Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Кванты сокращают путь

Чтобы это понять, придётся вернуться к нашим энергетическим горкам. Если вы заперты в высокогорной долине, вам потребуется, видимо, некий ускоритель, чтобы превратить потенциальную энергию в кинетическую и преодолеть следующий пик. Поскольку единственные свободные нуклоны, которые у нас теперь есть, – это протоны (нейтроны со времён Большого Взрыва, по сути, заперты в гелии-4), им тоже требуется очень много энергии. Почему? Не забудьте, что протоны заряжены положительно и, если два протона медленно приближаются друг к другу, их разбросает в разные стороны электростатическое отталкивание. Их разделяет гора потенциальной энергии, через которую надо перейти. Мы уже говорили об удачно названном сильном взаимодействии, но оно действует только на расстояниях порядка размера частицы и здесь не поможет. На всех других масштабах царит электромагнитная сила.

Представьте, что мы с вами заняли сидячее положение. Один из нас пишет это предложение, примостившись на довольно неудобной скамейке. Другой (допустим, вы) удобно угнездился в мягком кресле. Но ни в том, ни в другом случае никто из нас – ни вы, ни я – в действительности ни к чему не прикасаемся: ваши атомы, атомы вашего тела или одежды, не касаются атомов кресла. Да, так и есть – на атомном уровне мы никогда ничего не можем коснуться! Как это возможно? Всё дело в электрической силе. Электроны, окружающие ядра ваших атомов, отталкивают электроны, находящиеся на орбитах вокруг ядер атомов кресла. И каким бы внушительным ни был ваш вес, вам никогда не удастся коснуться других атомов, настолько велики электростатические силы!

В других частях Вселенной действуют силы, во много раз более могучие, чем доступные нашим хилым мускулам. В недрах звёзд атомам мешает коснуться друг друга не только электростатическое отталкивание электронов. Когда атомы оказываются достаточно близко друг к другу, их ядра должны ещё преодолеть электростатическое отталкивание положительно заряженных протонов. Энергетическая гора, по которой они должны подняться, – это очень крутой пик. Кинетическая энергия, которая для этого требуется, так велика, что, если бы даже этот подъём и удалось совершить, протоны, оказавшись по ту сторону горы, просто отскочили бы друг от друга. Как же тогда им всё-таки удаётся объединяться? Ответ на этот вопрос заключается в одной из особенностей квантовой физики, которая делает бесполезными почти все классические способы физических вычислений. Она называется квантовым туннельным эффектом.[41]

Физики часто жалуются на контринтуитивную природу квантовой теории. Но квантовый туннельный эффект – одна из немногих вещей в квантовой физике, которую довольно просто представить. Это явление в точности соответствует своему названию. Представьте, что вместо подъёма на вершину горы и последующего спуска с другой стороны вы решили пройти через гору насквозь, проделав в ней туннель.[42] Однако сделать это совсем не просто, и никакой гарантии успеха у вас нет. В большинстве случаев шанс очень мал. Поэтому физики говорят только о вероятностях просачивания или коэффициенте туннелирования. Чтобы почувствовать, насколько велико значение этого явления, достаточно вспомнить, что все скорости реакций, вычисляемые в ядерной физике и химии, – это, по сути, коэффициенты туннелирования. Все атомные процессы идут по этому короткому пути, а не «поднимаются» на высокие вершины «энергетических гор». Разумеется, для индивидуального атома или молекулы время, за которое эта частица испытает туннельный эффект, может оказаться сравнимым с возрастом Вселенной. Однако химия имеет дело с множеством идентичных атомов или молекул, и со всеми происходит одно и то же. Это напоминает ситуацию, когда множество людей делает что-то, что удаётся в единичных случаях: тогда, несмотря на малую вероятность успеха, всё равно хоть кто-то его добьётся. В казино так говорят о шансах или проценте выигрыша: для администрации важно, что происходит в целом, а не то, что случается с отдельными игроками.

Идея квантового туннелирования перекидывает забавный мостик между классической и квантовой физикой. Хоть в этом случае вычисления на основе классической физики больше не применимы (ясно, что представить себе такие вещи, как туннельный переход сквозь энергетический барьер, в классических рамках невозможно), идеи классической физики здесь всё равно помогают. Классическая интуиция и классическая физика могут подвести нас к построению мысленной модели того, что в этим случае происходит: мы воображаем, что находимся в долине, что перед нами непреодолимая горная стена, и вот в последний момент, когда, кажется, никакой надежды не осталось, в стене открывается квантовый туннель и решает все проблемы. На классическом языке можно выразить очень многое из того, о чём мы задумываемся в квантовой физике. В случае туннельного эффекта квантовая физика просто добавляет чуть больше к тому, что позволяет физика классическая. К сожалению, на человеческих масштабах трюк с туннелем не работает – только на квантовых.