Техника - молодёжи 1993-06, страница 54

что подобное движению мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе, под ударами молекул окружающей среды. Но подчеркнем еще раз: это известное броуновское движение имеет тепловую природу, и остановить его в принципе можно; квантовое же — неуничтожимо.

Очень наглядно проявляются описанные свойства вакуума в туннельном эффекте, когда частица преодолевает какой-либо потенциальный барьер, имея явно недостаточную для этого энергию. Скажем, электрон иногда способен вылетать за пределы того куска металла, в котором находится (автоэлектронная эмиссия). При этом он на время неопределенности поглощает из вакуума виртуальный квант энергии, проскакивает барьер и снова «сбрасывает» энергию в вакуум. В результате того же эффекта происходит и альфа-распад, и сближение атомных ядер на расстояние, при котором становится возможным термоядерный синтез, и ряд других важнейших явлений.

Может показаться, что во всех подобных случаях как будто бы нарушается закон сохранения энергии. Но речь тут идет только о квантовых масштабах, о предельно малых пространственно-временных интервалах. В макромире же все флуктуации усредняются и никаких нарушений нет. Более того: никакого беззакония не творится и в микромасштабах: лишняя энергия черпается из практически неисчерпаемого моря виртуальных частиц вакуума.

ВЗЯТЬ ЕЕ - НАША ЗАДАЧА

Возникает естественный вопрос: чем мы хуже элементарных частиц? Неужели тем же морем, откуда запросто берет энергию какой-то электрон, запрещено пользоваться человеку?

Для начала попробуем хотя бы грубо оценить возможные ресурсы заманчивого источника. Тут нам поможет все тот же электрон. Вспомним о скоростях, которые он приобретает за счет энергии вакуума Как уже говорилось, их средняя величина — порядка сотни км/с. Много это или мало? Для сравнения возьмем дрейфовую скорость свободного электрона, то есть ту, с какой он перемещается в проводнике при протекании электрического тока.

Хорошо известно, что она составляет всего-навсего десятитысячные доли м/с. Переведя метры в километры, убеждаемся, что разница достигает девяти порядков. А в пересчете на кинетическую энергию, которая пропорциональна квадрату скорости,— еще в два раза больше. Не правда ли — вдохновляющая цифра? Энергия, получаемая электроном из вакуума, в миллиард миллиардов раз превышает энергию его дрейфа под действием ЭДС!

Но почему же эта чудовищная величина никак не проявляется вовне? По очень простой причине: движения электрона за счет «виртуальной ЭДС» хаотичны, и соответствующий ток в среднем равен, увы, нулю.

НУЖЕН ВСЕ-ТАКИ «ДЕМОН»

Возникает задача создания устройства, способного выделить какую-то упорядоченную составляющую в этом хаосе. Оно могло бы работать по принципу пресловутого «демона Максвелла». Напомним его идею. Молекулы газа в своем хаотическом тепловом движении имеют самые разные скорости, к тому же при столкновениях их величины все время меняются. Но суммарный запас энергии данного объема газа, а значит, и его температура определяются средней скоростью всего ансамбля частиц. И уж ее-то значение строго постоянно и, несмотря на любые флуктуации, измениться никак не может (естественно, если нет притока энергии извне).

Конечно, теоретически, умозрительно можно себе представить, что большинство самых быстрых молекул случайно скопилось у одной стенки сосуда, а медленные — у другой. Тогда из возникшей разности температур удалось бы извлечь дополнительную, притом даровую энергию. Но вероятность такого самоупорядочения хаоса ничтожна. Лучше даже сказать, что практически оно просто невозможно.

Максвелл предложил способ, вроде бы позволяющий обойти вероятностный запрет. Разделим наш сосуд с газом глухой перегородкой, где имеется крохотная дверца. Ею и управляет гипотетический «демон» — некое устройство или даже существо (в принципе это неважно). Приоткрывая на мгновение дверцу, ловкий привратник может пропу

скать через нее единичные молекулы, да притом еще в зависимости от их скорости. Тогда, «поработав с умом», «демон» способен нагреть одну часть сосуда, собрав в ней все быстрые молекулы, и, соответственно, охладить другую.

Этот кажущийся парадокс давно решен: «физическая и умственная работа» подобного устройства (измерения скоростей частиц и манипуляции дверцей) сама требуег энергии, притом превышающей возможный эффект от разности температур. А энергию здесь можно получить только извне

«ДЕМОНЫ» БЫВАЮТ РАЗНЫЕ

Но ведь все сказанное относится лишь к тепловым явлениям В процессах иной природы — свои законы, свои запреты. Так, может быть, нечто похожее осуществимо в квантовом мире? И если нужна внешняя энергия, чтобы рассортировать молекулы обычного газа, это не обязательно верно для частиц газа электронного, не подчиненных законам термодинамики?

Короче, если не дает эффекта «демон Максвелла», может быть, удачливее окажется «демон Ферми»?

Заметим, что для создания электрического тока даже не нужно отбирать электроны по скоростям. Достаточно навести элементарный порядок в их хаотическом движении под действием виртуальных сил. На это в принципе способен любой элемент типа щода, обла дающий односторонней проводимостью. Другими словами, «демон Ферми» заведомо проще. Рассмотрим, например, следующее устройство (рис.1).

Тончайшая металлическая игла расположена перпендикулярно плоской металлической пластинке. Зазор между ней и концом острия Д d = 10 - 10 ¹⁰м. Оба элемента соединены проводником. Вот и ,все.

Чтс£ происходит со свободными электронами в материале острия и пластинки⁷ И там и здесь они движутся хаотически, причем некоторые из них имеют весьма высокие скорости. Часть электронов (те, что обладают энергией Ферми) может даже вырываться за пределы поверхности металла. Естественно, их притягивает обратно нескомпенси-рованный заряд положительных

51