Что такое квант излучения
Квант, из чего он состоит
1. Зачем нам нужны знания о кванте?
Отвечу на вопрос вопросом? А зачем нам нужны знания о кирпиче? Представьте, что мы ничего не знаем о кирпиче. Ни из чего он состоит, ни как его сделать, ни какие его свойства и другое. Представьте, что кирпич вдруг исчез на всей земле. Окажется, что разрушатся почти все здания на земле, вся инфраструктура, вся промышленность, разрушатся доменные печи, не будет промышленного металла, исчезнут даже жилища эскимосов, сделанные из ледяных кирпичей и так далее. Вы скажете, что это фантастика? Да это фантастика, но только в том, что кирпич вдруг исчезнет, а остальное реальность. Так и будет. Это легко проверить на любом объекте, содержащим кирпичи. Вот обычный строительный кирпич и можно назвать квантом. Но квантом чего? Квантом кирпичей. Естественно, что он рукотворный и поэтому его минимальная величина не строго определена. Но представлять, или тем более производить, строительные кирпичи меньше спичечного коробка, кажется не совсем правильным.
К нашему удивлению так устроена и вся Вселенная. Она состоит из маленьких кирпичиков, о которых знают почти все. Это атомы и молекулы. Воды может быть сколько угодно, но только не меньше одной молекулы. Молекула H2O является квантом воды (кирпичик воды). Из этих кирпичиков строятся всевозможные водоемы, ледники, тучи и тому подобное). Раздробите молекулу воды и это уже не вода. Атом Fe является квантом железа. Меньше атома железа, такого металла, как железо, не бывает. То же и для других элементов.
А по отношению к атомам и молекулам квантами являются электрон, протон и нейтрон. Не может атом натрия содержать в себе половинку электрона или три четверти нейтрона. Все должно содержать свою порцию, хотя и не строгую по количеству, но обязательно строгую по устройству.
А еще глубже что? То, что протоны и нейтроны состоят из кварков и глюонов ученые говорят давно, но полагают, что кварк один не может существовать и поэтому его никак нельзя обнаружить. Невозможно разорвать этот клей – глюон. Об электроне только говорят, что у него есть масса, заряд и спин. Дальше идет разрыв в понимании природы. Но появляются понятия и объекты: квант и фотон. Как мы увидим дальше это и есть кирпичики энергии, из которых и строится наша Вселенная. Зная об этих кирпичиках все и научившись их строить, мы сможем решать любые задачи, ибо это есть основа “всего”, что пытаются решить при помощи математики.
2. Что знает современная наука о кванте?
О квантах рассказано много, но далеко не все.
Термин квант был впервые введен Максом Планком в1900 году. Он был определен как некая минимальная частичка энергии. Меньшей порции энергии в данном виде в природе наблюдаться не может. Большие порции энергии в природе могут быть любой величины, но они будут обязательно содержать целое число минимальных порций энергии. Величина порции энергии, согласно предположению Планка, описывается частотой кванта. Если частота кванта 190, то и величина энергии этой порции пропорциональна этой частоте и т.д. Эта зависимость математически описывается соотношением: E = hv. Здесь h постоянная Планка. Квант двойной частоты (380) должен обладать удвоенной энергией и т.д.
Вот примерно такие сведения о кванте можно почерпнуть из любой энциклопедии. Это сведения более чем столетней давности. А какие же новые сведения о кванте появились за сто с лишним лет? Стал ли более понятен нам квант? Почему квант может быть только целым? Что и как его генерирует? Каковы его составляющие? Зачем он природе и как он работает в природе? На эти и другие вопросы пока ни классическая, ни альтернативная наука ответа не дает и вообще эти вопросы широко не обсуждаются. Даже гипотез по этим явлениям не слишком много.
Если Вы попробуете в сети Интернет найти информацию по ссылке “квант”, то Вы получите множество статей, в которых будет рассказано и ядерном гамма-резонансе, где действующими объектами являются гамма-фотоны или гамма-лучи (Эффект Мёссбауера). Узнаете о том, что внутренняя температура мегоскопических тел большой массы определяется квантовыми свойствами гравитирующего тела (Температура гравитационного тела), и о квантовании скоростей в виде кванта циркуляции скорости (КЦС), или квантового вихря, являющимся основным законом природы, который работает на всех уровнях материи нашей Вселенной (что верно). И еще много, чего другого.
Если заглянете в Википедию, то узнаете, что кванты некоторых полей имеют специальные названия:
• фотон — квант электромагнитного поля;
• глюон — квант векторного (глюонного) поля в квантовой хромодинамике (обеспечивает сильное взаимодействие);
• гравитон — гипотетический квант гравитационного поля;
• бозон Хиггса — квант поля Хиггса;
• фонон — квант колебательного движения кристалла.
• хронон — гипотетический квант времени
В других источниках информация о кванте будет примерно такой же. Но, к сожалению, вам нигде не удастся найти ясного объяснения, чем отличаются или в чем совпадают, например, фотон и глюон, или гравитон и фотон и т.п. А ведь все эти понятия объединяет понятие квант, хотя и с несправедливой добавкой “гипотетический” у гравитона. Чтобы все эти понятия упорядочить следует понять, что же собой представляет квант энергии.
3. Какие претензии к классическому пониманию кванта?
Хотя понятие кванта, введенное Планком, относилось к электромагнитному излучению и поэтому этот квант представлял энергию, мудрецы ученые размыли это понятие до чего-то маленького, какой-то части чего-то. Даже для того, что вообще не относится к понятию энергии. Например, хронон. Квантуют все поля для того, чтобы можно их описывать математикой. Появилась целая наука – квантовая теория поля. И это обесценивает понятие кванта.
Выше упоминалось, что энергия кванта зависит от его частоты. Обратимся к минимальному кванту. Как следует трактовать данную частоту? Что это одно колебание? Или несколько колебаний? Если несколько, то сколько? Какая амплитуда этих колебаний? Амплитуда пока для нас безразлична, а количество колебаний мы можем выбрать только первое или второе. Минимальный квант – это одно колебание или если несколько, но обязательно фиксированное количество колебаний, в противном случае энергия кванта неопределенна. Монохроматическая волна обладает бесконечной энергией. Именно это заставило Планка проквантовать излучение, чтобы избежать ультрафиолетовой катастрофы. Мы будем предполагать, что минимальный квант это одно колебание.
Примерно так, как изображено на Рис. 1.
Квант а – одиночный квант, точнее с одной порцией энергии, квант б – квант двойной энергии и квант в – квант четверной энергии. Ясно, что соотношением E = hv данную графику описать невозможно. Площади: а = 2б = 4в равны, а не равны между собой а, б и в. Чтобы б стало равным а надо либо увеличить в два раза амплитуду А, либо добавить еще один блок б, либо поменять энергоемкость субстрата энергии а в два раза при генерации кванта б. Нам известно, что энергия кванта представлена электрическим и магнитным полями. Несомненно, чем больше напряженность электрического и магнитного полей, тем больше они несут энергии. Если квант б будет иметь амплитуду в два раза большую, чем квант а, то и его энергия может быть в два раза больше. А как быть с квантом частоты в миллион Герц? Слишком большой диапазон напряженностей, их очень сложно генерировать, тем более что нужна очень высокая точность. Еще больше экзотично выглядит смена качества субстрата кванта. Если допустить, что квант а содержит субстрат в виде дров, то квант б должен содержать субстрат, примерно, в виде антрацита, в кванте в должен быть гептил или аналог водорода и кислорода, а еще дальше должно содержатся нечто подобное урану и т.д. Всеми этими способами сложно получить пропорциональное увеличение энергии. Самое приемлемое это просто повторить процесс излучения, точно такого же одиночного кванта, тогда мы получим квант двойной энергии.
Из этих рассуждений следует, что частотой определять энергию кванта проблематично. И второе предположение, говорящее не в пользу общепринятой формулы энергии кванта, это трудность построения модели генерации квантов, различной частоты. Пока наука не может предложить хотя бы какой-нибудь модели генерации такого широкого спектра электромагнитного излучения именно кванта.
Эти рассуждения подтверждает и опыт. Самое очевидное это умформеры – преобразователи частоты. Если такие умформеры посадить на один вал и за вращать какой-то силой, то на их выходах можно получить одинаковое по величине напряжение, но с различной частотой. И если частоты на умформерах будут отличаться в 5 раз, то мы все равно не получим из них мощностей, различающихся в 5 раз. С каждого умформера можно будет получить максимальную мощность, примерно равную мощности вращающего вал двигателя. Или проще. Обороты двигателя трактора мощностью в 100 сил равны 1500 оборотов в минуту, а обороты двигателя легкового автомобиля равны 6000 оборотов в минуту, но это не значит что мощность легковушки равна 400 сил.
4. Из чего состоит квант энергии?
Если исходить из того, что понятие кванта энергии ввел Планк из опытов по излучению абсолютно черного тела, то следует признать, что квант является электромагнитной волной, представляющей собой взаимосвязанную совокупность электрического поля двух полярностей и магнитного поля двух полярностей. Все это верно, но дальше возникли вопросы: как эти элементы составляют определенную конструкцию и как они движутся. Предположили, что эти субстраты, переливаясь из одного вида в другой, движутся в пространстве. Если в какой-то миг впереди оказывается, например, электрическое поле, то оно начинает наводить в виде вихря магнитное поле. Можно сказать, впереди электрического поля по синусоиде растет магнитное облако, примерно, в виде шара. Этот вихрь занимает определенную часть пространства. Затем этот вихрь, с некоторого места своего формирования, начинает индуцировать электрический вихрь противоположного знака и т.д.
Данный вид движения был предложен еще Максвеллом. Зная опыты, Фарадея и Ампера он предположил, что электромагнитная субстанция распространяется волной. И он все это хорошо описал своими знаменитыми уравнениями. Только как представляется это автору в этих уравнениях, вернее выводах, получаемых из них, был один небольшой изъян.
В то время все опыты проводились с зарядами и током в проводниках. Потенциал располагался вокруг заряда, магнитное поле концентрическими окружностями действовало вокруг проводника с током. Вероятно, это и дало возможность Максвеллу предположить, что электромагнитная волна распространяется от возбудителя в виде сферы или окружности, подобно волнам на воде от брошенного камня. После того как поняли, что электромагнитный квант излучается и поглощается порциями возникла некоторая коллизия.
Допустим, квант излучился в виде сферы, и он может быть поглощен каким-то другим объектом. Имеем квант в виде сферы, внутри сферы, предположим электрон, который излучил этот квант, а где-то на сфере появился электрон, пытающийся поглотить данный фотон. Значит, поглощающий электрон должен стянуть к себе всю электромагнитную составляющую кванта. Подобно тому, как стягивается проткнутый воздушный шарик, только он стягивается не в месте прокола, а, в идеале, с противоположной стороны. Это “схлопывание” волновой функции ученые назвали редукцией, и дело с квантом, как будь то, прояснилась. О теории Вальтера Ритца никто не стал и вспоминать. Достаточно было того, что вокруг свечи, костра или любого другого источника света или тепла, фотоны распространяются равномерно и по сфере, и по радиусу. Представить такое распространение в виде дискретных частиц казалось мало возможным, а волна – это совсем другое дело. Мало кого смущало то, что свет, проникающий в щелочку ставни, распространяется лучом, свет от фонарика также распространяется в виде луча. Можно ли это представить в виде фрагментов сферы или в виде сжатой рефлектором или щелью сферы? Часть сферы не может быть, ибо это будет не квант, а что-то другое или другой квант. Если предметы деформируют квант, то описать его проявления представляется сложной задачей.
5. Устройство электромагнитного кванта
Многие вероятно замечали, что когда смотришь на треснутое стекло, на которое падает солнечный свет, то видишь лучики света, отраженные этой трещинкой. Лучики распространяются прямо и являются хаотически разорванными линиями. Похожими на разлетающиеся мелкие иголочки различной длины.
Такое распространение света больше похоже на движение дискретных частиц, чем на распространение волны. Несомненно, что движение дискретных частиц можно организовать в виде волнового движения, о чем будет идти разговор ниже. Сейчас мы будем исходить из того что частица квант представляет собой частицу электромагнитного излучения.
Схематически квант, назовем его электромагнитным отрицательным, можно изобразить примерно в таком виде (Рис. 2.).
Вот эти четыре бусинки-вихри (отрицательный-электрический, отрицательный-магнитный, положительный-электрический и положительный-магнитный,) и есть одиночный минимальный электромагнитный квант энергии.
Эту порцию нельзя уменьшить, выбросив хоть одну из его составляющих – квант умрет. Похоже, что нельзя изменять эти составляющие и пропорционально. В данной среде, а именно в вакууме, он либо станет неустойчив, либо потеряет свои качества. Вполне возможно, что в этом явлении работает закон диалектического материализма – переход количества в качество. Только такое количество энергии, и только такое, приобретает свойство материи передвигаться самостоятельно.
Можно также предположить, что электрическая-отрицательная составляющая кванта, из-за различной ориентации спина электрона, может иметь ту или иную поляризацию. Такие кванты будут различно взаимодействовать с электронами. Электрон с одним спином будет поглощать, и излучать кванты данной ориентации, а кванты другой ориентации будут ему безразличны. Это явным образом проявляется в таких явлениях как хиральность, прохождении света через поляризаторы.
Квант может быть не только электромагнитным отрицательным, но и электромагнитным положительным квантом, то есть он организован так, что его электрическая-положительная составляющая (условно) будет впереди или сверху, то есть именно этим потенциалом квант начинает взаимодействовать с внешним миром.
Примерно так, как на Рис. 2а.
Такой квант может генерироваться не электроном, а позитроном. Совокупность таких квантов организуют позитрон, который имеет положительный потенциал, так как именно положительная составляющая кванта оказывается сверху частицы.
6. Взаимодействие квантов.
Когда электрон и позитрон сближаются, они притягиваются друг к другу и “разматывают” друг друга. Их поля, каждый из вихрей, взаимодействуют друг с другом, и могут получиться следующие состояния.
Если вихрь электрического отрицательного кванта (электрона) будет иметь правую ориентацию, вихрь электрического положительного кванта (позитрон) будет иметь левую ориентацию, то отрицательный и положительный вихри будут направлены навстречу друг другу. В этом случае поля будут уничтожать, точнее, компенсировать, друг друга, превращаясь в массу, которая в переделах наших знаний не имеет никакого заряда. Можно сказать, что вихри уничтожают друг друга, попросту говоря, кванты “горят”, поэтому высвобождается их внутренняя энергия. Золой этого “горения” может быть не релятивистская нейтральная, точнее без зарядная масса (в нейтральной массе заряды компенсированы друг другом или превращены в эту массу). Это знакомая нам аннигиляция. Не это ли бозон Хиггса, который ищут при помощи коллайдера? Конечно, заряды никуда не делись: они либо превратились в массу, которую когда-то мы научимся превращать в заряды обратно, либо заряды слились с такой силой, что мы их не можем разорвать. Тем более, что о полях у нас пока нулевые знания. Хотите, экстраполируйте это явление в черную дыру, именно из такой без зарядной массы она и состоит.
Если вихрь электрического отрицательного кванта (электрона) будет иметь правую ориентацию и вихрь электрического положительного кванта (позитрон) будет иметь правую ориентацию, то отрицательный и положительный вихри будут следовать друг за другом или двигаться параллельно. То же и для левой ориентации квантов. В этом случае кванты не могут распасться на отдельные два кванта, так как их составные части, скажем, “+” одного кванта находится против “–” другого кванта (по каждому вихрю), и они притягиваются друг другу. Но и слиться в единое образование они не могут, так как скорости их движения предельны и равны. Они движутся синфазно в отличие от процесса аннигиляции, где вихри движутся противофазно. Такие параллельно движущиеся кванты между собой практически не взаимодействуют, но зато они могут в полной мере взаимодействовать с внешним миром. Но это взаимодействие ни к чему не приводит, так как любое воздействие одного вихря на внешний объект, сразу компенсируется действием противоположного вихря. То есть такие скрытые пары никак себя не проявляют.
Возможно, что такие скрытые пары и составляют море Дирака или по сути скрытую или темную энергию, которой большинство во вселенной. Несомненно, что эти пары при соответствующих условиях образуются и снова при каких-то условиях обратно распадаются на пару частиц. Эти частицы можно было бы назвать виртуальными, но ведь это объективно существующие частицы.
В 1928 году Дирак составил уравнение описывающее движение электрона и получил два решения. Одно с положительной энергией, которое соответствовало электрону, а второе решение соответствовало частице с отрицательной энергией. Это была античастица, которую открыл американский физик Андерсон в 1932 году и назвал ее позитроном. Дирак даже предположил, что физический вакуум заполнен этой отрицательной энергией, которую мы не замечаем, как до поры до времени, не замечаем воздух. С этим сложно согласится, так как элементы с отрицательной энергией (позитроны) будут отлавливать электроны, и превращаться в массу (черную дыру). А вот скрытые пары могут представлять собой темную материю.
Электрические и магнитные поля в кванте могут составляться и по-другому. Впереди могут оказаться не электрические, а магнитные поля.
Кванты могут иметь конфигурацию с внешней магнитной составляющей (Рис. 2б и Рис. 2в).
Могут ли такие кванты конденсироваться в устойчивые частицы с одним магнитным полем на верху, мы не знаем, по крайней мере, пока такие частицы не обнаружены, но в некоторые квазистационарные образования такие кванты объединяться могут.
С. В. Адаменко и В. И. Высоцкий в работе Здесь(Поверхность, 2006, №3, с. 84-92.) пишут о некой частице, которая относительно легко походит через алюминий и движется в одном направлении в магнитном поле. Это очень похоже на монополь.
Кванты с внешней магнитной составляющей генерируются довольно просто. Потоки таких квантов называются торсионными полями. Есть генераторы, которые умеют это делать и есть люди, которые умеют делать такие генераторы. Только люди не понимают, что они делают, их за это их пинают остальные, ничего не понимающие в этом явлении, и не признают их изобретения. К так таким людям относится инженер-исследователь А. А. Шпильман, разрабатывающий конструкции торсионных генераторов.
Такие же конструкции существуют у А. Е. Акимова и Г. И. Шипова.
Масса исследователей облучают излучением таких генераторов все и вся и наблюдают, что же из этого получится. Но ничего сверхъестественного не наблюдается.
Косвенным подтверждением наличия таких квантов могут служить исследования Ю. В. Рябова[1] о стабильности бета-распада атомных ядер, такие же исследования по бета-распаду проводил А. Г. Пархомов[2] и другие. У каждого из них получалось, что неизвестное излучение из космоса влияло на скорость распада ядер. Причем эти влияния коррелировались с астрономическими явлениями, то есть явно что-то приходило из космоса и, хотя это излучение экранировали облака, оно проходило через алюминий и стекло.
Исследователи Томского политехнического института С. Г. Еханин, Б. В. Окулов, Г. С. Царапкин, В. И. Лунёв[3] обнаружили влияние быстровращающегося тела (гиромотор) на счетчик Гейгера, у него искажается форма гистограммы распределения скорости счета. И еще много других экспериментальных опытов указывают на существование не понятного торсионного поля.
Возможно это и так, но все эти эффекты можно объяснить без привлечения сверхнеобходимого (Оккама). У нас есть электрическое и магнитное поля, вот из них и стройте конструкции, подтверждающие эти явления. Построить что-то с уже существующего материала легче, чем возьми то, не знаю, что и построй это. Этим можно объяснить и ход низкоэнергетических ядерных реакций. Если в горячей точке аннигилировать несколько пар электрон-позитрон, то требуемая энергия получится сразу.
Такие кванты надо бы назвать магнитоэлектрическими, а не торсионными. Поле, образованное магнитоэлектрическими квантами, легко проникает через вещество с электромагнитным полем. И поле можно назвать магнитоэлектрическим.
Возможно, что и магнитоэлектрических квантов существует 4 вида с учетом поляризации.
В общем, из этих восьми видов форм объединения электрического и магнитного полей можно построить все, в том числе и живую материю.
Можно также предположить, что вне зависимости, как организован квант, он все равно содержит одно и то же количество энергии.
В заключение можно сказать, что:
Квант – это порция электромагнитной энергии, величина которой фиксирована и возможно равна постоянной Планка.
Исходя из формулы E =hv, можно предположить, что Макс Планк по какой-то причине сделал исключение для электромагнитной энергии, связав ее с частотой. В других видах энергии ничего подобного не наблюдается. Если в водохранилище добавить воды, то потенциальная энергия всей воды увеличится, но другие ее параметры не изменятся. Просто увеличится количество молекул воды. Если к ведру воды падающей на лопасти турбины добавить еще ведро воды, падающей с такой же высоты, то качество кинетической энергии будет таким же, ни что не увеличит свою частоту колебаний. Скорости и массы молекул будут все время одинаковыми. Если соединить два объема одного и того же пара (давление, температура), то частота колебаний молекул не изменится. То же с атомной энергией, а не только с двумя телегами дров. А почему должна измениться частота электромагнитной энергии, если сложить два одинаковых ее куска? Если кванты или фотоны имеют различную частоту, то они ничего не смогут делать совместно. Сто человек не сможет раскачать качели, если они будут воздействовать на них с различной частотой. У качелей одна резонансная частота. А чтобы построить морфологию живого при различных частотах у квантов и говорить не стоит. Никакой когерентности в этом случае добиться невозможно.
Поэтому в формуле Планка лучше было бы v заменить на n или k и просто суммировать эти маленькие порции последовательно в виде элементарных фотонов. Эти все виды элементарных фотонов генерируются одним электроном при различных режимах ускорения. А элементарные фотоны от различных электронов суммируются в остальные фотоны. И не следует бояться того, что противофазные элементарные фотоны, попадая в противофазы, будут уничтожать друг друга. Во-первых, в основном каждый элементарный фотон и рождается под действием другого фотона или суммы нескольких фотонов. Во-вторых, эта синфазность фиксируется в спине электрона. Не будь этого, не было бы фотонов видимого спектра и не было бы нас.
О том как поля взаимодействуют в кванте и как квант движется рассказано в статье «Квант энергии,как устроен и как движется».
Квантовые технологии. Модуль 1
Узнайте главные законы квантового мира
Задача этого курса — рассказать об устройстве квантового мира, его законах и о том, как именно квантовые эффекты могут быть полезны для ученых и инженеров, как создаются и как работают квантовые устройства.
Многие из квантовых устройств уже существуют в реальности — в виде лабораторных установок, технологических прототипов, некоторые из них даже можно купить. Очень скоро IT-профессионалы столкнутся с необходимостью понимать принципы работы квантовых приборов.
Развитие традиционной электроники приближается к своему пределу: мы не сможем делать транзисторы меньше определенного размера, а значит, рост вычислительной мощности на единицу объема устройства скоро остановится. Тысячи ученых и инженеров ищут способы обхода этих ограничений, и многие эксперты считают, что будущее за решениями, основанными на квантовых эффектах.
В этом модуле вы узнаете:
• что такое кванты;
• как ученые узнали о существовании квантовых эффектов;
• чем квантовый мир отличается от привычного нам мира классической физики и какие законы им управляют.
Оглавление
Модуль 1. Главные законы квантового мира
Проверочный тест
Что такое квант?
Коротко: энергия и излучение передаются не непрерывно, а конечными порциями, квантами.
Длинно: слово «квант» (quantum) можно перевести с английского как «количество, порция, квант», само это название указывает на то, что одной из основ квантовой механики является принцип «квантования». Согласно этому принципу энергия излучения поглощается и передается порциями, квантами. Это верно для очень многих объектов микромира, в первую очередь для атомов и электронов.
Пример: с «квантовыми» преобразованиями мы постоянно сталкиваемся в быту, когда, например, имеем дело с цифровой техникой. Так, звук имеет волновую природу, и в аналоговой аппаратуре он записывался «как есть», то есть колебания мембраны микрофона превращались в дорожки на грампластинке. На цифровой записи звук «квантуется»: техника с определенной частотой (ее называют частотой дискретизации) измеряет силу звука и получает набор 32 «квантовых» значений.
Квантовые процессы в атоме
Привычная нам со школы планетарная модель атома Эрнеста Резерфорда, в которой электроны-планеты вращаются вокруг ядра-солнца, на самом деле не может существовать в реальности. Согласно законам классической физики электроны, двигаясь по кольцевым орбитам и испытывая ускорение, должны излучать и терять энергию. Следовательно, через очень короткое время электроны должны были бы упасть на ядро, и атом прекратил бы существовать.
Квантовые постулаты Нильса Бора гласили, что у электрона в атоме есть определенный набор дискретных энергетических состояний (уровней, или орбит), причем электроны излучают (то есть испускают) фотон определенной энергии только в момент перехода на более низкий уровень. Пока электрон находится на определенном энергетическом уровне, он не излучает — делать это он может только при переходе на другой уровень.
Теория атома Бора позволила, например, объяснить существование линейчатых спектров. Линии в спектрах указывали, что атомы почему-то предпочитали поглощать или излучать только на каких-то излюбленных частотах. Объяснить это классическими методами не удавалось. Только новые представления об атоме позволили понять, что линии в спектрах соответствуют определенным энергетическим уровням.
Энергетические переходы в атоме: поглощение фотона приводит к переходу электрона на более высокий энергетический уровень (например: с Е1 на Е2, как на схеме), а испускание — на нижележащий уровень (с Е3 на Е2).
Энергетические переходы в атоме зависят от длины волны поглощенного или испущенного излучения. По традиции их называют по именам ученых, открывших соответствующие этим переходам серии линий в спектре: серия Лаймана, серия Бальмера и так далее.
Квантовая природа энергетических переходов в атомах позволила нам создать первые квантовые устройства — лазеры. В основе их работы лежит использование эффекта вынужденного излучения.
Если коротко, этот эффект состоит в том, что, облучая некоторые вещества излучением определенной длины волны, можно добиться инверсной заселенности энергетических уровней в атомах — большая часть электронов окажется на верхних этажах. Затем они начинают излучать, но излучать не «обычный» свет, а когерентный и монохроматический, то есть строго упорядоченный по фазе и одной определенной длины волны.
Кроме того, на использовании энергетических переходов основаны квантовые стандарты частоты и атомные часы, измеряющие время благодаря очень точной периодичности энергетических переходов в атомах.
История: как ученые узнали о квантовом мире
Загадка фотоэффекта
Представление о фотоне, элементарной частице — переносчике электромагнитного взаимодействия, возникло в начале XX века благодаря появлению ряда парадоксов, которые не могла разрешить классическая физика. В их числе был и фотоэффект, или испускание электронов с поверхности металла при облучении ее светом.
Оказалось, что при изменении цвета излучения с зеленого на красный электроны с поверхности металла вылетать переставали. Причем мощность красного света, падающего на пластинку, значения не имела.
Объяснил это явление Альберт Эйнштейн. Он предположил, что свет излучается порциями, квантами, энергия которых определяется частотой (то есть цветом) излучения.
Увеличивая интенсивность красного света, мы не даем каждому фотону дополнительную энергию, а просто увеличиваем количество частиц света, падающих на поверхность, и если одиночный фотон не в силах выбить электрон, то это не смогут и все остальные.
Зеленый свет имеет меньшую длину волны, а значит, его фотоны обладают большей энергией. И энергии каждого «зеленого» фотона оказывается достаточно, чтобы выбить электрон.
Ультрафиолетовая катастрофа
Еще одна проблема — так называемая ультрафиолетовая катастрофа, связанная с понятием абсолютно черного тела. В самом общем виде это объект, который ничего не отражает и поглощает все падающее на него электромагнитное излучение, а потом излучает поглощенную энергию, например в инфракрасном диапазоне.
Абсолютно черное тело, как и другие идеальные физические объекты (например, идеальный газ), в природе не существует, но приближением к нему, своего рода моделью, может служить отверстие в полом ящике, которое «не выпускает» попавшее в него излучение.
Модель абсолютно черного тела, поглощающего, но не отражающего излучение
В рамках классической физики формула Релея — Джинса предсказывала, что в ультрафиолетовом диапазоне энергия, излучаемая абсолютно черным телом, становится бесконечной. Это, разумеется, не имеет смысла, а значит, не имеет смысла и теория, на которой основывается формула. Классическая физика сталкивается с «ультрафиолетовой катастрофой».
Ситуацию спас Макс Планк, описавший излучение абсолютно черного тела исходя из квантовой теории, то есть исходя из допущения, что атомы могут поглощать и излучать свет только порциями и только на определенных частотах. Формула Планка давала реалистичные предсказания и в ультрафиолетовом диапазоне.
Зависимость излучательной способности черного тела (r) от частоты (омега). Классическая теория (формула Релея — Джинса) предсказывает бесконечный рост, квантовые теории (формулы Планка и Вина) дают реалистичные предсказания.
Корпускулярно-волновой дуализм
Чтобы совместить противоречащие друг другу свойства, проявляемые светом в разных условиях, была сформулирована идея корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой концепции у каждого объекта, обладающего энергией и импульсом, есть связанная с этими параметрами длина волны (волна де Бройля).
Частица начинает вести себя не как точечный объект, а как волна, когда ее окружение и измерительный прибор становятся сравнимы по размерам с этой длиной. Чем выше масса, тем короче длина волны де Бройля и тем сложнее заметить волновое поведение.
Широко известно, что волновые свойства демонстрируют электроны, однако типичные для волны эффекты, например способность формировать дифракционную картину (последовательность полос на экране, созданных взаимным усилением или, наоборот, ослаблением волн), показывают и значительно более массивные объекты.
В экспериментах дифракционная картина наблюдалась, например, у фуллеренов — молекул, состоящих из 60 атомов углерода.
Однако в позднем и более строгом варианте квантовой механики понятие волны де Бройля заменено волновой функцией — уравнением Шрёдингера, описывающим квантовые объекты.
Квантовые эффекты: принцип неопределенности
Коротко: в квантовом мире действует правило: чем точнее мы пытаемся измерить один параметр объекта, тем менее точным оказывается другой параметр, и наоборот.
Длинно: квантовый мир сильно отличается от «классического», в том числе тем, что любые события и параметры процессов носят вероятностный характер. Мы не можем сказать, что тот или иной объект находится в определенной точке, мы можем сказать лишь, что он находится в той или иной точке с определенной вероятностью.
В рамках классической механики вы можете измерить координату и скорость частицы сколь угодно точно — эти параметры не связаны друг с другом, и сам факт измерения никак их не изменяет. Однако в микромире в действие вступает один из главных квантовых законов — принцип неопределенности Вернера Гейзенберга.
Он гласит, что произведение погрешностей измерения этих двух величин — координаты (x) и скорости (v) — не может быть меньше постоянной Планка (h) (константы, связывающей длину волны и энергию фотонов), разделенной на массу частицы (m).
Это означает, что если вы увеличиваете точность измерения координаты, то вам придется пожертвовать точностью измерения скорости, и наоборот. Вы можете попытаться измерить абсолютно точно координату, но при этом вы ничего не будете знать о скорости.
Принцип неопределенности относится не только к скорости и координатам — он работает для любых пар связанных параметров любой квантовой системы (например, энергия частицы и момент времени, когда она обладает этой энергией).
Природа этой неопределенности связана с процессом измерения. В «классическом» мире измерение почти никак не влияет на измеряемый параметр. В квантовом мире измерительный прибор влияет на системы, взаимодействует с ними — иначе говоря, на какое-то время образует с ними единую квантовую систему и тем самым вносит неустранимые помехи.
Поэтому состояние квантовых объектов описывается уравнением Шрёдингера, указывающим лишь вероятность нахождения частицы в определенной точке. «Размытое», вероятностное поведение квантовых объектов ведет к явлению «квантового туннелирования» — способности квантовых объектов проникать сквозь стены, точнее, проходить сквозь квантовый барьер.
В классической физике, если объект, например пуля, не имеет достаточной энергии, чтобы пробить стену, он останется по эту сторону стены; если мяч, который вы бросили, не смог выкатиться из ямы, потому что вы недостаточно сильно его толкнули, то он скатится обратно. В этом случае физики говорят, что объект не смог преодолеть потенциальный барьер.
Однако в квантовом мире волновая функция у потенциального барьера убывает экспоненциально (но все же не мгновенно), и если барьер не будет слишком высок, то есть ненулевая вероятность, что частица окажется по другую его сторону.
На эффекте квантового туннелирования основаны многие технологии, в частности туннельные микроскопы, благодаря туннельному эффекту работают сверхпроводящие кубиты — элементы квантовых вычислительных устройств.
Квантовые эффекты: запутанность и телепортация
Что такое суперпозиция
Еще одна черта зыбкости квантового мира — способность квантовых объектов находиться в состоянии суперпозиции. Этот термин используется и в классической физике, где он означает способность волн складываться друг с другом, усиливая или ослабляя друг друга.
В отличие от них, квантовые объекты могут находиться одновременно в нескольких состояниях. Если точнее, то волновую функцию квантовой системы в суперпозиции можно описать как сумму вероятностей двух состояний, где состояние 1 имеет одну вероятность, а состояние 2 — другую.
Если квантовую систему измерить, то мы будем наблюдать какое-то одно из состояний (как говорят физики, система коллапсирует в определенное состояние).
Геометрическое представление суперпозиции квантового объекта, который может иметь спин (магнитный момент) 1 или 0. Греческой буквой «пси» обозначена волновая функция, зависимая от соотношения вероятностей обоих состояний.
Фотон в суперпозиции
Один из примеров — фотон, способный находиться в суперпозиции двух состояний: горизонтальной и вертикальной поляризации.
Поляризация — одно из свойств электромагнитного излучения; ее, говоря в общем, можно представить как ориентацию плоскости, в которой колеблется электромагнитная волна.
В излучении от многих источников, например от Солнца, плоскость поляризации может быть ориентирована хаотически. Но если такое излучение пропустить через поляризатор — фильтр, роль которого могут играть, например, некоторые кристаллы, — то сквозь него пройдет только излучение c определенной ориентацией поляризации, например вертикальной.
У каждого состояния фотона есть определенная вероятность. Если мы измерим его поляризацию, то получим одно определенное значение. Но для того, чтобы понять, какими были исходные вероятности, нам нужно будет измерить множество таких фотонов (если нам удастся их получить).
Суперпозиция может касаться как «внутренних» состояний частицы, так и ее пространственных положений, то есть, говоря в общем, объект находится одновременно в двух точках. Если использовать более корректную формулировку, то волновая функция говорит нам, что вероятность для одной точки одна, для другой — другая.
Можно провести эксперимент с фотоном: послать его через полупрозрачное зеркало, соприкоснувшись с которым он с 50-процентной вероятностью отразится, а с 50-процентной вероятностью пройдет насквозь. В этом случае он будет «одновременно» и с одной стороны зеркала, и с другой.
Если мы проведем измерения, то фотон окажется где-то в одной точке, но мы можем построить оптическую систему так, что оба пути от зеркала сошлись вновь, и в этом случае мы увидим дифракционную картину — след интерференции (смешивания) фотона с самим собой.
Квантовая запутанность
Частный случай суперпозиции — квантовая запутанность, способность квантовых объектов «чувствовать» друг друга на любом расстоянии. Эйнштейн называл ее «жутким дальнодействием».
В классическом мире запутанность можно описать с помощью такой аналогии: представьте, что двух человек (назовем их по традиции, принятой у квантовых физиков, Алиса и Боб) попросили не глядя выбрать одну из двух разных монет.
После этого Алиса отправилась на Альфу Центавра, а Боб остался дома. Тем не менее, между ними сохранилась определенная связь: стоит Алисе посмотреть на свою монету, и она сразу поймет, какая монета осталась у Боба на Земле.
В квантовом случае все выглядит почти так же: представим себе запутанную квантовую систему из двух фотонов. Она описывается одной волновой функцией, устанавливающей определенные вероятности, что один фотон окажется с вертикальной поляризацией, а другой — с горизонтальной, причем речь идет о связанных параметрах, которые нельзя определить независимо (физики говорят в этом случае о несепарабельной системе).
В этом случае, если Алиса увезет свой фотон на Альфу Центавра, измерит его поляризацию и получит, что она вертикальная, то в тот же момент поймет, что у Боба остался фотон с горизонтальной поляризацией. «Жуть» ситуации состоит в том, что фотон Боба никак не может знать, какое состояние «правильное», но тем не менее его измерение на Земле даст именно эту поляризацию и никакую другую.