Ознакомительная версия. Доступно 8 страниц из 41
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.
Невозможная мощь супергероя
Представьте себе, что вы каким-то образом оказались на полосе препятствий и должны её преодолеть. Перед вами стена, и через неё надо перемахнуть. Это чисто физическая задача – неважно, думаете ли вы о ней в физических терминах. Ваше тело должно каким-то образом собрать столько кинетической энергии, чтобы получить – и превзойти – потенциальную энергию, которую имело бы, оказавшись на верхней кромке стены. Эй, погоди-ка, думаете вы. А что, если пройти прямо сквозь стену при помощи туннельного эффекта? Конечно, можно попробовать использовать этот шанс: разбежаться как следует, броситься прямо на стену – и вдруг очутиться с той стороны. Но, прежде чем вы на это решитесь, знайте: шансы на успех невообразимо малы. Вы можете врезаться в стену каждый день на протяжении всей жизни, но, даже если проживёте до конца Вселенной, у вас, по всей вероятности, так ничего и не получится: туннель не откроется. То есть, может, и откроется, но с вероятностью не просто малой, а космически малой. К тому же будет больно.
Вероятность туннелирования объекта зависит от нескольких условий: насколько высок энергетический барьер, сколько энергии у объекта, насколько далеко он должен пройти, каковы размеры объекта. Чем больше объект, тем меньше вероятность успеха. Если он настолько велик, что его можно увидеть, шанс преодолеть барьер через туннель практически нулевой – во всяком случае, достаточно близкий к нулю, чтобы считать такой исход невозможным. Поэтому мы никогда не наблюдаем проявлений туннельного эффекта в ежедневной жизни, жизни больших объектов. Сидя в кресле, вы знаете, что оно вас удержит. Если бы законы квантовой механики были применимы к большим объектам, таким, как человеческое тело, вы бы рисковали нежданно-негаданно провалиться сквозь кресло и очутиться на полу, а может, и гораздо ниже! А вот для микроскопических предметов вроде протонов и электронов туннелирование – это преимущественный способ транспортировки в пространстве. Так что, если вы пишете комикс о супергерое, проходящем сквозь стены при помощи туннельного эффекта, помните: персонаж должен быть микроскопическим!
Квантовая «зона Златовласки»
Мы начали эту главу с разговора об источнике энергии Солнца и о роли звёзд в образовании элементов. Вспомним, что создание ядер элементов начинается снизу, с отдельных частиц: один нуклон, потом два, три… Первым шагом на пути создания ядер тяжёлых элементов, состоящих из многих нуклонов, было образование дейтерия, самого маленького составного ядра – связанных воедино протона и нейтрона. Но в центральной области Солнца нейтронов нет: там можно найти только сталкивающиеся друг с другом протоны. Положительно заряженные, они с огромной силой отталкиваются и никогда не могут сблизиться настолько, чтобы начало сказываться влияние сильного взаимодействия.
Каждую секунду каждый отдельный протон сталкивается здесь с другими протонами много миллиардов раз, не объединяясь ни с одним. Но в этом вихре столкновений, происходящих в огромном количестве, два протона то и дело оказываются способны благодаря туннельному эффекту просочиться сквозь разделяющий их электростатический барьер. Тогда эти протоны вдруг обнаруживают, что уже достаточно близки друг к другу, чтобы включилось сильное взаимодействие и связало их вместе. Они превращаются в
Ознакомительная версия. Доступно 8 страниц из 41
