Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии. Джим Аль-Халили
Частицы не могут проникать сквозь стены, а следовательно, солнце не должно светить.
Тем не менее частицы, подчиняющиеся законам квантовой механики (например, атомные ядра), прячут, так скажем, козырь в рукаве: они легко могут преодолевать потенциальный барьер. Этот процесс в физике называют туннельным эффектом или туннелированием. Важно отметить, что именно корпускулярно-волновая двойственность частиц позволяет им совершать туннелирование. Волны могут обтекать объекты, например прибрежные камни, но они также способны проходить сквозь них. Так, звуковые волны проходят сквозь ваши стены, когда вы слышите, как работает телевизор соседа. Разумеется, воздух, в котором распространяется звуковая волна, сам не проходит сквозь стену. Колебания в воздухе – звук – заставляют стену вибрировать и проталкивать воздух, в котором распространяется волна, в вашу комнату. Таким путем звук достигает вашего уха. А если бы вы сами обладали свойствами атомного ядра, то время от времени могли бы проходить – совсем как призрак – сквозь достаточно толстые стены[2]. Как раз это успешно удается совершить внутри Солнца ядру атома водорода: оно может разогнаться и «просочиться» сквозь энергетический барьер, словно привидение, сблизиться с таким же ядром по другую сторону невидимой стены и слиться с ним. Когда вы в следующий раз будете нежиться на солнечном пляже и смотреть, как волны накатывают на берег, вспомните о волнообразном движении квантовых частиц-призраков, которые не только позволяют вам наслаждаться солнечным светом, но и поддерживают жизнь на всей нашей планете.
Третий пример связан с двумя предыдущими. Он иллюстрирует еще одну, более странную, особенность квантового мира – явление, получившее название «принцип суперпозиции». Данный принцип заключается в том, что частицы способны выполнять два (а то и сто, и миллион) действия одновременно. Именно это свойство частиц обусловливает сложность и богатейшее многообразие нашей с вами Вселенной. Вскоре после Большого взрыва, в результате которого и образовалась наша Вселенная, получившееся космическое пространство было заполнено атомами единственного элемента – простейшего по своей структуре водорода, состоящего из одного положительно заряженного протона и одного отрицательно заряженного электрона. Такое пространство являло собой довольно унылое зрелище: ни о звездах, ни о планетах, ни тем более о каких-либо живых организмах не могло быть и речи, ведь все, что нас окружает, включая нас самих, состоит из более прочных «кирпичиков», более тяжелых элементов, нежели водород, – например, углерода, кислорода и железа. К счастью для нас с вами, эти более тяжелые элементы образовались внутри звезд, первоначально состоящих из водорода. Существование же первоэлемента звезд – изотопа водорода под названием «дейтерий» – возможно только благодаря своего рода квантовому волшебству.
Как же возникает дейтерий внутри Солнца? Первый шаг мы только что описали: два ядра
Все же неправильно полагать, что туннельный эффект подразумевает преодоление барьеров физическими волнами; способность квантовой частицы в одно мгновение оказаться по другую сторону барьера описывается абстрактными математическими моделями волн. В этой книге мы будем стараться приводить аналогии квантовых явлений, интуитивно понятные читателям, однако реальность такова, что квантовая механика чрезвычайно контринтуитивна, поэтому авторы рискуют слишком упростить некоторые аналогии, пусть и с благородной целью максимально ясного изложения.