Что такое квантовый брандспойт
Что такое квантовое поле?
В физике мы регулярно говорим о полях: магнитном поле, электрическом поле, гравитационном поле. В более общем плане можно даже говорить о «квантовых полях», которые используются в квантовой физике для описания мира.
В классической физике, или ньютоновской физике, мы говорим о частицах. Протоны, электроны, все это частицы. Их можно рассматривать как маленькие шарики элементарной материи, из которых состоят все материалы, которые мы видим.
Эта модель хорошо работает на многих вещах, но и она не все объясняет. Она не объясняет, например, как частицы могут мешать друг другу.
Считается, что эти элементы обладают двойственностью волны-частицы, хотя это не удобная концепция для работы: если считать, что это частица, часть теории не сработает. И наоборот, если нужно рассматривать частицу как волну, то могут быть применены только определенные уравнения.
В физике это недопустимо: уравнение должно применяться в любое время и в любом месте.
Понятие квантовых полей
Помимо проблемы физической реальности элементарных частиц, необходимо изучить, как они взаимодействуют.
Понятие поля в математике
Возьмите двух- или трехмерный ориентир что угодно. Визуализируйте точку в этом ориентире, любую. Сопоставьте с этой точкой значение, любое. Сделайте то же самое для другого пункта, затем другого. Фактически, с каждой точкой в этой системе координат сопоставьте значение. Когда вы это сделали, у вас есть поле.
Поле представляет собой ориентир, к которому привязано значение для каждой точки.
Например: возьмите комнату, в которой вы находитесь, затем поместите начало координат (0; 0; 0) в один из углов. Теперь у каждого места в комнате есть координаты. Наконец, для каждого места в комнате укажите температуру в этой точке. Затем мы получаем карту температуры в вашей комнате: математически эта карта представляет собой поле: поле температуры.
К одной и той же точке могут быть привязаны несколько значений. В нашем примере, помимо температуры, можно связать атмосферное давление, влажность, чистоту воздуха, скорость выбросов CO2 и т.д. Тогда у нас есть ориентир с множеством полей.
У нас также может быть векторное поле, что позволяет связать вектор с любой точкой в пространстве. Например, если мы свяжем скорость ветра в этой точке с каждой точкой в пространстве, мы получим векторное поле.
Эти различные поля могут быть связаны: таким образом, вектор скорости или даже влажность в точке будут зависеть от давления и температуры воздуха в окружающих точках.
Эта работа является то, что делается в метеорологии: с помощью физических показаний (температура, давление, относительная влажность) можно определить, будет ли ветер, в каком направлении, или предсказать изменения относительной влажности, дождя, короче говоря, прогноз погоды в ближайшие часы или дни.
Реальная погода в том или ином месте может быть разбита на несколько параметров, смоделированных по полям: ветер, температура, давление, влажность и т. д.
Мы также можем ассоциировать тензоры с каждой точкой (более общий объект, чем скаляры и векторы).
Использование полей в физике
Теперь, если вы зажжете свечу в одном месте, температура будет очень высокой там, где находится пламя. Это будет учтено в температурном поле со значительно более высокими значениями температуры в координатах, где находится пламя свечи.
И наоборот, если вы посмотрите на температурную карту комнаты и увидите, что в определенном месте температура значительно повышается, вы можете сделать вывод, что кто-то зажег там свечу.
Точно так же, если вы видите, что эта температурная «аномалия» меняет координаты со временем, вы можете сделать вывод, что кто-то перемещает свечу по комнате.
Если эта температурная аномалия внезапно исчезает, значит, свеча погасла.
Это очень простой пример для изучения поля в соответствии с физическим параметром.
Вместо температуры мы можем взять значение электрического заряда в этом месте. Если мы поместим себя в абсолютный вакуум, мы заметим, что электрическое поле и магнитное поле равны нулю во всех точках. Если мы сейчас отправим фотон через вакуум, мы заметим возмущение, которое распространяется в электрическом и магнитном полях. Это возмущение соответствует фотону, пересекающему вакуум.
Концепция квантовых полей в квантовой физике
Выше, в нашем примере вакуума, через который проходит фотон, мы рассматриваем частицу, фотон, и моделируем его возмущением в электромагнитном поле.
Но что, если бы мы поступили наоборот? Если бы мы считали, что фотон в своем наиболее фундаментальном описании был только возмущением полей, и что мы моделировали это возмущение как частицу?
В квантовой физике в квантовой теории поля это то, что мы делаем: рассматриваем частицы уже не как маленькие конденсированные шарики материи, а как возмущения, присутствующие на поверхности квантового поля. В таком случае «маленькая частица» представляет собой упрощенное описание, которое предполагается более интуитивным.
В рамках квантовой теории поля Вселенная заполнена различными полями: электрическими, магнитными, гравитационными, и частице соответствует возбуждение на этих разных полях.
Например:
В квантовой физике мы работаем с такими вещами. Мы больше не говорим о частицах как о шарах материи, а как о точечных волнах: известных пакетах волн, возникающих через одно или несколько квантовых полей и реагирующих с ними.
В итоге
Подводя итог, мы можем видеть Вселенную как холст, заполненный разными слоями, соответствующими различным квантовым полям: электрическому полю, магнитному полю, гравитационному полю и т.д.
Поэтому каждая точка в этом пространстве характеризуется значением, соответствующим напряженности электрического, магнитного, гравитационного и т.д. поля в этой точке:
Схема электрического поля для электрона (отрицательного) и позитрона (положительного)
Данная частица, которая войдет в это пространство, изменит различные поля в соответствии со своими физическими параметрами (электрический заряд, масса…). Анализируя значения этих полей в данном месте, мы можем определить, какая частица только что пересекла это пространство.
Это то, что происходит в ускорителях частиц: наши теоретические модели предсказывают появление или существование определенных частиц, а целью является их фактическое обнаружение, для того, чтобы подтвердить теоретическую модель.
Взаимодействия между частицами соответствуют действию возмущения поля на другие возмущения того же поля или других полей, например, помехи.
Каждое взаимодействие одной частицы с другой соответствует передаче энергии от одного поля к другому. Возмущение электрического поля может передаваться магнитному, гравитационному и т.д. Когда пара частица-античастица аннигилирует, масса может быть преобразована в фотон, а значит, в электромагнитную энергию.
В целом энергия сохраняется, но она может переходить из одного поля в другое.
Что такое «брандспойт»?
Брандспойт – это устройство, которое позволяет формировать сильную струю жидкости для тушения пожара. Название происходит от голландского термина «brandspuit» («пожарный насос»), поэтому, правильно его писать через букву «п» – «брандспойт».
Самые древние брандспойты
Этот термин появился несколько сотен лет назад и первоначально обозначал ручной насос, который применялся на флоте не столько при пожарах (староанглийское «brand», «brond» переводится как «огонь», «пожар», «головёшка», «факел»), которые, к слову, тогда тушить было очень проблематично, учитывая, что флот был целиком деревянным, сколько для мытья палуб.
Конструкция таких насосов была элементарной и напоминала «брызгалки», которыми в нашем детстве устраивались настоящие баталии. Подобное устройство для тушения пожара описывал ещё Гиппократ, упоминая о свином пузыре со вставленной в него трубкой из кости или бамбука. При давлении на пузырь вода выбрызгивалась через трубку наружу.
В Древнем Китае ручные насосы с наконечниками из бамбука назывались «огненными драконами». Они были значительными по размеру и каждый из них обслуживался пятью-шестью служащими императорской пожарной охраны.
Изменение конструкции брандспойта в Средние века
В Средневековой Германии конструкция насоса стала больше напоминать современный медицинский шприц. Кстати, само слово «шприц» немецкое и происходит от глагола «spritzen», т.е. «брызгать».
Согласно Магдебургскому праву, каждый «предприниматель», например, хозяин мельницы, был обязан иметь подобную конструкцию для укрощения огня. Существует договор, датируемый 1439 годом, согласно которому городские органы управления Франкфурта приобретали в Нюрнберге (на тот момент, это был город-монополист в деле производства техники для тушения пожаров) 11 «шприцев».
Достоверно известно, что после большого пожара в Лондоне в 1666 году английский парламент принял закон, обязующий иметь ручной металлический брандспойт в каждом богатом доме. Беднякам же было разрешено кооперироваться и приобретать один деревянный брандспойт на пять семей.
Сужение смысла слова «брандспойт»
Позже словом «брандспойт» стали обозначать пожарный рукав с узким твёрдым наконечником, благодаря которому появлялась возможность более точно направить струю воды в нужное место. Кроме того, эффективность такого приспособления была достаточно высока − струя доставала до верхних этажей тогда еще не слишком многоэтажных зданий.
Прошло еще какое-то время, и данный термин стал употребляться только для обозначения непосредственно металлического наконечника пожарного рукава, который также называется пожарным стволом.
Брандспойт
Брандспойт (от нидерл. b randspuit, где «brand» («brond») означает огонь, пожар, головёшка, факел, а «spuit» – насос):
Справочно из Военной энциклопедии (Сытин, 1911-1915):
Брандспойт – это переносная ручного действия помпа, служившая раньше главным противопожарным и водоотливным средством на судах, а ныне употребляемая для окачивания палуб и осушения технических отсеков корабля, в которые не проведены отростки от обще-судовой осушительной системы.
Брандспойтом называются и местные ручные пожарные помпы на палубах корабля.
В настоящее время брандспойт во флоте почти всюду вытеснен паровыми или электрическими насосами.
История
Из-за несовершенства применения пожарных ведер изобретатели всегда были в поиске эффективных приспособлений, с помощью которых можно было бы точнее и организованно подавать воду в очаг пожара. Эти устройства должны быть простыми, удобными в пользовании, созданными на принципах физических законов механики. Так появились ручные насосы – брандспойты.
Устройства для непосредственного тушения пожара описывали еще древние ученые. Скажем, Гиппократ (жил в 460-356 гг. до н.э.) упоминал о примитивной форме своеобразного насоса для подачи узкой струи воды. Это был свиной пузырь со вставленной в него костяной или металлической трубкой. При давлении на пузырь вода выбрасывалась через трубку наружу. Известно, что поршневой насос существовал и во времена ранней Эллады. Начали его применять для тушения пожара еще до IV-III веков до н.э. Именно о «бамбуковых трубках» для укрощения огня упоминается в письменных памятках Древней Греции.
За почти 250 лет до Рождества Христова механик из Александрии Ктесибий первым описал насос для нагнетания воды и назвал его «сифо» (sipho). Этим словом впоследствии стали обозначать подобие пожарного насоса – приспособление, которым подавали жидкость под давлением. В пожарной охране Древнего Рима существовали специальные отряды пожарных – сифонариев, которые тушили пламя с помощью сифонов (sifonas – труба). В IX веке китайцы с этой же целью использовали ручные насосы (на Востоке их называли огненными драконами). Это были уже известны бамбуковые трубы, только больших размеров.
Земли современной Украины давно беспощадно выжигали враждебные племена и княжеские отряды при междоусобицах. Летописцы рядом с войнами описывали и пожары, считая их мощными средствами борьбы с противниками. Например, княгиня Ольга в 946 году полностью сжигает Искоростень. Летописец повествует, что пожар Искоростеня «не бе льзе гасить». Отсюда следует предположить, что наши предки владели «огнетушащим орудием», но что это было за приспособление, нам точно не известно. Впрочем, в документах периода походов князя Олега на Царьград вспоминают о «водоливной трубе», что-то вроде примитивного поршневого насоса. Вероятно, отношения с Византией обогатили древних славян знаниями о таком устройстве, а наши предприимчивые предки, позаимствовав конструкцию, стали использовать его для своих нужд, в частности укрощение огня.
В период Средневековья в странах Западной Европы (в том числе и на территории Украины) ввели «огненный порядок» как составную часть функций органов управления, по Магдебургскому праву. На основании такого нововведения начали организовывать население с целью защиты городов от огня. Как средство борьбы с таким бедствием брандспойт стали использовать на рубеже XIV-XV веков. В частности, 1439 в Германии для Франкфурта приобрели в Нюрнберге одиннадцать шприцев («spritze» – немецкий вариант брандспойта). То есть в Нюрнберге их изготавливали уже тогда. Конечно, брандспойты не сразу получили широкое применение. Возможно, понимая, что дело прибыльное, мастера пытались удерживать монополию на их производство. Собственно, это подтверждается некоторыми источниками. В течение нескольких веков местные мастера сдерживали конкурентов, потому что еще в 1624 году там изготовили до 500 брандспойтов.
Сегодня в музеях мира экспонируют несколько десятков брандспойтов. Это бесклапанные насосы, с помощью которых вода засасывалась из сосуда, а потом в виде струи обратным движением поршня выбрасывалась в пламя через спрыск или наконечник. Поскольку в конструкции брандспойтов применены принципы механики, то можно было выбрасывать воду сплошным потоком на значительную длину и с меньшими, чем в случае использования ведер, усилиями. В источниках времен Средневековья содержатся упоминания и о металлических брандспойтах. Но все же чаще использовали деревянные брандспойты, которые были значительно дешевле. Для поклонников элегантности брандспойты украшали украшениями.
Брандспойты изготовляли за различными конструкциями. Чаще всего они имели форму цилиндра с гладкой поверхностью – чтобы руки не скользили. Металлические брандспойты имели обычный поршень, а деревянные были плунжерного типа. В одних брандспойтах спрыск приспосабливали для подачи компактной струи, в других – для распыления. Ручной брандспойт по форме был трубой с отверстием на одном конце, в который плотно входил поршень.
Насосы из цветного металла (медь, бронза) были длиной 600-750 мм, поэтому они могли набирать и подавать несколько литров воды. Длина деревянных достигала одного метра. Диаметр отверстия под поршень составлял 60-80 мм. Изготавливали и большие брандспойты с рукоятками по бокам. С такими средствами могли работать не в одиночку, а группой.
Коэффициент полезного действия такого приспособления был высокий – струя доставала до верхних этажей зданий.
Но все-таки добиться надлежащей длины струи при тушении пожаров было сложно, поэтому со временем на смену брандспойтам, которые верой и правдой служили людям несколько веков, пришли гидропульты и двухцилиндровые насосы.
Позже словом «брандспойт» стали обозначать пожарный рукав с узким твердым наконечником, благодаря которому появлялась возможность более точно направить струю воды в нужное место. Кроме того, эффективность такого приспособления была достаточно высока – струя доставала до верхних этажей тогда еще не слишком многоэтажных зданий.
Прошло еще какое-то время, и данный термин стал употребляться только для обозначения непосредственно металлического наконечника пожарного рукава, который также называется пожарным стволом.
Брандспойт со сменными насадками
Также ознакомьтесь с познавательным материалом по теме:
Источник: Противопожарная служба России. Документы и материалы. Том 1. – М., 2002; Военная энциклопедия (Сытин, 1911-1915).
Историю прививок человека предложили записывать татуировками из квантовых точек
McHugh et al. / Sci Transl Med, 2019
Американские ученые вакцинировали свиней от полиовируса, добавив в вакцину коллоидные квантовые точки — микрогранулы, которые могут испускать инфракрасные лучи. Гранулы оставались в коже животных по меньшей мере 9 месяцев и не вызвали раздражения. Авторы работы предлагают применять эту технологию на людях, чтобы таким образом фиксировать историю прививок прямо в коже каждого пациента. Работа опубликована в журнале Science Translational Medicine.
Несмотря на общепризнанную пользу вакцин, они работают эффективно только тогда, когда их применение четко зафиксировано. Важно, чтобы врач всегда знал, какой перед ним пациент — привитый или нет. От этого зависит не только, будут ли его прививать повторно, но и то, как его будут лечить и от каких других пациентов изолировать. Считается, что трудности с документацией характерны чаще всего для стран со слабо развитой медициной, однако после недавних вспышек кори и паротита («свинки») в США, Австралии и Италии стало понятно, что это проблема гораздо более крупного масштаба.
Кевин Макхью (Kevin McHugh) из Массачусетского технологического института вместе с коллегами предложил записывать историю прививок непосредственно в теле человека, чтобы избавить врачей от необходимости вести документацию. Исследователи предположили, что вместе с собственно вакциной можно вводить под кожу человека какие-то метки, которые будут сохраняться там годами, не принося вреда здоровью.
В качестве первого кандидата на роль такой метки ученые рассматривали флуорофоры — органические вещества, способные светиться. Их вводили в человеческую кожу (полученную с трупов), а сверху светили ярким солнечным светом. Оказалось, что флуорофоры не выдерживают света и разлагаются при интенсивности света, которая соответствует нескольким неделям пребывания на солнце.
Поэтому исследователи переключились на неорганические вещества. Они попробовали использовать коллоидные квантовые точки — это нанокристаллы полупроводника, которые состоят из ядра и оболочки, и могут испускать волны разной длины в зависимости от состава и соотношения слоев. Ученые использовали ядра из меди, индия и серы, а оболочку — из алюминия и сульфида цинка. Им удалось откалибровать наночастицы так, чтобы они излучали в инфракрасном диапазоне. Затем их проверили на обесцвечивание: после дозы солнечного света, которая аналогична пяти годам жизни на солнце, наночастицы сохранили около 13 процентов своей первоначальной интенсивности свечения.
Затем ученые заключили наночастицы в полимерные капсулы, которые не вызывают иммунного отторжения в коже. Для укола они предложили использовать растворимые микроиглы. А чтобы идентифицировать кристаллическую метку в коже, авторы собрали простую конструкцию из инфракрасного диода, который светит на кожу, и смартфона, в котором фильтр, ограничивающий инфракрасный свет, заменили на фильтр, пропускающий только инфракрасный свет.
Фотографии кожи свиньи (сверху) и человека (снизу), сделанные на обычный смартфон (слева) и оборудованный фильтрами для инфракрасного света (справа)
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.