Քվանտամեխանիկական թունել՝ մակրոսկոպիկ չափերում․ ֆիզիկայի բնագավառում Նոբելյան մրցանակը

Մինչ մրցանակակիրների բացահայտումն ու դրա նշանակությունը հասկանալը կարևոր է պատկերացում կազմել քվանտամեխանիկական մի քանի երևույթների մասին։

Պատկերացրեք, որ ձեր ձեռքին կա գնդակ։ Դուք գիտեք, որ այդ գնդակը կարող է զբաղեցնել այնքան տարածք, որքան իր չափերն են, և չի կարող միաժամանակ իր տարածական չափերից մեծ տիրույթից դուրս մի քանի տեղերում գտնվել։ Իսկ հիմա փոքրացնենք մասշտաբները՝ հասնելով մեկ ատոմի մակարդակի, և վերցնենք տարրական ցանկացած մասնիկ։ Տարրական մասնիկը տարածության մեջ չունի հստակ կոորդինատ, փոխարենն ունի միաժամանակ իր տարածական չափերից դուրս մի քանի կոորդինատներում լինելու հավասար հավանականություն, այդ պատճառով էլ նկարագրվում է որպես տարածության մեջ ընդարձակված ալիք։ Սակայն այն պահին, երբ չափում է իրականացվում՝ գտնելու մասնիկի տեղը տարածության մեջ, այն դադարում է իրեն պահել որպես ալիք ու հայտնաբերվում է իր տարածական չափերին համապասխանող չափերում։ 

Քանի դեռ չափում չի իրականացվել, համարվում է, որ մասնիկը գտնվում է մի քանի հավանական կոորդինատներում միաժամանակ (որքան էլ դժվար է դա պատկերացնել)։  Տարբեր տեսություններ ու վարկածներ կան, որոնք փորձում են բացատրել այս երևույթը, սակայն դրանցից ոչ մեկը լիովին հերքված կամ հաստատված չէ։

Իսկ հիմա պատկերացրեք, որ ձեր ձեռքի գնդակը նետում եք դեպի դիմացի պատը․ ձեզ համար հստակ է, որ այն կհարվածի պատին ու հետ կգա ձեզ մոտ և չի կարողանա անցնել պատի միջով։ Բայց արդյո՞ք այդպես է տարրական մասնիկների դեպքում։ 

Ատոմի միջուկը կազմված է պրոտոն կոչվող տարրական մասնիկներից, որոնք դրական են լիցքավորված և պետք է որ վանեին իրար։ Սակայն միջուկում կան ուժեր, որոնք մի կողմից չեն թողնում, որ դրական լիցքավորված պրոտոնները վանեն իրար, մյուս կողմից պատնեշ են ստեղծում՝ թույլ չտալով, որ դրանք դուրս գան միջուկից՝ քանդելով այն։ Պրոտոնները չունեն բավարար էներգիա պատնեշի վրայով անցնելու համար, և այդ է պատճառը, որ միջուկը կայուն է մնում։ 

Մյուս կողմից կան տարրեր (կոչվում են ռադիոկատիվ տարրեր), որոնց միջուկում չափազանց շատ պրոտոններ կան, և ուժերի հարաբերակցությունը հավասարակշռված չէ, ինչի պատճառով միջուկն անկայուն է։ Նման դեպքերում միջուկը կարիք ունի արտանետելու որոշ պրոտոններ և գալու ավելի կայուն վիճակի։ Այդ միջուկներում որոշ պրոտոնների հաջողվում է անցնել պատնեշի միջով ու դուրս գալ միջուկից։ Արդյունքում ատոմի միջուկը, կորցնելով պրոտոններ, փոխակերպվում է՝ դառնալով նոր քիմիական տարր։ Այս երևույթը կոչվում է քվանտային թունելացում։

Պրոտոնը՝ որպես մասնիկ, չունի բավարար էներգիա պատնեշի վրայով անցնելու։ Սակայն նրա ալիքային հատկությունը թույլ է տալիս տարածվել պատնեշի միջով՝ դասական մասնիկի տեսանկյունից խախտելով էներգիայի պահպանման օրենքը (էներգիան չի կարող առաջանալ կամ ոչնչանալ, էներգիայի ընդհանուր քանակը միշտ նույնն է):

Էլեկտրական հոսանքն այն երևույթն է, երբ լիցքավորված մասնիկները, օրինակ՝ էլեկտրոնները, հոսում են նյութի միջով: Սակայն էլեկտրոնների հոսքն անխոչընդոտ չէ․ նյութում ատոմները հանգիստ վիճակում չեն և տատանվում են, ինչի հետևանքով էլեկտրոնները հոսելու ընթացքում բախվում են միմյանց կամ իրենց շրջապատող ատոմներին։ Սա առաջացնում է դիմադրություն՝ դանդաղեցնելով նրանց ընթացքը, և գոյություն ունի լարում կամ արտաքին էլեկտրական ուժ, որն օգնում է էլեկտրոններին հաղթահարել դիմադրությունը։

Սակայն երբ նյութերը սառեցվում են՝ հասցվելով չափազանց ցածր ջերմաստիճանների, էլեկտրոնները կարողանում են շրջանցել ատոմներին՝ չբախվելով նրանց, ինչի հետևանքով դիմադրություն չի առաջանում, և լարումը զրո է։

Ավելին, եթե սովորական պայմաններում նույն հատկություններ ունեցող էլեկտրոններն «անհաշտ են» և չեն սիրում նույն տարածքում իրար հետ գտնվել, ցածր ջերմաստիճաններում՝ անհամեմատ ավելի մեղմ տատանումների պայմաններում, «հաշտվում են» ու զույգեր ձևավորում։ Սրանք կոչվում են Կուպերյան զույգեր՝ այդ երևույթը հայտնաբերած գիտնականի անունով։ Միլիարդավոր էլեկտրոններ սկսում են Կուպերյան զույգերով առանց դիմադրության հոսել, ու նրանց շարժումն այնքան ներդաշնակ է, որ ամեն էլեկտրոն կարծես կորցնում է իր անհատականությունը, և բոլորը հոսում են որպես մեկ մեծ մասնիկ կամ, եթե կուզեք, ալիք։