelleme aradıkça, bu olguya daha da fazla rastlıyorlar. Örneğin yapılan bir araştırmada, aslında kuantum olaylarını gözlemek için çok büyük olan triflorometil gruplarının, bir bütün halinde enerji bariyerlerinden geçebildiği keşfedildi.^[1] Benzer şekilde, hidrojen atomlarının uzun mesafelerde tünellenebildiği bilinmektedir.^[2] Hatta bu olay o kadar yaygındır ki, 2 hidrojen atomunun birbiri ardına tünellendiği durumlar bile keşfedilmiştir.^[3]

Bazı araştırmacılar, reaksiyonlar sırasında kinetik ve termodinamik parametrelerin kontrol edildiği şekilde, tünellemeyi de kontrol etmeyi umuyorlar. Eğer bunu başarabilirlerse bu tür bir kontrol, kimyagerler kullanabileceği bir dizi yeni reaktifliği ve seçiciliği mümkün kılabilir.^[4]

Ayrıca tünellemenin pratik faydaları da gözden kaçırılmamalı: Eğer tünelleme olmasaydı, kimyagerlerin atomları tek tek görmesine olanak tanıyan taramalı tünelleme mikroskobu gibi araçlar da var olamazdı.^[5]

İnsanları Tünelleyebilir miyiz?

Teknik olarak evet, yapabilirsiniz. Ancak tünelleme olasılıkları, bir nesnenin kütlesine bağlı olarak ciddi anlamda değişiklik göstermektedir: Kütle ne kadar büyükse, tünelleme ihtimali de o kadar azalmaktadır. Örneğin bir elektron 9x10^-31 kilogram ağırlığındadır; bir insan ise 70 kilogram civarındadır. Oxford Üniversitesi'nden fizik mezunu Jack Fraser, şöyle anlatıyor:

Evrenin başlangıcından bu yana, yani 13,8 milyar yıl öncesinden bugüne dek, 1 trilyon insan, her 1 saniyede 1 trilyon kez duvarların içine doğru yürüseydi, bunlardan sadece 1 tanesinin bile duvarın ötesine tünellenme ihtimali pratik olarak sıfır olurdu.

Ancak bir insan, bir bütün olarak tünellenemeyecek olsa da, aslında vücudumuzun içinde çok sayıda tünel oluşuyor olabilir. Bazı araştırmacılar, özellikle de karbon-hidrojen bağlarını aktive eden enzimlerin, hidrojen atomunun tünellemesini hızlandırabildiğini düşünüyorlar.^[6] Örneğin, bu enzimlerden biri alkol dehidrojenaz enzimidir. Bu enzim, etanolü; bir gece gereğinden fazla içki içtiğinizde, ertesi gün baş ağrısı, baş dönmesi ve mide bulantısı yaşamanıza neden olan bileşiğe, yani asetaldehide dönüştürür.

İşte tam da bu nedenle, bir dahaki sefere akşamdan kalma birine yardımcı olurken, onu bu berbat duruma sokan şeyin kuantum tünelleme etkisi olduğunu düşünebilirsiniz.