Журнал «Вокруг Света» №7 за 2004 год
Шрифт:
Туннельный эффект позволяет объяснить распад атомных ядер, при котором из ядер вылетают а-частицы атомов гелия). Известно, что прочно удерживается внутри атомного ядра сильным взаимодействием. Вне ядра на а-частицу действуют электрические силы отталкивания. Потенциальная энергия в зависимости от расстояния до центра ядра имеет вид глубокой ямы, похожей на кратер. Внутри этой ямы а-частица имеет энергию, много меньшую, чем высота потенциального барьера. И а-частицам каким-то образом удается выбраться из этой ямы. Объяснение такого проникновения частиц через стенки дает туннельный эффект. В результате среднее время жизни радиоактивного атомного ядра оказывается хотя и очень большим, но конечным. Например, время жизни ядра урана 238 U составляет около 4 млрд. лет.
Туннельный эффект позволяет достать то, что прочно удерживается
Именно благодаря туннельному эффекту работают полупроводниковые диоды Шотки, в которых электрический ток в десятки ампер успешно протекает через тонкий слой диэлектрика, разделяющий полупроводниковый и металлический электроды данного квантового прибора. Причем, как и положено диоду, прибор этот пропускает ток только в одну сторону – туда, где энергия зарядов меньше.
Мы привыкли к тому, что практически каждый предмет индивидуален и хоть чем-то отличается от подобного ему. А вот про элементарные частицы этого сказать нельзя, и разные электроны (как и любые однотипные элементарные частицы) обладают той удивительной особенностью, что ничем друг от друга не отличаются. Системы, состоящие из одинаковых (тождественных) частиц, обладают в квантовой механике особыми свойствами. Эти свойства следуют из так называемого принципа неразличимости тождественных частиц. Представим себе, что мы поменяли местами два электрона, переставив один на место другого. Поскольку электроны абсолютно тождественны, такая перестановка не приведет ни к каким изменениям и не сможет быть обнаружена экспериментально. Это приводит к специфическому обменному взаимодействию, благодаря которому возникают химические связи в молекулах и кристаллах.
Идентичность атомов нашего светила и атомов, образующих похожую звезду, находящуюся на расстоянии в миллиарды световых лет от Земли, позволяет астрономам делать выводы об устройстве Вселенной. Более того, физики сегодня исходят не только из того, что в разных точках пространства действуют одни и те же законы, но и полагают, что за последние 10 млрд. лет электроны (да и весь остальной микромир) были неизменными и тождественными современным.
Итак, построение квантовой теории началось с работы Планка, выдвинувшего гипотезу о существовании дискретных уровней энергии в рамках классического подхода. В процессе развития квантовой механики возникло уравнение Шредингера, из решения которого дискретные значения энергии получаются автоматически. Однако экспериментальное определение уровней энергии атомов показало, что полного совпадения с предсказаниями теории нет. Все уровни, кроме основного, расщеплены на ряд очень близких подуровней.
Объяснить это расхождение теории с опытом удалось только с помощью предположения, сделанного Джорджем Уленбеком и Сэмюэлем Гаудсмитом в 1925 году. Они решили, что электрон, как и большинство других элементарных частиц, обладает дополнительной внутренней степенью свободы, названной спином. Наличие спина у квантовой частицы означает, что в некотором отношении она подобна маленькому вращающемуся волчку. Спин может принимать только целые и полуцелые значения.
Все квантовые частицы делятся на два вида – фермионы и бозоны, в зависимости от их спина. Фермионами называются частицы, имеющие полуцелое значение спина. Для этих частиц справедлив принцип, открытый Вольфгангом Паули в 1925 году, согласно которому две одинаковые (тождественные) частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Бозонами называются частицы с целым спином. Принцип Паули на них не распространяется: в одном и том же состоянии может находиться любое число частиц. Самыми известными фермионами являются электроны, а бозонами – фотоны. Особенно резко отличаются друг от друга низшие энергетические уровни у систем бозонов и фермионов. Фермионы располагаются ровно по два на каждом энергетическом уровне – один спином вверх, другой вниз. А вот бозоны, напротив, могут все вместе расположиться на одном-единственном нижнем уровне. Именно это явление приводит
к сверхпроводимости и сверхтекучести.В процессе становления квантовой картины мира большую роль сыграли не только реальные данные, но и умозрительные эксперименты. Согласно предложенному в 1935 году Эйнштейном, Подольским и Розеном опыту, проводя наблюдения за одной из двух взаимодействовавших частиц, экспериментатор мгновенно изменяет параметры другой, уже далеко отлетевшей частицы. Получается, что квантовая система в процессе разделения сохраняет некую связь (эффект запутывания). Парадокс Эйнштейна—Подольского—Розена, или ЭПР, связан с принципиальной «квантовой нелокальностью».
Окончательное разрешение этого «парадокса» произошло только в 1964 году, когда Джон Белл рассмотрел пару запутанных квантовых частиц, бывших в контакте, а затем удалившихся друг от друга так, что их взаимовлияние стало невозможно. Он показал, что эти частицы проявляют себя столь взаимосогласованно, что это явление не может быть объяснено с точки зрения классической теории. Эксперименты с фотонами и другими частицами многократно показали наличие этой согласованности, тем самым подтвердив правильность квантовой механики и нелокальность пси-функции для системы из нескольких частиц.
Одним из важных выводов квантовой теории является теорема о неосуществимости копировании неизвестного квантового состояния. Согласно этой теореме невозможно, получив полную информацию о неизвестном квантовом объекте, создать второй, точно такой же, объект, не разрушив первый. Это утверждение, которое строго доказывается в квантовой механике, можно назвать парадоксом квантовых близнецов. Запрещая создание двойников, квантовая механика не запрещает создание точной копии с одновременным уничтожением оригинала – то есть телепортацию.
Слово «телепортация» совсем недавно перешло из фантастики в науку. Обычно полагают, что переместить какой-то объект или даже человека – значит переместить все частицы, из которых он состоит. Но поскольку элементарные частицы неотличимы друг от друга, их можно не перемещать, а «собрать» телепортируемый объект из новых частиц на основе полученной информации.
Следовательно, телепортация объекта есть считывание квантового состояния частиц и воссоздание этого состояния на удаленном расстоянии. Правда, согласно квантовой механике, как только будет считана вся нужная информация, объект исчезнет и снова появится на свет только после квантовой сборки.
Современному научному значению слова «телепортация» соответствует следующая процедура: объект дезинтегрируется (разрушается его квантовое состояние) в одном месте, а в другом месте возникает его совершенная копия. Причем объект или его полное описание в ходе телепортации никогда не находится между этими двумя местами. Обратите внимание, что «дезинтеграция» квантового состояния является необходимым условием согласно теореме о запрете на клонирование.
В силу принципа неопределенности, чем больше получено информации о некоем объекте, тем больше искажений вносится в этот объект – и так до тех пор, пока исходное состояние не будет разрушено полностью. И даже полностью разрушив исследуемый объект, мы все равно не получим полной картины его исходного квантового состояния. Это звучит как возражение против телепортации: если для создания точной копии из объекта невозможно извлечь достаточно информации, то точная копия не может быть создана. Однако шестеро ученых из группы Чарлза Беннета, нашли возможность обойти это затруднение, используя знаменитый ЭПР-эффект.
Вопрос о квантовой телепортации впервые был поставлен в 1993 году группой Чарлза Беннета, которая, используя запутанные состояния, показала, что при присоединении третьей частицы к одной из запутанных частиц можно передавать ее свойства другой удаленной частице. Экспериментальная реализация ЭПР-канала была осуществлена в работах двух групп исследователей – австрийской, из Университета в Инсбруке, возглавляемой Антоном Цойлингером, и итальянской, из Университета в Риме под руководством Франческо Де Мартини. Опыты группы Цойлингера и де Мартини доказали выполнимость принципов ЭПР на практике при передаче по оптическим кабелям состояний поляризации между двумя фотонами посредством третьего на расстоянии до 10 км.