Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - [167]
Солнце все-таки светит
Звезды все-таки светят (рис. 10.4), потому что протоны проходят сквозь стены. Слово «стена» не надо брать в кавычки, когда мы говорим, что два сближающихся протона натыкаются на стену взаимного электрического отталкивания. Привычные нам стены – это тоже тем или иным образом организованные силы отталкивания[206], просто из-за размера как нас самих, так и обычных стен мы вправе ничего не знать об атомах и молекулах, когда натыкаемся на твердую поверхность. Поэтому стена, разделяющая два протона, – это не метафора; любая стена/барьер – это просто сила в определенной конфигурации.
Рис. 10.4. Бурные процессы на поверхности Солнца – результат выделения энергии в его ядре
Протоны внутри Солнца иногда туннелируют сквозь запрещающий барьер
И еще во фразе «могут проходить сквозь стены» пояснения заслуживает слово «могут». Если вы оставили апельсины в вазе на столе и ушли на работу, то, вернувшись домой, вы «можете» обнаружить один из апельсинов лежащим на столе из-за того, что он прошел сквозь стенку вазы. Впрочем, не пытайтесь воспроизвести это в домашних условиях, потому что вероятность такого события запредельно, невыразимо мала – из-за огромной массы апельсина и огромной же толщины стенки. Для протонов, разделенных барьером взаимного отталкивания, вероятность прохождения сквозь стену в обычных условиях тоже исчезающе мала, но для «разогретых» протонов в 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
