Охотники за частицами - [30]
Но как понять эти странные слова? Мы привыкли с полным основанием считать, что сквозь стены проникнуть невозможно. Такое бывает только в сказках. Вот и мальчишка подтверждает: «Что вы мне сказки рассказываете!» А все-таки это не сказки, а одно из замечательных открытий квантовой механики. Понятное дело, это возможно только для очень маленьких и легких частиц, которые и изучаются квантовой механикой.
Для классической физики «просачивание сквозь стены» — действительно чепуха, вещь абсолютно немыслимая. Такое явление противоречило бы не только здравому смыслу, но и основным законам физики.
Частица может преодолеть стенку, встретившуюся на ее пути, одним-единственным способом: перемахнуть через нее, набрав достаточную энергию. Если же энергии не хватает, то частица, налетев на стенку, должна отлететь обратно.
Совсем так, как отскакивает от борта бильярда шар, или как отражаются волны света от хорошего зеркала. Но не забудем, что каждой частице сопутствует особая волна — волна де-Бройля.
Как обстоит дело с зеркалами для этих необычных волн? Оказывается, такие зеркала существуют в виде стенок для частиц. Только эти стенки могут быть и невидимыми и неосязаемыми. Например, для электронов, находящихся в металле, такими стенками является наружная поверхность металла, а для частиц, находящихся в атомных ядрах, условная «поверхность» ядер.
Ученые назвали стены домов, в которых живут семьи атомных частиц, барьерами, а сами дома — неуважительно — ямами. Картинка действительно напоминает нам шарик в ямке, отделенной земляной насыпью от окружающего пространства.
Квантовая механика знает два рода барьеров. Одни барьеры могут быть хоть и невысокими, но бесконечно длинными: они похожи на лестничные ступеньки — имеют только одну переднюю сторону. Другие барьеры скорее похожи на заборы: они могут быть хоть и высокими, но имеют ограниченную ширину.
Барьеры первого рода для волн материи оказываются идеальными зеркалами. А второго рода напоминают зеркала, побывавшие в длительном употреблении, когда отражающий слой на них частично стерся. Обычные зеркала при этом слегка пропускают свет. Атомные зеркала оказываются чуть-чуть прозрачными для де-бройлевских волн.
В результате волны материи просачиваются сквозь барьеры. Но это же означает, что связанные с ними частицы получают некоторую вероятность очутиться вне барьеров. Иными словами, частица с энергией, недостаточной для преодоления барьера поверху, может все же оказаться за ним, как бы прорыв туннель сквозь барьер. Удивительное явление так и получило название туннельного эффекта.
Частицы полностью отражаются обратно хотя и низенькими, но зато безгранично длинными барьерами. А вот если барьер имеет определенную ширину, даже пусть он очень высок, частицы могут понемногу просачиваться сквозь него. Пунктир вроде туннеля в барьере показан на рисунке только для наглядности находиться внутри барьера частицы не могут. Это и есть туннельный эффект.
«Чушь! — заявляет классическая физика. — Вот тут-то я и подловлю квантовую механику. Прослежу за частицей и, как только она войдет в барьер, тут же схвачу ее: стоп, голубушка, попалась! А ну-ка, полезай на весы! И квантовую механику приглашу полюбоваться».
В самом деле, у старой физики, кажется, есть основания злорадствовать. Легко убедиться в том, что частице внутри барьера отвечает отрицательная кинетическая энергия.
Вспомним выражение для этой энергии: половина произведения массы на квадрат скорости. Квадрат всегда положителен, половина — тоже. Если кинетическая энергия отрицательна, то, значит, частица внутри барьера должна иметь отрицательную массу. За этим-то и собиралась старая физика тащить частицу на весы. И, кажется, не зря: отрицательную массу не признает даже революционно настроенная квантовая механика.
И вот классическая физика влечет свою противницу к самому атомному барьеру. Она словно желает, чтобы дуэль между ними происходила по всем правилам. Однако, вопреки ожиданию, квантовая механика нисколько не нервничает. Напротив, она любезно помогает установить приборы для решающего опыта. Но при этом чуть-чуть заметно усмехается: она-то знает, как ведут себя приборы в атомном мире!
Начинается опыт. Прибор должен поймать частицу внутри барьера. При этом неважно, в каком месте, — достаточно лишь уличить частицу в том, что она находится где-то под барьером. Поэтому для опыта берутся кванты света с длиной волны, понятно, не более ширины барьера.
Частица засечена в яме, она движется по направлению к барьеру, прибор включен… — и классическая физика удивленно протирает глаза. Частица прошла над барьером! Несмотря на то, что ей недоставало энергии перемахнуть через барьер!
А квантовая механика громко и обидно смеется над еще раз поверженной противницей. Поимка не удалась. И мы догадываемся уже, почему. Измерительный прибор, вмешавшись в «незаконное» явление, добавил частице как раз столько энергии, что смог перебросить ее над барьером.
Нет, о том, чтобы уличить частицу в момент просачивания сквозь барьер, не может быть и речи. А вместе с тем частицы просачиваются сквозь барьеры!
