Квантовая физика

Квантовая физика: истории из жизни, советы, новости, юмор и картинки — Горячее | Пикабу

Квантовая физика

Современные научные знания о физическом вакууме отличаются от традиционных представлений как об абсолютно пустом пространстве, где нет ничего.

Сейчас мы уже знаем, что вакуум – очень непростая вещь: в нем есть поля, которые способны взаимодействовать с внешним полем, а также в этих полях происходят спонтанные процессы даже без приложения внешней силы, называемые флуктуациями.

Данные флуктуации приводят появлению парных квантов полей (частица-античастица), которые принято называть виртуальными частицами, поскольку эти процессы происходят практически незаметно для нас. По крайней мере, обыватель еще не привык связывать известные наблюдаемые явления в макромире с этими процессами в вакууме.

Совсем иначе обстоят дела с элементарными частицами в масштабах Комптоновской длины волны. Для электрон-позитронных пар это немногим больше 2,42*10-12 м, а для других частиц еще меньшие порядки. Вакуум буквально “кипит” абсолютно непредсказуемым образом, это явление связано постоянно с растущей энтропией вселенной и выводится из формулы неопределенности Гейзенберга.

Показать полностью 2 [моё] Квантовая физика Излучение Хокинга Гифка Длиннопост

Как объяснить квантовую физику с помощью пару носков.

Физика Носки Квантовая физика Суперпозиция

Google опубликовала заявление, согласно которому квантовый компьютер компании смог выполнить задачу, которую не может выполнить ни один классический компьютер. Таким образом в корпорации подтвердили факт достижения квантового превосходства.

В Google сообщили, что Sycamore действительно удалось выполнить вычисление за 200 секунд. Аналогичная процедура заняла бы у самого быстрого суперкомпьютера в мире 10 тысяч лет.

«Это достижение является результатом многолетних исследований и самоотверженности многих людей. Это также начало нового путешествия: выяснение того, как заставить эту технологию работать. Мы работаем с исследовательским сообществом и имеем инструменты с открытым исходным кодом, позволяющие другим работать вместе с нами», — отметили в компании.

Там сослались в качестве подтверждения на публикацию в научном журнале Nature, который разместил отчет о результатах работы Google по созданию квантового компьютера.

«Насколько нам известно, этот эксперимент знаменует собой первое вычисление, которое может быть выполнено только на квантовом процессоре. Квантовые процессоры, таким образом, достигли режима квантового превосходства.

Мы ожидаем, что их вычислительная мощность будет продолжать расти с двойной экспоненциальной скоростью», — говорится в материале.

Информацию подтвердило и НАСА. Ранее на сайте агентства появились первые выкладки о достижении квантового превосходства, однако затем материал удалили.

«Квантовые вычисления все еще находятся в зачаточном состоянии, но это преобразующее достижение продвигает нас вперед.

Наши миссии в ближайшие десятилетия на Луну, Марс и другие подпитываются такими инновациями, как эта», — отметил Юджин Ту, директор исследовательского центра NASA Ames Research Center.

Чтобы убедиться, что квантовое превосходство действительно было достигнуто, НАСА и Google обратились в Национальную лабораторию в Ок–Ридже, штат Теннесси, где находится Summit —самый мощный суперкомпьютер в мире. Там проверили, совпадают ли результаты квантового компьютера с результатами суперкомпьютера вплоть до предела квантового превосходства — выяснилось, что оно было достигнуто.

Глава Google Сундар Пичаи заявил, что для более широкой демонстрации квантового превосходства нужно построить отказоустойчивый квантовый компьютер с большим количеством кубитов, а это может занять несколько лет.

Однако, по его словам, уже совершен прорыв: «Если брать аналогию — братья Райт. Первый самолет летел только 12 секунд, и в этом тоже не было практической пользы. Но это доказало возможность того, что самолет может летать».

Пичаи ответил на претензии со стороны IBM. По его словам, в данном случае достижение квантового превосходства — это веха, и не стоит придираться к терминам.

В сентябре на сайте НАСА появился доклад специалистов Google, которые заявили, что при помощи квантового компьютера «Sycamore» (Платан) с 53-кубитовым процессором удалось выполнить очень сложный программный расчет всего за 200 секунд.

При этом самый современный мощный суперкомпьютер Summit смог бы произвести подобный результат лишь за 10 тысяч лет. Также, по оценкам специалистов компании, выполнение того же эксперимента на сервере Google Cloud заняло бы 50 трлн часов (5,7 млрд лет).

Тогда же специалисты подчеркнули, что их новая система может выполнять только один расчет, а использование квантовых компьютеров для решения практических задач предстоит в далеком будущем.

В эксперименте были использованы случайные числа, сгенерированные по специальному сценарию, связанному с квантовыми явлениями.

Позднее сотрудники отдела квантовых вычислений компании IBM заявили, что Google ложно сообщила о достижении квантового превосходства. В компании утверждают, что обычный вычислитель справится с этой задачей в худшем случае за 2,5 дня, и при этом полученный ответ будет точнее, чем у квантового компьютера.

Такой вывод был сделан по итогам проведенного теоретического анализа нескольких способов оптимизации. Однако авторы статьи отметили, что выкладки Google представляют определенный интерес.

Они также обратили внимание на то, что применение термина «квантовое превосходство» может запутать любого человека, не специализирующегося на исследованиях в данной области.

Показать полностью 21

Долгое время считалось, что законы квантовой механики распространяются только на крошечные объекты, вроде фотонов. Однако физики доказали, что этим правилам могут подчиняться и очень крупные (по меркам молекулярного мира) тела.

Показать полностью 1 Физика Квантовая физика Кот Шредингера Наука Длиннопост

Если ваш собеседник поинтересуется чем электронное нейтрино отличается от Z-бозона.

Квантовая физика Блок-Схема

Когда мы включаем свет, лампочка испускает миллиарды фотонов. Но стоит ее выключит и помещение погружается в темноту. Что же происходит с крошками-фотонами?

При столкновении с объектом, с фотоном может произойти лишь две вещи: объект поглотит его или отразит. Как правило, происходит и то, и другое. Часть энергии фотона поглощается и нагревает объект, а другая часть отражается, благодаря чему мы и можем видеть разные предметы.

В теории могут существовать абсолютно черное тело, поглощающее 100% излучения и идеальное зеркало, отражающее весь попадающий на него свет. Но, в реальности, их не существует.

На деле фотон передает объекту часть своей энергии и отражается от него. Затем сталкивается с другим объектом и все повторяется до тех пор, пока фотон не раздаст всю свою энергию и не перестанет существовать.

В обычной комнате срок жизни фотона составляет что-то около 0,000001 секунды (одна миллионная). То есть, когда мы выключаем лампочку и новые фотоны перестают попадать в пространство, свет гаснет не мгновенно, а лишь тогда, когда уже выпущенные фотоны растратят свою энергию. Хотя, для нас это и выглядит как мгновение.

Юмор Физика Квантовая физика Скриншот Интересное Хочу все знать Фотон

На фотографиях запечатлено то, что Книга рекордов Гиннеса называет самой маленькой скульптурой в мире, которая изображает человека! Название скульптуры — Доверие.

Чтобы лучше можно было представить насколько крошечные размеры статуэтки, приведем одно простое сравнение: масштаб скульптур, созданных Джонти Гурвицем, примерно равен величине, на которую вырастают ваши ногти за каждые 5-6 часов!

А на этой фотографии скульптура танцующей женщины размерами 80 × 100 × 20 микрон сравнивается с человеческим волосом:

На изображении ниже показан процесс захвата того, что вскоре станет 3D-моделью. Для того чтобы получить изображение человека со всех сторон все камеры снимают одновременно. Затем полученные фотографии «сшиваются» вместе с помощью специального программного обеспечения, которое создает модель для 3D-печати.

После сканирования и создания модели скульптура была напечатана на 3D принтере в Технологическом институте Nano Micro Facility в городе Карлсруэ, Германия.

По словам автора: «Структура создана с использованием новейшей технологии 3D-печати и техники многофотонной литографии. В конечном итоге эти работы созданы с использованием физического явления двухфотонного поглощения. Искусство, которое буквально создано с помощью квантовой физики».

Получение фотографий скульптур созданных с помощью этих технологий также является проблемой и не может быть выполнено с применением обычного микроскопа; сканирование выполняется электронными микроскопами, при этом анализирует и фотографирует нано-скульптуры целая команда специалистов.

К сожалению, спустя год после создания этой микроскопической статуи, она была случайно уничтожена невнимательным техником-фотографом.

Чтобы сделать несколько новых фотографий своей микроскульптуры Гурвиц обратился в одну из лабораторий, в которой был установлен электронный микроскоп. В процессе съемок фотограф решил поменять положение статуэтки.

«Следующие полчаса мы искали ее через объектив микроскопа, — рассказал Гурвиц. — Вдруг я заметил отпечаток пальца ровно на том месте, где должна быть скульптура. И я такой: „Мужик, ты только что уничтожил одно из самых маленьких произведений искусства, когда-либо созданных человеком“. Я был немного в шоке».

Источник: научпоп

Показать полностью 4 Скульптура Микро Технологии Квантовая физика Интересное Длиннопост

Коллективу из более чем 300 ученых со всего мира присудили премию «За прорыв в области физики» за создание первого изображения черной дыры. Денежный эквивалент награды, которую называют «научным Оскаром», составляет $3 млн.

Награду присудили «за первое изображение супермассивной черной дыры, сделанной с помощью объединения телескопов размером с Землю».

3 миллиона долларов разделят 347 ученых, входящих в совместный проект Event Horizon Telescope (Телескоп горизонта событий). Снимок ученые показали на пресс-конференции 10 апреля 2019 года.

Чтобы описать свою работу, им понадобилось опубликовать на страницах The Astrophysical Journal Letters шесть статей.

Чтобы сфотографировать объект, который находится в центре галактики М87 в созвездии Дева, ученые объединили в одну сеть восемь радиотелескопов на четырех континентах. Правда, это не фотография в привычном смысле: на снимке видна только тень объекта.

Ученые проводили наблюдения в течение нескольких недель весной 2017-го и 2018 годов. Суммарный объем данных, который передавали ученые для того, чтобы создать снимок, исчислялся петабайтами.

Кроме премии в области фундаментальной физики стали известны обладатели и других наград семейства Breakthrough Prize.

«За прорыв в области математики» наградят американского математика российского происхождения Алекса Эскина, а «За прорыв в области медицины» — американского генетика Джеффри Фридмана, немецкого биохимика Франца-Ульриха Хартля, американского биолога Артура Хорвича, американского физиолога Дэвида Джулиуса и британского нейробиолога Вирджинию Мэн-Йи Ли.

Церемония награждения состоится 3 ноября. Она пройдет в Маунтин-Вью (Калифорния).

Премию The Breakthrough Prize учредил в 2012 году российский предприниматель Юрий Мильнер.

Первой появилась премия «За прорыв в фундаментальной физике», в 2013 году к числу учредителей награды присоединился основатель Марк Цукерберг, его жена Присцилла Чан, один из основателей Google Сергей Брин и Энн Вожицки, основатель компании 23andMe, которая специализируется на персонализированных генетических тестах. Номинировать ученых на каждую из наград может любой желающий через сайт премии. Награда вручается ежегодно.

ИСТОЧНИК

Показать полностью Квантовая физика Черная дыра Прорыв Наука

Команда физиков из Австрии и Китая впервые успешно телепортировала кутриты — трехуровневые квантовые состояния. Эксперимент доказал, что кутриты обладают уникальной способностью существовать сразу в нескольких состояниях одновременно.

Показать полностью Новости Квантовая физика Телепорт Длиннопост Посты не найдены

Источник: https://pikabu.ru/tag/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F%20%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0/hot

Квантовая физика для чайников. Что такое квантовая физика: суть простыми словами

Квантовая физика

Здравствуйте, дорогие читатели. Если вы не хотите отставать от жизни, хотите стать по-настоящему счастливым и здоровым человеком, вы должны знать о тайнах квантовой современной физики, хоть немного представлять до каких глубин мироздания докопались сегодня ученые.

Вам некогда вдаваться в глубокие научные подробности, а хотите постигнуть лишь суть, но увидеть красоту неизведанного мира, тогда эта статья: квантовая физика для обычных чайников или можно сказать для домохозяек как раз для вас.  Я постараюсь объяснить,  что такое квантовая физика, но простыми словами, показать наглядно.

  

«Какая связь между счастьем, здоровьем и квантовой физикой?»- спросите вы.

Дело в том, что она помогает ответить на многие непонятные вопросы, связанные с сознанием человека, влияния сознания на тело. К сожалению, медицина, опираясь на классическую физику, не всегда нам помогает быть здоровым. А психология не может нормально сказать, как обрести счастье.

Только более глубокие познания мира помогут нам понять, как же по-настоящему справиться с болезнями и где обитает счастье. Это знание находятся в глубоких слоях Вселенной. На помощь нам приходит квантовая физика. Скоро вы все узнаете.

Что изучает квантовая физика простыми словами

Да, действительно  квантовую физику очень сложно понять из-за того, что  она изучает законы микромира. То есть мир на более глубоких его слоях, на очень малых расстояниях, там, куда очень сложно заглянуть человеку.

А мир, оказывается, ведет себя там очень странно, загадочно и непостижимо, не так как мы привыкли.

Отсюда вся сложность и непонимание квантовой физики.

Но после прочтения этой статьи вы раздвинете горизонты своего познания и посмотрите на мир совсем по-другому.

Кратко об истории квантовой физики

Все началось в начале 20 века, когда ньютоновская физика не могла объяснить многие вещи и ученые зашли в тупик. Тогда Максом Планком было введено понятие кванта. Альберт Эйнштейн подхватил эту идею и доказал, что свет распространяется не непрерывно, а порциями – квантами (фотонами). До этого же считалось, что свет имеет волновую природу.

Но как оказалось позже  любая элементарная частица, это не только квант, то есть твердая частица, а также  волна. Так появился корпускулярно-волновой дуализм в квантовой физике, первый парадокс и начало открытий загадочных явлений микромира.

Самые интересные парадоксы начались, когда был проведен знаменитый эксперимент с двумя щелями, после которого загадок стало намного больше. Можно сказать, что квантовая физика началась с него. Давайте  его рассмотрим.

Эксперимент с двумя щелями в квантовой физике

Представьте себе пластину с двумя  щелями в виде вертикальных полос. За этой пластиной поставим экран. Если направить свет на пластину, то на экране мы увидим интерференционную картину. То есть чередующиеся темные и яркие вертикальные полосы. Интерференция это результат волнового поведения чего-либо, в нашем случае света.

Если вы пропустите волну воды через два отверстия расположенных рядом, вы поймете что такое интерференция. То есть свет получается вроде как имеет волновую природу.

Но как доказала физика, вернее Эйнштейн, он распространяется частицами-фотонами. Уже парадокс. Но это ладно, корпускулярно-волновым дуализмом нас уже не удивить.

Квантовая физика говорит нам, что свет ведет себя как волна, но состоит из фотонов. Но чудеса только начинаются.

Давайте перед пластиной с двумя прорезями поставим пушку, которая будет испускать не свет, а электроны. Начнем стрелять электронами.  Что мы увидим на экране за пластиной?

Электроны ведь это частицы, значит поток электронов, проходя через две щели, должны оставлять на экране всего две полосы, два следа напротив щелей. Представили себе камушки, пролетающие сквозь две щели и ударяющие об экран?

Но что мы видим на самом деле? Всю ту же интерференционную картину. Каков вывод: электроны распространяются  волнами. Значит электроны это волны. Но ведь это элементарная частица. Опять корпускулярно-волновым дуализм в физике.

Но можно предположить, что на более глубоком уровне электрон это частица, а когда эти частицы собираются вместе, они начинают вести себя как волны. Например, морская волна это волна, но ведь она состоит из капель воды, а на более мелком уровне из молекул, а затем из атомов. Хорошо, логика твердая.

Тогда давайте будем стрелять из пушки не потоком электронов, а выпускать электроны по отдельности, через какой-то промежуток времени. Как если бы мы пропускали через щели не морскую волну, а плевались бы отдельными каплями из детского водяного пистолета.

   

Вполне логично, что в таком случае разные капли воды попадали бы в разные щели. На экране за пластиной можно было бы увидеть не интерференционную картину от волны, а две четкие полосы от удара напротив каждой щели.

То же самое мы увидим, если кидать  мелкие камни, они, пролетая  сквозь две щели, оставляли бы след, словно тень от двух отверстий. Давайте же теперь стрелять отдельными электронами, чтобы увидеть эти две полосы на экране от ударов электронов.

Выпустили один, подождали, второй, подождали и так далее. Ученые квантовой физики смогли сделать такой эксперимент.

Но ужас. Вместо этих двух полос получаются все те же интерференционные чередования нескольких полос.

Как так? Такое может случиться, если бы электрон пролетал одновременно через две щели, а за пластиной, как волна сталкивался бы сам с собой и интерферировал.

Но такое не может быть, ведь частица не может находиться в двух местах одновременно. Она или пролетает сквозь первую щель или сквозь вторую.

Вот тут начинаются поистине фантастические вещи квантовой физики.

Суперпозиция в квантовой физике

При более глубоком анализе ученые выясняют что любая элементарная квантовая частица или тот же свет(фотон) на самом  деле могут находиться в нескольких местах одновременно.

И это не чудеса, а реальные факты микромира. Так утверждает квантовая физика. Вот поэтому, стреляя из пушки отдельной частицей, мы видим результат интерференции.

За пластиной электрон сталкивается сам с собой и создает интерференционную картину.

Обычные нам объекты макромира находятся всегда в одном месте, имеют одно состояние. Например, вы сейчас сидите на стуле, весите, допустим, 50 кг, имеете частоту пульса 60 ударов в минуту. Конечно, эти показания изменятся, но изменятся они через какое-то время. Ведь вы не можете одновременно быть дома и на работе, весить 50 и 100 кг. Все это понятно, это   здравый смысл.

В физике микромира же все по-другому.

Квантовая механика утверждает, а это уже подтверждено экспериментально, что  любая элементарная частица может находиться одновременно не только в нескольких точках пространства, но также иметь в одно и то же время несколько состояний, например спин.

Все это не укладывается в голову, подрывает привычное представление о мире, старые законы физики, переворачивает мышление, можно смело сказать сводит с ума.

Так мы приходим к пониманию термина «суперпозиции» в квантовой механике.

Суперпозиция означает, что объект микромира может одновременно находиться в разных точках пространства, а также иметь несколько состояний одновременно.  И это нормально для элементарных частиц. Таков закон микромира, каким бы странным и фантастическим он не казался.

Вы удивлены, но это только цветочки, самые необъяснимые чудеса, загадки и парадоксы квантовой физики еще впереди.

Коллапс волновой функции в физике простыми словами

 
 

Затем ученые решили выяснить и посмотреть более точно, реально ли электрон проходит через обе щели. Вдруг он  проходит через одну щель, а затем каким-то образом разделяется и создает интерференционную картину, проходя через нее. Ну, мало ли.

То есть нужно поставить какой-нибудь прибор возле щели, который бы точно зафиксировал прохождение электрона через нее. Сказано, сделано. Конечно, осуществить это сложно,  нужен не прибор, а что-то другое, чтобы увидеть прохождение электрона.

Но ученые сделали это.

Но в итоге результат ошеломил всех.

Как только мы начинаем смотреть, через какую щель проходит электрон, так он начинает вести себя не как волна, не как странное вещество, которое одновременно находится в разных точках пространства, а как обычная частица.

То есть начинает проявлять конкретные свойства кванта: находится только в одном месте, проходит через одну щель, имеет одно значение спина. На экране появляется не интерференционная картина, а простой след напротив щели.

Но как такое возможно. Как будто электрон шутит, играет  с нами. Сначала он ведет себя как волна, а затем, после того, как мы решили посмотреть прохождение его через щель, проявляет свойства твердой частицы и проходит только через одну щель. Но так оно и есть в микромире. Таковы законы квантовой физики.

Ученые увидели еще одно загадочное свойство элементарных частиц. Так появились в квантовой физике понятия неопределенность и коллапс волновой функции.

Когда  электрон летит к щели, он находится в неопределенном состоянии или как мы сказали выше в суперпозиции. То есть ведет себя как волна, находится одновременно в разных точках пространства, имеет  сразу два значения спина (у спина всего два значения).

Если бы мы его не трогали, не пытались смотреть на него, не выясняли, где именно он находится, не измеряли бы значение его спина, он бы так и пролетел как волна одновременно через две щели, а значит, создал интерференционную картину.

Его траектория и параметры квантовая физика описывает с помощью волновой функции.

После того, как мы произвели измерение (а произвести измерение частицы микромира можно только взаимодействуя с ней, например, столкнуть с ней другую частицу), то происходит коллапс волновой функции.

То есть теперь электрон находится точно в каком-то одном месте пространства, имеет одно значение спина.

Можно сказать элементарная частица как призрак, она как бы есть, но одновременно ее нет в одном месте, и может с определенной вероятностью оказаться в любом месте в пределах описания волновой функцией. Но как только мы начинаем с ней контактировать, она из призрачного объекта превращается в реальное осязаемое вещество, которое ведет себя как обычные, привычные для нас предметы классического мира.

«Вот это фантастика»- скажете вы. Конечно, но чудеса квантовой физики только начинаются. Самое невероятное еще впереди. Но давайте немного отдохнем от обилия информации и вернемся к квантовым приключениям в другой раз, в другой статье.

А пока поразмышляйте о том, что вы сегодня узнали. К чему могут привести такие чудеса? Ведь они окружают нас, это свойство нашего мира, хоть и на более глубоком уровне. А мы все еще думаем, что живем в скучном мире? Но выводы сделаем позже.

Я попытался рассказать об основах квантовой физики кратко и понятно.

Но  если вы что-то не поняли, тогда посмотрите вот этот мультик про квантовую физику, про эксперимент с двумя щелями, там также все рассказывается понятным, простым языком. Мультфильм про квантовую физику:  Или можно смотреть вот этот видео, все станет на свои места, квантовая физика ведь очень интересна.  о квантовой физике:  И как вы раньше об этом не знали.

Современные открытия в квантовой физике меняют наш привычный материальный мир.

С уважением, Сергей Тигров

Источник: https://zslife.ru/tainstwennoe-i-neizwedannoe/kvantovaya-fizika-dlya-chajnikov-prostymi-slovami.html

Что такое квантовая физика простыми словами

Квантовая физика

Квантовая физика (также – квантовая теория, квантовая механика, или квантмех) – особый раздел физики, изучающий закономерности микромира.

Для человека, далекого от теоретической и экспериментальной науки, квантмех может показаться совершенной бессмыслицей. Положения этой теории настолько отличаются от повседневного человеческого опыта, что понять их без развитого воображения практически невозможно.

Ричард Фейнман, один из ведущих специалистов в квантовой физике (ныне, к сожалению, покойный), лауреат Нобелевской премии 1965 года, фактически создатель квантовой электродинамики и открыватель ряда фундаментальных законов – то есть, человек, который явно разбирался в предмете – неоднократно и с изрядной долей самоиронии высказывал мысль: «Если кто-то думает, что понимает квантовую теорию – значит, он ничего не понимает в квантовой теории».

В то же время разобраться в основных понятиях этого раздела физики все-таки может любой. Попробуем представить предмет, что называется, по-чапаевски, «на картошках».

Проблемы масштаба

Доступная непосредственному человеческому восприятию реальность – это крайне узенький отрезок Вселенной. Так, нормальное зрение, даже усиленное оптическими приборами (если не брать в расчет телескопы космического базирования) может различить лишь ограниченную область Солнечной системы – примерно до орбиты Плутона.

Даже ближайшие звезды в окрестностях Солнца – для человеческого глаза это просто светящиеся точки, и об их природе люди могут судить лишь на основании абстрактных расчетов. В грубом приближении, сфера непосредственного наблюдения ограничена физической системой размером 14 миллиардов километров (наблюдаемая Вселенная больше примерно в 10 миллионов миллионов раз).

Минимальный объект, который можно различить с помощью самых современный методов микроскопии, имеет размер порядка 0,25 нанометра. Такие размеры имеют, например, белковые молекулы и отдельные участки длинных цепочек биополимеров. В общем, не такие уж и мелкие вещи по сравнению с атомами и их внутренними структурами.

Итак, объекты крупнее Солнечной системы и мельче белковой молекулы выходят за пределы непосредственного человеческого наблюдения, и о них большинство людей способны делать лишь абстрактные выводы.

Не совсем верное, грубое с научной точки зрения, но облегчающее понимание сути утверждение: явления и объекты, доступные непосредственному наблюдению, изучает и описывает классическая ньютоновская физика; все, что лежит выше верхнего предела восприятия – предмет общей и специальной теории относительности; все, что происходит в масштабах меньше крупных молекул – сфера интересов квантовой физики.

Впрочем, за подобное утверждение даже простой лаборант может броситься в драку с наглым невеждой…

Кванты и дискретность

Как следует из названия, квантовая физика оперирует понятием кванта.
Что это такое? По определению, это мельчайшая неделимая часть чего бы то ни было. Не только материи, но и силового взаимодействия, и излучения, и всего на свете.

Представим, что у нас есть тысяча слабеньких пружин, например, в матрасе. Представим, что пружинок меньше этих в природе не существует (мы ведь помним про чапаевские картошки!). Матрас выдерживает 100 килограмм. Тогда пружинка будет квантом силы упругости примерно в 1 ньютон.

Точно так же, по-обывательски, квантом риса будет рисовое зернышко (впрочем, и его можно раздробить). Квантом общества, народа, человечества – один человек. Ну а тем, кто предпочитает наличные деньги электронным, хорошо известен квант российских денег – копейка.

Но в реальности, с точки зрения физики, квант – штука куда более сложная. Начать с того, что в полной мере материальными на деле они не являются.

Еще из школьной программы всем известно, что квант электромагнитного излучения – знаменитый фотон – одновременно волна и частица.

Корпускулярно-волновой дуализм – эта самая двойственность природы квантов – тема сложная и требует отдельного объемного объяснения.

Разумеется, квантовая физика не занимается исключительно квантами. Кванты определяют подход к описанию явлений микромира. Рассмотрим, например, явление перехода электрона с одного энергетического уровня на другой.

Электрон может занимать только строго определенное положение (орбиту) вокруг атомного ядра. Если приводить аналогию с деньгами, орбиты электронов имеют определенную стоимость: орбита в 1 копейку – самая близкая, орбиты подальше стоят 5, 10, 50 копеек и так далее.

Представим, что электрон, находясь на копеечной орбите, перемещается подальше. При всем его горячем желании, денег для этого у него нет: в силу своей природы электрон не способен хранить наличность – он ее сразу же транжирит либо на изменение своего статуса (перехода с орбиты на орбиту), либо на изменение параметров своего движения: скорости, направления и т.д.

Для того, чтобы перескочить, электрон улавливает шальной кусок энергии – фотон – стоимостью ровно 9 копеек. Переход оплачен и свободно осуществляется.

Допустим, его более богатый сосед с пятидесятикопеечной орбиты решил пересесть на орбиту поближе – сразу на копеечную, такой вот дауншифтинг.

Ничто ему не мешает, стоимость «недвижимости» с лихвой покрывает расходы на переезд. Вот только электрон не умеет хранить наличность, как мы помним.

И атом испускает последовательно фотоны в 40 копеек (это наш богатей опустился на орбиту ниже) и 9 копеек (еще одна орбита вниз).

Продолжим денежно-картофельные аналогии. Что такое стоимость для фотонов? Это частота излучения. Грубо говоря, чем больше волн «поместится» в фотоне, тем он дороже.

Так, одни из самых дорогих – кванты рентгеновского и гамма-излучения, самые дешевые – сверхдлинные радиоволны.

Последние настолько «дешевы» (можно сравнить с зимбабвийским центом времен гиперинфляции), что практически не участвуют в квантовых событиях, и электроны на своих орбитах совсем их «не замечают».

А что будет, если электрону на самой дорогой и фешенебельной орбите заплатить еще больше? Для того, чтобы покинуть свой «район» (то есть, атом), он должен иметь на руках определенную фиксированную сумму (обладать кинетической энергией).

Минимальная «сумма» в квантовой физике называется красной границей фотоэффекта и зависит от природы вещества.
Но вот, фотон с нужным количеством денег прилетает в атом, электрон покидает его и отправляется в свободное путешествие. Явление этого «путешествия» называется фотоэлектронной эмиссией.

Кстати, энергетические «цены» орбит у разных химических элементов различны, и потому каждый элемент может поглощать фотоны лишь со строго определенными «стоимостями», ровно такими, чтобы электроны могли без энергетического остатка «переезжать» на более высокие орбиты.

Набор этих фиксированных «сумм» называется спектром поглощения. По таким спектрам (то есть, по тому, какие конкретно фотоны нужны для орбитальных переходов в атомах) можно определить элементы на расстоянии – это называется спектральным анализом.

Источник: https://wininfo.ru/chto-takoe-kvantovaya-fizika-prostymi-slovami/

Booksm
Добавить комментарий