Квантовая физика настолько сложна и запутана, что стандартные законы физики не могут действовать в ее реальности. Но, как оказалось, все мы пользуемся преимуществами квантового мира каждый день.
Квантовая механика – это набор законов движения объектов, которые расширяют рамки классической механики в нетипичных ситуациях. Задача квантовой механики (широко известной как квантовая физика) заключается в описании микроскопического мира – объектов с малыми массами и размерами, которые меньше атомов. В таких условиях классические законы физики не действуют, поэтому без квантовой механики мы бы понятия не имели, что там происходит.
Квантовая физика влияет на жизнь каждого из нас. Речь ни в коем случае не идет о запутанной взаимосвязи между элементарными частицами или изучении происхождения Вселенной. Мир квантовой физики находится совсем рядом с нами – стоит только внимательно посмотреть вокруг. Вот несколько примеров квантовых изобретений.
Лазеры Первое, что приходит на ум, когда мы говорим о квантовой физике, – это лазеры. Принцип их действия можно найти в работе, написанной Эйнштейном в 1917 году, посвященной статистике фотонов и их взаимодействию с атомами. Он включает в себя концепцию вынужденного излучения, при котором атом высокой энергии ударяет по фотону соответствующей длины волны и испускает другой фотон.
Название “лазер” – это аббревиатура от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света путем вынужденного излучения).GPS Каждый человек хотя бы раз в жизни пользовался навигацией на смартфоне. Это стало возможным благодаря функции GPS – всеохватывающей системе, разработанной Министерством обороны США. Действие GPS заключается в измерении времени, которое требуется для того, чтобы сигнал со спутников достиг приемника (например, смартфона). Зная скорость волны и точное время отправки сигнала, можно рассчитать расстояние между приемником и спутниками и таким образом определить его положение с точностью до нескольких метров.
Все спутники, составляющие сеть GPS, содержат сверхточные атомные часы, которые используют явления квантовой механики. “Тиканье” часов – это колебание микроволн, приводящие к переходу между двумя конкретными квантовыми состояниями в атоме цезия или рубидия.
Мрт Явление, происходящее в атомных часах, называется сверхтонким переходом, который возникает в результате небольшого энергетического сдвига в зависимости от того, как спин электрона ориентирован относительно спина атомного ядра. Спины – это квантовые явления, благодаря которым электроны, протоны и нейтроны ведут себя как крошечные магниты. Они играют важную роль в диагностическом методе, известном как функциональная ядерно-магнитно-резонансная томография (фМРТ). фМРТ на самом деле является разновидностью МРТ и считается современным методом визуализации, который обнаруживает возможные изменения в токе крови при активации специальных зон, расположенных в головном мозге.Пациента помещают в сильное магнитное поле – встроенные катушки посылают электромагнитные импульсы, которые вызывают возбуждение спинов протонов в ядрах атомов водорода (которых полно в нашем организме). Ядра атомов намагничиваются и сами становятся источником электромагнитного поля. Когда они возвращаются в исходное положение, то испускают слабое излучение, которое улавливается приемником. Скорость исчезновения волны зависит от магнитных свойств тканей – разные органы ведут себя по-разному. Эта процедура позволяет воссоздать изображение внутренностей исследуемого организма.
Транзисторы Список изобретений, работающих благодаря принципам квантовой физики, не будет полноценным без транзисторов, которые лежат в основе нормального функционирования всех смартфонов, компьютеров и даже смарт-часов. Фактически, можно сказать, что вся компьютерная индустрия построена на законах квантовой механики, поскольку она не смогла бы существовать без полупроводников, основанных на полосовой структуре твердых тел. На самом деле это квантовое явление, зависящее от волновой природы электронов.
Благодаря слоям кремния с примесью различных элементов мы получаем транзисторы, изготовленные по нанометровому технологическому процессу. Миллионы таких транзисторов, соединенных вместе, образуют интегральные схемы, без которых не может работать ни один смартфон. Без применения квантовой физики прогресс в мире электроники был бы намного медленнее.
