Например, электроны (отрицательно заряженные частички, они есть повсюду,
в любом веществе — и в нас
с вами) живут в атомах только
на конкретных энергетических уровнях.
Квант — это порция вещества и энергии
(от латинского слова quantum — сколько). В волшебном квантовом мире всё состоит из частичек и выдаётся порциями.
Сто лет назад родилась квантовая механика — самая важная для человечества научная теория за последний век. Без неё невозможно представить ядерную физику, науку о началах Вселенной и процессах в звёздах, микроэлектронику, сверхпроводимость, современную химию, науку о материалах
и много чего ещё. Квантовая механика — наука о крошечных частицах, которые ведут себя как супергерои из комиксов: они могут быть в двух местах сразу, связываться на расстоянии
и даже проходить сквозь стены. Благодаря этой теории мир вокруг нас стал похож на волшебную коробку с сюрпризами. Объясняем азы квантовой механики так, чтобы было понятно
и детям, и взрослым.
Представьте кофейный автомат, который принимает только купюры в 100 рублей. Для оплаты не подойдут ни две купюры по 50, ни монеты по 10, ни 500 рублей
со сдачей. И по карте тоже не заплатить.
Чтобы перейти на уровень выше, электрону нужно ухватить точно определённый квант энергии, а чтобы спуститься вниз — отдать квант. В данном случае это фотон, частичка света. И не любая, а строго определённого цвета.
Дело в том, что энергия частицы точно соответствует длине её волны, то есть цвету: фиолетовые — более энергичные, красные — менее.
В спектре атома. Если нагреть простое вещество, то оно окрасит огонь в некоторый цвет. Медная проволока, например, — в зелёный.
От нагревания электроны прыгают на ступень вверх,
а потом возвращаются и испускают свет строго определённого цвета. И если посмотреть через призму,
мы увидим не все цвета радуги (как при разложении белого света), а только те, которые соответствуют ступенькам энергии в данном конкретном веществе.
Это устройство, в котором вещество накачивается энергией так, чтобы частички в массе перешли на более высокий энергетический уровень. Потом они возвращаются
и в процессе перехода излучают фотоны строго опреде-лённой энергии, порождая мощный и точный луч света,
цвет которого соответствует длине волны фотонов.
Му-у-у-у-ур! Я бы сравнил спектральные линии со струнами в музыкальном инструменте. У каждого атома уникальный спектр. По спектру можно определить даже
то, из чего состоят далёкие звёзды.
Без квантования были
бы невозможны многие технологии. Например, лазер.
Слово «квант» придумал физик Макс Планк в 1900 году.
Всё во Вселенной состоит из мельчайших частичек (в старые времена, при Ломоносове, вместо «частицы» говорили «корпускулы»).
Свет состоит из фотонов,
и эти частички ни на что
не делятся, потому что фотон — элементарная частица, как электрон или кварк.
Это всё сложно, но понятно: частицы как шарики в бильярде — двигаются, сталкиваются, вступают друг с другом в реакции.
Вещество состоит из атомов, атомы — из электронов и ядра (которое,
в свою очередь, состоит из протонов
и нейтронов, а те — из кварков).
Мяу! На этом список частиц не закан- чивается. Например, есть пролетающие сквозь нас незаметные нейтрино, час- тички с мяукающими и липкими назва- ниями — мюоны и глюоны, открытый
не так давно бозон Хиггса… И ещё мно-го неоткрытых — мы пока не знаем,
из чего состоит тёмная материя, кото-рой больше всего во Вселенной.
Во всех остальных случаях она ведёт себя как волна. Что это значит? Волна умеет огибать препятствие.
Морская волна, встречаясь с островом
в океане, омывает его и идёт себе дальше.
А частица врезалась бы и остановилась.
Любая из этих частиц ведёт себя как частица только тогда, когда она с чем-нибудь взаимодействует: например, рисует точку на детекторе, фотоплёнке или сетчатке нашего глаза, начинает химическую или ядерную реакцию.
Частицы не складываются,
а сталкиваются.
Волны умеют складываться — видели, какой рисунок образуют волны
от двух брошенных в пруд камней?
Понятие «корпускулярно-волновой дуализм» как раз
и означает, что частички в волшебном мире квантовой механики иногда ведут себя как частицы, а иногда как волны. Пока они ни с чем не сталкиваются, они — волны, а когда встречают такое препятствие, которое они не могут обогнуть, то врезаются как частицы.
Отдельный фотон можно увидеть
на чувствительной фотоплёнке, рентгеновскую частицу (более энергичный фотон)
на рентгеновской.
Будь это просто частицы, они бы врезались либо
в препятствие, либо
в точку напротив щели.
Но в эксперименте получается иначе.
Из двух щелей выходят две волны, которые
за препятствием скла-дываются, образуя кар-тину светлых и тёмных полос. Это явление называется интерфе-ренцией. Так вот, все частицы микромира дают картину интерфе-ренции.
А как увидеть волну? Например, в ходе двухщелевого эксперимента. Пучок частиц направляют в стену с двумя щелями.
Вспомним греческого бога ветров Эола. Пока мы не смотрим на него, он дует, срывает шапки, огибает горы, качает деревья. Его не видно,
он везде и нигде — он волна. И тут мы говорим: братик Эол, покажись, и он предстаёт перед нами в виде некого существа, занимающего конкретное место в пространстве. Стал частицей!
Сто лет назад физики использовали для наблюдения
за частицами остроумное устройство — туманную камеру (за её изобретение Чарлз Вильсон получил в 1927 году Нобелевскую премию). Это камера, насыщенная парами воды; когда внутри пролетает частица, она вызывает конденсацию пара, так что её след становится заметен.
То, что свет — волна, стало понятно ещё в начале XIX века благодаря как раз таки двухщелевому эксперименту. А вот что свет состоит из частиц, догадался Альберт Эйнштейн в 1905 году. Исполь-зуя введённое Максом Планком понятие мини-мально возможной порции энергии — кванта,
он объяснил фотоэффект (явление, при котором свет выбивает из атомов вещества электроны, что приводит к появлению электрического тока). И вдруг понял: та самая минимальная порция энергии — квант света — это частица!
Потом стало понятно, что и все остальные частицы ведут себя как волны. Ответом
одного из ключевых уравнений квантовой механики — уравнения Шрёдингера (да, того самого Эрвина Шрёдингера, моего друга
и кормильца) — является волновая функция.
Всё в мире современной химии, ядерной физики, электроники и многих других наук построено на квантовой механике, а сама она основана на знании, что частицы — это волны, а волны — частицы. Но можно при-вести и наглядный пример технологии.
В электронном микроскопе вместо света используются, как можно догадаться из наз-вания, электроны. Они проходят через щели в кристалле вещества и интерферируют как волны. По картине, которая получается в ре-зультате, можно понять, как устроено вещество.
Принцип неопределённости гласит: чем точнее мы измеряем положение частицы, тем менее точно можем измерить её скорость. И наоборот. Этот принцип прямо связан с тем, что частица — это волна.
А когда её поймали в прибор или на плёнку — зафиксировали в конкретной точке —
она уже перестала двигаться.
Пока частица свободна, она как ветер или волна, точное положение
не установишь.
Этот принцип применяется всюду, от пределов точ-ности лазера до пределов сжатия материи в звёз-дах. Из явлений, прямо вытекающих из принципа неопределённости и вообще того, что частицы-волны как бы размазаны в пространстве и време-ни, можно упомянуть туннельный эффект.
А в квантовой механике частички умеют иногда проскакивать сквозь энергетическую гору, как будто там есть туннель.
Это связано с тем, что в волшебном квантовом мире частицы могут быть одновременно в разных состояниях.
Если между двумя состояниями в клас- сической физике сто-ит гора, то перейти
из одного в другое можно только пере-валив через неё.
Представьте, что вы пытаетесь сфотографировать мчащуюся ночью гоночную машину. Если вы поставите короткую выдержку, то получите более-менее чёткое изображение машины, которая стоит. Если длинную — запечатлеете красивый светящийся шлейф, будет видно, что она движется.
Принцип неопределённости открыл Вернер Гейзенберг
в 1927 году.
Мы можем точно измерить и положение, и скорость мяча. С электроном это невозможно.
По этому поводу есть анекдот. Полицейский останавливает
на шоссе физика и спрашивает:
«Вы знаете, с какой скоростью
ехали, сэр?» На что физик отвечает: «Нет, но я точно знаю, где я».
Пока мы не измерили квантовую частицу (например,
не поймали в детекторе), она может находиться в нескольких состояниях одновременно. Знаменитый мысленный эксперимент с котом Шрёдингера как раз об этом.
Эрвин Шрёдингер придумал его, чтобы показать абсурдность идеи про суперпозицию. В ящик помещают кота, радиоактивный атом (который
по расчётам находится в состоянии суперпозиции — может распасться,
а может и нет) и механизм, который взрывает колбу с ядом, если атом распадётся.
Пока ящик закрыт, атом
и распался, и не распал-ся, а кот и жив, и мёртв одновременно. Наш-то Кот, понятно, жив
и из коробки выберется (только глаз от такого обращения подрагивать стал).
Пока мы не измерили квантовую частицу (например,
не поймали в детекторе), она может находиться в нескольких состояниях одновременно. Знаменитый мысленный эксперимент с котом Шрёдингера как раз об этом.
На всякий случай ещё раз повторю: друг Эрвин использовал меня только для мысленных экспериментов.
Ни один кот и ни одна кошка не пост- радали от его интеллектуальной дея- тельности.
А ещё это волшебное состояние вдохновляет на истории о разных мирах — мультивселенных. В одном мире Вовочка забивает гол на поле,
а в другом пишет контрольную
по физике. И пока учитель не вернёт его к реальности вопросом, он так
и будет пребывать в суперпозиции.
Мы не можем оказаться на месте час-тицы и испытать на себе суперпозицию. И кот Шрёдингера не может (иначе
он бы нам рассказал). Мы для этого слишком большие и шумные.
Квантовомеханические эффекты очень тонкие, их волшебство легко заглушить. Но есть множество свидетельств существования суперпозиции не только
в математике, но и в жизни.
Представьте ученика, который находится отчасти (телом) на уроке фзики, а отчасти (мыслями)
на футбольном поле.
Но как частица, пролетая через щель, «узнаёт», что щелей две? Можно сказать, что в одном состоянии она пролетела сквозь одну щель, в другом — сквозь другую, но когда врезалась в стену и была измерена, «выбрала» одно из состояний.
Математически из уравнения Шрёдингера с самого начала было понятно, что суперпозиция должна существовать. Постепенно накапливались и экспери-ментальные доказательства.
А когда их две, получается интерференционная картинка с полосами (потому что волны разделяются щелями, а потом соединяются). А если запускать частицы строго по одной? Они тоже будут вести себя как волна. Это проверил в 1948 году советский физик Валентин Фабрикант.
Классический пример — тот же двухщелевой эксперимент. Если бы щель была одна, все частицы ударялись бы в стенку ровно напротив щели.
Квантовые компьютеры уже сейчас могут быстро решать задачи, которые обычным компьютерам не под силу.
Например, они могут взломать любой неквантовый шифр. Каким образом? Каждый кубит (квантовый бит) квантового компьютера может быть одновременно и в состоянии
0, и в состоянии 1 (в обычном компьютере бит принимает одно из состояний). А если кубитов много, то одновременно существующих комбинаций состояний получается очень-очень-очень много. Квантовый компьютер не перебирает шифры, а одновременно проверяет все.
Поговорив с руководителем сектора квантовых вычислений Центра квантовых технологий физического факультета МГУ Станиславом Страупе, мы поняли, что квантовый компьютер
в чём-то похож на кота Шрёдингера: он большой, как мы, но квантово-волшебный, как частицы.
Представьте, что космонавт берёт с собой в полёт кван-товую перчатку и оставляет дочке парную для обмена посланиями. И когда он наде- вает перчатку на правую руку, дочкина мгновенно оказыва-ется на левой.
И вот он, очередной момент волшебства: частицы остаются связанными, или, как ещё говорят, запутанными, даже если разлетятся очень далеко. Если изменить состояние одной из парных частиц, мгновенно изменится
и состояние другой.
Элементарные частицы постоянно взаимо-действуют между собой — в ядерных реакциях,
в звёздах, в экспериментах на больших уско-
рителях. В результате подобных реакций возникают пары связанных частиц с противо-
положными свойствами.
Впрочем, математик, автор новейших алгоритмов
для квантовых вычислений Евгений Киктенко
из Российского квантового центра признался нам,
что не любит перчаточную (или носочную в неко-
торых пересказах) метафору. Протокол квантовой телепортации математически похож скорее на фильм «Довод» Кристофера Нолана, где герои прыгают туда-сюда во времени, чем на фильмы, где герои телепор-тируются в пространстве.
Как это? Когда одна из запутанных частиц меняет состояние, она проваливается в прошлое — в момент рождения этих частиц — и передаёт новое состояние напарнице, которая теперь будет «думать», что всегда была такой. Слом башки? Вот то-то же!
Эйнштейн называл это «жутким действием на расстоянии».
Наглядный эксперимент провёл французский физик Ален Аспе
с коллегами в 1982 году, за что спустя сорок лет получил Нобе-левскую премию по физике.
При изменении поляризации одного
из фотонов парный тут же подстраивался под него, даже если переключатели срабатывали в последний момент, чтобы исключить «сговор» между частицами
и приборами.
Создав пару запутанных фотонов-близнецов, учёные случайным образом меняли их поля-ризацию (характеристику, описывающую нап-равление вибрации света: вверх, вниз или под углом) и с помощью детекторов фиксировали состояние частиц.
Однако в конце ХХ века выяснилось, что квантовая запутанность всё-таки существует. И одним из доказательств стал описанный выше эксперимент Алена Аспе.
Альберт Эйнштейн придумал квантовую запутан-ность, желая показать невозможность и абсурдность некоторых идей новой теории. Ведь по сути кванто-вая запутанность означает, что можно передать информацию быстрее скорости света, хотя все знают, что ничего быстрее света нет.
В 2021 году в России заработала линия квантовой связи между Москвой
и Санкт-Петербургом.
Её нельзя взломать или прослушать: любое вторжение меняет квантовое состояние частиц. При этом квантовые технологии начали развиваться совсем недавно.
Чем дальше, тем больше будет научного волшебства!
Стандартная модель — это теория, описывающая все обнаруженные на сегодня элементарные частицы и три из четырёх фундаментальных взаимодействий между ними: электромагнитное, сильное и слабое (все, кроме гравитации). Элементарные частицы можно расположить
в таблице, подобной таблице Менделеева для атомов. Стандартная модель больше не имеет пустых клеточек.
После открытия бозона Хиггса в 2012 году все
её параметры стали известны. Частицы
в Стандартной модели делятся на два типа: фермионы (которые состоят из кварков
и лептонов) и бозоны. Из фермионов строится вещество, а бозоны обеспечивают взаимодей-
ствие между ними.
Кварки — это «кирпичики», из которых построено всё, что нас окружает: планеты, люди, смартфоны.
Они объединяются в тройки, образуя частицы, из которых состоят ядра атомов, — протоны и нейтроны. У кварков есть особый заряд для взаимодействия. Но у этого заряда
не 2 полюса (+ и -), а целых три, обозначаются они цветом (красный, жёлтый, синий). Поэтому они и объединяются по три.
Кварки очень нежные, не могут существовать в одиночку, поэтому крепко дружат между собой — не разлей вода,
что называется.
Чтобы получить 1 протон, надо взять
2 верхних кварка и 1 нижний. Когда они объединятся, заряды сложатся. Цветной заряд станет белым (нейтральным, нулевым).
А обычный заряд будет суммой зарядов сос- тавляющих его кварков 2/3 + 2/3 — 1/3 = 1.
А чтобы получить нейтрон, надо взять два нижних кварка и один верхний; обычный заряд у нейт- рона вы и сами знаете какой.
Спин — свойство частицы в микромире, которому нельзя найти аналог в мире обычном. Само слово в переводе
с английского означает вращение, но этот смысл условный.
Если спин равен нулю, то её волновая скалярная, а решение — число, не вектор. Такая частица в Стандартной модели одна, это бозон Хиггса. Спин, отличный от нуля, усложняет формулу, которой описывается движение частицы (её волновую функцию).
Целый (1) спин имеют все бозоны, кроме хиггсовского.
Если спин больше нуля, уравнение сложнее: поведение частицы описы-вается вектором, то есть она имеет направление. Полуцелый (½) спин имеют кварки и лептоны. Целый
(1) спин имеют все бозоны, кроме хиггсовского.
Обычный электрический заряд — электроны, несущие элементарный отрицательный заряд, бегут
в знакомых нам электрических проводах. В микромире, однако, кварки имеют и дробный заряд,
но они регистрируются при очень высоких энергиях и стремятся объединиться, чтобы заряд оказался целым. Так появляются протоны
(+1) и нейтроны (0).
Масса в таблице дана не в граммах, как обычно, а в мегаэлетронвольтах (МэВ), то есть в миллионах электрон-вольт (эВ), как принято в микромире.
1 эВ — это энергия, необходимая, чтобы перетащить электрон между точками с разницей потенциалов
в 1 В. Но почему масса измеряется
в единицах энергии? Формула Е = mc2 утверждает, что энергия равна массе, умноженной на скорость света в квад-рате. Поскольку скорость света посто-янна, массу можно измерять в едини-цах энергии.
Лептоны поэфемернее, но тоже часть вещества. Все атомы состоят из крепко сидящих в обнимку в центре атома кварков и суетящихся вокруг в больших облаках электронов (самых знакомых нам лептонов).
Мюон потяжелее электрона, но очень на него похож, с таким же отрицательным зарядом.
В экспериментах может даже стать в атом
на место электрона. Тау-лептон самый тяжёлый, обнаружен был в ускорителе.
В физике так часто бывает: сначала теория диктует необходимость в какой-то частице с конкретными свойствами, а потом её и правда находят. В теории нейтрино не должны были иметь массы, но оказалось, что они всё-таки чуточку массивны. А вот частицы, которые придают нейтрино массу, науке пока неизвестны.
Нейтрино — самые загадочные лептоны. Они почти никак не взаимо-действуют с веществом и легко пролетают сквозь Землю и даже сквозь большинство звёзд. А предсказал их ещё в 1930 году Вольфганг Паули — новая лёгкая частица нужна была физикам, чтобы при бета-распаде ядер соблюдался закон сохранения энергии.
Бозоны переносят три основные взаимодействия микромира. Глюоны (от англ. «клей») переносят сильное взаимодействие.
Бозон Хиггса никакого взаимодействия
не переносит, но делает не менее важную вещь. Он придаёт массу всем имеющим массой частицам, за исключением нейтрино.
Они склеивают кварки так сильно, что, скажем, протон считается абсолютно стабильной частицей, его распад
не зафиксирован. Художник нарисовал глюону 8 рук и глаз, потому что на самом деле глюон не один — есть 8 разных глюонов с разными цветовыми зарядами.
Фотон — частица видимого света, а также света невидимого, в том числе радиоволн, гамма-излу-чения, рентгеновских лучей. Он переносит электромагнитное излучение. Фотон — самая быстрая вещь на свете, он не имеет массы и летит
со скоростью света, потому что и есть свет.
W- и Z-бозоны переносят слабое взаимодействие, которое обнаруживается при некоторых типах радио- активного распада и действительно слабее сильного
и электромагнитного. В отличие от фотона, они имеют массу и в ускорителях могут превратить лёгкие кварки в более тяжёлые. W-бозонов на самом деле два, один имеет положительный заряд, второй — отрицательный. Z-бозон нейтральный.
Каждому бозону соответствует поле взаимодействия и красивая математика,
поля-пространства разной сложности. 8 глюонов, 3 бозона слабого взаимодействия, 1 фотон и 1 бозон Хиггса (но его поле не векторное, а скалярное — состоит из точек,
а не из направлений).
Иногда в бозоны записывают гипотетический гравитон, переносчик гравитационного взаимодействия, но никто, даже Стандартная модель, про него ничего не знает, а всё, что связано с гравитацией, хорошо описывает общая теория относительности. Что-то должно переносить и гравитацию, но тут начинается новая, неизвестная нам физика.
Вот и вся Стандартная модель. Или нет, не вся! Мы же знаем, у частиц материи есть зеркальные отражения — античастицы. Поэтому рядом должна быть таблица с антикварками и антилептонами, но её вы можете нарисовать сами, не забыв поменять заряд у частиц.
