6.6 Terowong kuantum

Laman Utama ／ Bab 6: Alam Kuantum

I. Fenomena dan persoalan yang mudah dilihat

• Peleraian alfa: sesetengah nukleus memancarkan zarah alfa secara spontan. Secara klasik, “dinding” keupayaan di luar terlalu tinggi untuk diatasi, namun sesekali zarah tetap berjaya keluar.
• Mikroskop terowong imbas: apabila hujung jarum logam yang sangat tajam didekatkan ke sampel merentas sela vakum berskala nanometer, arus menurun hampir secara eksponen apabila sela bertambah, tetapi tidak pernah menjadi sifar.
• Terowong Josephson: dua bahan superkonduktor yang dipisahkan oleh penebat nipis masih mengekalkan arus terus pada voltan sifar; apabila diberi voltan terus yang sangat kecil, terhasil arus ulang-alik pada frekuensi tertentu.
• Diod terowong resonan / struktur dwi-halangan: lengkung arus–voltan mempamerkan puncak tajam dan rintangan pembeza negatif, menandakan “tenaga tertentu lebih mudah menembusi”.
• Pancaran akibat medan (pelepasan sejuk): medan elektrik kuat “menipiskan dan merendahkan” halangan permukaan, lalu elektron dapat “menyeberang ruang kosong” untuk keluar.
• Anologi optik: dalam pembalikan penuh yang “tergagalkan”, dua prisma yang hampir bersentuhan boleh membenarkan sinar lemah melalui kawasan yang lazimnya “dilarang”.

Soalan utama:

• Jika tenaga tidak mencukupi, bagaimana zarah boleh melepasi “dinding”?
• Mengapa keboleh-lalu sensitif hampir eksponen terhadap ketebalan/ketinggian halangan?
• Apakah “masa terowong” yang sebenar? Adakah ia melampaui kelajuan cahaya? Ukuran lengah fasa atau lengah kumpulan sering menunjukkan kejenuhan (kesan Hartman), yang mudah disalah tafsir sebagai melebihi kelajuan cahaya.
• Mengapa penambahan lapisan kadang-kala menjadikan laluan lebih mudah dalam tetingkap tenaga yang sempit?

II. Huraian oleh Teori Filamen Tenaga (EFT): dinding ialah jalur tensor yang ‘bernafas’, bukan kepingan pejal

(Prinsip yang sama seperti Seksyen 4.7 “Liang pada lohong hitam”: sempadan tensor yang kuat ≠ pengedap kedap udara selama-lamanya.)

1. Rupa sebenar halangan: dinamik, berpermukaan kasar, berbentuk jalur
   Dalam gambaran “laut–filamen”, “halangan” bukan dinding geometri yang licin dan kaku. Ia ialah satu jalur dengan kekuatan tensor yang ditinggikan, menambah rintangan pergerakan dan sentiasa dibentuk semula oleh proses mikroskopik, termasuk:

• pengekstrakan dan pemulangan filamen antara “laut” dan “filamen”,
• mikro-penyambungan semula yang seketika menulis semula dan menutup kembali hubungan,
• ketukan berterusan pada sempadan oleh kejadian lahir-dan-reput zarah tidak stabil,
• olakan tensor setempat akibat medan luaran dan bendasing.
  Dilihat dari dekat, jalur ini ibarat “sarang lebah yang bernafas”: kebanyakannya berimpedans tinggi, tetapi sekali-sekala muncul mikro-liang berimpedans rendah yang berusia sangat pendek.

2. Mikro-liang seketika: saluran sebenar bagi terowong
   “Terowong” berlaku apabila, saat zarah menghampiri jalur, sebuah mikro-liang terbuka cukup dalam dan cukup tersambung tepat sepanjang garis halanya. Empat penentu penting:

• kadar pembukaan: kekerapan mikro-liang muncul per unit luas dan masa,
• hayat liang: tempoh sebuah liang kekal terbuka,
• lebar sudut / kekhususan hala: arah yang benar-benar diterima oleh saluran,
• keterhubungan memanjang: sama ada rangkaian liang menembusi keseluruhan ketebalan jalur.
  Kejayaan memerlukan keempat-empatnya berlaku serentak. Kebanyakan percubaan gagal; sebahagian kecil berjaya—namun kebarangkalian tidak sifar.

3. Punca kepekaan hampir eksponen

• Menebalkan jalur mewajibkan beberapa mikro-liang “tersusun bersiri” merentasi kedalaman. Setiap lapisan tambahan mendarabkan kebarangkalian dengan faktor kurang daripada satu, lalu menghasilkan susutan hampir eksponen.
• Meninggikan “kekuatan” tensor menjadikan liang lebih jarang, lebih pendek hayatnya, dan lebih sempit arah terimanya—menurunkan kadar pembukaan berkesan.

4. Terowong resonan: “panduan gelombang sementara” yang dijahit daripada mikro-liang
   Struktur berbilang lapis boleh membentuk rongga singgah dengan fasa yang padan, berfungsi seperti panduan gelombang berimpedans rendah sementara di dalam jalur:

• zarah terlebih dahulu “ditampung” seketika dalam rongga,
• menunggu rangkaian mikro-liang seterusnya terbuka pada hala yang sesuai,
• keterhubungan keseluruhan pun melonjak dalam tetingkap tenaga yang sempit.
  Inilah punca puncak tajam pada diod terowong resonan; logik yang sama menerangkan mengapa penguncian fasa pada kedua-dua sisi superkonduktor memudahcara laluan dalam Kesan Josephson.

5. Masa terowong terbahagi: “menunggu pintu” lalu “menerobos saluran”

• masa menunggu pintu: lengah untuk kemunculan rangkaian mikro-liang yang berbaris tepat di sisi kejadian; ini mendominasi statistik,
• masa dalam saluran: sebaik tersambung, zarah menempuh koridor berimpedans rendah pada had halaju setempat yang ditentukan oleh tensor; segmen ini biasanya singkat.
  Apabila jalur bertambah tebal, masa menunggu meningkat, manakala masa dalam saluran tidak bertambah secara linear dengan ketebalan geometri. Banyak ukuran oleh itu membaca lengah kumpulan yang tepu—bukan perjalanan melebihi had penyebaran setempat, tetapi gabungan “beratur lama, melepasi pagar dengan pantas”.

6. Tenaga dan keabadian hukum: tiada “makan tengah hari percuma”
   Selepas menembusi, buku imbangan tenaga zarah dipenuhi oleh gabungan simpanan awalnya, maklum balas medan tensor dalam saluran, serta pertukaran kecil dengan persekitaran. Frasa “tenaga tidak cukup tetapi tetap lepas” bukan magis; ia mencerminkan bahawa dinding bukan kepingan statik—pada skala mikro, ia terbuka seketika dan membenarkan beberapa kejadian jarang menempuh laluan berimpedans rendah tanpa “mendaki bonggol” yang kaku.

III. Daripada huraian kepada peranti dan senario eksperimen

• Peleraian alfa: “kumpulan alfa” di dalam kerap melanggar sempadan; pelepasan berlaku apabila “rantaian mikro-liang” di bahagian luar selari seketika. Halangan nuklear yang tinggi dan tebal menjadikan separuh hayat amat sensitif terhadap struktur.
• Mikroskop terowong imbas: sela vakum antara hujung jarum dan sampel ialah jalur nipis; arus terukur menjejak kadar kemunculan “rantaian liang kritikal” yang merentangi sela. Setiap ångström tambahan ibarat menambah satu bilah penutup—lalu terhasil susutan eksponen.
• Josephson: penguncian fasa pada kedua-dua sisi superkonduktor menstabilkan “rongga panduan gelombang”, menaikkan keterhubungan keadaan mantap dan mengekalkan arus pada voltan sifar; apabila diberi voltan terus kecil, fasa “berjalan” dan memunculkan frekuensi ulang-alik.
• Pancaran akibat medan: medan luaran kuat menipiskan dan merendahkan jalur permukaan, menaikkan kadar pembukaan serta keterhubungan, lalu elektron dapat keluar ke ruang bebas.
• Pembalikan penuh yang tergagalkan: “jabatan tangan” medan dekat merentas sela nanometer di antara dua prisma mewujudkan keterhubungan jarak dekat, membolehkan cahaya melalui kawasan “terlarang”—satu lagi gambaran koridor sementara.

IV. Ringkasan empat baris

• Terowong bukanlah mengorek dinding yang sempurna, tetapi merebut rantaian mikro-liang seketika dalam jalur tensor yang dinamik.
• Kepekaan eksponen terhadap ketebalan/ketinggian timbul daripada kebarangkalian bersiri yang didarab; resonans membina panduan sementara yang menggandakan keterhubungan dalam tetingkap sempit.
• “Masa terowong” terbahagi kepada menunggu pintu dan menempuh saluran: lengah tepu mencerminkan statistik menunggu, bukan pelanggaran had penyebaran setempat.
• Tenaga tetap terpelihara: yang terlihat sebagai “tenaga kurang tetapi lepas” berlaku kerana dinding “bernafas” pada skala mikro, bukannya helah ajaib.

Intinya tidak berubah: dinding itu bernafas; terowong ialah menangkap detik ketika ia terbuka.