Наука, изучающая поведение частиц света (фотонов), электронов, атомов и других мельчайших объектов, называется квантовой физикой. В этой статье мы простыми словами расскажем о главных идеях, об истории открытий и о перспективах этой дисциплины.
Главное о квантовой физике
Собрали ключевые факты, которые помогут сориентироваться в мире квантовой физики:
- В микромире нельзя точно выяснить, где находится частица и как быстро она движется. Можно лишь рассчитать вероятность ее обнаружения в том или ином месте или состоянии.
- Энергия (например, света или тепла) поглощается и испускается не непрерывным потоком, а маленькими неделимыми порциями ― квантами.
- Микрообъекты ведут себя и как частицы (маленькие шарики), и как волны (распространение колебаний) в зависимости от того, как мы их «спрашиваем» (ставим эксперимент). Электрон или фотон ― это и частица, и волна одновременно.
- Две или более частицы могут быть связаны («запутаны») так тесно, что изменение состояния одной мгновенно влияет на состояние другой, даже если их разнести на огромные расстояния. Эйнштейн называл это «жутким действием на расстоянии».
- Невозможно с абсолютной точностью измерить одновременно пару взаимосвязанных величин, например, положение частиц и ее импульс. Чем точнее измеряем одно, тем неопределеннее становится другое. Это фундаментальное свойство природы, а не несовершенство приборов.
- Квантовая система (например, электрон или кубит в квантовом компьютере) может находиться сразу в нескольких состояниях одновременно, как будто «размазана» между ними. Измерение «схлопывает» это состояние в одно конкретное.
Основные принципы квантовой физики
Квантовая физика строится на столпах, радикально отличающихся от классических представлений.
Волновая функция (Ψ ― «пси») ― основа математической концепции. Это не физическая волна, а сложный объект, описывающий состояние квантовой системы (например, электрона в атоме). Квадрат модуля волновой функции (|Ψ|²) определяет вероятность обнаружить частицу в определенной точке пространства или в определенном состоянии. Представьте «облако» вероятности, где частица может находиться.
Уравнение Шредингера ― основное уравнение движения в квантовой физике. Оно описывает, как волновая функция изменяется со временем. Решая его, физики могут предсказывать поведение квантовых систем.
Квантование. Во многих системах (как электрон в атоме) определенные физические величины (энергия, момент импульса) могут принимать только строго определенные, дискретные значения, а не любые, как в макромире. Электрон на орбите может иметь только определенные уровни энергии.
Принцип Паули гласит, что две одинаковые частицы с полуцелым спином (фермионы, например, электроны) не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Этот принцип объясняет структуру электронных оболочек атомов и, следовательно, всю химию.
Кто и как открыл квантовую физику
Путь квантовой физики ― это история гениальных открытий и смелых идей, перевернувших науку.
- В 1900 году Макс Планк, стремясь объяснить излучение нагретых тел, ввел идею: энергия испускается не непрерывно, а порциями ― квантами. Именно это событие и считается рождением квантовой физики.
- В 1905 году Альберт Эйнштейн применил идею Планка к свету, объяснив фотоэффект. За это Эйнштейн получил Нобелевскую премию.
- В 1913 году Нильс Бор создал первую квантовую модель атома водорода. Постулировал, что электроны вращаются только по строго определенным «разрешенным» орбитам, не излучая энергии. Переход между орбитами сопровождается излучением или поглощением фотона с энергией, равной разности энергий орбит.
- В 1924 году Луи де Бройль сделал предположение: если свет (волна) обладает свойствами частицы, то частицы (электроны) должны обладать волновыми свойствами. Ученый предложил формулу для длины волны частицы: λ = h / p (где p — импульс частицы).
- 1925−1926 годы: Вернер Гейзенберг разработал первую полную математическую формулировку квантовой теории. Эрвин Шредингер, в свою очередь, предложил альтернативный подход ― «волновую механику», основанную на его знаменитом уравнении, описывающем эволюцию волновой функции.
- 1927-й: Вернер Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, а Нильс Бор развил Копенгагенскую интерпретацию: волновая функция описывает вероятности, а акт измерения «коллапсирует» ее в конкретное состояние.
Суперпозиция, запутанность и другие квантовые явления
Квантовая физика полна удивительных явлений, о которых кратко расскажем ниже.
Существует понятие квантовой суперпозиции. Это способность квантовой системы (например, электрона, фотона или кубита) существовать одновременно в нескольких состояниях. Представьте монету, вращающуюся в воздухе, ― она одновременно и «орел», и «решка». Только при измерении, когда монета падает, она «выбирает» одно состояние. Знаменитый мысленный эксперимент кота Шредингера иллюстрирует эту странность.
Еще одно понятие ― квантовая запутанность. Если две частицы рождаются вместе или взаимодействуют особым образом, они могут стать «запутанными». Их квантовые состояния становятся взаимозависимыми, описываются единой волновой функцией. Измерение состояния одной частицы мгновенно определяет состояние другой, как бы далеко они ни находились друг от друга.
Кроме того, существует такое понятие, как квантовое туннелирование. Частица способна «просочиться» сквозь энергетический барьер, даже если ее энергии по классическим меркам для этого недостаточно. Представьте мяч, который может внезапно оказаться по ту сторону стены, не перелетев ее. Это явление критически важно для работы солнечных батарей, радиоактивного распада ядер и сканирующих туннельных микроскопов (позволяющих «видеть» атомы).
Наконец, квантовая когерентность. Это свойство квантовых систем сохранять свои квантовые свойства (вроде суперпозиции и запутанности) без разрушающего влияния окружающей среды. Поддержание когерентности ― ключевая задача для создания квантовых компьютеров.
Современные исследования и перспективы квантовой физики
Квантовая физика активно развивается и обладает отличными перспективами.
Квантовые вычисления
Активно используют кубиты (квантовые биты), которые благодаря суперпозиции и запутанности могут выполнять параллельные вычисления для специфических задач намного быстрее классических компьютеров.
Так, в 2019 году процессор Google Sycamore (53 кубита) продемонстрировал «квантовое превосходство», решив задачу за минуты, на которую лучшему суперкомпьютеру потребовались бы тысячи лет. В 2023-м модифицированный Sycamore (70 кубитов) выполнил расчет за 6,5 секунд, который суперкомпьютеру Frontier потребовал бы ~47 лет. Сегодня идут гонки за создание масштабируемых и устойчивых к ошибкам квантовых компьютеров (IBM, Google, IonQ, Quantinuum, Rigetti и др.).
Квантовая криптография и связь
Принципы квантовой физики (невозможность копирования неизвестного квантового состояния, запутанность) применяют для создания теоретически абсолютно защищенных каналов связи. Любая попытка подслушивания может быть немедленно обнаружена. Одним из таких примеров является технология квантового распределения ключей. Она позволяет безопасно передавать секретный ключ двум сторонам, гарантируя, что его никто не перехватит в процессе передачи.
Квантовые сенсоры
Квантовые состояния невероятно чувствительны к внешним полям (магнитным, гравитационным). Это позволяет создавать сверхточные датчики для медицины (ранняя диагностика заболеваний), геологоразведки, навигации (без GPS) и изучения фундаментальных констант.
Квантовое моделирование
Квантовые компьютеры смогут моделировать сложные квантовые системы (молекулы, новые материалы), что недоступно классическим машинам. Это ускорило разработку лекарств, сверхпроводников, новых катализаторов и материалов с заданными свойствами.
Вопросы и ответы
Дадим ответы на распространенные вопросы о квантовой физике.
Каковы отличия между классической и квантовой физикой?
В классической физике достаточно знать начальные условия, чтобы предсказать состояние системы в другой момент времени. В макромире такой подход не работает, в связи с чем невозможно одновременно узнать координату импульса и силы из-за принципа неопределенности Гейзенберга.
Какими науками необходимо владеть, чтобы освоить квантовую физику?
Для квантовой физики и вычислений необходимо обладать знаниями в линейной алгебре, математическом анализе, разбираться в дифференциальных уравнениях, механике и ряде других дисциплин.
Какие фундаментальные проблемы человечества может решить квантовая физика?
Квантовая физика уже существенно сокращает время, необходимое для проведения сложных математических вычислений. Она помогает создавать потенциально полностью безопасные каналы связи и находит воплощение в квантовой криптографии. Квантовые гравиметры помогают получать более точные данные при исследовании гравитационных сил и лучше понимать природу различных явлений.
