Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Представьте себе, что вы каким-то образом оказались на полосе препятствий и должны её преодолеть. Перед вами стена, и через неё надо перемахнуть. Это чисто физическая задача – неважно, думаете ли вы о ней в физических терминах. Ваше тело должно каким-то образом собрать столько кинетической энергии, чтобы получить – и превзойти – потенциальную энергию, которую имело бы, оказавшись на верхней кромке стены. Эй, погоди-ка, думаете вы. А что, если пройти прямо сквозь стену при помощи туннельного эффекта? Конечно, можно попробовать использовать этот шанс: разбежаться как следует, броситься прямо на стену – и вдруг очутиться с той стороны. Но, прежде чем вы на это решитесь, знайте: шансы на успех невообразимо малы. Вы можете врезаться в стену каждый день на протяжении всей жизни, но, даже если проживёте до конца Вселенной, у вас, по всей вероятности, так ничего и не получится: туннель не откроется. То есть, может, и откроется, но с вероятностью не просто малой, а космически малой. К тому же будет больно.

Вероятность туннелирования объекта зависит от нескольких условий: насколько высок энергетический барьер, сколько энергии у объекта, насколько далеко он должен пройти, каковы размеры объекта. Чем больше объект, тем меньше вероятность успеха. Если он настолько велик, что его можно увидеть, шанс преодолеть барьер через туннель практически нулевой – во всяком случае, достаточно близкий к нулю, чтобы считать такой исход невозможным. Поэтому мы никогда не наблюдаем проявлений туннельного эффекта в ежедневной жизни, жизни больших объектов. Сидя в кресле, вы знаете, что оно вас удержит. Если бы законы квантовой механики были применимы к большим объектам, таким, как человеческое тело, вы бы рисковали нежданно-негаданно провалиться сквозь кресло и очутиться на полу, а может, и гораздо ниже! А вот для микроскопических предметов вроде протонов и электронов туннелирование – это преимущественный способ транспортировки в пространстве. Так что, если вы пишете комикс о супергерое, проходящем сквозь стены при помощи туннельного эффекта, помните: персонаж должен быть микроскопическим!

Квантовая «зона Златовласки»

Мы начали эту главу с разговора об источнике энергии Солнца и о роли звёзд в образовании элементов. Вспомним, что создание ядер элементов начинается снизу, с отдельных частиц: один нуклон, потом два, три… Первым шагом на пути создания ядер тяжёлых элементов, состоящих из многих нуклонов, было образование дейтерия, самого маленького составного ядра – связанных воедино протона и нейтрона. Но в центральной области Солнца нейтронов нет: там можно найти только сталкивающиеся друг с другом протоны. Положительно заряженные, они с огромной силой отталкиваются и никогда не могут сблизиться настолько, чтобы начало сказываться влияние сильного взаимодействия.

Каждую секунду каждый отдельный протон сталкивается здесь с другими протонами много миллиардов раз, не объединяясь ни с одним. Но в этом вихре столкновений, происходящих в огромном количестве, два протона то и дело оказываются способны благодаря туннельному эффекту просочиться сквозь разделяющий их электростатический барьер. Тогда эти протоны вдруг обнаруживают, что уже достаточно близки друг к другу, чтобы включилось сильное взаимодействие и связало их вместе. Они превращаются в дипротон!

Но мы уже знаем: дипротоны неустойчивы и мгновенно разваливаются на два протона. Похоже, так ничего и не изменилось! И тут в игру вступает ещё одна сила – слабое ядерное взаимодействие.

Слабые ядерные силы способны на трюк, недоступный никаким другим: они могут превратить протоны в нейтроны! Правда, вероятность такого превращения очень мала. Если благодаря туннельному эффекту может образоваться дипротон, есть очень маленький шанс, что он не успеет развалиться: один из составляющих его протонов превратится в нейтрон, и образуется устойчивый дейтерон. Вероятность этого и правда микроскопически мала: лишь в одном из примерно 10²⁸ столкновений между протонами в недрах Солнца образуется дейтерий. Этот процесс страшно неэффективен, но именно он и служит первым шагом к созданию ядер тяжёлых элементов.

Однако наше путешествие ещё не окончено. Туннельный эффект – не «волшебная палочка», создающая тяжёлые элементы. Да, он помогает преодолеть электростатическое отталкивание, но в игре есть и другие переменные. Тут как с лимонадом: вода, лимон, сахар… Положишь мало сахара – получится кисло, много – слишком сладко, но есть и «золотая середина». Разница в том, что лимонад, положи вы чуть меньше или чуть больше сахару, всё равно выпьют, а вот пределы «золотой середины» в энергетических условиях ядерной реакции гораздо строже.