Полицейский спрашивает специалиста по квантовой физике:
- Вы знаете, как быстро Вы ехали, сер?
- Нет, но я точно знаю где я!
Этот анекдот достаточно понятно объясняет суть принципа неопределенности Гейзенберга: чем точнее измеряется одна характеристика частицы, тем менее точно можно измерить другую. Этот принцип является следствием принципа корпускулярно-волнового дуализма. О нём, наверное, наслышаны, однако я все равно вкратце поясню:
корпускулярно-волновой или квантово-волной дуализм - необычное свойство природы, состоящее в том, что материальные микроскопические объекты в зависимости от условий могут проявлять свойства как волн, так и частиц. Это всем известные электроны и фотоны (частицы света). В дальнейшем будем звать их просто квантами. Это супер-мега-ультракрохотные частицы, которые ученые пока не смогли разделить на более мелкие составляющие.
Так вот , отвлечемся от нудных определений и понятий и поговорим о квантовой механике, а именно об одном из самых удивительных явлений - ТУННЕЛЬНОМ ЭФФЕКТЕ. Ничего подобного в видимом нами мире произойти не может, оттого он становится таким загадочным.
Рассмотрим частицу: это самая обычная, маленькая частица, обладающая незначительной массой, и эта частица решила проведать свою подругу - такую же обычную маленькую частицу. Идет она, идет по своей маленькой дорожке, выполняя правила классической механики и никак не ожидая наткнуться на проблемы, которые значительно больше, чем наша знакомая частица. Этой непреодолимой преградой оказывается потенциальный барьер, установленный непонятно зачем. Наша частица нерешительно подходит к барьеру, который ей надо преодолеть, чтобы пройти дальше, но потенциальная энергия этого барьера оказывается выше полной энергии частицы. Печально, но эту стену она перепрыгнуть не в состоянии, и ей ничего не остается кроме как развернуться и начать искать иной путь.
Что же будет делать квант в подобной непростой ситуации? В зависимости от настроения с какой-то долей вероятности он наплюет на то, что стена высокая, и решит просто пройти насквозь, не тратя времени на обходные дорожки, просто его скорость после потенциального барьера станет ниже. Так и случается туннельный эффект.
А какое отношение имеет господин Гейзенберг со своим принципом неопределенности к подобному поведению квантов?
Дело вот в чем: когда квант подходит к барьеру его местоположение становится более определенным, то есть мы четко определяем, что наш квант стоит в точке перед барьером. Как только мы точно определяем положение частицы, мы не можем так же точно определить ее энергию и импульс, а именно в импульсе и кроется кот в мешке. Случайным образом этот импульс может добавить частице энергии, что позволяет перепрыгнуть через забор.