Наука
Квантовая физика работает с изучением поведения самых маленьких вещей в нашей Вселенной: субатомных частиц. Это относительно новая наука, лишь в начале 20 века она стала таковой после того, как физиков стал интересовать вопрос, почему они не могут объяснить некоторые эффекты радиации. Один из новаторов того времени Макс Планк (Max Planck) при исследовании крошечных частиц с энергией использовал термин "кванты", отсюда и пошло название "квантовая физика". Планк отметил, что количество энергии, содержащейся в электронах, не является произвольным, а соответствует стандартам "квантовой" энергии. Одно из первых результатов практического применения этого знания стало изобретение транзистора.
В отличие от негибких законов стандартной физики, правила квантовой физики можно нарушать. Когда ученые полагают, что имеют дело с одним из аспектов исследования материи и энергии, появляется новый поворот событий, что напоминает им о том, как непредсказуема бывает работа в этой области. Тем не менее, они, даже если не полностью понимают происходящее, могут использовать результаты своей работы для разработки новых технологий, которые порой могут быть названы не иначе, как фантастическими.
В будущем, квантовая механика сможет помочь сохранить военные секреты, а также обеспечить безопасность и защитить ваш банковский счет от кибер-воров. Ученые в настоящее время работают на квантовых компьютерах, возможности которых выходят далеко за пределы обычного ПК. Разделенные на субатомные частицы, предметы в мгновение ока легко могут быть перенесены с одного места на другое. И, возможно, квантовая физика сможет дать ответ на самый интригующий вопрос относительно того, из чего состоит вселенная и как зародилась жизнь.
Ниже представлены факты, как квантовая физика может изменить мир. Как сказал Нильс Бор (Niels Bohr): "Тот, кто не шокирован квантовой механикой, просто еще не понял принцип ее работы".
Управление турбулентностью
Вскоре, возможно, благодаря квантовой физике, можно будет устранить турбулентные зоны, из-за которых вы проливаете сок в самолете. Путем создания квантовой турбулентности в ультрахолодных атомах газа в лаборатории, бразильские ученые, возможно, поймут работу турбулентных зон, с которыми сталкиваются самолеты и лодки. На протяжении веков, турбулентность ставила в тупик ученых из-за трудности ее воссоздания в лабораторных условиях.
Турбулентность вызывается сгустками газа или жидкости, но в природе кажется будто она формируется хаотично и формируется неожиданно. Хотя турбулентные зоны могут образовываться в воде и в воздухе, ученые обнаружили, что они также могут формироваться и в условиях ультрахолодных атомов газа или в среде сверхтекучего гелия. При помощи изучения этого явления в контролируемых лабораторных условиях, ученые в один прекрасный день смогут точно предсказывать место появления турбулентных зон, и, возможно, контролировать их в природе.
Спинтроника
Новый магнитный полупроводник, разработанный в Массачусетском технологическом институте, может привести к появлению еще более быстрого энергоэффективного электронного устройства в будущем. Называемая «спинтроника», эта технология использует спиновое состояние электронов для передачи и хранения информации. В то время, как обычные электронные схемы используют только зарядовое состояние электрона, спинтроника пользуется преимуществами спинового направления электрона.
Обработка информации с помощью схем спинтроники позволит данным накапливаться сразу с двух направлений одновременно, что так же уменьшит размер электронных схем. Этот новый материал внедряет электрон в полупроводник на основе его спиновой ориентации. Электроны проходят через полупроводник и становятся готовыми быть спин-детекторами на стороне выхода. Ученые утверждают, что новые полупроводники могут работать при комнатной температуре и являются оптически прозрачными, что означает возможность работы с сенсорными экранами и солнечными батареями. Они также полагают, что это поможет изобретателям придумать еще более многофункциональные устройства.
Параллельные миры
Вы никогда не задумывались о том, какой бы была наша жизнь, если у нас была возможность путешествовать во времени? Вы бы убили Гитлера? Или присоединились бы к римским легионам для того, чтобы увидеть древний мир? Тем не менее, пока мы все фантазируем на тему, чтобы мы сделали, если бы у нас была возможность вернуться в прошлое, ученые из калифорнийского университета Санта-Барбары уже очищают путь к восстановлению обид прошлых лет.
В эксперименте 2010 года ученым удалось доказать, что объект может одновременно существовать в двух разных мирах. Они изолировали крошечных кусочек металла и в специальных условиях обнаружили, что он двигался и стоял на месте одновременно. Однако, кто-то может посчитать это наблюдение бредом, вызванным переутомлением, все же физики говорят, что наблюдения за объектом действительно показывают, что он распадается во Вселенной на две части – одну из них мы видим, а другую нет. Теории параллельных миров в один голос говорят о том, что абсолютно любой объект распадается.
Сейчас ученые пытаются выяснить, как можно "перепрыгнуть" момент распада и войти в тот мир, который нам не видим. Это путешествие в параллельные вселенные во времени теоретически должно работать, поскольку квантовые частицы движутся и вперед, и назад во времени. Теперь, все, что ученые должны сделать – это построить машину времени с помощью квантовых частиц.
Квантовые точки
В скором времени, квантовые физики смогут помочь докторам обнаруживать раковые клетки в организме и точно определять, куда они распространились. Ученые обнаружили, что некоторые мелкие полупроводниковые кристаллы, называемые квантовыми точками, могут светиться под воздействием ультрафиолетового излучения, а также их удалось сфотографировать при помощи специального микроскопа. Затем их соединили с особым, «привлекательным» для раковых клеток материалом. При попадании в организм светящиеся квантовые точки притягивались к раковым клеткам, показывая тем самым, врачам, где именно искать. Свечение продолжается достаточно длительное время, и для ученых процесс настройки точек под характеристики конкретного вида рака относительно несложен.
Хотя высокотехнологичная наука, безусловно, несет ответственность за многие медицинские достижения, человек на протяжении веков зависим от многих других средств борьбы с заболеванием.
Молитва
Трудно представить себе, что может быть общего между коренным американцем, целителем-шаманом и пионерами квантовой физике. Однако, между ними все же есть нечто общее. Нильс Бор, один из ранних исследователей этой странной области науки, полагал, что многое из того, что мы называем реальностью зависит от "эффекта наблюдателя", то есть связь между тем, что происходит, и как мы это видим. Эта тема породила развитие серьезных дебатов между специалистами квантовой физики, однако, эксперимент, проведенный Бором более полувека назад, подтвердил его предположение.
Все это означает, что наше сознание влияет на реальность и может изменить ее. Повторяющиеся слова молитвы и ритуалы церемонии шамана-целителя могут быть попытками изменить направление "волны", которая создает реальность. Большинство обрядов проводятся также в присутствии многочисленных наблюдателей, указывая на то, что чем больше "волн исцеления" исходит от наблюдателей, тем мощнее они оказывают воздействие на реальность.
Взаимосвязь объектов
Взаимосвязь объектов может в дальнейшем оказать огромное влияние на солнечную энергию. Взаимосвязь объектов подразумевает квантовую взаимозависимость атомов, разделенных в реальном физическом пространстве. Физики полагают, что взаимосвязь может образоваться в части растений, ответственных за фотосинтез, или преобразование света в энергию. Структуры, ответственные за фотосинтез, хромофоры, могут превращать 95 процентов получаемого света в энергию.
Сейчас ученые изучают, как эта взаимосвязь на квантовом уровне может повлиять на создание солнечной энергии в надежде создания эффективных естественных солнечных элементов. Специалисты также обнаружили, что водоросли могут использовать некоторые положения квантовой механики для перемещения получаемой от света энергии, а также сохранять ее в двух местах одновременно.
Квантовые вычисления
Другой не менее важный аспект квантовой физики может быть применен в компьютерной сфере, где особый тип сверхпроводящего элемента дает компьютеру беспрецедентную скорость и силу. Исследователи объясняют, что элемент ведет себя как искусственные атомы, поскольку они могут только либо получить, либо потерять энергию путем перемещения между дискретными уровнями энергии. Самый сложный по строению атом обладает пятью уровнями энергии. Эта сложная система («кудит») обладает значительными преимуществами по сравнению с работой предыдущих атомов, у которых было лишь два уровня энергии («кубит»). Кудиты и кубиты это часть битов, используемых в стандартных компьютерах. Квантовые компьютеры в своей работе будут использовать принципы квантовой механики, что позволит им выполнять вычисления гораздо быстрее и точнее по сравнению с традиционными компьютерами.
Существует, однако, проблема, которая может возникнуть, если квантовые вычисления станут реальностью – криптография, или кодирование информации.
Квантовая криптография
Вся информация, начиная от номера вашей кредитной карты и заканчивая сверхсекретными военными стратегиями, есть в сети интернета, а квалифицированный хакер с достаточным количеством знаний и мощным компьютером может опустошить ваш банковский счет или подвергнуть мировую безопасность угрозе. Специальная кодировка держит эту информацию под секретом, а компьютерные специалисты постоянно работают над созданием новых, более безопасных методов кодирования.
Кодирование информации внутри отдельной частицы света (фотон) уже давно является целью квантовой криптографии. Казалось, что ученые университета Торонто уже очень близко подошли к созданию этого метода, поскольку им удалось закодировать видео. Шифрование включает в себя строки из нулей и единиц, которые и являются «ключом». Добавление ключа один раз кодирует информацию, добавление его повторно, декодирует ее. Если постороннему человеку удается получить ключ, то информация может быть взломана. Но даже если ключи будут использованы на квантовом уровне, уже сам факт их применения будет наверняка подразумевать наличие хакера.
Телепортация
Это научная фантастика, не более. Однако, она была осуществлена, но только не с участием человека, а с участием больших молекул. Но в этом то и заключается проблема. Каждая молекула в организме человека должна быть отсканирована с двух сторон. Но это вряд ли произойдет в ближайшее время. Есть еще одна проблема: как только вы сканируете частицу, по законам квантовой физики, вы меняете ее, то есть у вас нет возможности сделать ее точную копию.
Вот где проявляется взаимосвязь объектов. Она связывает два объекта так, будто они являются единым целым. Мы сканируем одну половину частицы, а телепортируемая копия будет сделана другой половиной. Это будет точная копия, поскольку мы не измеряли саму частицу, мы измеряли ее двойника. То есть частица, которую мы измерили, будет разрушена, но ее точная копия реанимирована ее двойником.
Частицы Бога
Ученые используют очень огромное свое творение – большой адронный коллайдер – для того, чтобы исследовать нечто крайне маленькое, но очень важное – фундаментальные частицы, которые, как полагаются, лежат в основе зарождения нашей Вселенной.
Частицы Бога – это то, что, как утверждают ученые, дает массу элементарным частицам (электронам, кваркам и глюонам). Специалисты считают, что частицы Бога должны пронизывать все пространство, но до сих пор существование этих частиц не доказано.
Обнаружение этих частиц помогло бы физикам понять, как Вселенная оправилась после Большого Взрыва и превратилась в то, что нам известно о ней сегодня. Это также помогло бы объяснить, как вещество балансирует с антивеществом. Короче говоря, выделение этих частиц поможет объяснить все.
КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ
ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ
В определенном смысле вся современная физика есть квантовая физика! Она, по сути дела, является итогом ”новейшей революции в естествознании”.
Что изучает квантовая физика?
Прежде всего, квантовая физика – это теория, описывающая свойства материи на уровне микроявлений. Она исследует законы движения квантовых объектов, которые также называют микрообъектами.
Понятие микрообъекта является одним из основных в квантовой физике. К ним относятся молекулы, атомы, атомные ядра, элементарные частицы. Их характерная особенность – очень маленькие размеры – 10^ −8 см и меньше. К наиболее важным характеристикам микрообъектов относят массу покоя и электрический заряд. Масса электрона me = 9,1· 10^−28 г, протон имеет массу 1836me, нейтрон – 1839me, мюон – 207me. Фотон и нейтрино не имеют массы покоя – она равна нулю. Величина электрического заряда любого микрообъекта кратна величине заряда электрона, равного 1,6· 10^−19 Кл. Наряду с заряженными существуют нейтральные микрообъекты, заряд которых равен нулю. Электрический заряд сложного микрообъекта равен алгебраической сумме зарядов составляющих его частиц. Одной из важнейших специфических характеристик микрообъектов считается спин (от английского слова “вращаться”). Хотя спин интерпретируется как момент импульса микрообъекта, не связанный с его движением как целого, неуничтожаемый и не зависящий от внешних условий, но нельзя представлять его как вращающийся волчок. Он имеет чисто квантовую природу – аналогов в классической физике ему нет. Наличие спина вносит существенные особенности в поведение объектов микромира.
Большинство микрообъектов являются нестабильными– они самопроизвольно, без каких-либо воздействий со стороны распадаются, превращаясь в другие, в том числе и элементарные, частицы. Нестабильность – это специфическое, но не обязательное свойство микрообъектов. Наряду с нестабильными, существуют и стабильные микрообъекты: фотон, электрон, протон, нейтрино, стабильные атомные ядра, атомы и молекулы в основном состоянии.
Квантовая физика – это еще теоретическая основа современного учения о структуре и свойствах вещества и поля.
Важно понимать, что квантовая физика не отменяет классическую, а содержит ее как свой предельный случай. При переходе от микрообъектов к обычным макроскопическим объектам ее законы становятся классическими, и, таким образом, квантовая физика установила пределы применимости классической физики. Переход от классической физики к квантовой есть переход к более глубокому уровню рассмотрения материи.
Квантовая физика стала важнейшим шагом в построении современной физической картины мира. Она позволила предсказать и объяснить огромное число различных явлений – от процессов, протекающих в атомах и атомных ядрах, до макроскопических эффектов в твердых телах; без нее невозможно, как представляется теперь, понять происхождение Вселенной. Диапазон квантовой физики широк – от элементарных частиц до космических объектов. Без квантовой физики немыслимо не только естествознание, но и современная техника.
Думаю, можно сказать, что никто не понимает квантовую механику
Физик Ричард Фейнман
Высказывание о том, что изобретение полупроводниковых приборов было революцией, не будет преувеличением. Это не только впечатляющее технологическое достижение, но оно также проложило путь для событий, которые навсегда изменяют современное общество. Полупроводниковые приборы применяются во всевозможных устройствах микроэлектроники, в том числе и в компьютерах, отдельных видах медицинского диагностического и лечебного оборудования, популярных телекоммуникационных устройствах.
Но за этой технологической революцией стоит даже больше, революция в общей науке: область квантовой теории . Без этого прыжка в понимании естественного мира, развитие полупроводниковых приборов (и более продвинутых разрабатываемых электронных устройств) никогда бы не удалось. Квантовая физика - это невероятно сложный раздел науки. В данной главе дается лишь краткий обзор. Когда ученые уровня Фейнмана говорят, что «никто не понимает [это]», вы можете быть уверены, что это действительно сложная тема. Без базового понимания квантовой физики или, по крайней мере, понимания научных открытий, которые привели к их разработке, невозможно понять, как и почему работают полупроводниковые электронные приборы. Большинство учебников по электронике пытаются объяснить полупроводники с точки зрения «классической физики», в результате делая их еще более запутанными для понимания.
Многие из нас видели диаграммы моделей атомов, которые похожи на рисунок ниже.
Атом Резерфорда: отрицательные электроны вращаются вокруг небольшого положительного ядра
Крошечные частицы материи, называемые протонами и нейтронами , составляют центр атома; электроны вращаются как планеты вокруг звезды. Ядро несет положительный электрический заряд, благодаря наличию протонов (нейтроны не имеют никакого электрического заряда), в то время как уравновешивающий отрицательный заряд атома находится в движущихся по орбите электронах. Отрицательные электроны притягиваются к положительным протонам, как планеты притягиваются силой притяжения к Солнцу, однако орбиты стабильны, благодаря движению электронов. Мы обязаны этой популярной моделью атома работе Эрнеста Резерфорда, который примерно в 1911 году экспериментально определил, что положительные заряды атомов сосредоточены в крошечном, плотном ядре, а не равномерно распределены по диаметру, как ранее предполагал исследователь Дж. Дж. Томсон.
Эксперимент Резерфорда по рассеянию заключается в бомбардировке тонкой золотой фольги положительно заряженными альфа-частицами, как показано на рисунке ниже. Молодые аспиранты Х. Гейгер и Э. Марсден получили неожиданные результаты. Траектория движения некоторых альфа-частиц была отклонена на большой угол. Некоторые альфа-частицы были рассеяны в обратном направлении, под углом почти на 180°. Большинство частиц прошло через золотую фольгу, не изменив траекторию пути, будто фольги и не было совсем. Факт того, что несколько альфа-частиц испытывали большие отклонения в траектории движения, указывает на присутствие ядер с небольшим положительным зарядом.
Рассеяние Резерфорда: пучок альфа-частиц рассеивается тонкой золотой фольгой Хотя модель атома Резерфорда подтверждалась экспериментальными данными лучше, чем модель Томсона, она всё еще была неидеальна. Были предприняты дальнейшие попытки определения структуры атома, и эти усилия помогли проложить путь для странных открытий квантовой физики. Сегодня наше понимание атома немного сложнее. Тем не менее, несмотря на революцию квантовой физики и ее вклад в наше понимание строения атома, изображение солнечной системы Резерфорда в качестве структуры атом, прижилось в массовом сознании до такоей степени, что оно сохраняется в областях образования, даже если оно неуместно.
Рассмотрим это краткое описание электронов в атоме, взятое из популярного учебника по электронике:
Вращающиеся отрицательные электроны притягиваются к положительному ядру, которое приводит нас к вопросу о том, почему электроны не летят в ядро атом. Ответ в том, что вращающиеся электроны остаются на своей стабильной орбите из-за двух равных, но противоположных сил. Центробежная сила, действующая на электроны, направлена наружу, а сила притяжения зарядов пытается притянуть электроны к ядру.
В соответствии с моделью Резерфорда, автор считает электроны твердыми кусками материи, занимающими круглые орбиты, их притяжение внутрь к противоположно заряженному ядру уравновешивается их движением. Использование термина «центробежная сила» технически неверно (даже для вращающихся на орбитах планет), но это легко простить из-за популярного принятия модели: на самом деле, не существует такого понятия, как сила, отталкивающая любое вращающееся тело от центра его орбиты. Кажется, что это так потому, что инерция тела стремиться сохранить его движение по прямой линии, а так как орбита является постоянным отклонением (ускорением) от прямолинейного движения, есть постоянное инерционное противодействие к любой силе, притягивающей тело к центру орбиты (центростремительной), будь то гравитация, электростатическое притяжения, или даже натяжение механической связи.
Тем не менее, реальная проблема с этим объяснением, в первую очередь, заключается в идее электронов, движущихся по круговым орбитам. Проверенный факт, что ускоренные электрические заряды испускают электромагнитное излучение, этот факт был известен даже во времена Резерфорда. Так как вращательное движение является формой ускорения (вращающийся объект в постоянном ускорении, уводящем объект от нормального прямолинейного движения), электроны во вращающемся состоянии должны выбрасывать излучение, как грязь от буксующего колеса. Электроны, ускоренные по круговым траекториям, в ускорителях частиц, называемых синхротронами , как известно, делают это, и результат называется синхротронное излучение . Если бы электроны теряли энергию таким способом, их орбиты, в конечном счете, нарушились бы, и в результате они столкнулись бы с положительно заряженным ядром. Тем не менее, внутри атомов этого обычно не происходит. Действительно, электронные «орбиты» удивительно устойчивы в широком диапазоне условий.
Кроме того, эксперименты с «возбужденными» атомами показали, что электромагнитная энергия излучается атомом только на определенных частотах. Атомы «возбуждаются» внешними воздействиями, такими как свет, как известно, чтобы поглотить энергию и вернуть электромагнитные волны на определенных частотах, как камертон, который не звонит на определенной частоте, пока его не ударят. Когда свет, излучаемый возбужденным атомом, делится призмой на составные частоты (цвета), обнаруживаются отдельные линии цветов в спектре, картина спектральных линий является уникальной для химического элемента. Это явление обычно используется для идентификации химических элементов, и даже для измерения пропорций каждого элемента в соединении или химической смеси. Согласно солнечной системе атомной модели Резерфорда (относительно электронов, как кусков материи, свободно вращающихся на орбите с каким-то радиусом) и законам классической физики, возбужденные атомы должны вернуть энергию в практически бесконечном диапазоне частот, а не на избранных частотах. Другими словами, если модель Резерфорда была правильной, то не было бы эффекта «камертона», и цветовой спектр, излучаемый любым атомом, выглядел бы как непрерывная полоса цветов, а не как несколько отдельных линий.
Боровская модель атома водорода (с орбитами, нарисованными в масштабе) предполагает нахождение электронов только на дискретных орбитах. Электроны, переходящие с n=3,4,5 или 6 на n=2, отображаются на серии спектральных линий Бальмера Исследователь по имени Нильс Бор попытался улучшить модель Резерфорда, после ее изучения в лаборатории Резерфорда в течение нескольких месяцев в 1912 году. Пытаясь согласовать результаты других физиков (в частности, Макса Планка и Альберта Эйнштейна), Бор предположил, что каждый электрон обладал определенным, конкретным количеством энергии, и что их орбиты распределяются таким образом, что каждый из них может занимать определенные места вокруг ядра, как шарики, зафиксированные на круговых дорожках вокруг ядра, а не как свободно двигающиеся спутники, как предполагалось ранее (рисунок выше). В знак уважения к законам электромагнетизма и ускоряющих зарядов Бор ссылался на «орбиты», как на стационарные состояния , чтобы избежать трактования, что они были подвижны.
Хотя амбициозная попытка Бора переосмысления строения атома, которое ближе согласовывалось с экспериментальными данными, и была важной вехой в физике, но не была завершена. Его математический анализ лучше предсказывал результаты экспериментов по сравнению с анализами, производимых согласно предыдущим моделям, но еще оставались без ответов вопросы о том, почему электроны должны вести себя таким странным образом. Утверждение, что электроны существовали в стационарных квантовых состояниях вокруг ядра, соотносилось с экспериментальными данными лучше, чем модель Резерфорда, но не говорило, что заставляет электроны принимать эти особые состояния. Ответ на этот вопрос должен был прийти от другого физика Луи де Бройля спустя примерно десять лет.
Де Бройль предположил, что электроны, как фотоны (частицы света), обладают и свойствами частиц, и свойствами волн. Опираясь на это предположение, он предположил, что анализ вращающихся электронов с точки зрения волн подходит лучше, чем с точки зрения частиц, и может дать больше понимания об их квантовой природе. И действительно, в понимании был совершен еще один прорыв.
Струна, вибрирующая на резонансной частоте между двумя фиксированными точками, образует стоячую волну Атом, согласно де Бройлю, состоял из стоячих волн, явление, хорошо известное физикам в различных формах. Как дернутая струна музыкального инструмента (рисунок выше), вибрирующая на резонансной частоте, с «узлами» и «антиузлами» в стабильных местах вдоль своей длины. Де Бройль представил электроны вокруг атомов в виде волн, изогнутых в круг (рисунок ниже).
«Вращающийся» электроны, как стоячая волна вокруг ядра, (a) два цикла в орбите, (b) три цикла в орбите Электроны могут существовать только на определенных, конкретных «орбитах» вокруг ядра, потому что они являются единственными расстояниями, на которых концы волны совпадают. При любом другом радиусе волна будет разрушительно сталкиваться сама с собой и, таким образом, перестанет существовать.
Гипотеза де Бройля дала как математическое обеспечение, так и удобную физическую аналогию для объяснения квантовых состояний электронов внутри атома, но его модель атома была всё еще неполной. В течение нескольких лет физики Вернер Гейзенберг и Эрвин Шредингер, работая независимо друг от друга, трудились над концепцией корпускулярно-волнового дуализма де Бройля, чтобы создать более строгие математические модели субатомных частиц.
Этому теоретическому продвижению от примитивной модели стоячей волны де Бройля к моделям матрицы Гейзенберга и дифференциального уравнения Шредингера было дано название квантовая механика, она ввела довольно шокирующую характеристику в мир субатомных частиц: признак вероятности, или неопределенности. По новой квантовой теории, было невозможно определить точное положение и точный импульс частицы в один момент. Популярное объяснение этого «принципа неопределенности» заключалось в том, что существовала погрешность измерения (то есть, пытаясь точно измерить положение электрона, вы мешаете его импульсу, и, следовательно, не можете знать, что было до начала измерения положения, и наоборот). Сенсационный вывод квантовой механики заключается в том, что частицы не имеют точных положений и импульсов, и из-за связи этих двух величин их совокупная неопределенность никогда не уменьшится ниже определенного минимального значения.
Эта форма связи «неопределенности» существует и в других областях, кроме квантовой механики. Как обсуждалось в главе «Сигналы переменного тока смешанной частоты» тома 2 этой серии книг, есть взаимоисключающие связи между уверенностью в данных временной области формы сигнала и его данными в частотной области. Проще говоря, чем больше мы знаем его составляющие частоты, тем менее точно мы знаем его амплитуду во времени, и наоборот. Цитирую себя:
Сигнал бесконечной длительности (бесконечное количество циклов) может быть проанализирован с абсолютной точностью, но чем меньше циклов доступно компьютеру для анализа, тем меньше точность анализа... Чем меньше периодов сигнала, тем меньше точность его частоты. Принимая эту концепцию до ее логической крайности, короткий импульс (даже не полный период сигнала) на самом деле не имеет определенной частоты, представляет собой бесконечный диапазон частот. Данный принцип является общим для всех волновых явлений, а не только для переменных напряжений и токов.
Чтобы точно определить амплитуду изменяющегося сигнала, мы должны измерить его в очень короткий промежуток времени. Однако выполнение этого ограничивает наши знания о частоте волны (волна в квантовой механике не должна быть подобно синусоидальной волне; такое подобие является частным случаем). С другой стороны, чтобы определить частоту волны с большой точностью, мы должны измерять его в течение большого количества периодов, а значит, мы потеряем из виду его амплитуду в любой заданный момент. Таким образом, мы не можем одновременно знать мгновенную амплитуду и все частоты любой волны с неограниченной точностью. Еще одна странность, эта неопределенность гораздо больше неточности наблюдателя; она находится в самой природе волны. Это не так, хотя можно бы, учитывая соответствующие технологии, обеспечить точные измерения и мгновенной амплитуды, и частоты одновременно. В буквальном смысле, волна не может точную мгновенную амплитуду и точную частоту одновременно.
Минимальная неопределенность положения частицы и импульса, выраженная Гейзенбергом и Шредингером, не имеет ничего общего с ограничением в измерении; скорее это внутреннее свойство природы корпускулярно-волнового дуализма частицы. Следовательно, электроны на самом деле не существуют в своих «орбитах» как точно определенные частицы материи или даже как точно определенные формы волн, а скорее как «облака» - технический термин волновой функции распределения вероятности, как если бы каждый электрон был «рассеян» или «размазан» в диапазоне положений и импульсов.
Этот радикальный взгляд на электроны, как на неопределенные облака поначалу противоречит изначальному принципу квантовых состояний электронов: электроны существуют в дискретных, определенных «орбитах» вокруг ядра атома. Этот новый взгляд, в конце концов, был открытием, которое привело к образованию и объяснению квантовой теории. Как странно кажется, что теория, созданная для объяснения дискретного поведения электронов, заканчивается, объявив, что электроны существуют как «облака», а не как отдельные кусочки материи. Тем не менее, квантовое поведение электронов зависит не от электронов, имеющих определенные значения координат и импульса, а от других свойств, называемых квантовыми числами . В сущности, квантовая механика обходится без распространенных понятий абсолютного положения и абсолютного момента, а заменяет их абсолютными понятиями таких типов, у которых нет аналогов в общей практике.
Даже если электроны, как известно, существуют в бесплотных, «облачных» формах распределенной вероятности, а не в виде отдельных частей материи, эти «облака» имеют несколько другие характеристики. Любой электрон в атоме может быть описан четырьмя числовыми мерами (упомянутыми ранее квантовыми числами), которые называются главное (радиальное) , орбитальное (азимутальное) , магнитное и спиновое числа. Ниже представлен краткий обзор значения каждого из этих чисел:
Главное (радиальное) квантовое число : обозначается буквой n , это число описывает оболочку, на которой пребывает электрон. Электронная «оболочка» представляет собой область пространства вокруг ядра атома, на которой электроны могут существовать, соответствуя моделям стабильной «стоячей волны» де Бройля и Бора. Электроны могут «прыгать» с оболочки на оболочку, но не могут существовать между ними.
Главное квантовое число должно быть положительным целым числом (большим или равным 1). Другими словами, главное квантовое число электрона не может быть 1/2 или -3. Эти целые числа были выбраны не произвольно, а через экспериментальные доказательства светового спектра: разные частоты (цвета) света, излучаемые возбужденными атомами водорода, следуют математической зависимости, зависящей от конкретных целых значений, как показано на рисунке ниже.
Каждая оболочка обладает способностью удерживать несколько электронов. В качестве аналогии для электронных оболочек можно привести концентрические ряды сидений в амфитеатре. Так же, как человек, сидящий в амфитеатре, должен выбрать ряд, чтобы сесть (он не может сесть между рядов), электроны должны «выбрать» конкретную оболочку, чтобы «сесть». Как и ряды в амфитеатре, крайние оболочки удерживают больше электронов по сравнению с оболочками ближе к центру. Также электроны стремятся найти наименьшую доступную оболочку, как люди в амфитеатре ищут место, ближайшее к центральной сцене. Чем выше номер оболочки, тем больше энергии у электронов на ней.
Максимальное количество электронов, которое какая-либо оболочка может удерживать, описывается уравнение 2n 2 , где n - главное квантовое число. Таким образом, первая оболочка (n = 1) может содержать 2 электрона; вторая оболочка (n = 2) - 8 электронов; и третья оболочка (n = 3) - 18 электронов (рисунок ниже).
Главное квантовое число n и максимальное количество электронов связаны формулой 2(n 2). Орбиты не в масштабе. Электронные оболочки в атоме были обозначаются буквами, а не цифрами. Первая оболочка (n = 1) была обозначена K, вторая оболочка (n = 2) L, третья оболочка (n = 3) M, четвертая оболочка (n = 4) N, пятая оболочка (n = 5) O, шестая оболочка (n = 6) P, и седьмая оболочка (n = 7) B.
Орбитальное (азимутальное) квантовое число : оболочка, состоящая из подоболочек. Кому-то может быть удобнее думать о подоболочках как о простых секциях оболочек, как полосы делящие дорогу. Подоболочки гораздо более странны. Подоболочки - это области пространства, где могут существовать электронные «облака», и на самом деле различные подоболочки имеют различные формы. Первая подоболочка в форме шара (рисунок ниже (s)), который имеет смысл, когда визуализируется в виде электронного облака, окружающего ядро атома в трех измерениях.
Вторая подоболочка напоминает гантель, состоящую из двух «лепестков», соединенных в одной точке недалеко от центра атома (рисунок ниже (p)).
Третья подоболочка обычно напоминает набор из четырех «лепестков», сгруппированных вокруг ядра атома. Эти формы подоболочек напоминают графические изображения диаграмм направленности антенн с лепестками, похожими на луковицы, простирающимися от антенны в различных направлениях (рисунок ниже (d)).
Орбитали:(s) трехкратная симметричность;
(p) Показана: p x , одна из трех возможных ориентаций (p x , p y , p z), вдоль соответствующих осей;
(d) Показана: d x 2 -y 2 похожа на d xy , d yz , d xz . Показана: d z 2 . Количество возможных d-орбиталей: пять.
Допустимыми значениями орбитального квантового числа являются положительные целые числа, как и для главного квантового числа, но также включают в себя ноль. Эти квантовые числа для электронов обозначаются буквой l. Количество подоболочек равно главному квантовому числу оболочки. Таким образом, первая оболочка (n = 1) имеет одну подоболочку с номером 0; вторая оболочка (n = 2) имеет две подоболочки с номерами 0 и 1; третья оболочка (n = 3) имеет три подоболочки с номерами 0, 1 и 2.
Старое соглашение описания подоболочек использовало буквы, а не цифры. А этом формате, первая подоболочка (l = 0) обозначалась s, вторая подоболочка (l = 1) обозначалась p, третья подоболочка (l = 2) обозначалась d, и четвертая подоболочка (l = 3) обозначалась f. Буквы пришли от слов: sharp , principal , diffuse и fundamental . Вы по-прежнему можете увидеть эти обозначения во многих периодических таблицах, используемые для обозначения электронной конфигурации внешних (валентных ) оболочек атомов.
(a) представление атома серебра по Бору,(b) орбитальное представление Ag с разделением оболочек на подоболочки (орбитальное квантовое число l).
Данная диаграмма не подразумевает ничего о фактическом положении электронов, а представляет только энергетические уровни.
Магнитное квантовое число : Магнитное квантовое число для электрона классифицирует, ориентацию фигуры подоболочки электрона. «Лепестки» подоболочек могут быть направлены в нескольких направлениях. Эти различные ориентации называются орбиталями. Для первой подоболочки (s; l = 0), которая напоминает сферу, «направление» не указывается. Для второй (p; l = 1) подоболочки в каждой оболочке, которая напоминает гантель, указывающую в трех возможных направлениях. Представьте три гантели, пересекающиеся в начале координат, каждая направлена вдоль своей оси в трехосной системе координат.
Допустимые значения для данного квантового числа состоят из целых чисел, начиная от -l до l, а обозначается данное число как m l в атомной физике и l z в ядерной физике. Чтобы рассчитать количество орбиталей в любой подоболочке, необходимо удвоить номер подоболочки и добавить 1, (2∙l + 1). Например, первая подоболочка (l = 0) в любой оболочке содержит одну орбиталь с номером 0; вторая подоболочка (l = 1) в любой оболочке содержит три орбитали с номерами -1, 0 и 1; третья подоболочка (l = 2) содержит пять орбиталей с номерами -2, -1, 0, 1 и 2; и так далее.
Как и главное квантовое число, магнитное квантовое число возникло прямо из экспериментальных данных: эффект Зеемана, разделение спектральных линий, подвергая ионизированный газ воздействию магнитного поля, отсюда и название «магнитное» квантовое число.
Спиновое квантовое число : как и магнитное квантовое число, данное свойство электронов атома было обнаружено с помощью экспериментов. Тщательное наблюдение спектральных линий показало, что каждая линия была на самом деле парой очень близко расположенных линий, было предположение, что эта так называемая тонкая структура была результатом каждого электрона, «вращающегося» вокруг своей оси, как планета. Электроны с разным «вращением» отдавали бы немного отличающиеся частоты света при возбуждении. Концепция вращающегося электрона в настоящее время устарела, будучи более подходящей для (неправильного) взгляда на электроны, как на отдельные частицы материи, а не как на «облака», но название осталось.
Спиновые квантовые числа обозначаются как m s в атомной физике и s z в ядерной физике. На каждой орбитали на каждой подоболочке в каждой оболочке может быть два электрона, один со спином +1/2, а другой со спином -1/2.
Физик Вольфганг Паули разработал принцип, объясняющий упорядоченность электронов в атоме в соответствии с этими квантовыми числами. Его принцип, называемый принципом запрета Паули , утверждает, что два электрона в одном атоме не могут занимать одинаковые квантовые состояния. То есть, каждый электрон в атоме имеет уникальный набор квантовых чисел. Это ограничивает число электронов, которые могут занимать какую-либо орбиталь, подоболочку и оболочку.
Здесь показано расположение электронов в атоме водорода:
С одним протоном в ядре, атом принимает один электрон для своего электростатического баланса (положительный заряд протона в точности уравновешивается отрицательным зарядом электрона). Этот электрон находится на нижней оболочке (n = 1), первой подоболочке (l = 0), на единственной орбитали (пространственная ориентация) этой подоболочки (m l = 0), с значением спина 1/2. Общий метод описания этой структуры выполняется с помощью перечисления электронов в соответствии с их оболочками и подоболочками согласно соглашению, называемому спектроскопическим обозначением . В этом обозначении, номер оболочки показывается как целое число, подоболочка как буква (s,p,d,f), и общее количество электронов в подоболочке (все орбитали, все спины) как верхний индекс. Таким образом, водород с его единственным электроном, размещенным на базовом уровне, описывается как 1s 1 .
Переходя к следующему атому (по порядку атомного номера), мы получаем элемент гелий:
Атом гелия состоит из двух протонов в ядре, а это требует два электрона, чтобы сбалансировать двойной положительный электрический заряд. Так как два электрона - один со спином 1/2 и другой со спином -1/2 - находятся на одной орбитали, электронная структура гелия не требует дополнительных подоболочек или оболочек, чтобы удерживать второй электрон.
Тем не менее, атом, требующий три и более электрона, будет нуждаться в дополнительных подоболочках, чтобы удерживать все электроны, так как только два электрона могут находиться на нижней оболочке (n = 1). Рассмотрим следующий атом в последовательности увеличивающихся атомных номеров, литий:
Атом лития использует часть емкости L оболочки (n = 2). Эта оболочка на самом деле имеет общую емкость величиной восемь электронов (максимальная емкость оболочки = 2n 2 электронов). Если мы рассмотрим структуру атома с полностью заполненной L оболочкой, мы увидим, как все комбинации подоболочек, орбиталей и спинов заняты электронами:
Часто, при назначении атому спектроскопического обозначения, любые полностью заполненные оболочки пропускаются, а не заполненные оболочки и заполненные оболочки высшего уровня обозначаются. Например, элемент неон (показан на рисунке выше), который имеет две полностью заполненных оболочки, может быть спектрально описан просто как 2p 6 , а не как 1s 22 s 22 p 6 . Литий с его полностью заполненной K-оболочкой и единственным электроном на L-оболочке, может быть описан просто как 2s 1 , а не 1s 22 s 1 .
Пропуск полностью заполненных оболочек нижнего уровня выполняется не только для удобства записи. Он также иллюстрирует основной принцип химии: химическое поведение элемента в первую очередь определяется его незаполненными оболочками. И водород, и литий обладают на своих внешних оболочках одним электроном (as 1 и 2s 1 соответственно), то есть, оба элемента обладают схожими свойствами. Оба обладают высокой реакционной способностью, и вступают в реакции почти одинаковыми способами (связывание с аналогичными элементами в аналогичных условиях). Не имеет большого значения, что литий имеет полностью заполненную K-оболочку под почти свободной L-оболочкой: незаполненная L-оболочка - это та оболочка, которая и определяет его химическое поведение.
Элементы, имеющие полностью заполненные внешние оболочки, классифицируются как благородные и отличаются почти полным отсутствием реакции с другими элементами. Эти элементы классифицировались как инертные, когда считалось, что они совсем не вступают в реакции, но, как известно, они образуют соединения с другими элементами при определенных условиях.
Так как элементы с одинаковыми конфигурациями электронов в своих внешних оболочках имеют сходные химические свойства, Дмитрий Менделеев соответственных образом организовал химические элементы в таблице. Данная таблица известна как , и современные таблицы следуют этому общему виду, показанному на рисунке ниже.
Периодическая таблица химических элементов Дмитрий Менделеев, русский химик, был первым, кто разработал периодическую таблицу элементов. Несмотря на то, что Менделеев организовал свою таблицу в соответствии с атомной массой, а не атомным номером, и создал таблицу, которая была, не столь полезна, как современные периодические таблицы, его разработка выступает в качестве отличного примера научного доказательства. Увидев закономерности периодичности (аналогичные химические свойства в соответствии с атомной массой), Менделеев выдвинул гипотезу, что все элементы должны вписываться в эту упорядоченную схему. Когда он обнаружил «пустые» места в таблице, он следовал логике существующего порядка и предположил существование еще неизвестных элементов. Последующее открытие этех элементов подтвердило научную правильность гипотезы Менделеева, дальнейшие открытия привели к тому виду периодической таблицы, которую мы используем сейчас.
Вот так должна работать наука: гипотезы ведут к логическими заключениями и принимаются, изменяются или отклоняются в зависимости от согласованности экспериментальных данных с их выводами. Любой дурак может сформулировать гипотезу постфактум, чтобы объяснить имеющиеся экспериментальные данные, и многие так и делают. Что отличается научную гипотезу от спекуляции постфактум, так это предсказание будущих экспериментальных данных, которые пока не собраны, и, возможно, опровержение в результате этих данных. Смело ведите гипотезу к ее логическому заключению(-ям) и попытка предсказать результаты будущих экспериментов это не догматический прыжок веры, а скорее публичная проверка этой гипотезы, открытый вызов противникам гипотезы. Другими словами, научные гипотезы всегда «рискованны» из-за попытки предсказать результаты еще не проведенных экспериментов, и поэтому могут быть опровергнуты, если эксперименты пройдут не так, как ожидалось. Таким образом, если гипотеза правильно предсказывает результаты повторных экспериментов, ее ложность опровергнута.
Квантовая механика, сначала как гипотезы, а затем в качестве теории, оказалась чрезвычайно успешной в прогнозировании результатов экспериментов, следовательно, получила высокую степень научного доверия. У многих ученых есть основания полагать, что это неполная теория, так как ее прогнозы больше правдивы на микрофизических масштабах, а не в макроскопических размерах, но, тем не менее, это чрезвычайно полезная теория для объяснения и прогнозирования взаимодействия частиц и атомов.
Как вы уже увидели в этой главе, квантовая физика имеет важное значение при описании и прогнозировании множества различных явлений. В следующем разделе мы увидим, ее значение в электрической проводимости твердых веществ, в том числе и полупроводников. Проще говоря, ничего в химии или в физике твердого тела не имеет смысла в популярной теоретической структуре электронов, существующих как отдельные частицы материи, кружащиеся вокруг ядра атом, как миниатюрные спутники. Когда электроны рассматриваются как «волновые функции», существующие в определенных, дискретных состояниях, которые регулярны и периодичны, тогда поведение вещества может быть объяснено.
Подведем итоги
Электроны в атомах существуют в «облаках» распределенной вероятности, а не как дискретные частицы материи, вращающиеся вокруг ядра, как миниатюрные спутники, как показывают распространенные примеры.
Отдельные электроны вокруг ядра атом стремятся к уникальным «состояниям», описываемым четырьмя квантовыми числами: главное (радиальное) квантовое число , известное как оболочка ; орбитальное (азимутальное) квантовое число , известное как подоболочка ; магнитное квантовое число , описывающее орбиталь (ориентацию подоболочки); и спиновое квантовое число , или просто спин . Эти состояния квантовые, то есть «между ними» нет условий для существования электрона, кроме состояний, которые вписываются в схему квантовой нумерации.
Гланое (радиальное) квантовое число (n) описывает базовый уровень или оболочку, на которой находится электрон. Чем больше это число, тем больше радиус электронного облака от ядра атома, и тем больше энергия электрона. Главные квантовые числа являются целыми числами (положительными целыми)
Орбитальное (азимутальное) квантовое число (l) описывает форму электронного облака в конкретной оболочке или уровне и часто известно, как «подоболочка». В любой оболочке столько подоболочек (форм электронного облака), каково главное квантовое число оболочки. Азимутальные квантовые числа - целые положительные числа, начинающиеся с нуля и заканчивающиеся числом, меньшим главного квантового числа на единицу (n - 1).
Магнитное квантовое число (m l) описывает, какую ориентацию имеет подоболочка (фигура электронного облака). Подоболочки могут допускать столько различных ориентаций, чему равен удвоенный номер подоболочки (l) плюс 1, (2l+1) (то есть, для l=1, m l = -1, 0, 1), и каждая уникальная ориентация называется орбиталью. Эти числа - целые числа, начинающиеся от отрицательного значения номера подоболочки (l) через 0 и заканчивающиеся положительным значением номера подоболочки.
Спиновое квантовое число (m s) описывает другое свойство электрона и может принимать значения +1/2 и -1/2.
Принцип запрета Паули говорит, что два электрона в атоме не могут разделять один и тот же набор квантовых чисел. Следовательно, может быть не более двух электронов на каждой орбитали (спин=1/2 и спин=-1/2), 2l+1 орбиталей в каждой подоболочке, и n подоболочек в каждой оболочке, и не более.
Спектроскопическое обозначение - это соглашение для обозначения электронной структуры атома. Оболочки показываются как целые числа, за ними следуют буквы подоболочек (s, p, d, f) с числами в верхнем индексе, обозначающими общее количество электронов, находящихся в каждой соответствующей подоболочке.
Химическое поведение атома определяется исключительно электронами в незаполненных оболочках. Оболочки низкого уровня, которые полностью заполнены мало или совсем не влияют на химические характеристики связывания элементов.
Элементы с полностью заполненными электронными оболочками почти полностью инертны, и называются благородными элементами (ранее были известны как инертные).
Никто в этом мире не понимает, что такое квантовая механика. Это, пожалуй, самое главное, что нужно знать о ней. Конечно, многие физики научились использовать законы и даже предсказывать явления, основанные на квантовых вычислениях. Но до сих пор неясно, почему наблюдатель эксперимента определяет поведение системы и заставляет ее принять одно из двух состояний.
Перед вами несколько примеров экспериментов с результатами, которые неизбежно будут меняться под влиянием наблюдателя. Они показывают, что квантовая механика практически имеет дело с вмешательством сознательной мысли в материальную реальность.
Сегодня существует множество интерпретаций квантовой механики , но Копенгагенская интерпретация, пожалуй, является самой известной. В 1920-х ее общие постулаты были сформулированы Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом.
В основу Копенгагенской интерпретации легла волновая функция. Это математическая функция, содержащая информацию о всех возможных состояниях квантовой системы, в которых она существует одновременно. Как утверждает Копенгагенская интерпретация, состояние системы и ее положение относительно других состояний может быть определено только путем наблюдения (волновая функция используется только для того, чтобы математически рассчитать вероятность нахождения системы в одном или другом состоянии).
Можно сказать, что после наблюдения квантовая система становится классической и немедленно прекращает свое существование в других состояниях, кроме того, в котором была замечена. Такой вывод нашел своих противников (вспомните знаменитое эйнштейновское «Бог не играет в кости»), но точность расчетов и предсказаний все же возымели свое.
Тем не менее число сторонников Копенгагенской интерпретации снижается, и главной причиной этого является таинственный мгновенный коллапс волновой функции в ходе эксперимента. Знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шредингера с бедным котиком должен продемонстрировать абсурдность этого явления. Давайте вспомним детали.
Внутри черного ящика сидит черный кот и вместе с ним флакон с ядом и механизм, который может высвободить яд случайным образом. Например, радиоактивный атом во время распада может разбить пузырек. Точное время распада атома неизвестно. Известен только период полураспада, в течение которого распад происходит с вероятностью 50%.
Очевидно, что для внешнего наблюдателя кот внутри коробки находится в двух состояниях: он либо жив, если все пошло хорошо, либо мертв, если распад произошел и флакон разбился. Оба этих состояния описываются волновой функцией кота, которая меняется с течением времени.
Чем больше времени прошло, тем больше вероятность того, что радиоактивный распад случился. Но как только мы открываем коробку, волновая функция коллапсирует, и мы сразу же видим результаты этого бесчеловечного эксперимента.
На самом деле, пока наблюдатель не откроет коробку, кот будет бесконечно балансировать между жизнью и смертью, или будет одновременно жив и мертв. Его судьба может быть определена только в результате действий наблюдателя. На этот абсурд и указал Шредингер.
Согласно опросу знаменитых физиков, проведенному The New York Times, эксперимент с дифракцией электронов является одним из самых удивительных исследований в истории науки. Какова его природа? Существует источник, который излучает пучок электронов на светочувствительный экран. И есть препятствие на пути этих электронов, медная пластина с двумя щелями.
Какую картинку можно ожидать на экране, если электроны обычно представляются нам небольшими заряженными шариками? Две полосы напротив прорезей в медной пластине. Но на самом деле на экране появляется куда более сложный узор из чередующихся белых и черных полос. Это связано с тем, что при прохождении через щель электроны начинают вести себя не только как частицы, но и как волны (так же ведут себя фотоны или другие легкие частицы, которые могут быть волной в то же время).
Эти волны взаимодействуют в пространстве, сталкиваясь и усиливая друг друга, и в результате сложный рисунок из чередующихся светлых и темных полос отображается на экране. В то же время результат этого эксперимента не изменяется, даже если электроны проходят один за одним — даже одна частица может быть волной и проходить одновременно через две щели. Этот постулат был одним из основных в Копенгагенской интерпретации квантовой механики, когда частицы могут одновременно демонстрировать свои «обычные» физические свойства и экзотические свойства как волна.
Но как насчет наблюдателя? Именно он делает эту запутанную историю еще более запутанной. Когда физики во время подобных экспериментов попытались определить с помощью инструментов, через какую щель фактически проходит электрон, картинка на экране резко изменилась и стала «классической»: с двумя освещенными секциями строго напротив щелей, безо всяких чередующихся полос.
Электроны, казалось, не хотят открывать свою волновую природу бдительному оку наблюдателей. Похоже на тайну, покрытую мраком. Но есть и более просто объяснение: наблюдение за системой не может осуществляться без физического влияния на нее. Это мы обсудим позже.
2. Подогретые фуллерены
Эксперименты по дифракции частиц проводились не только с электронами, но и другими, гораздо более крупными объектами. Например, использовались фуллерены, большие и закрытые молекулы, состоящие из нескольких десятков атомов углерода. Недавно группа ученых из Венского университета под руководством профессора Цайлингера пыталась включить элемент наблюдения в эти эксперименты. Чтобы сделать это, они облучали движущиеся молекулы фуллеренов лазерными лучами. Затем, нагретые внешним источником, молекулы начинали светиться и неизбежно отображать свое присутствие для наблюдателя.
Вместе с этим нововведением изменилось и поведение молекул. До начала такого всеобъемлющего наблюдения фуллерены довольно успешно избегали препятствия (проявляя волновые свойства), аналогично предыдущему примеру с электронами, попадающими на экран. Но с присутствием наблюдателя фуллерены стали вести себя как совершенно законопослушные физические частицы.
3. Охлаждающее измерение
Одним из самых известных законов в мире квантовой физики является принцип неопределенности Гейзенберга , согласно которому невозможно определить скорость и положение квантового объекта одновременно. Чем точнее мы измеряем импульс частицы, тем менее точно мы можем измерить ее позицию. Однако в нашем макроскопическом реальном мире обоснованность квантовых законов, действующих на крошечные частицы, обычно остается незамеченной.
Недавние эксперименты профессора Шваба из США вносят весьма ценный вклад в эту область. Квантовые эффекты в этих экспериментах были продемонстрированы не на уровне электронов или молекул фуллеренов (примерный диаметр которых составляет 1 нм), а на более крупных объектах, крошечной алюминиевой ленте. Эта лента была зафиксирована с обеих сторон так, чтобы ее середина находилась в подвешенном состоянии и могла вибрировать под внешним воздействием. Кроме того, рядом было помещено устройство, способное точно записывать положение ленты. В результате эксперимента обнаружилось несколько интересных вещей. Во-первых, любое измерение, связанное с положением объекта, и наблюдение за лентой влияло на нее, после каждого измерения положение ленты изменялось.
Экспериментаторы определили координаты ленты с высокой точностью, и таким образом, в соответствии с принципом Гейзенберга, изменили ее скорость, а значит и последующее положение. Во-вторых, что было довольно неожиданным, некоторые измерения привели к охлаждению ленты. Таким образом, наблюдатель может изменить физические характеристики объектов одним своим присутствием.
4. Замерзающие частицы
Как известно, нестабильные радиоактивные частицы распадаются не только в экспериментах с котами, но и сами по себе. Каждая частица имеет средний срок жизни, который, как выясняется, может увеличиться под бдительным оком наблюдателя. Этот квантовый эффект был предсказан еще в 60-х годах, а его блестящее экспериментальное доказательство появилось в статье, опубликованной группой под руководством нобелевского лауреата по физике Вольфганга Кеттерле из Массачусетского технологического института.
В этой работе изучался распад нестабильных возбужденных атомов рубидия. Сразу после подготовки системы атомы возбуждались с помощью лазерного луча. Наблюдение проходило в двух режимах: непрерывном (система постоянно подвергалась небольшим световым импульсам) и импульсном (система время от времени облучалась более мощными импульсами).
Полученные результаты полностью соответствовали теоретическим предсказаниям. Внешние световые эффекты замедляют распад частиц, возвращая их в исходное состояние, которое далеко от состояния распада. Величина этого эффекта также совпадала с прогнозами. Максимальный срок существования нестабильных возбужденных атомов рубидия увеличивался в 30 раз.
5. Квантовая механика и сознание
Электроны и фуллерены перестают показывать свои волновые свойства, алюминиевые пластинки остывают, а нестабильные частицы замедляют свой распад. Бдительное око наблюдателя буквально меняет мир. Почему это не может быть доказательством причастности наших умов к работе мира? Возможно, Карл Юнг и Вольфганг Паули (австрийский физик, лауреат Нобелевской премии, пионер квантовой механики) были правы, в конце концов, когда заявили, что законы физики и сознания следует рассматривать как дополняющие одно другое?
Мы находимся в одном шаге от признания того, что мир вокруг нас — просто иллюзорный продукт нашего разума . Идея страшная и заманчивая. Давайте попробуем снова обратиться к физикам. Особенно в последние годы, когда все меньше и меньше людей верят Копенгагенской интерпретации квантовой механики с ее загадочными коллапсами волновой функции, обращаясь к более приземленной и надежной декогеренции.
Дело в том, что во всех этих экспериментах с наблюдениями экспериментаторы неизбежно влияли на систему. Они зажигали ее с помощью лазера и устанавливали измерительные приборы. Их объединял важный принцип: вы не можете наблюдать за системой или измерять ее свойства, не взаимодействуя с ней. Любое взаимодействие есть процесс модификации свойств. Особенно когда крошечная квантовая система подвергается воздействию колоссальных квантовых объектов. Некий вечно нейтральный буддист-наблюдатель невозможен в принципе. И здесь в игру вступает термин «декогеренция», который является необратимым с точки зрения термодинамики: квантовые свойства системы меняются при взаимодействии с другой крупной системой.
Во время этого взаимодействия квантовая система теряет свои первоначальные свойства и становится классической, словно «подчиняясь» крупной системе. Это объясняет и парадокс кота Шредингера: кот — это слишком большая система, поэтому ее нельзя изолировать от остального мира. Сама конструкция этого мысленного эксперимента не совсем корректна.
В любом случае, если допустить реальность акта творения сознанием, декогеренция представляется гораздо более удобным подходом. Возможно, даже слишком удобным. При таком подходе весь классический мир становится одним большим следствием декогеренции. И как заявил автор одной из самых известных книг в этой области, такой подход логически приводит к заявлениям типа «в мире нет частиц» или «нет времени на фундаментальном уровне».
В чем правда: в создателе-наблюдателе или мощной декогеренции? Нам нужно выбрать между двух зол. Тем не менее ученые все больше убеждаются в том, что квантовые эффекты — проявление наших психических процессов. И то, где заканчивается наблюдение и начинается реальность, зависит от каждого из нас.
По материалам topinfopost.com
Неподготовленного слушателя пугает с самого начала знакомства. Она странная и нелогичная, даже для физиков, которые имеют с ней дело каждый день. Но она не непонятная. Если вас интересует квантовая физика, на самом деле есть шесть ключевых понятий из нее, которые необходимо удерживать в уме. Нет, они мало связаны . И это не мысленные эксперименты. Просто намотайте их на ус, и квантовую физику будет намного проще понять.
Есть много мест, с которых можно начать это обсуждение, и вот это так же хорошо, как другие: все в нашей Вселенной обладает одновременно природой частиц и волн. Если бы можно было сказать о магии так: «Все это волны, и только волны», это было бы замечательным поэтическим описанием квантовой физики. На самом деле все в этой вселенной обладает волновой природой.
Конечно, также все во Вселенной имеет природу частиц. Звучит странно, но это .
Описывать реальные объекты как частицы и волны одновременно будет несколько неточным. Собственно говоря, объекты, описываемые квантовой физикой, не являются частицами и волнами, а скорее принадлежат третьей категории, которая наследует свойства волн (частоту и длину волны, вместе с распространением в пространстве) и некоторые свойства частиц (их можно пересчитать и локализовать с определенной степенью). Это приводит к оживленным дебатам в физическом сообществе на тему того, будет ли вообще корректно говорить о свете как о частице; не потому, что есть противоречие в том, обладает ли свет природой частиц, а потому, что называть фотоны «частицами», а не «возбуждениями квантового поля» - значит, вводить студентов в заблуждение. Впрочем, это касается и того, можно ли называть электроны частицами, но такие споры останутся в кругах сугубо академических.
Эта «третья» природа квантовых объектов отражается в запутанном иногда языке физиков, которые обсуждают квантовые явления. Бозон Хиггса был обнаружен на Большом адронном коллайдере в качестве частицы, но вы наверняка слышали словосочетание «поле Хиггса», такой делокализованной вещи, которая заполняет все пространство. Это происходит, поскольку при определенных условиях вроде экспериментов со столкновением частиц более уместно обсуждать возбуждения поля Хиггса, нежели определять характеристики частицы, тогда как при других условиях вроде общих обсуждений того, почему у определенных частиц есть масса, более уместно обсуждать физику в терминах взаимодействия с квантовым полем вселенских масштабов. Это просто разные языки, описывающие одни и те же математические объекты.
Квантовая физика дискретна
Все в названии физики - слово «квантум» происходит от латинского «сколько» и отражает тот факт, что квантовые модели всегда включают что-то приходящее в дискретных величинах. Энергия, содержащаяся в квантовом поле, приходит в кратных величинах некой фундаментальной энергии. Для света это ассоциируется с частотой и длиной волны света - высокочастотный свет с короткой волной обладает огромной характерной энергией, тогда как низкочастотный свет с длинной волной обладает небольшой характерной энергией.
В обоих случаях между тем полная энергия, заключенная в отдельном световом поле, целочисленно кратна этой энергии - 1, 2, 14, 137 раз - и не встретить странных долей вроде полутора, «пи» или квадратному корню из двух. Это свойство также наблюдается в дискретных энергетических уровнях атомов, и энергетические зоны конкретны - некоторые величины энергий допускаются, остальные нет. Атомные часы работают благодаря дискретности квантовой физики, используя частоту света, связанного с переходом между двумя разрешенными состояниями в цезии, которая позволяет сохранить время на уровне, необходимом для осуществления «второго скачка».
Сверхточная спектроскопия также может быть использована для поиска вещей вроде темной материи и остается частью мотивации для работы института низкоэнергетической фундаментальной физики.
Это не всегда очевидно - даже некоторые вещи, которые квантовые в принципе, вроде излучения черного тела связаны с непрерывными распределениями. Но при ближайшем рассмотрении и при подключении глубокого математического аппарата квантовая теория становится еще более странной.
Квантовая физика является вероятностной
Одним из самых удивительных и (исторически, по крайней мере) противоречивых аспектов квантовой физики является то, что невозможно с уверенностью предсказать исход одного эксперимента с квантовой системой. Когда физики предсказывают исход определенного эксперимента, их предсказание носит форму вероятности нахождения каждого из конкретных возможных результатов, а сравнения между теорией и экспериментом всегда включают выведение распределения вероятностей из многих повторных экспериментов.
Математическое описание квантовой системы, как правило, принимает форму «волновой функции», представленной в уравнениях греческой буковой пси: Ψ. Ведется много дискуссий о том, что конкретно представляет собой волновая функция, и они разделили физиков на два лагеря: тех, кто видит в волновой функции реальную физическую вещь (онтические теоретики), и тех, кто считает, что волновая функция является исключительно выражением нашего знания (или его отсутствия) вне зависимости от лежащего ниже состояния отдельного квантового объекта (эпистемические теоретики).
В каждом классе основополагающей модели вероятность нахождения результата определяется не волновой функцией напрямую, а квадратом волновой функции (грубо говоря, все ей же; волновая функция - это сложный математический объект (а значит, включает воображаемые числа вроде квадратного корня или его отрицательного варианта), и операция получения вероятности немного сложнее, но «квадрата волновой функции» достаточно, чтобы понять основную суть идеи). Это известно как правило Борна в честь немецкого физика Макса Борна, впервые его вычислившего (в сноске к работе 1926 года) и удивившего многих людей уродливым его воплощением. Ведутся активные работы в попытках вывести правило Борна из более фундаментального принципа; но пока ни одна из них не была успешной, хотя и породила много интересного для науки.
Этот аспект теории также приводит нас к частицам, пребывающим в множестве состояний одновременно. Все, что мы можем предсказать, это вероятность, и до измерения с получением конкретного результата измеряемая система находится в промежуточном состоянии - состоянии суперпозиции, которое включает все возможные вероятности. А вот действительно ли система пребывает в множественных состояниях или находится в одном неизвестном - зависит от того, предпочитаете вы онтическую или эпистемическую модель. Обе они приводят нас к следующему пункту.
Квантовая физика нелокальна
Последний не был широко признан как таковой, в основном потому, что он ошибался. В работе 1935 года, вместе с его молодыми коллегами Борисом Подольким и Натаном Розеном (работа ЭПР), Эйнштейн привел четкое математическое заявление чего-то, что беспокоило его уже некоторое время, того, что мы называем «запутанностью».
Работа ЭПР утверждала, что квантовая физика признала существование систем, в которых измерения, сделанные в широко удаленных местах, могут коррелировать так, чтобы исход одного определял другое. Они утверждали, что это означает, что результаты измерений должны быть определены заранее, каким-либо общим фактором, поскольку в ином случае потребовалась бы передача результата одного измерения к месту проведения другого со скоростью, превышающей скорость света. Следовательно, квантовая физика должна быть неполной, быть приближением более глубокой теории (теории «скрытой локальной переменной», в которой результаты отдельных измерений не зависят от чего-то, что находится дальше от места проведения измерений, чем может покрыть сигнал, путешествующий со скоростью света (локально), а скорее определяется неким фактором, общим для обеих систем в запутанной паре (скрытая переменная).
Все это считалось непонятной сноской больше 30 лет, так как, казалось, не было никакого способа проверить это, но в середине 60-х годов ирландский физик Джон Белл более детально проработал последствия работы ЭПР. Белл показал, что вы можете найти обстоятельства, при которых квантовая механика предскажет корреляции между удаленными измерениями, которые будут сильнее любой возможной теории вроде предложенных Э, П и Р. Экспериментально это проверил в 70-х годах Джон Клозер и Ален Аспект в начале 80-х - они показали, что эти запутанные системы не могут быть потенциально объяснены никакой теорией локальной скрытой переменной.
Наиболее распространенный подход к пониманию этого результата заключается в предположении, что квантовая механика нелокальна: что результаты измерений, выполненных в определенном месте, могут зависеть от свойств удаленного объекта так, что это нельзя объяснить с использованием сигналов, движущихся на скорости света. Это, впрочем, не позволяет передавать информацию со сверхсветовой скоростью, хотя было проведено множество попыток обойти это ограничение с помощью квантовой нелокальности.
Квантовая физика (почти всегда) связана с очень малым
У квантовой физики есть репутация странной, поскольку ее предсказания кардинально отличаются от нашего повседневного опыта. Это происходит, поскольку ее эффекты проявляются тем меньше, чем больше объект - вы едва ли увидите волновое поведение частиц и того, как уменьшается длина волны с увеличением момента. Длина волны макроскопического объекта вроде идущей собаки настолько смехотворно мала, что если вы увеличите каждый атом в комнате до размеров Солнечной системы, длина волны пса будет размером с один атом в такой солнечной системе.
Это означает, что квантовые явления по большей части ограничены масштабами атомов и фундаментальных частиц, массы и ускорения которых достаточно малы, чтобы длина волны оставалась настолько малой, что ее нельзя было бы наблюдать прямо. Впрочем, прикладывается масса усилий, чтобы увеличить размер системы, демонстрирующей квантовые эффекты.
Квантовая физика - не магия
Предыдущий пункт весьма естественно подводит нас к этому: какой бы странной квантовая физика ни казалась, это явно не магия. То, что она постулирует, странное по меркам повседневной физики, но она строго ограничена хорошо понятными математическими правилами и принципами.
Поэтому если кто-то придет к вам с «квантовой» идеей, которая кажется невозможной, - бесконечная энергия, волшебная целительная сила, невозможные космические двигатели - это почти наверняка невозможно. Это не значит, что мы не можем использовать квантовую физику, чтобы делать невероятные вещи: мы постоянно пишем о невероятных прорывах с использованием квантовых явлений, и они уже порядком удивили человечество, это лишь означает, что мы не выйдем за границы законов термодинамики и здравого смысла.
Если вышеуказанных пунктов вам покажется мало, считайте это лишь полезной отправной точкой для дальнейшего обсуждения.