Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе - Герайнт Фрэнсис Льюис

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