В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Внутри ядра нуклоны сдерживаются сильным ядерным взаимодействием, но если альфа-частица находится рядом с ядром, она будет сильно отталкиваться электрической силой. Совокупный эффект двух сил создает то, что физики называют «потенциальной ямой». Представьте себе разрез вулкана с пологими склонами и глубоким кратером. Мяч, размещенный сразу за границей кратера, скатится вниз по склону горы, а мяч, размещенный внутри кратера, упадет вниз, в сердце вулкана. Нуклоны внутри ядра находятся в подобном положении – они расположены в яме в центре атома, но если они пересекут «границу» – хотя бы слегка, – они «укатятся прочь» под действием электрической силы. Суть в том, что в соответствии с классической механикой нуклоны (или группы нуклонов вроде альфа-частицы) просто не обладают достаточным количеством энергии, чтобы выбраться из ямы и пересечь границу – а если бы обладали, они бы не оказались в этой яме. Однако квантово-механическое представление этой ситуации довольно сильно отличается. Хотя потенциальная яма все равно создает барьер, он не является непреодолимым, и существует определенная, хотя и маленькая, вероятность того, что альфа-частица может на самом деле оказаться за пределами ядра, а не внутри него. Если говорить о неопределенности, одно из соотношений Гейзенберга включает в себя энергию и время и утверждает, что энергия любой частицы может определяться только в диапазоне ΔE в период времени Δt

, при этом ΔE x Δt

должно быть больше ħ. На короткое время частица может «заимствовать» энергию из закона неопределенности, набирая достаточное количество энергии, чтобы перепрыгнуть через потенциальный барьер, а затем отдавать ее назад. Возвращаясь к «должному» энергетическому состоянию, она находится уже снаружи барьера, а не внутри него, и устремляется дальше.

Рис. 7.1.

Потенциальная яма в центре атомного ядра. Частице А приходится оставаться внутри, пока она не получит достаточно энергии, чтобы перепрыгнуть «через край» в точку В, откуда она скатится «вниз». Квантовая неопределенность позволяет частице время от времени «пробиваться» от А к В (или от В к А), не имея достаточного количества собственной энергии на подъем.

Также на это можно посмотреть с позиции неопределенности положения. Частица, которая «должна быть» внутри барьера, оказывается снаружи него, потому что в квантовой механике ее положение определяется лишь в общих чертах. Чем большей энергией обладает частица, тем проще ей выбраться, но она не должна

обладать достаточным количеством энергии, чтобы выбраться из потенциальной ямы, как того требует классическая теория. Кажется, что частица как бы «пробивается» сквозь барьер, и этот эффект имеет чисто квантовую природу[38]. На этом основан радиоактивный распад, но чтобы объяснить деление атомного ядра, необходимо переключиться на другую модель ядра атома.

Теперь забудьте об отдельных нуклонах в оболочках и представьте ядро в качестве капли жидкости. Капля воды принимает разные формы, и точно так же некоторые общие свойства ядра можно объяснить его изменяющейся формой. Можно представить, что большое ядро выгибается в разные стороны, то становясь похожим на сферу, то на гантель. Если такому ядру придать энергии, колебания могут стать столь существенными, что ядро распадется надвое, сформировав два меньших по размеру ядра и разбрызгав вокруг крошечные капли – альфа– и бета-частицы и нейтроны. В некоторых ядрах такой распад может быть запущен столкновением быстро двигающегося нейтрона с ядром, после чего запускается цепная реакция, в процессе которой каждое ядро, разделенное таким образом, выпускает достаточное количество нейтронов, чтобы произошел распад еще как минимум двух соседних ядер. В случае с ураном-235, который содержит 92 протона и 143 нейтрона, всегда создаются два неравных ядра с атомными числами в диапазоне от 34 до 58, в сумме дающими 92, и испускаются свободные нейтроны. В результате каждого распада высвобождается примерно 200 МэВ энергии, и каждый запускает еще несколько распадов, при условии, что количество урана достаточно велико, чтобы нейтроны не вылетели из него разом. Процесс идет по экспоненте и представляет собой принцип действия атомной бомбы. Управляя им при помощи материала, который поглощает нейтроны, чтобы процесс шел медленно, мы можем построить контролируемый ядерный реактор, который используется для нагрева воды, выработки пара и производства электричества. И снова энергия, которую мы извлекаем, является энергией звездного взрыва, давным-давно произошедшего очень далеко от нас.