Привет всем, народ!
Это подкаст Звездануло. Астро-русский словарь, в котором я перевожу сложную науку на человеческий язык.
Сегодняшний выпуск будет для меня большим экспериментом, так что я пока не знаю, что получится. Напишите потом, что больше нравится – новый формат или старый)
Вот вам как обычно ютубчик:
И ЯМ:
В общем, я вспомнил, что давным давно, когда количество выпусков подкаста было числом однозначным, я говорил про квантовый туннельный эффект. И почти сразу же мне прилетел вопрос от жены: «А что это за эффект, расскажи». Я всё время находил темы поинтереснее и попонятнее, но сейчас захотелось вот этого рубилова прикольного, поразбираться именно в каком-нибудь принципе, явлении. Что-то, от чего мозг будет немного кипеть.
Короче, я начал копать принцип неопределенности. Залезаю на википедию, откуда всё и начинается и вижу такое определение:
Туннели́рование — преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект — явление исключительно квантовой природы, невозможное в классической механике и даже полностью противоречащее ей.
Хорошо, думаю. Теперь надо разбираться в причинах. И на той же Вики есть-таки объяснение. Довольный иду читать и вижу вот это:
Туннельный эффект можно объяснить соотношением неопределённостей, оно показывает, что при ограничении квантовой частицы в пространстве, то есть увеличении её определённости по координате, её импульс становится менее определённым. Случайным образом неопределённость импульса может добавить частице энергии для преодоления барьера. Таким образом, с некоторой вероятностью квантовая частица может проникнуть через барьер. Эта вероятность тем больше, чем меньше масса частицы, чем у́же потенциальный барьер и чем меньше энергии недостаёт частице, чтобы достичь высоты барьера, средняя энергия проникшей частицы при этом останется неизменной.
Кто слушал внимательно – уже хохотнули, наверное, да? В первом определении говорят, что полная энергия остается неизменной, а во втором – неопредленность импульса может добавить энергии для прохождения барьера.
Ну ладно, выключу режим душнилы.
Пока не очень понятно, что это за туннелирование. Вот частица, вот барьер. У частицы не хватает энергии для того, чтобы перепрыгнуть барьер, но как только мы начинаем определять её координаты точнее, мы начинаем шатать принцип неопределенности Гейзенберга и он начинает шатать в ответ частицу. И расшатывает он импульс частицы.
Это хорошо, что я знаю о принципе неопределенности Гейзенберга, но теперь мне нужно это вам рассказать. В принципе, тут мне вики не нужна совсем. Я могу сказать примерно то же, что и она, а мы тут, вроде как не за озвучкой википедии собрались. Так что наш выпуск про квантовое туннелирование на самом деле оказался выпуском про принцип неопределенности. Покупали сок, а в пакете оказалось молоко.
Представьте, что вы стоите на пешеходном переходе и смотрите на приближающуюся машину. Вы оцениваете расстояние и скорость и на основе этих данных делаете вывод – переходить дорогу, или нуегонафиг, лучше медленнее, но целее. И в нашем большом человеческом мире всё так и устроено. Мы можем вычислить координату машины с какой-то точностью и её скорость тоже с какой-то точностью. Давайте остановим время в этот момент. Узнаем точнее координату машины. Возьмем рулетку и погнали мерить расстояние от себя до машины. Замерили с точностью до миллиметра. Только вот у нас на линейке указаны возможные погрешности, да и миллиметр – это не абсолютная мера точности. Давайте попробуем найти расстояние с точностью до микрометров. Придумаем, как с помощью микрометра измерить расстояние, хотя, вы его видели, этот микрометр? Ну ладно, фигня война – главное манёвры.
Суть вы уловили, мы можем повышать точность измерений всё больше, тогда мы будем точнее знать координаты машины. В нашем большом мире в реальной ситуации нам пофиг даже на сантиметры, на самом деле. Мы пренебрегаем этими значениями и прикидываем на глазок. Этого достаточно, чтобы описать довольно сносную и работающую физическую модель.
Но на микроуровне точность-то должна быть соответствующей. Нельзя сказать, что частица гелия у нас в трех сантиметрах справа. Даже миллиметры будут не настолько точными. Это будет издевательством. Примерно как «Россия – это страна примерно на третьей планете от солнца».
Так что уровень измерений надо повышать. Мы не знаем более точной линейки, чем свет. Есть конкретная скорость света, есть фотоны, с которыми мы можем взаимодействовать. Даже в случае с машиной мы так и работали – свет попал на машину, отразился от нее к нам в глаза и мы провели измерение. Просто мозг на основе опыта делает это мгновенно, и мы не задумываемся.
На уровне микромира измерение проходит примерно как игра в вышибалы. Если фотон пролетел мимо частицы – он не вернулся. Если какие-то фотоны попадают по частице – они разлетаются в разные стороны. Иногда – обратно. И на основании траекторий разлета этих мячиков мы можем сказать, где находится частица, плюс-минус. Чем больше данных у нас есть – тем точнее мы найдём частицу. Но при этом мы влияем на частицу. Толкаем её этими мячиками. И теперь уже не очень можем понять скорость движения этой частицы.
И наоборот, если мы не будем закидывать в частицу мячики – сможем точно понять её скорость, но ничерта не узнаем про координаты.
Объяснение довольно грубое, как всегда.
Поэтому нам в школе и говорят, что частицу мы воспринимаем не саму по себе, а в некотором пространстве, в котором она может находиться. Представьте себе, что мы взяли рисовое зёрнышко и положили в прозрачный контейнер из пародии на киндер. Мы видим, где летит контейнер, но точную координату рисинки не знаем. В этом случае – рисинка будет частицей, а размер контейнера – той самой определенностью по координате. И чем сильнее мы сомнем контейнер под размеры частицы своими инструментами измерения, тем точнее мы можем предполагать координату частицы, так?
Но так мы поменяем её импульс. Кто не помнит – импульс, это скорость помноженная на массу. Масса остаётся неизменной, так что меняется только скорость.
Это я на всякий случай перестраховался – вдруг не смог удачно объяснить принцип неопределенности с первого раза.
Ну ладно. Давайте представим себе потенциальный барьер. Пусть это будет рампа для скейтбордистов. Только пусть будет горка в обе стороны.
Мы смотрим, как скейтбордист пытается преодолеть нашу горку и не может. Ему не хватает энергии. Как мы можем ему помочь? Давайте попробуем мячик в него кинуть, как в вышибалах? Мячик его подтолкнёт. Мы находим мячик, затыкаем внутренний голос, который говорит, что на самом деле мы просто хотим сделать человеку неожиданно больно, а помощь – это только прикрытие. В общем, мы бросаем мяч в бедолагу. И внезапно всё работает именно так, как и предполагалось. Мяч подталкивает чувака и он перекатывается через нашу горку.
Примерно так и работает квантовый туннельный эффект.
Понятно же, что мячики – это те же наши фотоны?
Ну ладно. Квантовый туннельный эффект используется много где. Когда электрик в доме ставит что-то на скрутку, или на клемму – появляется потенциальный барьер в виде оксидной плёнки. Грубо говоря, ржавчины. Не у всех металлов она есть, знаю, но давайте не будем в подробности углубляться. В серьёзной электронике есть диоды и транзисторы, которые мы вполне себе используем. В общем, мы это используем. А теперь внимание, вопрос. Кто измеряет частицы в скрутке, что там работает туннелирование?
Я искал ответ на этот вопрос довольно долго. Сейчас слушатели со звёздочкой начнут говорить, что ни туннелирование ни принцип неопределенности не требует разумного наблюдателя. Всё так. Сейчас я эту мысль объясню, а потом перейду к своему вопросу опять.
Так. Ещё раз. Для работы принципа неопределенности и квантового туннельного эффекта не нужно стоять со свечкой и наблюдать за процессом. Тут важен сам факт того, что в частицу прилетают мячики и другие инструменты измерения. А откуда они там будут прилетать – пофиг. Скажу по секрету – фотоны могут излучать всякие частицы. Их в науке и называют частицами-наблюдателями. Так что скрутка вполне будет работать и без фиксиков.
Мой вопрос заключается вот в чём. Для достижения бОльшего разброса по скорости нужно точнее знать координаты частицы. А что точнее определит координату – барьер, или сторонняя частица-наблюдатель? Я не нашел ничего в гугле. Наверное, не очень глубоко искал. Но обратился к своему другу, который в науке прям работает, а не то, что я – научпопер. Я до сих пор не представляю, как ему тяжело отвечать на мои дурацкие вопросы, но он продолжает со мной возиться. В общем, беседа была ооочень долгой, а в итоге мы пришли к мнению, что и барьер и сторонняя частица могут быть наблюдателем. У нас остался открытый вопрос: а может ли наблюдение отдельной частицей, или наблюдение частицей самого барьера иметь практическую разницу и нужна ли сторонняя частица в принципе для наблюдения?
Давайте представим ооочень экстремальную тренировку сборной России по футболу. Пусть ребята бьют в пустые ворота, за которыми обрыв. Нужно ли спрашивать у арбитров – был ли гол? Мяч либо упал в пропасть и тогда гол засчитан, либо он остался на поле и гола не было.
Так нафига нам сторонний арбитр? Может, сам обрыв и приравняем к судье?
В общем, у меня лично остались вопросы. Я попробую в них разобраться, загуглить и поспрашивать еще разных людей, но пока что на этом мы остановимся. Туннелирование от этого не перестаёт существовать, а мы не перестали его понимать от моих вопросов. Так что я просто пытаюсь повысить точность измерений, которая уже устраивает современность.
Ладно, народ, давайте к закадру перейдём.
Если вам нравится этот подкаст – у меня к вам просьба. Расскажите о нем кому-нибудь. Неважно, соцсети это будут, или вы за пуговицу товарища поймаете.
Поддержать подкаст материально можно на бусти, в группе ВК через ВК донат, и в сборе на Тинькофф)
С вами был Роман Юдаев,
Услышимся в следующем выпуске.