Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов

сравнить только скорость. Что же можно сравнивать с этой h или ħ? Во-первых, количество вращения[204]. Камень весом сто граммов, который крутится на веревке длиной один метр со скоростью три оборота в секунду, обладает количеством вращения, примерно равным 6 × 1033ħ, тогда как некоторый аналог количества вращения для электрона всегда составляет 1/2 ħ; пожалуйста, почувствуйте разницу. Во-вторых, с h или ħ можно сравнивать «присутствие энергии» – не саму энергию, а энергию, умноженную на то время, в течение которого данная энергия в том или ином виде присутствует. И наконец – площади на Плоскости действия. Эти площади появляются при описании целого ряда явлений, и любую такую площадь можно поделить на ħ и получить «голое» число: если оно большое, значит, об эффектах квантовой механики можно не беспокоиться, но если оно невелико, то смотрите в оба и забудьте про все, что «интуитивно очевидно».

Посмотрим, что означают заколдованные прямоугольники для частицы массой в один миллиграмм (почувствуем себя ботаником Брауном; см. главу «прогулка 9»). Если считать, что положение такой частицы задано с точностью в один нанометр, что составляет одну сторону заколдованного прямоугольника на Плоскости действия, то, зная его площадь, мы найдем ограничение на неопределенность в количестве движения частицы, а после деления на массу – и в ее скорости. Подставляя конкретные числа, мы видим, что неопределенность в скорости составляет одну двадцатую от одной миллиардной нанометра в секунду – что едва ли можно назвать ограничением. Вполне можно было задать положение в двадцать миллиардов раз точнее, и все равно неопределенность скорости осталась бы на уровне одной миллионной миллиметра в секунду. Со всех практических точек зрения можно считать, что частица весом в один миллиграмм прекрасно пребывает на своей траектории. Так получается из-за того, сколь огромна ее масса. Возьмем что-нибудь полегче, например бактерию Escherichia coli (кишечную палочку). Для оценки можно считать, что ее диаметр около одного микрона, длина около двух микрон, а масса – 1 пг. Вот пикограмм – это мало: 10–12 г. Испытывает ли E. coli квантовое беспокойство или, хуже того, квантовые метания из-за невозможности иметь одновременно точное положение и точную скорость? Определим условие ее комфорта как неопределенность положения максимум в одну десятитысячную от ее длины; для сравнения, мне кажется, что меня не должна беспокоить неопределенность моего положения в десятитысячную долю моего роста, т. е. около 0,2 мм. Для бактерии это означает, что мы локализовали ее с точностью до двух десятых нанометра. Тогда из заколдованного прямоугольника получается, что неопределенность ее скорости составляет около четверти нанометра в секунду. Нет, E. coli может жить спокойно, не испытывая ни малейшего квантово-механического дискомфорта.

Но для электрона все уже по-другому – из-за его массы. Желание локализовать электрон в пределах одного нанометра означает, что неопределенность его скорости составляет около (чуть меньше) 58 километров в секунду. Точнее этого определить его скорость нельзя, а с такой неопределенностью в скорости никак не получается сказать, что электрон движется по траектории: даже из пределов десяти нанометров он норовит выскочить за доли пикосекунды. Попытка четко локализовать электрон оказывается совершенно бесполезной, потому что невозможно предсказать, где мы его встретим при следующей попытке, даже если она делается почти сразу после первой.

*****

Спасибо неопределенности. Принцип неопределенности, при всей его необычности, работает на благо человечества, да и вообще практически всего сколько-нибудь интересного, что есть во Вселенной: он позволяет звездам гореть. Дело в том, что принцип неопределенности позволяет проходить сквозь стены.

Все, что говорилось о «горении» Солнца на прогулке 5, было правдой, но это была не вся правда. Да, Солнце и другие звезды черпают энергию из дефекта массы при слиянии меньших атомных ядер в большие, прежде всего из слияния протонов. Но чтобы соединиться в составное ядро, протонам необходимо преодолеть взаимное электрическое отталкивание и сблизиться так, чтобы «защелкнулся замок» ядерного взаимодействия: на очень малых расстояниях оно намного сильнее электрического, и это позволяет протонам оставаться в тесных взаимных объятиях. Но пока этого не произошло, электрическое отталкивание играет роль разделительной стенки между любыми двумя протонами. В обычном веществе вокруг нас у протонов, которые еще не попали в одно ядро, совсем нет возможности для сближения, необходимого для слияния. Шансы могли бы появиться в недрах звезд: температура в ядре Солнца – около 15 млн градусов, из-за чего протоны мечутся там со средней скоростью около 600 км/с (и каждый испытывает миллиарды столкновений в секунду). Однако и этого оказывается недостаточно: на том расстоянии, где ядерное взаимодействие готово всерьез взяться за дело, электрическое отталкивание между двумя протонами настолько велико, что для преодоления его «с наскока» – за счет движения – требуется температура не 15 млн, а около 10 млрд градусов. Стена продолжает разделять каждую пару протонов, которые могли бы соединиться. Солнце «не должно» светить[205].

Солнце все-таки светит

Звезды все-таки светят (рис. 10.4), потому что протоны проходят сквозь стены. Слово «стена» не надо брать в кавычки, когда мы говорим, что два сближающихся протона натыкаются на стену взаимного электрического отталкивания. Привычные нам стены – это тоже тем или иным образом организованные силы отталкивания[206], просто из-за размера как нас самих, так и обычных стен мы вправе ничего не знать об атомах и молекулах, когда натыкаемся на твердую поверхность. Поэтому стена, разделяющая два протона, – это не метафора; любая стена/барьер – это просто сила в определенной конфигурации.

Рис. 10.4. Бурные процессы на поверхности Солнца – результат выделения энергии в его ядре

Протоны внутри Солнца иногда туннелируют сквозь запрещающий барьер

И еще во фразе «могут проходить сквозь стены» пояснения заслуживает слово «могут». Если вы оставили апельсины в вазе на столе и ушли на работу, то, вернувшись домой, вы «можете» обнаружить один из апельсинов лежащим на столе из-за того, что он прошел сквозь стенку вазы. Впрочем, не пытайтесь воспроизвести это в домашних условиях, потому что вероятность такого события запредельно, невыразимо мала – из-за огромной массы апельсина и огромной же толщины стенки. Для протонов, разделенных барьером взаимного отталкивания, вероятность прохождения сквозь стену в обычных условиях тоже исчезающе мала, но для «разогретых» протонов в