Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

Все, что говорилось о «горении» Солнца на прогулке 5, было правдой, но это была не вся правда. Да, Солнце и другие звезды черпают энергию из дефекта массы при слиянии меньших атомных ядер в большие, прежде всего из слияния протонов. Но чтобы соединиться в составное ядро, протонам необходимо преодолеть взаимное электрическое отталкивание и сблизиться так, чтобы «защелкнулся замок» ядерного взаимодействия: на очень малых расстояниях оно намного сильнее электрического, и это позволяет протонам оставаться в тесных взаимных объятиях. Но пока этого не произошло, электрическое отталкивание играет роль разделительной стенки между любыми двумя протонами. В обычном веществе вокруг нас у протонов, которые еще не попали в одно ядро, совсем нет возможности для сближения, необходимого для слияния. Шансы могли бы появиться в недрах звезд: температура в ядре Солнца – около 15 млн градусов, из-за чего протоны мечутся там со средней скоростью около 600 км/с (и каждый испытывает миллиарды столкновений в секунду). Однако и этого оказывается недостаточно: на том расстоянии, где ядерное взаимодействие готово всерьез взяться за дело, электрическое отталкивание между двумя протонами настолько велико, что для преодоления его «с наскока» – за счет движения – требуется температура не 15 млн, а около 10 млрд градусов. Стена продолжает разделять каждую пару протонов, которые могли бы соединиться. Солнце «не должно» светить[205].

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.