Квант. Путеводитель для запутавшихся

Квантовое туннелирование

Квантовое туннелирование, также называемое туннельным эффектом, представляет собой еще одно удивительное явление, характерное лишь для квантового мира. Представьте следующее: чтобы мяч закатился на холм и скатился с другой стороны, ему изначально нужно придать достаточное количество энергии. По мере подъема по склону он будет постепенно замедляться, а если энергии для достижения вершины окажется недостаточно, он остановится и скатится обратно. Но, если бы мяч вел себя квантовомеханически, всегда существовала бы определенная вероятность, что он вдруг исчезнет с одной стороны холма и появится на другой. Это произошло бы, даже если бы ему не хватило энергии, чтобы достичь вершины и преодолеть холм адекватным образом.

Обычно квантовое туннелирование объясняют, обращаясь к соотношению неопределенности Гейзенберга между энергией и временем: при условии, что энергетический барьер, сквозь который необходимо пройти частице, не слишком высок или широк, частица может позаимствовать из окружающей среды достаточное количество энергии, чтобы преодолеть его. При этом позаимствованную энергию необходимо вернуть в течение заданного соотношением неопределенности промежутка времени.

Если сказать точнее, мы должны представлять волновую функцию частицы пребывающей в суперпозиции нахождения по обе стороны барьера одновременно. Барьер преодолевает именно волновая функция. Только установив наблюдение, мы вызываем «коллапс волновой функции», чтобы обнаружить частицу либо по одну сторону барьера, либо по другую.

Квантовое туннелирование играет важную роль во многих процессах. Объяснив механизм альфа-излучения, оно стало первым успешным применением квантовой механики к ядерным проблемам. Оно также сформировало фундамент для появления многих современных электронных устройств, например туннельного диода.

На повседневном уровне туннелирование происходит в домашней алюминиевой проводке. На поверхности открытой электрической проводки появляется тонкий слой оксида алюминия, который формирует изолирующий слой между двумя проводами, переплетенными для создания контакта. Согласно классической физике, это должно останавливать электрический ток. Однако слой оказывается достаточно тонким, чтобы электроны могли туннелировать сквозь него и поддерживать напряжение.

В обычной жизни, если мяч катится на холм, не имея достаточного количества энергии, чтобы преодолеть вершину, он останавливается и естественным образом скатывается обратно. Квантовое туннелирование позволяет мячу внезапно пропадать с одного склона холма и появляться на другом склоне. Хотя в макромире мы не сталкиваемся с таким волшебством, этот процесс вполне зауряден для квантового мира. Само собой, в этом случае холм является энергетическим и его можно представить в качестве такого типа силового поля, преодолеть которое квантовая частица должна быть не в состоянии.

И бета-, и альфа-распад представляют собой способы, которыми ядра могут преобразовываться из одного вида в другой. Вместе с процессами деления и синтеза, в ходе которых ядра распадаются пополам или объединяются, это объясняет, как впервые сформировались некоторые элементы, которые мы видим вокруг, в том числе и те, что входят в состав наших тел. Углерод, кислород и азот, а также другие элементы, формирующие необходимые для жизни химические составы, миллиарды лет назад были синтезированы внутри звезд. Этих звезд уже нет, поскольку они взорвались и стали сверхновыми, а существенная доля их содержимого была выброшена в космос и в конце концов сформировала часть нашей Солнечной системы. Именно поэтому и появилось заезженное, но довольно верное выражение, что все мы состоим из звездной пыли.

Многие более тяжелые элементы создаются только при мощном взрыве крупной звезды, превращающейся в сверхновую. Чем выше температура и экстремальнее условия внутри звезды, тем дальше сможет зайти процесс синтеза и тем тяжелее будут сформированные элементы. Внутренняя часть звезды становится достаточно горячей и плотной для создания тяжелых элементов только в эти последние и напряженные мгновения ее жизни[56].

Два самых легких элемента, водород и гелий, были созданы не внутри звезд, а на заре существования Вселенной, сразу же после Большого взрыва. Сегодня примерно 98 процентов всего видимого вещества во Вселенной состоит из этих двух элементов, а оставшиеся 2 процента – из всего остального.

Богатое разнообразие ядер, которые могут существовать в зависимости от того, как именно комбинируются протоны и нейтроны (пока мы изучили всего несколько сотен из около семи тысяч их возможных видов)[57], объясняется двумя причинами. Во-первых, протоны и нейтроны подчиняются сходным квантовым правилам с вращающимися вокруг ядра электронами, которые определяют, как именно они могут располагаться внутри ядер. Подобно электронам, которые должны описываться волновыми функциями, чью форму определяют соответствующие квантовые числа, нуклоны тоже правильнее представлять в качестве распространенных сущностей, распределяющихся внутри ядра согласно их квантовым числам.

С электронами мы хотя бы можем позволить себе роскошь представить их в качестве крошечных мячиков, вращающихся вокруг ядра, даже если это неправильно. Внутри ядра пространство ценится на вес золота и нуклоны так плотно стоят друг к другу, что мы можем лишь представить сумку с мячами, которые борются за место.

На практике наше представление о нуклоне зависит от того, как мы пытаемся его изучить. Если нам хочется описать, как высокоэнергетические протоны или нейтроны, бомбардирующие ядро, взаимодействуют с другими нуклонами, мы обнаруживаем, что их довольно логично считать крошечными локализованными частицами. Однако внешний нейтрон в нейтронном облаке (см. статью «Ядерные облака» в Главе 3) обладает волновой функцией, которая распространяется на большой объем вокруг всего ядра.

Вторая причина сложности ядер связана с природой сильного ядерного взаимодействия, которое, как оказывается, имеет даже более фундаментальное происхождение, чем предполагал Юкава, предлагая свою картину обмена пионами. Ко второй половине XX века физики начали задумываться, не происходят ли внутри нуклонов некие более глубинные процессы.