Под знаком кванта.

Взгляните еще раз на рисунок, изображающий потенциал V(x): не правда ли, это похоже на вулкан в разрезе? Да и само явление радиоактивности чем-то сродни извержению вулкана: α-частицы внутри ядра можно уподобить магме, которая кипит в жерле вулкана и выплескивается из него наружу в моменты извержений. Однако в отличие от магмы α-частицы подчиняются квантовым законам, и потому их энергия Е «квантована», то есть может принимать лишь дискретный набор значений Е₁, Е₂, ..., Е_n. Поэтому в жерле «квантового вулкана» они могут находиться лишь на определенной высоте. Если α-частица движется ниже линии горизонта (Е_n<0), то самопроизвольное испускание α-частиц невозможно, ядро стабильно, вулкан потух. Если же E_n>0, то есть энергия α-частицы превышает энергию ядра, из которого удалена α-частица, то α-распад энергетически выгоден и, как мы сейчас увидим, неизбежен.

Глубоко в жерле вулкана магма кипит постоянно, однако настоящее извержение начинается лишь тогда, когда магма поднимается до кратера вулкана и начинает переливаться через край. В отличие от магмы (и в согласии с законами квантовой механики!) α-частица может «просочиться» из «ядерной ямы» через «потенциальный барьер» наружу даже в том случае, если ее энергия недостаточна, чтобы его преодолеть. Это типично квантовое явление получило название туннельного эффекта, и понятно почему: представьте, что в боковой стенке вулкана пробит туннель — ясно, что в этом случае магма начнет изливаться через него задолго до начала извержения вулкана.

Просочившись сквозь потенциальный барьер, α-частица с огромной силой отталкивается кулоновским полем ядра и, скатываясь по «склону вулкана», приобретает у его «подножия» как раз ту кинетическую энергию Е_n, которой она обладала в скрытом виде до α-распада. Тогда мы наблюдаем ее как след в камере Вильсона или как вспышку в спинтарископе Крукса. Конечно, эти вспышки не столь эффектны и зрелищны, как дымящийся Везувий, однако мы вскоре убедимся, что α-частицы — лишь тихие вестники ядерных катастроф, а «извержение ядра» — намного более страшная картина, чем вид раскаленной лавы.

В квантовой механике нет, вероятно, ни одного явления, которое бы пытались объяснить «для пешеходов» чаще, чем туннельный эффект. Для пущей наглядности просили представить себе автомобиль, который исчезает из запертого гаража, человека, который проходит сквозь стену тюрьмы, и т. д. и т. п. Такой способ объяснения, однако, не проясняет специфику явления и, кроме того, неверен по существу: попытка рассказать о самой сути квантовых явлений без использования основных понятий квантовой физики не может быть успешной — даже при условии искренности побуждений и серьезности намерений.

Туннельный эффект — это прежде всего следствие корпускулярно-волнового дуализма квантовых объектов. Конечно, аналогии для него в классической физике найти можно, но искать их надо не в явлениях движения частиц (и автомобилей), а в явлениях распространения и дифракции волн. Свойство любого излучения огибать препятствие, то есть проникать в область геометрической тени, хорошо известно. Особенно отчетливо оно проявляется в том случае, если длина волны излучения сравнима с размерами препятствия. Например, сантиметровые волны, которые используют для передачи телевизионных изображений, не могут обогнуть гору, поэтому приходится строить ретрансляционные станции. Таких проблем не возникает с радиоволнами, длина которых может достигать нескольких сот метров: они свободно огибают все неровности земной поверхности.

Еще пример. Всем хорошо знакомо явление полного внутреннего отражения: если луч света, распространяясь, скажем, в стекле, падает на границу раздела с воздухом под углом, большим некоего критического угла θ_кр, то он полностью от нее отражается. Если к этому куску стекла плотно прижать снизу другой такой же кусок стекла, то луч света распространяется прямолинейно, не замечая условной границы раздела. А что произойдет, если эти куски стекла немного раздвинуть?

Прежде всего, что значит «немного»? Например, на толщину волоса — это много или мало? С точки зрения геометрической оптики этот вопрос не имеет смысла, он некорректно поставлен: «немного» — по сравнению с чем? В волновой оптике он вполне осмыслен, поскольку в этом случае существует естественный масштаб — длина волны. Например, для видимого света (длина волны λ≈500нм = 5·10^-5 см) толщина волоса (примерно 10^-2 см) — это много, а для тепловых лучей (λ≈0,1см) — мало. Когда ширина зазора d сравнима с длиной волны λ излучения, часть этого излучения все-таки проникает через воздушный зазор из первого куска стекла во второй, и тем успешнее, чем меньше зазор d. Явление это хорошо изучено, его можно довольно легко наблюдать. Именно это оптическое явление — наиболее близкий аналог туннельного эффекта в квантовой физике.