Теперь, выяснив этот вопрос, давайте остановимся на секунду, чтобы вместе подумать о терминологии.
Когда ученые открывают что-то новое, необходимо дать ему имя. Для чего-то микроскопического, для квантового мира, они составляют слова-ассоциации, где за прилагательным «квантовый» следует существительное, как правило, взятое из обиходной речи. Так получаются «туннели», «прыжки» или «миры» – легко понятные термины, которые сами по себе означают то же самое, что и в повседневной жизни. Однако наличие слова «квантовый» служит предупреждением. «Квант» автоматически означает наличие чего-то подозрительного. В случае с рукой подозрительность квантового туннелирования заключается в следующем: электроны действительно проделывают туннели сквозь вещи… но никаких туннелей нет.
Квантовые скачки едва ли когда-либо осуществимы для людей, но представьте себе, если бы они были возможны. Вообразите: вы вернулись назад в прошлое, в свое детство, на эту самую кухню. Отец только что попросил вас убрать посуду со стола, но уже поздно, и вы вдруг чувствуете, как все сто километров земной атмосферы упали на ваши хрупкие плечи. Вы чуть слышно бормочете что-то совсем не напоминающее рычание медвежонка. Но ничего не помогает.
Стол с грязной посудой ждет вас.
В отчаянии вы садитесь на пол. И тут начинается. Вы вдруг оказываетесь в столовой, с другой стороны кухонной стены, рядом со столом, и все столовые приборы, тарелки и стаканы начинают проделывать туннели, совершать прыжки и тому подобное сквозь стену прямо на кухню. Это может звучать как сказка или отрывок из книжки про Мэри Поппинс, но, если честно, с этими квантовыми скачками никогда не угадаешь, куда могут запрыгнуть столовые приборы, посуда и стаканы. Так что в конечном итоге они вряд ли окажутся в посудомоечной машине, и отцу придется покупать все заново, потому что вы больше никогда их не найдете.
Звучит странно, не так ли?
Вот что такое квантовое туннелирование. Если перевести квантовые законы в нашу плоскость, то дверей, стен и неприкосновенности частной жизни не существовало бы. К счастью и довольно загадочным образом, они к нам не применимы.
Однако благодаря туннельному эффекту почти все в микромире способно пересечь любой барьер. Каким образом? Принято считать, что частицы могут осуществить это, потому что им позволено черпать энергию из своего квантового поля, моря, в котором они плавают, моря, действительно заполняющего все место в пространстве-времени. Столько энергии, сколько захочется. Мечта всех спортсменов.
Но это не подскажет вам, на что похож электрон, и я предпочел бы быть с вами вполне откровенным: вашей мини-копии, возможно, придется столкнуться здесь с легким разочарованием. Представить себе электрон невозможно из-за того самого квантового поля, которому он принадлежит.
Электромагнитное поле существует повсюду, и каждый отдельный электрон Вселенной не только принадлежит ему, но и абсолютно идентичен любому другому электрону, везде и всегда. Поменять их местами, и Вселенная не заметит. Из-за этого квантового поля, чьим выражением они являются, электроны нельзя описать как макроскопический объект. Они относятся к полю. Они являются его частью, как капля воды принадлежит безбрежному океану или порыв ветра – ночному воздуху, капли или порывы, которые вы не можете выделить в отдельности. До тех пор пока наблюдатель не смотрит, капли и порывы ветра идентичны самому океану или самому ветру. Смешанные с сущностью намного обширнее, чем они сами, они не имеют собственной индивидуальности.
В квантовом мире, когда за ними наблюдают, электроны становятся частицами с заданными свойствами, подобно каплям, взятым из океана, но их свойства не похожи ни на что виденное вами прежде. Они не ведут себя привычным образом или по крайней мере так, как может нами ожидаться, исходя из опыта повседневной жизни.
Даже если знать, где электрон, вам не узнать, как быстро он движется: его скорость становится непредсказуемой. Именно поэтому было так трудно найти электрон внутри атома водорода. Стоило вам его увидеть, как он начинал двигаться хаотично. Вы были не в состоянии следить за ним, и он исчезал из виду.
Аналогичным образом, если знать, сколько энергии имеет электрон, нельзя рассчитать, как долго он собирается сохранять ее.
Энергия и время, местоположение и скорость являются действительно независимыми друг друга понятиями полей квантового мира. Подробнее вы услышите обо всем этом в шестой части, но на данный момент, пока ваша мини-копия впервые путешествует по квантовому миру, вы можете считать мое замечание предупреждением (а возможно, приманкой для некоторых читателей). Вашей уменьшенной копии придется просто воспринимать все так, как вы делали это раньше, будучи маленьким ребенком, открывающим для себя мир: без предубеждений. Местоположение и скорость не могут быть известны одновременно? Хорошо. Так оно и есть. Квантовые законы допускают сверхъестественные прыжки и туннели? Хорошо, пусть так и будет. Объяснение придет со временем, а может, и нет.
Тем не менее все разговоры о квантовом туннельном эффекте звучат для меня полным бредом. Мне рассказывали, как однажды после прочтенной лекции по квантовой физике Эйнштейн сказал студентам: «Если вы меня поняли, значит, я выражался недостаточно ясно». Так что, если это тоже звучит для вас как нонсенс, то все в порядке. Природа не обижается. Она здесь, чтобы мы ее открыли, вот и все. Но действительно ли это реально?
Что ж, некоторые относились к квантовому туннелированию довольно серьезно и пытались найти ему практическое применение. Удивительно, но им это удалось.
Около тридцати лет назад, работая на компанию IBM в Цюрихе, немецкий физик Герд Бинниг и швейцарский физик Генрих Рорер были убеждены, что смогли бы использовать квантовое туннелирование для визуального осмотра любых поверхностей в феноменально малом масштабе. Ученые полагали, что оно позволит им наконец-то увидеть атомы.
Как правило, электрон не покидает свой атом, если не найдется местечка лучше. И обычно, если альтернатива появляется, она должна располагаться довольно близко, в противном случае электрону туда не попасть. Разве только он не использует свою квантовую силу, создав туннель сквозь пустоты и перепрыгнув через препятствия.
С помощью чрезвычайно тонкой и сверхзаточенной острой иглы, подключенной к регистратору измерения тока, Бинниг и Рорер сканировали поверхность материала, не прикасаясь к нему. Находясь довольно далеко от поверхности, они не должны были обнаружить ничего, так как расстояние между ней и иглой слишком велико для амплитуды движения электрона. Но они засекли электрические токи, соотносящиеся с прыжками электрона.
[33] Чем ближе игла была к поверхности материала, тем больше обнаруживалось скачков и тем заметнее вырастал электрический ток. Сопоставив эти токи на графике, они получили 3D-изображение материала на атомном уровне с экстраординарными подробностями. Они построили микроскоп, называемый теперь сканирующим туннельным микроскопом, которые смог увидеть уже сами атомы. Его точность поразительна: от 1 до 10 % диаметра атома водорода. Другими словами, если бы у атома водорода имелись ноги, то сканирующий туннельный микроскоп смог бы сосчитать их, а может быть, даже и количество пальцев.
