Зептосекунды: 2. Энергия, время и соотношение неопределенностей

Соотношение неопределенностей энергия–время для фотонов: чем короче световой импульс, тем больше разброс энергий у фотонов: Δt·ΔE ~ ℏ, где ℏ — постоянная Планка. Для очень коротких импульсов, в которых успевает произойти лишь несколько колебаний, можно разброс энергий заменить на типичную энергию E

Здесь самое время рассказать про одно важное свойство квантового мира, которое очень помогает при оценке сверхкоротких промежутков времени. Называется оно соотношением неопределенностей энергии и времени. Начнем с простого, но важного утверждения:

квантовая механика говорит, что никакие явления не могут происходить мгновенно.

Более того, если известны типичные энергии E, задействованные в каком-то процессе, то этот процесс должен длиться как минимум время

t ~	ℏ
	E

Величина ℏ ≈ 10⁻³⁴ Дж·c — это постоянная Планка, фундаментальная константа, характеризующая все квантовые процессы. Это соотношение можно и обратить: если мы хотим, чтобы какое-то явление длилось короткое время t, нужно, чтобы в нём участвовали энергии как минимум ℏ/t.

Чем меньше длится явление, тем более высокие энергии должны в нём участвовать.

Значение постоянной Планка можно переписать в электронвольтах (эВ) — единицах энергии, привычных для мира элементарных частиц: ℏ ≈ 6,6·10⁻¹⁶ эВ·с. Иными словами, процессу длительностью 1 ас = 1000 зс требуется энергия порядка кэВ, а при длительности в тысячу раз меньше, 1 зс, требуется энергия в тысячу раз больше, порядка МэВ.

Эти значения намного больше тепловой энергии частицы при комнатной температуре (300 К ≈ 0,025 эВ) и энергий фотонов видимого света (2–3 эВ). Однако нужными энергиями обладают самые глубинные электроны в тяжелых атомах или электромагнитные волны в жестком рентгеновском диапазоне. Поэтому когда удается из атома выбить самый глубинный электрон, то вся электронная оболочка начинает искажаться за время из зептосекундного диапазона. Впрочем, полная ее перестройка и успокоение всё равно потребуют аттосекундных времен.

Тут встает вопрос о том, как можно экспериментально исследовать такие быстрые процессы. В последние годы физики пытаются разработать новые методики получения рентгеновских вспышек зептосекундной длительности. Особенно перспективными кажутся самые современные источники когерентного излучения — лазеры на свободных электронах. Однако это пока остается светлой мечтой — до прощупывания зептосекундного диапазона прямыми измерительными методами физика пока не добралась, хотя она уже близка к этому.

Другая область физики, где соотношение неопределенностей энергия–время работает на полную катушку, — это физика элементарных частиц. Подавляющее большинство известных частиц нестабильны и распадаются почти сразу после своего рождения. Так вот, по соотношению неопределенностей у такой частицы нет какой-то фиксированной, строго определенной массы. Чем более нестабильна частица, чем меньше она живет — тем больше у нее разброс массы. В физике частиц этот разброс называется забавным термином ширина распада. Для самых короткоживущих частиц ширину распада можно измерить экспериментально и отсюда уже сосчитать их время жизни.