Ймовірність події квантового тунелювання — один на сто мільярдів

Квантове тунелювання – рідкісне явище, яке за класичною фізикою має бути неможливим, але тільки зараз ми дізнаємося, наскільки рідкісними є приклади в реальному світі.

Квантове тунелювання – одне з багатьох явищ, де субатомні частинки поводяться так, як класична фізика вважає неможливим. У цьому випадку об’єкт, що потрапив у пастку, для виходу з якої класично потрібна певна енергія, залишає пастку, незважаючи на те, що має меншу кількість енергії. Це наслідок і доказ подвійної хвильової/частинкової природи таких об’єктів, як електрони – чиста частинка не може втекти, але хвиля іноді може. Такі явища, як альфа-розпад атомних ядер, залежать від квантового тунелювання.

Тунелювання має важливе значення для квантової фізики, і розрахунки, засновані на простих прикладах, викладаються на бакалаврських курсах. Однак реальні приклади значно складніші; знати, що тунелювання час від часу трапляється в певній ситуації, і знати, як часто, – дуже різні речі. У новій статті команда з Університету Інсбрука вперше виміряла реакцію між молекулою водню та аніоном дейтерію, виявивши, що це найповільніша реакція за участю заряджених частинок, яку коли-небудь спостерігали.

Хоча між аніонами дейтерію і молекулами водню немає суцільної стіни, фізики уявляють собі енергетичний бар’єр як фізичну стіну, крізь яку квантове тунелювання час від часу дозволяє протонам проникати.

Реакція (H2 + D- → H- + HD) передбачає перехід між молекулою двох атомів водню – протонів без нейтронів – і атомом, що складається з протона і нейтрона на орбітах двох електронів. Після тунелювання один з компонентів молекули має нейтрон, тоді як неприєднаний атом, все ще негативно заряджений, залишається без нейтронів. Хоча це виглядає так, ніби нейтрон був переданий, реакція вважається обміном протонів.

Оскільки водень все ще складає більшу частину Всесвіту, події, подібні до цієї, які не потребують важчих елементів, відбуваються дуже часто в космічному масштабі, незважаючи на те, що ймовірність конкретної зустрічі водню і дейтерію є низькою. Більше того, якщо ми сподіваємось змоделювати складніші тунельні події, нам потрібно підкріпити наші оцінки вимірами простіших прикладів, таких як цей.

Команда з Інсбрука перевірила швидкість виникнення тунелю експериментально, заповнивши пастку сумішшю іонів дейтерію, охолоджених до 10 K (-263°C/-441°F) (нагрітих зіткненнями до 15 K), і газоподібного водню. За таких температур перенесення класично неможливе, але наявність негативно заряджених іонів водню через 15 хвилин свідчить про те, що воно відбувалося, хоча й не часто.

Швидкість вимірюється в кубічних сантиметрах на секунду, що дає значення 5,2 × 10-20 кубічних сантиметрів на секунду, з похибкою близько третини, що навряд чи багато значить для когось, крім квантового фізика.

Однак це означає, що перенесення відбувається один раз на сто мільярдів разів, коли аніон дейтерію зіштовхується з молекулою водню. Це може здатися надто рідкісним явищем, щоб про нього турбуватися, але навіть невеликий клаптик газу містить багато мільярдів молекул. Додайте достатньо дейтерію, і кількість зіткнень стане величезною.

Вимірювання швидкості “вимагає експерименту, який дозволяє дуже точні вимірювання і все ще може бути описаний квантово-механічно”, – сказав старший автор дослідження професор Роланд Вестер у своїй заяві. Ідея експерименту виникла у Вестера 15 років тому, але тунелювання настільки рідкісне явище, що знадобилися значні зусилля, щоб побудувати експеримент, в якому його можна було б виміряти.