Pontosan mi az az alagút hatás? És miért van úgy ahogy?

[link] szívesen.

Képzeld el azt, hogy van egy mély völgyed. Ki szeretnél menni ebből a völgyből mondjuk egy kiskocsival. A kiskocsit megtudod lökni az elején, így adsz neki némi kinetikus energiát, ahogy haladsz kifelé a völgyből, s egyben egyre magasabbra mész, úgy csökken a sebességed, tehát a kinetikus energiád is, minden veszteségtől eltekintve ekkor a kinetikus energiád azért fogy, mert átalakul (gravitációs)potenciális energiává. Minél magasabbra jutsz, annál több potenciális energiád lesz. Tehát a sebességcsökkenésedért egyre magasabbra jutsz. Akkor tudsz csak kijutni a völgyből, ha elegendő kinetikus energiát adtál magadnak, ennek mennyisége pontosan annyinak kell lennie, mint amekkora potenciális energia tartozik a völgy szélén lévő magaslathoz, hiszen csak ekkor tudsz kiérni a völgyből. Ha több energiát adsz magadnak, akkor el is tudsz menni a völgytől a magaslat másik oldalára. Ez a klasszikus kép, a klasszikus vonatkoztatási pont. Képzeld el azt, hogy a völgy felszínéhez húzunk egy görbét, nevezzük ezt a potenciális energiát leíró görbének a tér függvényében. Ekkor a völgy szélén álló magaslatot nevezhetjük potenciálgátnak. Ahhoz hogy átmenj rajta megfelelő mennyiségű energia kell, különben visszagurulsz. Mikor bejött a képbe a kvantummechanika és áttértünk a determinisztikus alapokról a valószínűségszámításos alapokra, akkor a számolásnál az jött ki, hogy van bizonyos valószínűsége annak is, hogy a részecske, klasszikus vonatkoztatásban kisautód átjusson a potenciálgát túloldalára, - amennyiben az véges nagyságú - akkor is, ha energiája kisebb, mint a potenciálgáté. Klasszikusan ez annak felelne meg, hogy elindulsz a völgyben, de nincs annyi energiád hogy felérj a magaslatra, majd átmenj a magaslat másik oldalára, de ennek ellenére mégis átjutsz a magaslat másik oldalára. Ez hogy valósulhat meg a valóságban? Ha fúrunk egy alagutat a magaslatban, így nem kell a magaslat tetejéig felmenni, hogy átjuss a másik oldalára. Innen kapta ez a jelenség az alagúteffektus nevet. A részecskének, mely potenciálgödörbe van zárva nem rendelkezik elegendő energiával a potenciálgát megugrásához, mégis van valamennyi valószínűsége annak, hogy megjelenik a potenciálgát túloldalán. Egyébként valahogy így működik a radioaktív bomlás is. A Yukawa-potenciált, - ami az atommagoknál van, egy nagy energiájú potenciálfal, tekinthetjük potenciálgödörnek is - nem képesek megugrani a részecskék energiái, így a bomlás csak alagúteffektussal tud megtörténni. Pontosan ezért sztochasztikus, azaz teljesen véletlenszerű az egész folyamat.

Az alagúteffektust jobb nem úgy elképzelni, mintha a részecske ténylegesen egy alagúton akarna kijutni. Ez az elnevezés csak egy szemléletes kép, ami onnan ered, hogy a mi nemkvantumos héköznapi valóságunkhoz szokott szemléletünk az alagúteffektusra egy emészthető magyarázatot, illetve elnevezést keres. De attól még nem szabad elfelejteni, hogy a részecske nem egy ágyúgyolyó, hanem nagyjából egy hullámcsomag, amelynek nincs pontos helye addig, amíg meg nem mérjük. Az alagutazás kényege, hogy a részecske hullámfüggvénye a potenciálgát túloldalán sem nulla, vagyis van esélye annak, hogy megmérve a részecske helyét, az a gáton kívülre kerül. Nem igazán van értelme azt kérdezni, hogy hol van a részecske, miközben épp alagutazik, hiszen akkor épp nem mérjük. Azt van értelme kérdezni, hogy at alagúthatás bekövetkezése előtt a részecskét milyen összetevőjű hullámcsomaggal lehet leírni, illetve utána hogy néz ki ez a hullámcsomag. És ekkor derül ki az, hogy az egyes hullámösszetevők sebessége (fázissebesség) hiába nagyobb a fénysebességnél, a csomag sebessége (csoportsebesség) nem éri el azt. De ebből is látszik, hogy nem lehet a részecske alagutazás közbeni helyéről beszélni, mivel a hely fogalma nem jól definiált dolog és végig hullámkomponensekről van szó, nem részecskéről. Egyes komponensek sebessége túllépheti a c-t, de a részecskét reprezentáló csomag sebessége, a csoportsebesség nem. Ezért nem sérti ez a relativitáselméletet.

Érdekes, hogy a wikipédián nem említik az optikai alagúthatást, pedig az is oda tartozik, ráadásul tisztán klasszikus hullámtannal magyarázható.