Свикнали сме да виждаме света напълно и напълно да се подчиняваме на законите на класическата механика. Той има причини и последици - и първите задължително предшестват вторите. Но на микро ниво отделните частици се управляват от собствените си закони, чийто код учените наричат квантова механика. Някои от тези закони са толкова необичайни, че е невъзможно да ги разберете - просто ги опишете математически и ги приемете.
Един от странните феномени на квантовия свят е тунелният ефект. В общия случай това е наименованието, дадено на преминаването на частица през дадена област на пространството, престоят в която е забранен от класическата механика. Най-често срещаният пример е частица, пробиваща енергийна бариера, когато нейната енергия е по-малка от височината на тази бариера. В реалния свят това може да се сравни с това как човек, бягащ със скорост 25 километра в час, изпреварва бягащ от него кон със скорост 50 километра в час. И в микрокосмоса такава ситуация е в реда на нещата.
Така художникът си представя прехода на електронна двойка през енергийна бариера от един свръхпроводников слой в друг / Илюстрация на РИА Новости. Алина Полянина
Цялата работа е в законите на квантовата механика, според които е невъзможно да се твърди, че дадена частица има определена енергия в определен момент от времето. Има математическа връзка между точността на измерването на енергията и времето, необходимо за измерване. Тези стойности са обратно пропорционални една на друга: по-голямата точност при определяне на енергията неизбежно води до по-голяма грешка при определяне на времето на измерване на енергията - и обратно. Формулата за тази връзка е: ΔЕΔt ⩾ ћ (ћ = h / 2 pi).
В горния израз ΔЕ и Δt са промени в енергията и времето, h е константата на Планк. Ученият Макс Планк, един от основателите на квантовата механика, посочи коефициента на пропорционалност между честотата на електромагнитната вълна и минималното количество енергия, която тази вълна може да носи. Нека преведем физическите закони в паричен еквивалент. Най-малката деноминация на руските пари е една копейка. Вече не е възможно да го разделите наполовина (физическото въздействие не се взема предвид), невъзможно е да се определи цената на нещо с точност до половината или една десета от стотинката. Това е най-малката цена, която можем да дадем на всеки обект. А в квантовия свят тази „стотинка“се нарича константа на Планк.
Германският физик-теоретик Макс Планк
Почти е невъзможно да се реализира тунелният ефект на физическо ниво. Нека се опитаме да го обясним по аналогия с ежедневна ситуация. Да приемем, че продавачка иска да отиде на среща с красива и много скъпа рокля, но няма пари да я купи. Управителят на магазина идва да провери касата следобед. Тогава момичето взема парите, купува рокля и вечер отива на среща с господина. И на следващия ден тя връща роклята в магазина (разбира се, здрава и здрава), а парите, получени обратно - в касата. По същия начин частицата, за която се предполага, че „заема“енергия и я връща, преди „загубата“да бъде открита.
Математическият апарат на квантовата механика показва, че колкото по-висока е бариерата, толкова по-малко вероятно е да се случи подобна "благосклонност" на енергията. При преминаване към по-сложни обекти (включително човешкото тяло), състоящи се от по-голям брой частици, остава възможността за тунелиране, но става много малко вероятно, тъй като изисква всички частици да извършват прехода едновременно. Независимо от това, ако човек притежава безкраен живот (надвишаващ възрастта на Вселената), рано или късно той ще може да проникне през бетонна стена. Вярно е, че броят на опитите, необходими за това, е много трудно да си представим.
Промоционално видео:
Така че, възможността за пробиване на частици през бариерата се дължи на определено съотношение на енергия и време за нейното измерване. Стойността на константата на Планк, включена в този израз, е 6,626070040 * 10⁻³⁴ джаула в секунда. Ако тази стойност се увеличи, нашият свят ще стане луд. Парчета лед щяха да проникнат през стената на стъклото, клетките за животни щяха да бъдат безполезни и нямаше да има физически бариери за хората. Но поради малката стойност на константата на Планк, само няколко частици притежават такива умения.
Тунелното преминаване на частица през енергийна бариера е в основата на някои от явленията на ядрената и атомната физика и дори се използва в микроелектрониката. Благодарение на това явление електроните могат да „избягат“от металната повърхност и в полупроводник при определени условия на графиката на тока спрямо напрежението се появява допълнителен разрез. Тунелният ефект може да бъде вреден - например, при полеви транзистори, където неконтролираното проникване на носители на заряд през енергийната бариера се счита за недостатък.
Олга Коленцова