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

Те ядра, из которых возможно туннелирование, пребывают в промежуточном состоянии между существованием и несуществованием: их отдельные куски могут оказаться снаружи с некоторой вероятностью. «Кусками» при этом оказываются не отдельные протоны, а альфа-частицы – удерживаемые вместе два протона и два нейтрона. Причина предпочтения альфа-частиц – в их особой прочности, которая оборачивается энергетическим преимуществом[207]. Как только альфе-частице случилось пройти сквозь стенку (оказаться где-то на наружной стороне бортика, подобного тому, что изображен на рис. 10.5 слева), она покидает область действия ядерных сил, а электрическое отталкивание работает вовсю, из-за чего она немедленно улетает прочь, являя собой эффект радиоактивности (альфа-радиоактивности, поскольку есть и другие виды; весь процесс называют альфа-распадом). В ядре же остается на два протона и на два нейтрона меньше. Из-за своего туннельного характера альфа-распад носит истинно случайный характер (что остается предметом неизбывной зависти для программистов, решающих задачу генерирования по-настоящему случайных чисел компьютерными средствами). Примеры радиоактивных распадов приведены в добавлениях к этой прогулке.

Альфа-распад – результат прохождения сквозь стену

Туннелирование и систематическая обработка актов туннелирования – принцип работы устройства, которое по инерции называют микроскопом, хотя оно чувствительно к деталям намного меньшего размера, чем обычные микроскопы, и работает только в определенных условиях. Сканирующий туннельный микроскоп позволяет «почувствовать» форму поверхности с точностью до атома. Для этого игла, острие которой имеет толщину, сравнимую с размером атома, удерживается на малом расстоянии от исследуемой поверхности. Игла находится под напряжением, которое в случае контакта вызвало бы ток, но этого контакта там нет: зазор между иглой и поверхностью запрещает протекание тока. Однако это «классически», а в квантовой действительности электроны могут туннелировать через зазор. Туннелирование создает слабый электрический ток, величину которого можно измерить. Из-за того что вероятность туннелирования, а потому и ток чрезвычайно чувствительны к ширине «стены» (зазора), при перемещении иглы накапливаются данные о величине тока, компьютерная обработка которых позволяет восстановить форму поверхности (рис. 10.6; цвета в таких изображениях являются условными).

Рис. 10.6. Очертания поверхности, восстановленные с атомной точностью на основе туннельного эффекта. Соблазнительно думать об округлых неровностях как об отдельных атомах; они действительно имеют отношение к атомам, но, строго говоря, такой рельеф показывает распределение электрического заряда, который несут электроны

*****

Атом почти не существует. Но что же происходит внутри атома? Как разрешается «загадка Резерфорда» – невозможность движения электронов вокруг ядра?

Пространственно ограничить движение не так просто из-за принципа неопределенности

Атом – связанная система: он собран из нескольких частей (ядра и электронов), которые существуют вместе, не разлетаясь в разные стороны. Это значит, что каковы бы ни были подробности движения этих частей, оно ограничено некоторой областью пространства. Из-за принципа неопределенности «пойманное» (пространственно ограниченное) движение оказывается довольно непростым явлением; оно радикально отличается от движения без пространственных ограничений. В привычном нам мире различие между ограниченным движением (эллипсы: спутник на орбите) и неограниченным (гипербола: прощай навсегда) можно не заметить сразу: короткую дугу гиперболы не так просто отличить от короткой дуги эллипса. В квантовом же мире, где движение не терпит траекторий, это различие огромно. Устройство атома – это, по существу, история про то, что представляет собой «пойманное» движение.