اجازه دهید با ملموس ترین مثال ممکن آغاز کنیم.
حیات ما در زمین وابسته به تابش خورشید است.
اما تا به حال فکر کرده اید علت تابش خورشید چیست؟
این تابش به دلیل پدیده ای به نام همجوشی هسته ای رخ می دهد.
در واقع این پدیده، طور مداوم در هر ستاره ای رخ می دهد.
در همجوشی هسته ای، دو یا چند هسته ی سبک تر با یکدیگر برخورد کرده و یک عنصر سنگین تر را می سازند.
بیشتر انرژی آزادشده در این فرآیند، به صورت نور است.
اما همانطور که میدانیم  هسته ها دارای بار مثبت هستند و یکدیگر را از نظر الکتریکی دفع می کنند؛ بنابراین هسته ها باید انرژی زیادی داشته باشند تا بتوانند به اندازه ی کافی به یکدیگر نزدیک شوند.
چرا که با نزدیک تر شدن هسته ها از فاصله ی خاصی، نیروی قوی هسته ای بر نیروی الکتریکی دافعه ای غلبه می کند و همجوشی هسته ای رخ می دهد.
اما وقتی دمای خورشید به وسیله ی طیفش تعیین می شود، به نظر می رسد که همجوشی هسته ای به هیچ وجه در خورشید دست یافتنی نیست.
به عبارت دیگر، خورشید عملاً نباید تابشی داشته باشد.
اما خورشید هر صبح، طلوع می کند و زمین ما را روشن می کند.
پس علت این تابش چیست؟
تونل زنی کوانتومی!
تاریخچه ی تونل زنی کوانتومی
تونل زنی کوانتومی یکی از دستاورهای بسیار مهم دهه ی سوم قرن بیستم است، پدیده ای که تا امروز ۵ جایزه ی نوبل فیزیک را برای دانشمندان به ارمغان آورده است.
دانشمندانی همچون هانری بکرل، ماری کوری، پیرکوری و رادرفورد که تابش را مطالعه می کردند، به تونل زنی برخورد کردند.
اما تونل زنی کوانتومی به طور صریح برای اولین بار در سال ۱۹۲۷ و توسط فردریش هوند، مورد توجه قرار گرفت.
بعدها دانشمندان دیگری از این نظریه برای توضیح پدیده های تابشی استفاده کردند.
اما در نهایت این ماکس بورن بود که تونل زنی کوانتومی را نتیجه ی کلی قوانین مکانیک کوانتومی معرفی کرد.
پس از آن، پای تونل زنی کوانتومی به حوزه های وسیع تری مانند دیودها، ترانزیستورها و نیمه رساناها باز شد. برای اطلاع از تاریخچه ی مفصل تونل زنی، مقاله ی زیر را مطالعه کنید.
تونل زنی کوانتومی از نمای نزدیک!
برای تعریف ساده ی تونل زنی کوانتومی، به سراغ معروفترین مثال می روم.
فرض کنید بین در یک دره و بین دو کوه گیر افتاده اید، تنها راهی که برای بیرون رفتن از دره به فکر می رسد این است که از یکی از کوه ها بالا رفته، از قله عبور کرده و در سمت دیگر کوه فرود آیید.
اما اگر شما یک ذره ی کوانتومی بودید، راه جالب دیگری هم برای خروج شما از این دره وجود داشت: عبور از درون کوه!
این راه حل اگرچه در دنیای ماکروسکوپی ما خنده دار به نظر می رسد، اما همان اتفاقی است که هر لحظه در دنیای میکروسکوپی اتفاق می افتد، یعنی تونل زنی کوانتومی.
پس حالا می توانیم تونل زنی کوانتومی را اینطور تعریف کنیم: اگر برای رفتن یک ذره ی کوانتومی به یک حالت کوانتومی دیگر، یک سد انرژی وجود داشته باشد، ذره با وجود داشتن انرژی کمتر از آن سد، می تواند از آن عبور کند (گذشتن از درون کوه).
اگر گذر ارواح و اشباح از درون دیوار را فقط در فیلم ها دیده اید، گذر ذرات کوانتومی از سدهای انرژی، هر لحظه رخ می دهد.
در واقع از نظر فیزیک کلاسیکی، امکان ندارد یک ذره بتواند از سدی با انرژی بیشتر از انرژی درونی اش بگذرد، اما در مکانیک کوانتومی، این پدیده کاملاً عادی است.
تونل زنی کوانتومی، نتیجه ای از اصل برهم نهی کوانتومی و اصل عدم قطعیت است.
برای روشن تر شدن، اجازه دهید به همجوشی هسته ای بازگردیم.
طبق فیزیک کلاسیکی، دمای خورشید برای همجوشی هسته ای کافی نیست.
اما اصل برهم نهی کوانتومی می گوید هسته می تواند در بیش از یک مکان وجود داشته باشد (به خاطر ماهیت موج گونه اش)، بنابراین برای رسیدن به دمای کافی و رخ دادن همجوشی، احتمال معینی وجود دارد.
بنابر اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، اندازه حرکت یک شی همیشه دارای عدم قطعیت است، بنابراین با گذشت زمان، دو هسته می توانند به سرعت لازم برای همجوشی برسند.
تونل زنی کوانتومی، یکی از چند پدیده ی کوانتومی است که می توانیم آن را در جهان ماکروسکوپی حس کنیم. تونل زنی کوانتومی در واپاشی رادیواکتیو یا در دیسک های فلش رخ می دهد.
همچنین پژوهش ها حاکی از آن است که در جهش تصادفی DNA درون ارگانیسم های زنده، تونل زنی پروتون یکی از بازیگران اصلی است و حتی این پدیده می تواند علت سرطان باشد.
اسپین کوانتومی عجیب و شگفت انگیز
احتمالا شما هم میدانید نخستین وسیله ای که شوق فیزیک را در ذهن اینشتین خلق کرد، چه بود: یک قطب نمای جیبی ساده که پدرش در ۵ سالگی به او هدیه داد.
برای اینشتین ۵ ساله، تغییر جهت عقربه های قطب نما بسیار هیجان انگیز بود.
نکته ای که حالا همه ی ما دلیل آن را میدانیم، اما به احتمال زیاد ما هم زمانی از خود پرسیده ایم: آهنرباها چگونه کار می کنند؟
چرا برخی مواد مانند آهن، ویژگی های مغناطیسی از خود نشان می دهند، در حالیکه موادی مانند چوب، هیچ نشانه ای از مغناطیس، ندارند؟
پاسخ تمام این سوالات در ویژگی عجیبی از مواد به نام اسپین کوانتومی ، نهفته که موضوع بحث این کلاس درس است.
به طور کلی، دو نوع اندازه حرکت در جهان ماکروسکوپی وجود دارد: اندازه حرکت کلاسیکی که با حرکت در یک راستای مشخص بدست می آید و اندازه حرکت زاویه ای که بیشتر به صورت چرخش شناخته می شود.
اما اشیای جهان میکروسکوپی، نوع اضافه تری از اندازه حرکت دارند که به عنوان اندازه حرکت ذاتی یا اسپینی شناخته می شود.
اسپین کوانتومی اغلب با چرخش کلاسیکی مقایسه می شود (به همین دلیل نام اسپین به معنای چرخش را گرفته است).
اما این مقایسه، دقیق نیست زیرا اشیای دارای اسپین کوانتومی ، واقعاً نمی چرخند، بلکه چرخش، یک ویژگی صرفاً ذاتی آنهاست.
مقایسه دو نوع اندازه حرکت زاویه ای
تصور شماره (۱)
اسپین، یکی از ویژگی های ذاتی ذرات بنیادی (مانند الکترون) و همچنین ذرات مرکب (مانند هسته های اتمی) به شمار می آید. واحد اسپین، ثابت پلانک کاهش یافته ((ħ = h/(2π) بخوانید اچ بار) است.
ذراتی با اسپین نیمه صحیح، فرمیون و ذراتی با اسپین صحیح، بوزون نامیده می شوند.
برای محاسبه ی اسپین کل ذرات مرکب، باید اسپین ذرات سازنده ی آنها را با یکدیگر جمع کنیم.
ارتباط اسپین کوانتومی و مغناطیس چیست؟
ذرات دارای اسپین کوانتومی با تولید میدان های مغناطیسی ضعیف، مانند آهنرباهایی کوچک و عجیب رفتار می کنند. این  همان دلیلی است که چرا اشیای ماکروسکوپی (که از تعداد زیادی از این آهنرباها تشکیل شده اند)، مغناطیسی هستند. با این حساب، چرا تمام اشیا دارای رفتار مغناطیسی نیستند؟
دو دلیل وجود دارد:
اگر یک اوربیتال اتمی، پر باشد، الکترون ها در این اوربیتال، اسپین کوانتومی مخالفی خواهند داشت و در نتیجه میدان های مغناطیسی آنها، یکدیگر را خنثی خواهند کرد. این بدان معناست که هیچ اتمی با اوربیتال های پر، مغناطیسی نخواهد بود.
رای اینکه یک اتم، مغناطیسی باشد، باید اوربیتال های نیمه پر داشته باشد تا میدان های مغناطیسی هر الکترون، میدان الکترون های دیگر را تقویت کند.
از طرفی، تمام مواد از اتم های مغناطیسی ساخته نشده اند و بنابراین ویژگی های مغناطیسی از خود نشان نمی دهند.
حتی اگر اتم های تشکیل دهنده ی مواد، مغناطیسی هم باشند، باز ممکن است هیچ اثر مغناطیسی در آنها مشاهده نشود.
علت آن است که آرایش الکترونی اتم های تشکیل دهنده ی این مواد، در جهت های متفاوتی، جهت گیری کرده اند که در نتیجه میدان های مغناطیسی آنها یکدیگر را خنثی می کنند.