Проход сквозь стены и сумочка Гермионы

Благодаря нынешним нобелевским лауреатам мир впервые увидел переход из квантовой физики в классическую и познакомился с самыми пористыми материалами, способными вмещать колоссальные объемы газа

Наталья Быкова

Не исключено, что когда-нибудь будет воспроизведен в реальности мысленный эксперимент Эрвина Шрёдингера. Ведь, как выяснилось, квантовая физика работает и на макрообъектах

Нобелевские премии по физике и химии в этом году вручили за то, что еще недавно считалось фантастикой. Исследования, отмеченные наградой, разрушают наше представление о пространстве и времени и демонстрируют невероятные, близкие к волшебству возможности науки. Благодаря нынешним лауреатам мир впервые увидел переход из квантовой физики в классическую и познакомился с самыми пористыми материалами, способными вмещать колоссальные объемы газа. Попробуем разобраться, что все это значит и какую пользу принесет человечеству.

Туннелирование по-большому

Нобелевская премия по физике присуждена американцам Джону Кларку и Джону Мартинису и французу Мишелю Деворе за открытие макроскопического квантово-механического туннелирования и квантования энергии в сверхпроводящей электрической цепи. В переводе с языка физиков это означает невероятное: распространение эффектов квантового мира на мир обычный.

Ранее считалось, что только в квантовой физике, оперирующей масштабами менее одного нанометра — одной миллиардной доли метра, частицы, словно призраки, могут проходить сквозь стены; для классической же физики это представлялось полным безумием. Однако работы лауреатов показали, что все не совсем так. Проникновение сквозь непреодолимый барьер или, по-научному, квантовое туннелирование возможно не только на уровне элементарных частиц, атомов и молекул, но и на макроуровне — в виде управляемого макроскопического электрического тока во вполне реальной, видимой сверхпроводящей цепи. Это, конечно, не равно проникновению человека сквозь закрытую дверь, но уже кое-что более существенное, чем кванты.

Когда вы бросаете мяч в стену, вы уверены, что он отскочит обратно. Но вы очень удивитесь, если мяч внезапно появится с другой стороны глухой стены. Именно такие явления создали квантовой физике репутацию странной и нелогичной науки. Автор рисунка — Йохан Ярнестал. Шведская королевская академия наук

Итак, в 1985 году в Калифорнийском университете в Беркли ученые собрали электрическую цепь из двух сверхпроводников, разделенных тонким изолятором, — такую конструкцию называют джозефсоновским контактом. В этой системе ток должен был течь с нулевым сопротивлением, как идеальная река, — без трения и напряжения, но огромное количество заряженных частиц неожиданно начали вести себя синхронно, словно одна гигантская квантовая частица, просачиваясь через непроводящий барьер и передавая энергию порциями, как у атомов. Измеряя скачки напряжения в своей экспериментальной сети, Кларк, Деворе и Мартинис доказали, что схема может перейти в состояние с более высокой энергией за счет квантового туннелирования. Таким образом было описано принципиально новое фундаментальное явление — макроскопическое туннелирование. Тот факт, что квантовая механика может проявляться на таких больших масштабах, стал для мира физики полной неожиданностью.

«Со времени открытия квантовой механики вопрос о том, допустимо ли, например, квантовать привычные уравнения для расчета электрических цепей, содержащих макроскопическое число частиц (то есть делить электрический заряд, который в классической теории является непрерывной величиной, на дискретные порции — кванты. — “Монокль”), оставался спорным, находясь где-то в области одновременно живых и мертвых котов Шрёдингера, — отмечает Глеб Федоров, старший научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ. — Эксперимент Мишеля Деворе, Джона Мартиниса и Джона Кларка дал окончательный ответ: это возможно».