Квант. Путеводитель для запутавшихся - Джим Аль-Халили

свойства, кроме массы, исключают друг друга, а масса превращается в чистую энергию. Количество создаваемой энергии можно рассчитать по уравнению Эйнштейна Е=mc2.

Этот процесс может происходить и в обратном порядке, когда чистая энергия преобразуется в материю: фотон, который фактически представляет собой сгусток света, может превратиться в электрон и позитрон в ходе процесса, называемого рождением пар.

Интереснее всего, что пары частица-античастица то и дело возникают повсюду, заимствуя энергию, необходимую для их создания из окружающей среды в соответствии с соотношением неопределенности энергии и времени, и существуя очень короткий промежуток времени, прежде чем аннигилировать снова и вернуть позаимствованную энергию, словно их и не существовало вовсе.

Альфа-распад несложно объяснить с позиции соотношения неопределенности между энергией и временем, как это сделано в упомянутой статье на странице 194. Но, если предпочитаете – и если уж следовать духу этой книги, – его можно понять и с позиции волновой функции альфа-частицы.

Давайте возьмем радиоактивное ядро, которое точно еще не испустило альфа-частицу. Местоположение альфа-частицы описывается волновой функцией, которая заключена внутри ядра, под чем я понимаю, что в это время вероятность ее обнаружения за пределами ядра равняется нулю. Но вместо того чтобы представлять, как альфа-частица катается внутри ядра, подобно крошечному шарику в коробке, пока не наберет достаточной энергии для выхода, мы скажем, что ее волновая функция начинает просачиваться за пределы ядра. По прошествии короткого времени вероятность обнаружения альфа-частицы за пределами ядра мала, большая часть волновой функции по-прежнему находится внутри ядра, тем самым давая высокую вероятность отсутствия распада. Но с течением времени вероятность, которую мы рассчитываем на основании той части волновой функции, которая просочилась за пределы ядра, возрастает и становится значительной.

Решая уравнение Шрёдингера, чтобы получить значения волновой функции в разные моменты времени, мы обнаружим, что результирующие вероятности точно согласуются с наблюдаемой формулой радиоактивного распада. Это означает, что, начав с большого числа радиоактивных ядер, мы увидим, что ровно половина их распадется через определенный временной интервал, называемый «периодом полураспада». Когда пройдет еще один период полураспада, останется лишь четверть от начального количества ядер – и так далее. Но вероятностная природа получаемой нами из волновой функции информации объясняет, почему мы никогда не можем точно предсказать, в какой момент распадется конкретное ядро.

Действующие между частицами силы – как притяжения, так и отталкивания – можно представить происходящими посредством обмена третьей частицей.

Тот же самый процесс можно представить и по-другому. Вверху: Физики описывают взаимодействия частиц, используя «диаграммы Фейнмана». Сплошные, волнистые и пунктирные линии обозначают направление движения частиц, а изменение положения частиц с течением времени можно узнать, изучая страницу с диаграммами. Таким образом, левая диаграмма описывает, как два электрона изначально встречаются, обмениваются фотоном и отталкиваются. Справа протон и нейтрон остаются на одном расстоянии, пока не обмениваются пионом и не притягиваются друг к другу.

Посередине: Более схематичная диаграмма тех же процессов.

Внизу: Силу отталкивания между электронами можно представить в виде двух людей, стоящих в лодках и перебрасывающих друг другу мяч. Сначала назад отодвигается бросающий, затем ловящий. Сила притяжения подобна тому, как один человек бросает веревку, а другой ловит ее, чтобы приблизиться к нему.

В отличие от сильного ядерного взаимодействия, которое связывает протоны и нейтроны внутри ядра, слабое ядерное взаимодействие служит совершенно другой цели. Оно вызывает второй тип радиоактивности, называемый бета-распадом. Существует два типа бета-частиц: электроны и их античастицы – позитроны. В отличие от альфа-частиц, которые можно считать изначально присутствующими в ядре, так как они тоже состоят из нуклонов, электроны и позитроны должны создаваться в ходе особых процессов.

Соотношение протонов и нейтронов в определенных ядрах не подходит для максимизации стабильности. Чтобы восстановить баланс[54], нейтроны или протоны могут преобразовываться друг в друга, в процессе создавая электрон или позитрон для сохранения электрического заряда. Следовательно, ядро, обладающее слишком большим избытком нейтронов, будет подвержено бета-распаду, в ходе которого нейтрон будет преобразовываться в протон и электрон, причем последний будет испускаться наружу. Избыток протонов вынудит один из них преобразоваться в нейтрон и позитрон, который заключит в себе заряд протона.

В 1933 году Вольфганг Паули понял, что этот процесс должен включать в себя создание другой, еще не обнаруженной частицы, которая объясняла бы, почему энергия испускаемых бета-частиц не сходится с балансом. Эта новая и крайне трудноуловимая частица, существование которой было экспериментально подтверждено только в 1956 году, получила название нейтрино[55].

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