Продолжение серии развлекательно-научных постов. Как всегда для слишком умных поставлен тег “юмор”. Для остальных – тег “физика”. Ну и перепись естествознателей пикабу, разумеется, открыта :))))
На нынешнем ликбезе мы вынесем мозг рядовому гуманитарию темой, которая давно его интересует, но любые попытки почитать научно-познавательную литературу оканчивается зависанием над первой же формулой. Сейчас мы попросим всех физиков закрыть глаза и уши и расскажем остальным, что такое кванты. Наверняка, вы все постоянно встречаете это слово в литературе, телевизорах, интернетах, шаражкиных конторах и нанотехнолохотронах. Пора уже восполнить пробел и немножко врубиться в тему.
Самый простой способ объяснить, что такое кванты – это (внезапно, да?) аналогия.
Возьмем расстояние между вашими глазами и монитором. Чисто математически это расстояние можно разделить на несколько отрезков. Сначала вполовину, потом еще на четыре, затем на восемь частей. И так, например, до бесконечности. И может показаться, что если вы захотите ткнуть пальцем в монитор, то не сможете это сделать, потому что это расстояние делится до бесконечности. Но вы знаете, что физически вы это сделаете без проблем, потому что, по-видимому, существует мельчайшая единица расстояния, меньше которой уже ничего нет.
Раньше считали, что мельчайший размер имеет атом, но нынче ученые докопались аж до кварков и суперструн (последние скорее нет, чем да, но звучат круто). Но вопрос определения мельчайшего расстояния оставим физикам – рано или поздно нам предъявят эталон. Факт в том, что наш опыт подтверждает, что деление отрезка в реальности не бесконечно.
Эти рассуждения близки известному парадоксу Ахиллеса и черепахи. Древние тоже задумывались о бесконечности деления пространства. Так то!
Теперь возьмем другой пример из жизни. Энергию как она есть. Вы поджарили шашлык, и он, стало быть, теперь горячий. Излучает тепло, которое в общем случае является тем, что мы называем энергией, а физики – электромагнитными волнами. Жизненный опыт нам подсказывает, что энергия существует в виде непрерывных волн (помните, непонятные синусоиды на уроках алгебры). То есть энергия, как мы считаем, излучается непрерывно. До начала XX века все ученые мира тоже так думали.
А вот и фигушки. Выяснилось, что существует конечный кусочек энергии. Самая маленькая порция энергии, меньше которой не существует. Как и в случае с расстоянием, передачу энергии можно делить на кусочки (или пакеты, если вы, простигосподи, вэб-программист, и вам так понятнее). Самый крошечный кусочек энергии и называют квантом.
Собственно на этом можно и закончить. Но ведь вам наверняка интересно, как это было обнаружено, да и почему из такого пустяка родилась целая наука – квантовая физика.
О том, что кванты существуют, никто не догадывался. Пока физики чисто из интереса не решили попрактиковаться в расчетах на всяких идеальных ситуациях. Они заморочились на так называемом абсолютно черном теле. Это такая выдуманная фиговина, типа духовки, которую нагревают, а она при этом не теряет (не отражает) ни капельки энергии – все тепло забирает себе без остатка.
Эта гипотетическая духовка после нагревания, разумеется, тоже начнет излучать тепло. Физики стали считать, сколько тепла (энергии) будет излучать такая духовка. И неожиданно у них по тогдашним, казалось бы логичным, формулам умника Максвелла выходила бесконечная энергия. Это была засада – практика показывала, что в реальности подобные бесконечности не наблюдается вообще нигде и тем более в духовках. И вот на этой ерунде вся классическая физика пошла дремучим лесом.
Первым что-то путное высказал Макс Планк – дедушка квантовой физики. Он чисто по-студенчески подогнал результат под задачу, придумав формулу, из которой следовало, что энергия излучается порциями. То есть каждая электромагнитная волна несет в себе определенное количество энергии, пропорциональное частоте этой волны. Чем больше частота волны, тем больше энергии несет в себе один квант. Коэффицент пропорциональности назвали постоянной Планка, которая впоследствии оказалась не просто какой-то случайной цифрой, а фундаментальной физической величиной вселенского масштаба.
Интересная аналогия: когда мы играем на скрипке, и плавно увеличиваем громкость, то на самом деле громкость растет не непрерывно, а скачками, но такими маленькими, что мы не замечаем этого.
Планк, к сожалению, сам не понял, что открыл – до конца жизни он был противник квантовой физики. Квантование энергии было вообще очень оскорбительным для классиков. Один известный ученый-шутник (Георгий Гамов, советский эмигрант, кстати) объяснял квантование энергии так: это все равно, что природа разрешила либо пить целый литр пива сразу, либо вообще не пить ничего, не допуская промежуточных доз. Ну или аналогия от нас: вы покупаете пиво только в бутылках (разной емкости), но никакого розливного пива! Так получается и с энергией.
Формула Планка для излучения абсолютно черного тела выдала адекватный результат без всяких бесконечностей. Потому что кусочки энергии в отличие от бесконечно малых величин можно подсчитать. После этого научный мир замер в нехорошем предчувствии.
Окончательно добил классическую физику Эйнштейн. Его первым открытием была совсем не теория относительности – он сумел объяснить загадку фотоэффекта. За что и получил нобелевскую премию (а совсем не за ТО).
Фотоэффект – это когда свет падает на пластинку и выбивает из нее электроны. Только вот энергия выбитых электронов не зависит от увеличения мощности (яркости) света, хоть ставь сто ламп, но увеличивается только число электронов, а не их скорость. Энергия же выбитых из пластинки электронов растет, если увеличить частоту волны света, уменьшая ее длину: то есть посветить не красным, а, например, фиолетовым светом. Свет с малой частотой, типа очень красного, вообще не производит эффекта. Это, кстати, напрямую касается великой тайны, почему фотографии проявляют при красном свете – только этот цвет не засвечивает пленку, не выбивает электроны, улавливаете?
Явление фотоэффекта вообще никто не мог объяснить в рамках классической физики.
На картинке, походу, нарисован прибор для изучения фотоэффекта.
Никто не мог объяснить, кроме агента мировых заговорщиков Эйнштейна. Чтобы ответить, почему цвет падающего луча света, а не его энергия, определяет скорость выбиваемых электронов, Эйнштейн решил перенести идейки о порциях энергии Планка на световую волну. Ведь озадаченный Планк применял свою теорию только к тепловым излучениям.
Для начала Эйнштейн впервые озвучил идею, что свет можно и нужно рассматривать не как волну, а как частицу (впоследствии ее назовут фотоном, а Эйнштейн называл ее световым квантом). Для любознательных: обычная лампочка в 100 Ватт излучает в секунду примерно сто миллиардов миллиардов фотонов (это 10 в 20 степени).
При фотоэффекте в силу размеров сражение между электроном и фотоном идет один на один. Чтобы фотон при столкновении с электроном вырвал последний из металлической пластинки, он должен иметь для этого достаточное количество энергии. А если применить формулу Планка именно для света, то выходило, что энергия каждого фотона пропорциональна частоте световой волны, то есть отдельно взятый фотон обладает определенной энергией, зависящей от собственной частоты. Вот и получалось, что частота света (его цвет) определяет скорость вылетающих электронов, а интенсивность (яркость) света влияет только на количество выбитых электронов.
Это как сотни детишек будут сбивать снежками сосульки, но никто не сможет докинуть, а потом придет переросток из старшей группы и метнет снежок до самой крыши и собьет цель.
Таким образом, Эйнштейн показал, что электромагнитная волна (свет) состоит из маленьких частиц – фотонов, которые в свою очередь представляют собой маленькие порции или кванты света.
И после этого мир уже никогда не был прежним. Физики столкнулись с невероятным для макромира явлением, что материя может быть одновременно и частицей и волной, что энергия не делится бесконечно, а очень даже кратна некоему значению (постоянной Планка), что эти самые кванты обладают такими свойствами, что расскажи кому в приличной компании – не поверят и вызовут санитаров.
Эйнштейн был злостным противником квантовой физики. Он до самой смерти держал оборону, считая, что квантовые явления можно как-то нормально объяснить. Но разные там Нильсы Боры, Гейзенберги, Ландау и прочие открывали все новые и новые свойства квантов. А в 50-е годы, уже после смерти Эйнштейна квантовые штучки были подтверждены экспериментально и окончательно.
Благодарим за внимание! Продолжение следует.
NB: Все изображения взяты из гугла (поиск по картинкам) – авторство определяется там же.
Давайте погрузимся в квантовую физику и узнаем о самых маленьких объектах материи реальности ╮(￣ω￣)╭
Начнём с того как мы видим вещи: свет состоит из частиц – фотонов, их можно представить в виде очень маленькой круглой пули, которая летит со скоростью 299 792 458 м/с. Фотоны рикошетят от всего что вы видите и попадают в роговицу глаза, от туда через зрительный нерв выпускается импульс и мозг расшифровывает всё это дело выводя на ваш «экран» картинку.
Микроскоп помогает фокусировать много фотонов в одну точку и возвращаясь они позволяют нам увидеть более мелкие единицы материи.
Теперь о размерах:
За основу возьмём наш повседневный мир – всё что больше (континенты, планеты, космос) – это макро мир, всё что меньше (клетки, бактерии и вирусу) это микро мир, а ещё «ниже» квантовый мир (молекулы, атомы, кварки).
Обьект – в этом контексте абсолютно всё что угодно. Обьект состоит из множества химических соединений.
Химическое соединение – это множество молекул различных или однотипных химических элементов.
Молекула – это пара или множество атомов, которые соединённым благодаря химической связи и образующее химический элемент.
Здесь у нас возникает проблема: как увидеть то что меньше длины световой волны? В 1932 году учёные создали электронные микроскопы и вместо «гигантских» фотонов они «стреляют» электронами, и сделали «зум» ещё детальнее. Принцип его работы можно представить – как чтения текста брайля (ощупывая поверхность, можно представить символы)
Атом – элементарная частица из которой состоит практически всё в нашем мире. Атом состоит из ядра (протон и нейтрон) и одного или множества электронов, которые под действием квантовых сил удерживается в барьере атома.
Протон – элементарная частица, является частью атома и находится в его ядре. Принимает участие в термоядерных реакциях, которые являются основным источником энергии, генерируемой звёздами. Имеет положительный заряд и состоит из кварков.
Нейтрон – тяжёлая элементарная частица, является частью атома и находится в его ядре. Не имеет электрического заряда, состоит из кварков.
Электрон – стабильная элементарная частица, является частью атома и находится на его орбиталях. Образует электрическую оболочку атома, строение которой определяет оптические, электрические, химические, механические и магнитные свойства вещества. Обладает отрицательным зарядом и не обладает внутренней структурой.
В 2008 году, чтобы увидеть ещё «глубже» 10 тысячам учёным пришлось разработать большой адронный коллайдер, который сталкивает элементарные частицы друг с другом на скорости света, и они распадаются на составляющие, которые существуют доли секунды. Анализ зоны появления и распада позволяет узнать о их свойствах.
Кварк – фундаментальная частица, входит в состав адронов (протоны и нейтроны). Кварки не обладают внутренней структурой, но имеют дробный электрический заряд. В настоящее время известно 6 разных «типов» кварков:
Первое поколение: Нижний ( d ), Верхний ( u )
Второе поколение: Странный ( s ), Очаровательный ( c )
Третье поколение: Прелестный ( b ), Истинный ( t )
Нейтрино – фундаментальная частица (лептон – как и электрон). Не имеют массы или электрического заряда и как итог практически не взаимодействуют с материей.
Бозон Хиггса – это уже не совсем материя и объяснение этой концепции, заслуживает отдельного поста. Плюс технически – его исследование как раз в процессе и в начале 2021 должны быть более конкретные умозаключения.
Длина планка – научная концепция описывающая наиболее минимальные масштабы возможные в нашей реальности. Любые эксперименты, направленные на дальнейшее «углубление» в материю, неизбежно вызовут создание чёрной дыры. Теория струн предполагает, что «струны» материи примерно такого размера.
Теперь обсудим квантовую физику – дело в том, что в масштабе атома классическая физика перестаёт работать, а всё взаимодействие материи на этом уровне происходит по другим законам.
Начнём с того что атомы не постоянны: атомы различных элементов распадаются и преобразовываются в атомы других элементов (ближе к началу таблицы Менделеева). Если внести достаточно энергии (допустим при взрыве звезды) мы получаем атомы более тяжёлых элементов (ближе к концу таблицы Менделеева).
Количество протонов, нейтронов и электронов – и придаёт будущему химическому элементу его свойства.
Внутри элементарных частиц (протонов и нейтронов) – находятся кварки. Это фундаментальные частицы, с двумя ключевыми параметрами заряд и спин (технически ещё есть «цвет», но чтобы не перегружать пост, я не буду рассказывать о этой концепции). На квантовом уровне главенствуют 4 фундаментальных силы:
– Сильное взаимодействие – сила, соединяющая кварки вместе. Её можно представить в виде резинки, которая удерживает кварки в группе. Если попробовать оттянуть один кварт, то взаимодействие станет мощнее и вернёт кварк в строй, как при натяжении резинки. Влияние сильного взаимодействия осуществляется через переносчика «Глюон» (можно представить его в виде, колебания резинки, которое воздействует на прикреплённые кварки). Эти колебания настолько мощные, что порождают нового переносчика «Пион», который тоже участвует в сильном взаимодействии.
– Слабое взаимодействие – участвует в распаде и преобразовании атомов. Если нейтрон сблизиться с нейтрино, то переносчик W-бозон (Z-бозон) перейдёт от нейтрино к нейтрону. Нейтрино превратится в электрон, а нейтрон превратится в протон (тем самым изменяя свойства и состав атома). Это и есть распад элемента по сути.
– Сила гравитации – заставляют любой обьект с массой «притягиваться» к любому другому объекту с массой (всё от атомов до галактик подвержено этому воздействию). Чем выше масса обьекта, тем сильнее сила гравитации – однако она теряет силу с расстоянием между двумя обьектами. Переносчик этой силы пока существует лишь в теории (гравитон) – это частица без массы и пока мы не можем её зафиксировать.
– Сила электромагнетизма – принимает две формы электростатическая сила и магнитостатическая сила. Переносчиком является фотон.
Электростатическая сила воздействует на обьекты обладающие электрическим зарядом (положительным или негативным).
Магнитостатическая сила проявляется как побочный продукт электричества. В целом это таже самая сила – любое обьект, через который течёт электричество, генерирует магнитное поле, которое оказывает воздействие на определённые химические элементы. Повседневные магниты сохраняют магнитное поле из-за материала с высокой остаточной магнитной индукцией.
Как-то так и живём. Сейчас мы находим на пике изучение фундаментальных основ реальности и возможно в ближайшее столетие сможем сформулировать законченную теорию всего ( ‾́ ◡ ‾́ )
Я планирую писать такие букофы с картинками дальше и буду рад единомышленникам в моей вк группе:
Спасибо за внимание :3
В квантовом мире действуют законы, которые противоречат принципам классической физики и плохо поддаются интуитивному пониманию. Тем не менее, знания об устройстве микромира постоянно расширяются, а также находят практическое применение, например, при создании квантовых компьютеров.
В основу квантовой физики легла теория корпускулярно-волнового дуализма света, которую выдвинул в 1923 году Луи де Бройль. Он объединил волновой принцип Гюйгенса-Френеля и корпускулярную теорию Эйнштейна и объяснил, что свет может вести себя и как волна, и как частица.
Ученые предполагают, что квантовые законы универсальны и распространяются на всю Вселенную, но на макроуровне квантовые эффекты становятся почти незаметными, и такие системы проще описать с позиций классической физики
При этом сам термин «квант» (от лат. quantum – сколько) был введен в 1900 году Максом Планком. Он доказал, что свет излучается частями – квантами, которые переносят энергию, пропорциональную частоте световой волны с коэффициентом в виде постоянной Планка. Самый известный тип кванта – этот фотон (квант электромагнитного поля), но также квантами являются бозон Хиггса, фонон, глюон и гипотетические хронон и гравитон.
Законы квантового мира
Современная квантовая физика в основном исследует частицы меньшие по размеру, чем молекулы: атомы, кварки, лептоны, мезоны, адроны и др. Одним из главных вопросов является граница микро- и макромира, для определения которой используется постоянная Планка.
В отличие от макромира, в квантовом мире действует принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит: чем точнее вы измерите один из параметров, тем менее точно получится измерить второй. Например, можно узнать скорость движения, но не положение объекта в пространстве, и наоборот.
Также микрочастицы имеют собственный момент импульса или спин, не связанный с их движением. Спин может быть направлен вверх или вниз (также это называется левым и правым спином).
Примером спина в макромире может быть вращение Земли вокруг своей оси. Так как планета имеет огромную массу, дискретные значения момента вращения невозможно наблюдать, но у маленькой частицы этот параметр получится измерить.
Явления и эффекты квантового мира
В микромире между двумя и более частицами может возникать явление запутанности, при котором их квантовые состояния взаимозависимы: если спин одной из частиц направлен вверх, то у другой он будет направлен вниз. Квантовая запутанность сохраняется на огромных расстояниях и прекращается только с изменением параметра одной из частиц.
Еще один необычный квантовый эффект – это суперпозиция, то есть одновременное нахождение частицы или системы в двух противоречащих состояниях.
Для описания этого явления применяется мысленный эксперимент Шредингера, в котором кота помещают в ящик вместе с колбой с синильной кислотой и счетчиком Гейгера с крупинкой радиоактивного вещества внутри. Если хотя бы один атом в веществе распадется, счетчик сработает, подключенный к нему молоточек разобьет колбу и кот погибнет. Но равновероятно, что атом не распадется, колба останется целой, а кот не умрет.
До тех пор, пока ящик закрыт, кот остается одновременно и живым и мертвым, то есть находится в суперпозиции. Только после открытия ящика произойдет декогеренция, и система с некоторой долей вероятности придет к одному из состояний – кот жив или кот мертв.
Проблема нестабильности квантовых компьютеров кроется в том, что по сути это макрообъекты, обладающие свойствами квантовых систем. На фото – квантовый компьютер IBM Eagle. Изображение: IBM
Эксперимент Шредингера имеет две трактовки: копенгагенскую интерпретацию Бора и Гейзенберга и многомировую интерпретацию Эверетта. В многомировой интерпретации исследователь открывает ящик и оказывается в состоянии запутанности с котом. Это приводит к расщеплению Вселенной на две части, в одной из которых ученый видит мертвого, а в другой живого кота.
Иллюстрация эксперимента Шредингера. Изображение Dhatfield
На данный момент общепринята копенгагенская интерпретация, согласно которой в момент наблюдения система переходит из суперпозиции к одному из своих вероятных состояний (кот оказывается жив или мертв).
В настоящее время квантовые системы не только изучаются, но имеют и практическое применение. Помимо квантовых компьютеров, ученые также разрабатывают квантовый интернет. Кроме того, уже существуют линии квантовой связи.
Гюйгенс рассматривал свет как распространение упругих волн в среде. При этом каждая точка фронта — поверхности, достигнутой волной, — является вторичным источником сферических волн, наблюдать которые можно только там, где проходит их огибающая поверхность или сам фронт волны. Однако эта теория не объясняла дифракцию света. Френель дополнил принцип Гюйгенса, введя понятия когерентности и интерференции, и с помощью новой теории смог объяснить все оптические явления того времени. за открытие закона фотоэффекта за общую теорию относительности за специальную теорию относительности за концепцию корпускулярно-волнового дуализма Если элементы двух разных систем независимы, то знание состоянии одного из них не даёт никакой информации о состоянии другого. Если мы знаем, что один из элементов — квадрат, то форму второго мы все еще не можем опредедить — и наоборот // Quantamagazine С точки зрения наблюдателя, который открыл коробку и обнаружил нераспавшееся ядро и живого кота, суперпозиция перестала существовать. Но для друга, наблюдающего за лабораторией издалека, она все еще существует, и он как бы находится в параллельной реальности. Если же он узнает результат эксперимента, то останутся другие друзья, для которых суперпозиция продолжит существовать. Таким образом, пока все люди во Вселенной не узнают об исходе, кот продолжит быть ни живым, ни мертвым.https://www.youtube.com/embed/mujNcrgdops?rel=0&showinfo=0&autoplay=0 Понятие «квант» в физике появилось благодаря работе Макса Планка В квантовой физике мы не можем точно знать все величины, которые описывают физическую систему Определения суперпозиции в классической и квантовой физике различаются Существует четкая граница между микро- и макромиром, где законы квантовой физики не работают