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

ядре Солнца она перестает быть запрещающе малой, а актов столкновений там, наоборот, очень много (раскладывая апельсины, нам нечего и пытаться сравняться в числе попыток с этой ситуацией). В некоторых столкновениях два протона, находящиеся по разные стороны барьера взаимного отталкивания, все-таки попадают на одну его сторону из-за того, что один из них проходит сквозь барьер. Говорят, что он туннелировал, хотя никакого «туннеля» он не просверливал, а просто оказался по другую сторону стенки. После этого, правда, все тоже не очень просто из-за ряда отягчающих обстоятельств (см. добавления к этой прогулке), но без прохождения – туннелирования – сквозь стены не было бы совсем ничего, и благодаря туннелированию Солнце все-таки горит.

Прохождение сквозь стены – это откровенное нарушение запретов на возможное движение в том виде, к которому мы привыкли в окружающем нас мире – мире, который, в противоположность квантовому, называется классическим (слово указывает в данном случае не на расцвет Античности, а на все то, что считалось непреложно верным, пока не выяснилась квантовая природа мира). В квантовом же мире само движение устроено не классическим образом, и классические запреты оказываются не совсем запретами. Впрочем, преодоление их носит вероятностный характер, и чем выше стены (что измеряется энергией, необходимой для «переползания через верх»), а особенно чем они толще, тем менее вероятно туннелирование. Радикально менее вероятно: небольшое увеличение одного или другого параметра приводит к драматическому подавлению туннелирования, и во множестве случаев вероятность его настолько ничтожна, что можно смело говорить, что запрет все-таки действует. Во множестве, но не во всех.

Принцип неопределенности позволяет частицам преодолевать запреты, пользуясь «неопределенностью своего положения». Шериф запирает квантового Неуловимого Джо в застенке, а тот, как выясняется, не может строго локализоваться в пределах отведенного ему тесного пространства. В результате область его возможного пребывания отчасти распространяется и на внешний мир, где все еще привязана его лошадь. Хорошо по крайней мере, что помощники шерифа недавно укрепили стены, сделав их толще. Но здесь уже настает время для очередного предупреждения о неточности аналогий и метафор. Квантовая действительность по-настоящему случайна; в природе нет средств, чтобы запланировать побег. Квантовый Неуловимый Джо сам не знает, когда ему удастся сбежать, и своими средствами (без сообщников снаружи, что было бы уже совсем другой историей) повлиять на это не в состоянии. Имеет смысл только вероятность, с которой событие случится в течение выбранного периода времени. Вероятность же проявляет себя не в единичных случаях, а при повторных испытаниях, как при подбрасывании монеты, или же в отношении массового поведения – как в радиоактивном распаде атомных ядер.

«Куски» некоторых ядер (не в звездах, а «сами по себе») могут сбегать наружу, тоже проходя сквозь стены, и это тоже по-настоящему вероятностный процесс. Такие ядра существуют в течение какого-то времени как ни в чем не бывало, но затем превращаются в другие из-за потери небольшого фрагмента, который туннелирует наружу из «застенка». Сам этот застенок создан совместными силами притяжения всего, из чего состоит ядро: протонов и нейтронов. Притяжение создает энергетическую яму, стенки которой не дают им отрываться от коллектива (под влиянием кальки с английского, кстати, в последнее время вместо «яма» часто говорят «колодец»; звучит красиво и даже немного загадочно). Энергетические ямы бывают разными: в той, что на рис. 10.5 слева, можно поселиться, обладая энергией, превосходящей уровень энергии, отвечающий внешней «равнине», и тогда из ямы в принципе можно туннелировать на равнину; но из ямы на рис. 10.5 справа туннелировать некуда, выбраться из нее можно только обычным способом – при получении энергии, необходимой для «выползания». Обе эти энергетические ямы изображены для одномерного пространства, когда движение возможно только вдоль одной прямой. Если Неуловимому Джо доступны перемещения по плоскости, то изображение энергетической ямы будет и правда больше всего похоже на яму, с бортиками или нет (и это по-прежнему выражение того, как энергия зависит от положения, теперь уже на плоскости). А для частицы, летающей по трехмерному пространству, нарисовать такую яму уже невозможно: сидящая в ней частица ощущает стенки по всем направлениям.

Рис. 10.5. Два примера энергетической ямы, куда можно посадить частицу. Контуры ямы показывают энергию, сила же, которая возвращает частицу к центру ямы, измеряется крутизной стен

Для протонов и нейтронов, сидящих в атомном ядре, энергетическую яму создает притяжение, за которое отвечает сильное ядерное взаимодействие. Ему, конечно, мешает электрическое отталкивание между протонами, но правила игры здесь неравные. Ядерные силы намного сильнее электрических, но только в пределах малых расстояний – около 10–15 м (так называемый фемтометр, в миллион раз меньший нанометра), и из-за этого связывают только ближайших соседей. Электрическое же отталкивание, хотя и более слабое само по себе, ослабевает с расстоянием значительно медленнее, из-за этого каждый протон отталкивается от каждого, и при слишком большом числе протонов электрическое отталкивание побеждает – берет не силой, а массовостью. Укреплению ядерных коллективов заметно помогают нейтроны: они вообще не отталкиваются электрически, потому что не имеют заряда, а в отношении притяжения за счет ядерных сил неотличимы от протонов; они и дают дополнительный «склеивающий» эффект (пока их самих не слишком много и не очень заметна их неуживчивость друг с другом из-за эффекта, до которого мы доберемся в конце этой прогулки). Поэтому в подавляющем большинстве ядер (во всех после кальция, если двигаться по Периодической таблице элементов) нейтронов больше, чем протонов.

Те ядра, из которых возможно туннелирование, пребывают в промежуточном состоянии между существованием и несуществованием: их отдельные куски могут оказаться снаружи с некоторой вероятностью. «Кусками» при этом оказываются не отдельные протоны, а альфа-частицы – удерживаемые вместе два протона и два нейтрона. Причина предпочтения альфа-частиц – в их особой прочности, которая оборачивается энергетическим преимуществом[207]. Как только альфе-частице случилось пройти сквозь стенку (оказаться где-то на наружной стороне бортика, подобного тому, что изображен на рис. 10.5 слева), она покидает область действия ядерных сил, а электрическое отталкивание работает вовсю, из-за чего она немедленно улетает прочь, являя собой эффект радиоактивности (альфа-радиоактивности, поскольку есть и другие виды; весь процесс называют альфа-распадом). В ядре же остается на два протона и на два нейтрона меньше. Из-за своего туннельного характера альфа-распад носит истинно случайный характер (что остается предметом неизбывной зависти для программистов, решающих задачу генерирования по-настоящему случайных чисел компьютерными средствами). Примеры радиоактивных распадов приведены в добавлениях к этой прогулке.