In de klassieke mechanica van Newton, en dat zijn de natuurwetten zoals we die in ons dagelijkse leven ervaren, zijn een aantal begrippen helder afgebakend. Plaats, snelheid, tijd, hoeveelheid beweging (impuls), energie, al deze fysische gesteldheden zijn binnen een afgesloten systeem via wiskundige formules exact te bepalen. Dat heeft ons vanaf de industriële revolutie qua techniek flink vooruit gebracht. Onze huidige (technische) welvaart hebben we hier aan te danken, met alle gemakken van dien. Denk aan de wasmachine die een dag lang op de hand wassen (maandag wasdag) heeft vervangen door een enkel op een knopje drukken en na zo’n anderhalf uur is het gedaan. Zo zijn er vele andere voorbeelden te bedenken. Wat een vooruitgang. Wat een overwinning op de natuur ook.

Begin twintigste eeuw echter voldeed de mechanica van Newton niet meer overal. Op het gebied van het grote, die van de kosmos, kwam Einstein met volstrekt andere inzichten over tijd, ruimte en snelheid. Hij verwerkte dat eerst in de speciale relativiteitstheorie (in 1905) en later in de algemene relativiteitstheorie (1915). Dat dit geen theorieën zijn, maar experimenteel bevestigd en algemeen aanvaard, zal ondertussen wel duidelijk zijn. Onder andere  in GPS-systemen vinden de wiskundige formules van Einstein hun toepassing.

Maar ook op het gebied van het kleine, die van deeltjes als elektronen en protonen, faalden de wetten van Newton. Rond 1925 ontwikkelde zich, door toedoen van Werner Heisenberg, de kwantummechanica. Deze stond een totaal andere benadering van het begrip materie voor. Elke massa (= de natuurkundige term voor materie) dat snelheid heeft, kun je beschouwen als een golfbeweging, met een golflengte en een bepaalde onzekerheid. De duidelijk afgebakende uitkomsten uit de wetten van newton werden vervangen door waarschijnlijkheden. Zo blijkt uit de onbepaaldheidsrelatie van Heisenberg dat van een bewegend deeltje nooit exact zowel plaats als de hoeveelheid beweging kunnen worden vastgesteld. Wanneer de plaats nauwkeurig bepaald is, wordt de hoeveelheid beweging heel onnauwkeurig, en andersom.

Toepassing: bij hele lage temperaturen, in de buurt van het absolute nulpunt (0 K), is de trillingsenergie bijna nul en liggen de deeltjes nagenoeg stil. De hoeveelheid beweging is daarmee heel nauwkeurig bepaald. Dus is de plaats heel onnauwkeurig, met andere woorden, het deeltje kan zich bijna overal bevinden. Bij supergeleiding maakt men gebruik van dit gegeven. Daarbij speelt ook het verschijnsel een rol dat deeltjes paren vormen (Cooper-paren). Bij hele lage temperaturen kan een elektron zich bijna overal bevinden, is daarmee relatief vrij, en ondervindt het zeer weinig weerstand. Ideaal voor elektriciteit waarbij je wilt dat die weinig energie verliest (in de vorm van warmte, ontstaan door weerstand). Zeer weinig weerstand betekent zeer grote geleiding. Vandaar het woord supergeleiding.

De kwantummechanica onttrekt zich aan de logica zoals wij die in onze ervaringswereld kennen (en waaruit de wetten van Newton zijn ontstaan). Waarschijnlijkheden, verstrengeling (de manier waarop deeltjes informatie met elkaar delen, onafhankelijk van tijd en ruimte), de superpositie van een deeltje, waardoor het soms op twee plaatsen tegelijk aanwezig lijkt te zijn (in feite bevindt het deeltje zich in een superpositie van toestanden, totdat een meting plaatsvindt), het feit dat er, door diezelfde superpositie, geen objectieve werkelijkheid lijkt te bestaan en de waarnemer bepaalt wat er gebeurt, alsook het zogenaamde tunneleffect.

Dit tunneleffect behoeft enige uitleg. Het heeft te maken met het begrip energie. In de wereld zoals wij die kennen (die van Newton) geldt dat er een bepaalde hoeveelheid energie nodig is om iets te bereiken. Bijvoorbeeld, je wilt een bal over een hoge schutting schieten. Jouw trap geeft bewegingsenergie aan de bal. Door die bewegingsenergie schiet de bal de lucht in. Daarmee wint het aan zwaarte-energie. Is de bewegingsenergie groter dan de zwaarte-energie op de hoogte van de schutting, dan gaat de bal er over. Is die lager, dan de bal niet over de schutting komen. Met de wetten van Newton kun je dit heel exact uitrekenen.
In de kwantummechanica gaat dit echter niet op. Wanneer een deeltje in een doos met verticale wanden zit opgesloten en het een bewegingsenergie heeft die kleiner is dan de zwaarte-energie ter hoogte van de barrière, dan kan het deeltje toch nog ontsnappen. Des te hoger de barrière (de berg), des te kleiner de kans. Het lijkt erop dat het deeltje een tunnel graaft door de berg en er aan de andere kant uitkomt. Vandaar de term ‘tunneleffect’ voor dit onwaarschijnlijke gedrag.

Persoonlijk vind ik de term ‘tunneleffect’ niet echt op zijn plaats. Het deeltje graaft zich niet echt door een berg heen, maar slaat op een of andere manier de uitersten van zijn golven over de rand van de barrière heen. Zoals een golfslag vanuit zee over een kade heen kan slaan, ook al is het peil van de zee lager dan die van de kade.
De plaats van een deeltje kan, volgens de kwantummechanica, nooit exact bepaald worden. De hoeveelheid beweging ook niet. Omdat de hoeveelheid beweging van een deeltje nauw samenhangt met zijn energie, ligt tevens de beschikbare bewegingsenergie van het deeltje niet exact vast. Die golft als het ware ook op en neer. Er is dan een kans dat het deeltje zich toch aan de andere kant van de barrière bevindt. Niet omdat het extra energie heeft gekregen, maar omdat zijn golffunctie ook dáár een heel kleine kans toelaat. Of, wetenschappelijker geformuleerd, de golffunctie van het deeltje behoudt door de barrière heen een waarschijnlijkheidsdichtheid die niet nul is.
Het tunneleffect laat zien dat de kwantumwereld ons telkens weer verrast: waar onze intuïtie stopt, vindt de natuur toch een weg.

Het tunneleffect heeft een aantal voor ons prettige gevolgen. Als voorbeeld onze zon. Voor het kernfusieproces dat in het binnenste van de zon plaatsvindt, is volgens de klassieke verwachting een temperatuur van zo’n 100 miljoen graden Celsius nodig. Echter, de temperatuur daar is slechts zo’n 10 miljoen graden, in principe te weinig voor het kernfusieproces (waarbij materie in licht en warmte wordt omgezet). Maar, door het tunneleffect, tezamen met de grote dichtheid aldaar, gebeurt dit af en toe toch, zij het op relatief kleine schaal. Groot genoeg echter om onze zon te laten stralen en ons van warmte te kunnen voorzien.
Een groot voordeel hierbij is dat de zon relatief zuinig met zijn materie omgaat. Het zal lang duren, zo’n 5 miljard jaar, voor zijn totale energie op is geraakt. Andere sterren die veel groter in massa zijn en daarmee een hogere binnenste temperatuur bevatten, maken minder gebruik van dit tunneleffect en zullen om die reden eerder ‘opgebrand’ zijn. Hun levensduur is aanmerkelijk korter dan die van onze zon, die als een relatief kleine ster geldt.

Andere aspecten waarbij dit zogenaamde tunnelen voorkomt, is kernsplitsing (waarom sommige atoomkernen radioactiviteit kunnen veroorzaken) de tunnelmicroscoop en het flash geheugen, zoals deze steeds vaker wordt toegepast in de elektronica. En dan staan we ook nog eens aan de vooravond van de kwantumcomputer, die een volledig nieuwe technische revolutie zal ontketenen.
Het tunneleffect laat zien dat de natuur subtieler en rijker is dan ons alledaagse gevoel voor logica vermoedt, en dat juist deze subtiliteit ons universum draaiende houdt.