Премия за объединение миров
Нобелевскую премию по физике 2025 года получили Джон Кларк (Калифорнийский университет, Беркли, США), Майкл Деворе (Йельский университет, Нью-Хейвен и Калифорнийский университет, Санта-Барбара, США), а также Джон Мартинис (Калифорнийский университет, Санта-Барбара, США) «за открытие макроскопического квантово-механического туннелирования и квантования энергии в электрической цепи».
В 2025 году исполняется 100 лет со времени создания современной квантовой механики, и поэтому Организация Объединённых Наций объявила его Международным годом квантовой науки и технологий. Так что совершенно закономерно присуждение очередной Нобелевской премии по физике за достижение именно в этом разделе естествознания. Любопытен, однако, выбор темы. Современные представления о макромире и микромире сложились как раз в ходе становления и осмысления квантовой теории. Объекты исследования доквантовой физики, получившей название классической, составили макромир, а объекты, для которых разрабатывалась квантовая теория, образовали микромир. Первоначально речь шла о процессах атомного масштаба. Долгое время эти миры противопоставлялись друг другу, поскольку объекты микромира обладали так называемыми квантовыми свойствами, которые были просто немыслимы в макромире. И именно лауреаты премии 2025 года сумели разработать макроскопическую систему, ведущую себя как частица микромира и демонстрирующую квантовые свойства, объединив тем самым оба мира.
Квантовая физика, которой суждено было произвести революцию в физике и технологиях, родилась вместе с XX веком. Отцом её стал Макс Планк, который, пытаясь решить проблемы излучения света, в 1900 году ввёл понятие кванта — порции излучаемой энергии. Так что мы можем отмечать и 125-летие этого события. В становлении новой науки, растянувшемся на четверть века, участвовала целая плеяда выдающихся физиков. Среди них были Альберт Эйнштейн, который в 1905 году поверил в реальность квантов света как частиц-корпускул и использовал их для объяснения физических явлений; Нильс Бор, который в 1913 году встроил кванты в свою модель атома; и, конечно, Луи де Бройль, выдвинувший в 1923 году гипотезу, что все частицы материи наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами. Всем им в разное время была присуждена Нобелевская премия по физике.
Однако к середине 1920-х годов накопилась критическая масса фактов, противоречивших традиционной физике. Назрел кризис. В поисках выхода разгорелись яростные дискуссии, в которых принял участие и молодой малоизвестный немецкий физик Вернер Гейзенберг. В июне 1925 года утомлённый, измученный аллергией 24-летний учёный уединился на небольшом острове Гельголанд у побережья Германии. И здесь его осенило. За несколько дней он набросал основы того, что позднее станет «матричной квантовой механикой» — первой формулировкой современной квантовой теории. Гейзенберг первым понял, что нельзя описывать атом с помощью движения электронов по определённым траекториям, как это делал Бор. У него атом просто изменял своё состояние, описываемое таблицами чисел, соответствующих координатам и импульсу электрона. То, что Гейзенберг на самом деле оперирует с матрицами, понял его руководитель Макс Борн, который вместе с Паскуалем Йорданом помог доработать теорию. А Вернер Гейзенберг в 1932 году получил Нобелевскую премию по физике с формулировкой: «За создание квантовой механики»*.
* Об истории создания квантовой механики можно прочитать в цикле статей Е. Берковича «Эпизоды ”революции вундеркиндов”», «Наука и жизнь» №№ 9—12, 2018 г.; №№ 1—9, 2019 г. Пребывание Вернера Гейзенберга на острове Гельголанд описано в № 12 за 2018 год.
Другим путём пошёл австрийский физик Эрвин Шрёдингер, который в том же 1925 году предложил своё знаменитое уравнение, носящее теперь его имя, положив тем самым начало «волновой механике». Правда, полученные результаты он опубликовал лишь в 1926 году и, соответственно, Нобелевскую премию получил на год позже Гейзенберга. В этом варианте квантовой механики с помощью так называемой волновой функции описывались волновые свойства частиц и изменения их квантовых состояний. С классической точки зрения электроны или атомы представляют собой «шарики», которые обладают чётко определёнными положениями и импульсами в любой момент времени. А вот с точки зрения квантовой механики микрочастица существует как волна, представляющая вероятности её местоположения и импульса. Только после измерения у частицы обнаруживается определённое значение этих характеристик.
Именно благодаря этим двум подходам удалось описать невероятные для классической физики явления, экспериментально обнаруженные в микромире. К ним относится, в частности, квантование, то есть изменение определёнными порциями характеристик частиц: энергии, импульса и других, а также тот факт, что электрон в атоме не теряет энергию и не падает на ядро, а в эксперименте с двумя щелями проходит одновременно через обе, образуя на экране интерференционную картину**. К числу самых невероятных явлений микромира, которые идут вразрез с житейскими представлениями и создали квантовой физике славу странной и противоречащей здравому смыслу, принадлежит квантово-механическое туннелирование. О нём мы поговорим подробнее, поскольку оно играет ключевую роль в работе лауреатов этого года. Примечательно, что с её учётом уже шесть Нобелевских премий по физике были присуждены за исследования, связанные с туннелированием.
** См. статьи: А. Шишлова. Квантовая механика. Иной взгляд. «Наука и жизнь» № 8, 1998 г., А. Голубев. Интерференционные тайны природы. «Наука и жизнь» № 1, 2008 г.
Квантово-механическое туннелирование
В привычном нам мире, если около холма находится мяч, и у него недостаточно энергии, чтобы подняться на вершину, то этот мяч никогда не перевалит на другую сторону холма. Если холм остаётся неизменным, то мяч вечно будет кататься на изначальной его стороне. Но в микромире всё иначе. Пусть движению квантовой частицы, например электрону, мешает барьер — неважно из атомов или просто из энергии (потенциальный барьер). А сама частица имеет недостаточно энергии, чтобы преодолеть препятствие. Тогда в большинстве случаев налетевший на барьер электрон отскочит обратно. Но если продолжать попытки, то в некоторый случайный момент времени частица внезапно оказывается по другую сторону барьера, словно в нём открылся туннель. Это похоже на то, как вы в квартире много раз бросаете в бетонную стену теннисный мячик, а он раз за разом отскакивает и попадает вам в руки. И вдруг вы с удивлением обнаруживаете, что мячик оказался у соседей, хотя стена по-прежнему цела.
Такое невозможное в классической механике преодоление квантовой частицей барьера получило название «туннельный эффект», или просто «туннелирование». Открыто это явление было на кончике пера. В 1927 году немецкий физик Фридрих Хунд применил уравнение Шрёдингера к анализу поведения электрона около энергетического барьера и обнаружил, что его волновая функция, хотя и сильно уменьшилась под барьером, но всё же не равна нулю по другую его сторону. Значит, существует вероятность того, что частица пройдёт через барьер, хотя её энергии для такого перемещения в классическом смысле недостаточно. Вероятность явления зависит от энергии электрона и характеристик барьера.
Отметим, что наши соотечественники в то время внесли значимый вклад в исследование туннельного эффекта. В том же 1927 году будущие академики Л. И. Мандельштам и М. А. Леонтович независимо разработали более общую теорию туннелирования, но их статья была опубликована только в январе 1928 года. Также в 1928 году пока ещё советский физик Г. А. Гамов осуществил одно из самых ранних успешных и известных применений этой теории на практике, дав объяснение альфа-распада. В этом варианте радиоактивности ядро тяжёлого атома испускало альфа-частицу. Однако ядро атома окружено потенциальным барьером, который обеспечивает его стабильность и не позволяет чему-либо вылететь из ядра наружу. Гамов показал, что благодаря туннелированию альфа-частица способна случайным образом «просочиться» сквозь барьер. Тем самым он впервые доказал применимость квантовой механики к ядерным процессам.