Законы микромира: может ли человек пройти сквозь стену
Мы привыкли видеть мир, целиком и полностью подчиняющийся законам классической механики. В нем существуют причины и следствия - и первые в обязательном порядке предшествуют вторым. Но на микроуровне над отдельными частицами властвуют свои законы, свод которых ученые назвали квантовой механикой. Некоторые из этих законов настолько необычны, что понять их невозможно, - только описать математически и принять.
К одному из "странных" явлений квантового мира относится туннельный эффект. В общем случае так называют прохождение частицы сквозь область пространства, пребывание в которой "запрещено" классической механикой. Наиболее распространенным примером является преодоление частицей энергетического барьера, когда ее энергия меньше высоты этого барьера. В реальном мире это сравнимо с тем, что бегущий со скоростью 25 километров в час человек догоняет убегающую от него со скоростью 50 километров в час лошадь. А в микромире такая ситуация в порядке вещей.
Все дело - в законах квантовой механики, согласно которым невозможно утверждать, что частица имеет определенную энергию в конкретный момент времени. Существует математическое соотношение между точностью измерения энергии и временем, которое занимает это "измерение". Данные величины обратно пропорциональны друг другу: большая точность в определении энергии неизбежно ведет к большей погрешности в определении времени измерения энергии - и наоборот. Формула этого соотношения: ΔЕΔt? ћ (ћ = h/2).
В приведенном выражении ΔЕ и Δt - изменение энергии и времени, h - постоянная Планка. Ученый Макс Планк, один из родоначальников квантовой механики, назвал своим именем коэффициент пропорциональности между частотой электромагнитной волны и минимальным количеством энергии, которую эта волна может нести. Переведем физические законы в денежный эквивалент. Наименьшим номиналом российских денег является одна копейка. Ее уже невозможно поделить пополам (физическое воздействие в расчет не берется), нельзя определить стоимость чего-либо с точностью до 0,5 или 0,1 копейки. Это наименьшая цена, которую мы можем присудить какому-либо объекту. И в квантовом мире эта "копейка" называется постоянной Планка.
Осознать туннельный эффект на физическом уровне практически невозможно. Попробуем объяснить его на аналогии бытовой ситуации. Допустим, девушка-продавщица хочет сходить на свидание в красивом и очень дорогом платье, но средств на покупку у нее нет. Директор магазина приходит проверять выручку в кассе днем. Тогда девушка берет деньги, покупает платье и вечером идет в нем на встречу с кавалером. А на следующий день она возвращает платье в магазин (разумеется, в целости и сохранности), получает обратно деньги и возвращает их в кассу. Так и частица, предположительно, "берет взаймы" энергию и возвращает ее до того, как "пропажу" можно обнаружить.
Математический аппарат квантовой механики показывает, что, чем выше барьер, тем меньше вероятность того, что произойдет такое "одолжение" энергии. При переходе к более сложным объектам (в том числе и к человеческому телу), состоящим из большего числа частиц, возможность туннелирования сохраняется, но становится очень маловероятной, поскольку требует, чтобы все частицы совершили переход одновременно. Тем не менее если бы человек обладал бесконечной жизнью (превышающей возраст Вселенной), рано или поздно он бы смог проникнуть сквозь бетонную стену. Правда, количество попыток, необходимых для этого, представить очень трудно.
Итак, в возможности туннелирования частиц через барьер "повинно" определенное соотношение энергии и времени ее измерения. Значение постоянной Планка, входящей в данное выражение, равна 6,626070040*10?³? джоулей на секунду. Если бы это значение увеличилось, наш мир стал бы безумным. Кусочки льда просачивались бы через стенку бокала, клетки для животных стали бы бесполезны, да и для людей не осталось бы физических преград. Но в силу малой величины постоянной Планка такими "умениями" обладают лишь отдельные частицы.
Туннельное прохождение частицы через энергетический барьер лежит в основе некоторых явлений ядерной и атомной физики и даже применяется в микроэлектронике. Благодаря этому феномену электроны способны "убежать" с поверхности металла, а в полупроводнике при определенных условиях появляется "лишний" участок на графике зависимости тока от напряжения. Туннельный эффект может и вредить - например, в полевых транзисторах, где неконтролируемое проникновение носителей заряда через энергетический барьер является недостатком.
