Квантовый побег через стену: почему частицы нарушают здравый смысл
Если бросить мяч в бетонную стену, результат очевиден: мяч отскочит. Классическая физика утверждает, что объект не может преодолеть препятствие, если его энергии недостаточно для прохождения через него. Этот принцип кажется настолько очевидным, что воспринимается как незыблемый закон природы. Однако в микромире атомов и элементарных частиц ситуация оказывается гораздо более странной.
Квантовая механика предсказывает существование явления, которое на первый взгляд выглядит невозможным. Частица может оказаться по другую сторону барьера даже тогда, когда ее энергии недостаточно для его преодоления. Этот эффект получил название квантового туннелирования и стал одним из самых удивительных открытий физики XX века.
Причина кроется в том, что в квантовой механике частица не является крошечным твердым шариком с точно определенным положением. Ее состояние описывается волновой функцией — математическим объектом, который показывает вероятность обнаружения частицы в различных точках пространства.
Когда такая частица сталкивается с потенциальным барьером, волновая функция не обрывается на его границе. Вместо этого она начинает проникать внутрь барьера и постепенно затухать по экспоненциальному закону. Если барьер достаточно толстый, волна практически полностью исчезает еще до достижения противоположной стороны. Но если препятствие достаточно тонкое, волновая функция сохраняет ненулевое значение и за его пределами.
В этом случае существует вероятность обнаружить частицу уже по другую сторону барьера. Никакого физического проламывания стены не происходит. Частица просто описывается волновой функцией, которая распространяется через область, недоступную классической физике.
Первое убедительное объяснение этого эффекта появилось в 1927 году. Советский физик Георгий Гамов независимо от британских исследователей Рональда Гёрни и Эдварда Кондона использовал идею туннелирования для объяснения загадочного радиоактивного альфа-распада.
Внутри атомного ядра альфа-частица удерживается мощными ядерными силами. Однако на некотором расстоянии начинает доминировать электрическое отталкивание положительно заряженных частиц, создающее высокий кулоновский барьер. Согласно классической физике, энергии альфа-частицы недостаточно для преодоления этого препятствия, поэтому она должна навсегда оставаться внутри ядра.
Тем не менее радиоактивные элементы постоянно испускают альфа-частицы. Гамов показал, что решение заключается именно в квантовом туннелировании. Альфа-частица не перепрыгивает через барьер, а проходит сквозь него благодаря волновой природе материи. Эта идея блестяще объяснила скорости радиоактивного распада различных элементов.
Значение открытия оказалось огромным. Без квантового туннелирования многие радиоактивные процессы были бы невозможны. Более того, не существовало бы многих химических элементов, которые образуются в результате цепочек ядерных превращений.
Со временем туннелирование перестало быть исключительно теоретической концепцией и превратилось в важный инструмент технологий. Одним из самых впечатляющих примеров стал сканирующий туннельный микроскоп, созданный Гердом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году.
Принцип его работы основан на том, что чрезвычайно острый металлический кончик подводится к исследуемой поверхности на расстояние всего нескольких ангстремов. Между ними возникает туннельный ток — поток электронов, перескакивающих через вакуумный зазор благодаря квантовому туннелированию.
Особенность заключается в том, что величина тока экспоненциально зависит от расстояния. Даже изменение на долю нанометра вызывает заметное изменение сигнала. Перемещая кончик над поверхностью и измеряя ток, ученые получили возможность буквально видеть отдельные атомы. За это изобретение Бинниг и Рорер были удостоены Нобелевской премии по физике в 1986 году.
Сегодня туннелирование используется во множестве электронных устройств. Туннельные диоды способны работать на сверхвысоких частотах благодаря тому, что электроны проходят через барьер практически мгновенно. Во флэш-памяти, используемой в твердотельных накопителях, USB-накопителях и картах памяти, электроны туннелируют через тонкий слой оксида и изменяют заряд плавающего затвора, позволяя хранить информацию даже при отключении питания.
Однако, возможно, самая важная роль туннелирования связана не с электроникой, а с существованием звезд. В центре Солнца протоны должны преодолеть мощное электрическое отталкивание, чтобы приблизиться друг к другу и вступить в реакцию ядерного синтеза. Температура солнечного ядра составляет около 15 миллионов градусов, но даже этого недостаточно для классического преодоления кулоновского барьера.
К счастью для нас, действует квантовое туннелирование. Благодаря ему небольшая часть протонов все же проходит сквозь барьер и сливается с образованием дейтерия. Именно этот процесс запускает цепочку термоядерных реакций, поддерживающих свечение Солнца уже более четырех миллиардов лет. Без туннелирования наша звезда была бы гораздо холоднее и, вероятно, никогда не смогла бы стать источником жизни на Земле.
Особый интерес физиков вызывает вопрос о времени туннелирования. Интуитивно кажется, что чем толще барьер, тем дольше частица должна находиться внутри него. Однако эксперименты показывают гораздо более странную картину.
В ряде исследований 2020–2025 годов группа ученых под руководством Авиада Каханы изучала прохождение атомов рубидия через специально созданные оптические барьеры. Измерения показали, что время туннелирования ограничено сверху и составляет лишь несколько десятков аттосекунд — миллиардных долей миллиардной доли секунды.
Еще более удивительно то, что это время почти не зависит от толщины барьера. На первый взгляд создается впечатление, будто частица движется быстрее света. Однако более тщательный анализ показывает, что принцип причинности не нарушается. Никакая информация не передается сверхсветовым образом, а само время туннелирования не является прямым измерением движения частицы внутри барьера в привычном классическом смысле.
Именно здесь проявляется фундаментальная особенность квантовой механики. Частица не имеет строго определенной траектории внутри барьера, поэтому попытка описывать процесс теми же понятиями, что используются для движения автомобиля или космического корабля, оказывается некорректной.
Квантовое туннелирование остается одним из самых удивительных следствий квантовой механики. Оно лежит в основе радиоактивного распада, работы транзисторов, флэш-памяти, туннельных микроскопов и термоядерного горения звезд. Парадокс сверхсветового туннелирования разрешается тем, что время туннелирования не является прямым измерением движения частицы внутри барьера из-за фундаментальной неопределенности квантовой механики. Но сам факт того, что частица способна оказаться там, куда классическая физика категорически запрещает ей попасть, продолжает поражать физиков и инженеров уже более ста лет.