Двигаться сквозь стены возможно, говорят физики, но не всем

Если вы когда-нибудь пробовали пройти сквозь стену, то наверняка уже знаете, что это невозможно. Тем не менее субатомные частички могут это сделать благодаря эффекту, который имеет название квантовое туннелирование.

Теперь физики утверждают, что этот процесс можно будет наблюдать и на созданном человеком объекте, хотя это и вызывает много сомнений со стороны скептиков.

Если эксперимент окажется успешным, это будет означать большой прыжок в разработке механических систем, которые ведут себя как квантово-механические объекты. В 2010 году ученые сделали первый шаг в этом направлении, введя крохотный объект в такое состояние движения, которое можно описать только с помощью законов квантовой механики. Туннелирование на фоне этого выглядело бы большим достижением.

Так как же выглядит квантовое туннелирование? Вообразите, что электрон неподвижно находится в одном из двух низко энергетических состояний или точках, которые можно вообразить себе как энергетические ямы, отделенные один от другого небольшим холмом, который представляет собой электрическое поле. Чтобы перейти холм и попасть с одной нижней точки в другую, он должен закатиться на холм, имея достаточное количество энергии. Если энергии мало, физики-классики говорят, что он никогда не достигнет вершины холма и не обойдет его.

Такие крохотные частицы, как электроны, все таки могут пересечь его, даже имея недостаточное количество энергии, чтобы забраться на холм. Квантовая физика описывает такие частички как волны вероятностей, и потому оказывается, что существует вероятность, что один из них внезапно «туннелирует» прямо через холм и внезапно окажется уже на другой стороне в другой низко энергетической точке, даже если электрон и не может занимать верхнюю точку между ними.

Это звучит невероятно, но ученые и инженеры демонстрируют эффект квантового туннелирования в сверхпроводниках, где электроны туннелируют через слои материала, которые не проводят электрический ток. (И даже больше, некоторые типы магнитных жестких дисков используют в своей работе эффект туннелирования для считывания данных.) И туннельный микроскоп, который получил Нобелевскую премию, использует электронное туннелирование в запрещенной зоне между крохотным зондом и исследуемой поверхностью. До сих порам никто не наблюдал такого эффекта (прохождение через определенное препятствие) на уровне макроскопического объекта.

Но, Мика Силланпа вместе с коллегами из Университета Аалто в Финляндии утверждают, что это возможно, просто используя крохотный прибор, который напоминает батут. Так, исследователи планируют разработать такой себе батут миллиметрового масштаба из графена — суперкрепкого и суперпластичного углерода толщиной всего лишь в один атом.

Потом натянуть его над металлической пластиной как мембрану — небольшую, но намного больше, чем атомы и молекулы, которые используются в квантовой физике. Когда экспериментаторы подадут электрическое напряжение мембраны должно иметь два стабильных положения: одно, в котором она немного выгибается посредине, а одно — когда она выгибается достаточно, чтобы затронуть расположенную под ней пластину.

Окончательный дизайн предполагает, что электрические и механические силы на мембране создают энергетический барьер между двумя положениями. Если исследователи уменьшат энергию мембраны путем ее охлаждения до температуры выше абсолютного нуля на одну тысячную градуса, то единственным способом двигаться между двумя позициями как раз бы и стало явление квантового тунелирования. Тогда бы экспериментаторы могли бы наблюдать мембранные изменения в изменениях емкости системы — показатель, который показывает сколько она может сохранять электрических зарядов. Силланпа говорит, чтобы достичь низких температур можно будет через несколько лет.

Квантовое тунелирование в механической системе — это тот священный Грааль, который сейчас ищут люди, говорит Физик Лоренс из Дармутського коледжа. Но эксперимент не простой. Физик Гил-Хо Ли говорит, что предложенный эксперимент станет важным шагом демонстрации квантового тунелирования. Но он считает, что этого будет не достаточно, так как мембрана должна показывать одинаковые «переключения» с одного положения в другое, при этом поглощая небольшую избыточную энергию в виде теплоты. Он говорит, что исследователи квантового тунелирования в электрических системах знакомы с эффектом Джозефсона, который также встретился с подобными проблемами в 1980 году, пока эксперименты окончательно не подтвердили тунелирование.

Почему же вы все таки не можете проходить сквозь стены? Расчеты квантовой механики говорят нам, что вероятность этого настолько мала, что даже дождавшись конца света, ты можешь так и не найти «второго себя» на другом конце стены.