5. Туннельный эффект

Волновая природа материи позволяет ей преодолевать барьеры, непреодолимые с точки зрения классической физики. Чтобы это понять, возьмем пример с изолированным электроном, посланным в определенном направлении. Предположим, что он приближается к двум отрицательным зарядам, расположенным по обе стороны его пути (➙ рис. 23.7.а): приближаясь, он испытывает электростатическое отталкивание, которое его тормозит.

Классическая точка зрения

С точки зрения классической физики, где электрон является простой частицей, существует два разных возможных случая:

• Первый случай: электрон обладает достаточно высокой скоростью, чтобы достичь уровня двух зарядов, несмотря на торможение. Как только этот уровень пройден, ускорение возникает снова, поскольку два заряда оказываются позади. Так, если электрон обладает энергией выше определенного значения, он может преодолеть «барьер», созданный двумя зарядами.

• Второй случай: скорость электрона низка, он тормозит, а затем останавливается, не достигнув двух зарядов. Из-за электростатического отталкивания он устремляется в противоположную сторону. Таким образом, обладая энергией, значение которой ниже определенного уровня, электрон не может преодолеть барьер, и происходит «отражение».

Результат двойственный: в зависимости от силы энергии электрон либо преодолевает барьер, либо «отскакивает».

Точка зрения квантовой физики

Рассмотрим теперь точку зрения квантовой физики, которая отражает реальность. Электрон является волной. Он был послан в конкретном направлении, что означает, что волна не рассеивается по всему пространству, а остается узконаправленной. На рис. 23.7.b мы представили электрон в виде перемещающегося облака. Теперь мы можем повторить предыдущие рассуждения, но с облаком вместо точечной частицы. Центр облака соответствует максимуму вероятности присутствия частицы: именно здесь находилась бы частица с точки зрения классической физики.

Электрон в качестве облака также претерпевает электростатическое отталкивание двух отрицательных зарядов. Предположим, что электрон обладает энергией, которой не хватает для преодоления барьера, то есть он останавливается как раз перед тем, как пройти мимо двух отрицательных зарядов.

Но электрон это волна, то есть небольшая часть волны оказывается по ту сторону барьера (➙ рис. 23.7.b). Эта часть волны ускоряется вправо, в то время как остаток волны ускоряется влево и является, таким образом, отраженным.

Таким образом, электрон разделился надвое: основная часть волны отскочила от барьера, но другая его пересекла и продолжила путь с другой стороны. То есть электрон находится сразу по одну и по другую сторону барьера. Пока мы не стремимся его обнаружить, электрон является волной, поделенной на две разные части: каждая часть распространяется в противоположном направлении, а между ними барьер. Энергия электрона сохранилась, но разделилась на две части волны.

Рис. 23.7 – Туннельный эффект

(а) – мы рассматриваем электрон как точечную частицу. Если его скорость слишком мала, чтобы достичь точки А, электростатическое отталкивание заставит его двигаться влево: барьер не будет пройден.

(b) – мы рассматриваем электрон таким, каким он является на самом деле, то есть волной. На схеме справа электрон тормозит под действием отрицательного заряда и останавливается, не достигнув точки А. Мы видим, что часть волны находится с другой стороны от точки А, а значит, ускоряется вправо: волна разделилась на две части, которые получили ускорение в противоположных направлениях.

Если мы попытаемся обнаружить электрон, у нас есть небольшой шанс найти его справа от барьера, хотя с точки зрения классической физики ему и не хватило энергии, чтобы его пересечь.

А теперь попытаемся обнаружить электрон, чтобы узнать, где он находится. Волна представляет собой вероятность присутствия электрона, то есть у нас большой шанс обнаружить электрон слева от барьера, перемещающимся влево. Но у нас также есть небольшой шанс найти его справа от барьера, продолжающим свой путь вправо. Как только мы его обнаружим, волна полностью исчезнет, и вся энергия сконцентрируется в той точке, где мы обнаружили электрон.

Электрон обнаружен, и мы разбили первоначальную волну: новая волна начинает формироваться там, где мы обнаружили электрон, – и до следующего обнаружения. Таким образом, если электрон был обнаружен справа от барьера, он всегда останется с этой стороны, даже если будет обнаружен снова 10 секунд спустя. Электрону удалось полностью преодолеть барьер, хотя у него не было для этого достаточной энергии с точки зрения классической физики.

Последствия туннельного эффекта

Такое преодоление непреодолимого барьера в классической физике называется «туннельным эффектом». Он подчеркивает всю необычность микромира. Здесь также возможны два разных взгляда на событие:

• или мы считаем, что электрон распределился по обе стороны барьера до тех пор, пока его не обнаружат, и он мгновенно сконцентрируется с одной или с другой стороны;

• или мы считаем, что волна-носитель находится с обеих сторон, но электрон, как частица, находится по одну или по другую сторону барьера.

Необходимо, однако, отметить, что отталкивание отрицательных зарядов испытывает вся волна целиком. Часть волны, расположенная слева от барьера, испытывает отталкивание влево, тогда как часть, расположенная справа, ускоряется вправо. Это демонстрирует, что заряд электрона распределен по всей волне.

Первая точка зрения, где электрон является облаком до того, как становится точечной частицей, когда его обнаруживают, кажется, таким образом, более обоснованной. Однако из этого следуют уже упомянутые странности.

Предположим, к примеру, что мы ждали несколько лет, прежде чем попытаться обнаружить электрон в предыдущем опыте. Электрон, по-прежнему распределенный в двух частях волны, удалился на большое расстояние: левая часть волны преодолела миллиарды километров влево, правая часть – миллиарды километров вправо. То есть электрон находится сразу в двух местах, между которыми пустота.

Теперь предположим, что мы пытаемся его обнаружить. Если просто обнаружить электрон в определенном месте, то вторая половина волны, расположенная за миллиарды километров, исчезнет тоже! Как эта часть волны узнает о том, что кто-то пытался обнаружить электрон на расстоянии миллиардов километров? Дистанция, которая разделяет две части волны, выглядит совершенно неважной при трансформации электрона в точечную частицу.