Effetto tunnel, il paradosso quantistico che rende possibile l’impossibile
Una barriera invalicabile secondo la fisica classica, ma attraversabile nel mondo delle particelle: l’effetto tunnel sovverte ogni certezza macroscopica
Esistono fenomeni che sfuggono all’intuizione, che si oppongono alle leggi apprese nei manuali di fisica scolastica e che tuttavia accadono, con conseguenze misurabili e fondamentali. Tra questi, l’effetto tunnel si distingue come uno dei più paradossali e al tempo stesso più concreti esempi della meccanica quantistica.
Nel mondo macroscopico, tutto è governato da energie, forze e vincoli misurabili. Un oggetto può superare un ostacolo solo se ha sufficiente energia per farlo. Una palla lanciata contro una collina più alta della sua capacità di salita rimbalzerà indietro. Nessuna sorpresa.
Ma la fisica quantistica ha mostrato che la realtà subatomica segue logiche diverse, governate non dalla certezza, bensì dalla probabilità. Qui, le particelle non sono punti fissi nello spazio, ma entità descritte da funzioni d’onda, distribuzioni che indicano dove è più probabile trovarle.
Il comportamento delle particelle come l’elettrone non può essere previsto con precisione assoluta, ma solo in termini di probabilità che si manifestano con regolarità in esperimenti ripetuti.
L’effetto tunnel nasce quando si considera una particella che si trova davanti a una barriera di potenziale superiore alla sua energia. Secondo la fisica classica, questa particella dovrebbe fermarsi. Tuttavia, nella meccanica quantistica, esiste una probabilità non nulla che essa appaia dall’altra parte della barriera, come se l’avesse attraversata.
Un parallelo con la luce per comprendere l’onda quantistica
Questo fenomeno non si spiega pensando alla particella come un oggetto compatto, ma come un’onda che interagisce con la barriera. L’onda viene in gran parte riflessa, ma una piccola porzione può penetrare nel potenziale, attraversarlo e proseguire oltre. È la componente evanescente della funzione d’onda, un termine che decresce esponenzialmente, ma che può estendersi oltre il confine, se la barriera è sufficientemente sottile.
Un’analogia utile è quella con la luce. Quando un raggio incontra un’interfaccia vetro-aria con un certo angolo, avviene la riflessione totale, ma nel punto di contatto si genera un’onda evanescente che penetra per un brevissimo tratto nel secondo mezzo. Se si avvicina un secondo strato di vetro abbastanza vicino, questa onda riesce a trasmettersi, attraversando lo spazio d’aria. Questo effetto, noto come riflessione totale frustrata, ha una descrizione matematica simile a quella dell’effetto tunnel. Nel caso dell’elettrone, la funzione d’onda si comporta come l’onda della luce. Se la barriera è abbastanza sottile, una piccola parte dell’onda sopravvive e può emergere oltre l’ostacolo. La probabilità è minima, ma non nulla, e in sistemi con miliardi di particelle, il fenomeno diventa statisticamente rilevante.
Dal cuore delle stelle ai processi biologici
Non si tratta di un’astrazione teorica. L’effetto tunnel è fondamentale nella fusione nucleare che avviene nel Sole, dove i protoni riescono a superare la barriera coulombiana grazie a questo meccanismo quantistico. È coinvolto anche in mutazioni spontanee del DNA e nei dispositivi elettronici come i diodi tunnel o i microscopi a effetto tunnel, che permettono di visualizzare superfici con risoluzione atomica.
La descrizione matematica dell’effetto tunnel si ricava direttamente dall’equazione di Schrödinger, che fornisce una soluzione con decadimento esponenziale all’interno della barriera, in analogia alle equazioni di Maxwell per la luce. Ancora una volta, la matematica rivela un comportamento invisibile ma reale, dove la probabilità diventa più forte del limite apparente.