Создан квантовый «лифт» для доставки молекул на нужный энергетический уровень ⁠ ⁠

Физики из США и Германии придумали схему установки, которая может переводить электроны между энергетическими уровнями в определенных видах заряженных молекул, возбуждать различные молекулярные колебания и вращения, а также считывать состояние, в котором находится молекула, не разрушая это состояние. Использование молекул вместо атомов может быть применено в спектроскопии, квантовых вычислениях, а также помочь провести более точную экспериментальную проверку ряда теоретических утверждений в физике

6.4K поста 71.1K подписчиков

ВНИМАНИЕ! В связи с новой волной пандемии и шумом вокруг вакцинации агрессивные антивакцинаторы банятся без предупреждения, а их особенно мракобесные комментарии — скрываются.

Основные условия публикации

- Посты должны иметь отношение к науке, актуальным открытиям или жизни научного сообщества и содержать ссылки на авторитетный источник.

- Посты должны по возможности избегать кликбейта и броских фраз, вводящих в заблуждение.

- Научные статьи должны сопровождаться описанием исследования, доступным на популярном уровне. Слишком профессиональный материал может быть отклонён.

- Видеоматериалы должны иметь описание.

- Названия должны отражать суть исследования.

- Если пост содержит материал, оригинал которого написан или снят на иностранном языке, русская версия должна содержать все основные положения.

Не принимаются к публикации

- Точные или урезанные копии журнальных и газетных статей. Посты о последних достижениях науки должны содержать ваш разъясняющий комментарий или представлять обзоры нескольких статей.

- Юмористические посты, представляющие также точные и урезанные копии из популярных источников, цитаты сборников. Научный юмор приветствуется, но должен публиковаться большими порциями, а не набивать рейтинг единичными цитатами огромного сборника.

- Посты с вопросами околонаучного, но базового уровня, просьбы о помощи в решении задач и проведении исследований отправляются в общую ленту. По возможности модерация сообщества даст свой ответ.

Наказывается баном

- Оскорбления, выраженные лично пользователю или категории пользователей.

- Попытки использовать сообщество для рекламы.

- Многократные попытки публикации материалов, не удовлетворяющих правилам.

- Нарушение правил сайта в целом.

Окончательное решение по соответствию поста или комментария правилам принимается модерацией сообщества. Просьбы о разбане и жалобы на модерацию принимает администратор сообщества. Жалобы на администратора принимает @SupportComunity и общество пикабу.

Для доставки электронов, а не молекул.

"считывать состояние, в котором находится молекула, не разрушая это состояние" Это уже дичь о том как передавать информацию быстрее скорости света О.о

Не читайте комментарий, периходите по ссылке, там нормально написано.

Технология трансмутации на подходе.

Наблюдателя убери⁠ ⁠

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная⁠ ⁠

Предупреждение: данный пост содержит некоторое количество формул, однако, они вполне доступны для понимания даже школьнику, ничего сложного, обещаю!

Аршин, локоть, спан, ярд, фут, лига, метр, километр – за время своего существования люди придумали огромное количество единиц измерения (в частности –длины), каждая из которых была вполне естественной для современников, которые их использовали. Во времена, предшествовавшие промышленной революции, однако, у людей возникла необходимость в некоей стандартизации единиц измерения. Благодаря усилиям множества людей, сейчас, спустя почти 300 лет, мы имеем международную систему СИ, в которой единицы длины, массы, времени и прочих физических характеристик точно определены и привязаны к естественным природным константам. Осталось лишь несколько стран, не использующих в быту метрическую систему. Самая известная из них – США. Отдельные американцы даже находят в этом повод для некоей гордости, однако, мало кто из них знает, что американская система стандартов уже давно определяет значения ярда, фунта и прочих величин через переводные коэффициенты с единиц измерения СИ.

Система единиц измерения, используемая нами в повседневной жизни, вполне нас устраивает. Мы все имеем прекрасное представление о метре, килограмме, секунде. Тем не менее, людям, которые занимаются научными изысканиями, этого мало, так как зачастую они исследуют объекты либо слишком огромные, такие как галактики, либо слишком малые – такие как атомы. Действительно, хотя мы и можем выразить размеры любого объекта через метры, используя приставки, мы уже с трудом понимаем, чем, например, пикометр отличается от аттометра. Подавляющее большинство из нас даже не сможет сказать, что больше, а многие – вообще не слышали о таких приставках.

В 1899 году немецкий физик Макс Планк раздумывал, наверное, над чем-то подобным, потому и написал следующее:

Все до сих пор используемые системы единиц, в том числе так называемая абсолютная СГС-система, обязаны своим происхождением пока что случайному стечению обстоятельств, поскольку выбор единиц, лежащих в основе каждой системы, сделан не исходя из общей точки зрения, обязательно приемлемой для всех мест и времён, но исключительно исходя из потребностей нашей земной культуры…

Результатом его раздумий явилась работа, опубликованная в 1900 году, в которой он предложил систему единиц измерения…

…которые не зависели бы от выбора каких-либо тел или веществ и обязательно сохраняли бы своё значение для всех времен и для всех культур, в том числе и внеземных и нечеловеческих, и которые поэтому можно было бы ввести в качестве «естественных единиц измерений».

Макс Планк - герой этого поста

Забегая вперёд, скажу, что данный труд впоследствии был использован в большей части теоретической физики, а большинство общепринятых в настоящее время единиц измерения выведены напрямую из системы измерений, названных в его честь: Планковскими единицами.

До чего же он додумался? Предлагаю вместе пройти по пути его рассуждений.

Представим, что у нас есть пара электронов на расстоянии r друг от друга:

Что будет происходить, если бы мы начали сводить эту пару электронов всё ближе и ближе друг к другу?

1. Поскольку электроны обладают массой, между ними будет иметь место сила гравитационного притяжения, стремящаяся их сблизить.

2. Так же, мы знаем, что электроны имеют отрицательный электрический заряд, поэтому между ними будет иметь место электростатическая сила, расталкивающая их друг от друга.

Какая же из двух сил будет сильнее по мере их сближения (когда r → 0)? По закону всемирного тяготения, сила притяжения между двумя электронами будет выражена формулой:

Fg = G m₁ m₂ / r² – сила прямо пропорциональна произведению масс электронов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В нашем эксперименте, m₁ и m₂ одинаковы и равны массе электрона, которую можно просто обозначить m, и переписать уравнение так:

Сила электростатического расталкивания определяется по закону Кулона по такой формуле:

Fe = Q₁Q₂ / 4 πε₀ r² – эта сила прямо пропорциональна произведению двух зарядов и так же – обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В данном случае, коэффициент пропорциональности задаётся ε₀ - электрическая постоянная (электрическая проницаемость вакуума). В нашем примере обе величины Q₁ и Q₂ равны e – заряду электрона, поэтому, формулу можно переписать так:

Посмотрим на отношение сил, чтобы понять, какая из них будет преобладать Fe / Fg = ? Запишем отношение:

Первое, что можно заметить, что r² сократилось, а это значит, что отношение двух сил никак не зависит от расстояния между двумя электронами и всегда будет одним и тем же (Хаха, нет! Но об этом позже). Зная значения всех элементов данного уравнения, подставив их и произведя расчёты, мы получим:

Иными словами, сила электростатического расталкивания превышает силу гравитации на 42 порядка! Чтобы полнее ощутить масштабы, запишу так:

Fe ≈ 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 * Fg.

Во столько раз гравитация слабее электромагнетизма, но именно гравитация была обнаружена первой. Почему? Потому что атомы, из которых состоит вещество, электрически нейтральны, положительный заряд протонов компенсируется отрицательным зарядом электронов. Из-за нейтральности атомов мы просто не замечали исключительно сильное электромагнитное взаимодействие. Гравитация – другое дело. Насколько можно судить сейчас, такой штуки как «отрицательная масса» не существует (во всяком случае, до сих пор никому не удалось обнаружить ничего похожего), поэтому два тела, обладающих массой, будут всегда испытывать взаимное притяжение.

Упрощённая Ньютоновская модель позволила нам сделать вывод о том, что отношение сил электростатического расталкивания и гравитации вообще не зависят от расстояния между двумя электронами, но, к сожалению, реальный мир не всегда так прост, как наши математические модели. Как обычно, её величество квантовая механика всё портит.

Чем меньше становится расстояние между электронами тем сильнее проявляется роль принципа неопределённости Гейзенберга (подробнее можно почитать в этом моём посте) – чем точнее мы пытаемся определить положение электронов в пространстве, тем сильнее разброс в их импульсах, тем больше они «дрожат», а чем сильнее эта «дрожь», тем выше их энергия. В какой-то момент, эта энергия становится достаточной для того, чтобы создать новый электрон (принцип эквивалентности массы и энергии А. Эйнштейна, знаменитое уравнение E = mc²). На самом деле мы можем легко посчитать расстояние между электронами, при котором наступят подобные условия, скомбинировав уравнение Эйнштейна с неравенством принципа неопределённости Гейзенберга.

Запишем уравнение таким образом: если мы ограничиваем объект в определённой области пространства размера ∆x, неопределённость в импульсе такого объекта ∆p должна быть примерно больше ħ / ∆x:

(ħ – редуцированная Планковская константа – просто коэффициент преобразования между энергией фотона и его частотой. На данном этапе достаточно понимать, что это константа).

В нашем случае с двумя электронами ∆x = r – расстояние между ними (∆p ≳ ħ / r).

Если импульс объекта растёт, очевидно, что растёт и энергия данного объекта, поэтому мы можем выразить энергию в данном выражении, умножив обе части на скорость света (с):

Кто сомневается, может вспомнить, что импульс – это произведение массы на скорость, а произведение единиц импульса (кг•м/с) на скорость (м/с) даст вам выражение единицы энергии (Джоуля) по определению (1 Дж = 1 Н•м=1 кг•м²/с²).

Из этого соотношения мы видим, что при уменьшении r, ∆E будет увеличиваться. Эта как раз энергия той квантовомеханической «вибрации», которую мы упускали из виду, используя уравнения классической механики. Теперь, имея на руках это соотношение, мы можем «прикинуть», какому расстоянию между электронами будет соответствовать энергия, достаточная для создания массы электрона по уравнению Эйнштейна (∆E

mc²), где m – масса электрона. Иными словами, нам нужен ответ на вопрос, когда соблюдётся отношение:

Подставив известные значения констант и массы электрона, мы получим:

Это расстояние меньше среднего размера атома, которое составляет примерно 10⁻¹⁰ м, но сильно больше размера ядерного ядра (10⁻¹⁵ м). Иными словами, полученная величина говорит нам о том, что если мы попытаемся сблизить два электрона на расстояние, меньшее 10⁻¹³ м, квантовая неопределённость в их энергии будет достаточной для создания нового электрона. То есть, на этом расстоянии уже нельзя пренебрегать ни квантовой механикой, ни теорией относительности.

Но что будет, если мы будем продолжать сближать электроны друг к другу? Мы уже убедились, что согласно Гейзенбергу, с уменьшением расстояния ∆x растёт энергия ∆E, а согласно Эйнштейну, это эквивалентно добавлению массы в нашу систему. А раз гравитация у нас взаимодействует с массой, то расти будет и Fg (гравитационное притяжение между электронами)? С ростом массы, соотношение сил электростатического расталкивания и гравитационного притяжения уже не будет оставаться неизменной величиной, посчитанной нами ранее (10⁴²).

И так, следующий вопрос, на который нам надо найти ответ – при какой расстоянии между электронами гравитационное притяжение станет сравнимым с электростатическими силами, расталкивающими заряды по закону Кулона?

Для этого, мы просто должны выяснить, при каком значении m, выполнится данное условие:

Преобразуем уравнение к следующему виду:

Теперь, это значение массы можно преобразовать к энергии и подставить в выражение принципа неопределённости. После всех преобразований, получим:

На этом расстоянии, гравитационное притяжение между электронами уравновесит силу их электростатического расталкивания, но что произойдёт, если мы продолжим уменьшать расстояние между электронами? Разумеется, гравитационное взаимодействие будет только увеличиваться, но будет ли это продолжаться всегда?

Оказывается, что нет. В дело снова вступит теория относительности и предъявит свой самый эффектный козырь – чёрную дыру. Здесь нужно чуть отвлечься от наших электронов и разобраться, какие условия вообще способствуют образованию чёрной дыры.

Давайте рассмотрим тело с малой массой m, расположенное на поверхности большего тела с массой M.

Между этими двумя телами действует сила гравитационного притяжения, выраженная формулой:

… и, чтобы оторвать малое тело от поверхности большого, мне необходимо совершить работу по преодолению этой силы. Если я удалю малое тело от большого на некоторое расстояние dr, я совершу работу:

dW = F dr = (GMm / r² ) dr

Но если мне потребуется понять, какую работу мне необходимо совершить, чтобы удалить малое тело на бесконечно большое расстояние, так как сила притяжения между двумя телами будет убывать обратно пропорционально квадрату расстояния между этими двумя телами – надо будет проинтегрировать:

чтобы убедиться, что полная работа будет равняться:

По мере удаления m от M, тело будет набирать потенциальную энергию, и полная величина этой потенциальной энергии будет равняться полной проделанной работе.

Вооружившись этим знанием, я могу задаться вопросом, с какой скоростью мне надо подбросить m, чтобы оно вырвалось из области гравитационного притяжения M. Или, если перефразировать: какую скорость надо придать m, чтобы оно смогло удалиться на произвольно большое (бесконечное) расстояние от M?

Поскольку я только что посчитал, какая энергия необходима для этого, мне достаточно сообщить m такую же кинетическую энергию. Зная формулу кинетической энергии, получаю:

Решаем уравнение в отношении v (скорости) и получаем:

в русскоязычной терминологии эта скорость получила название «Вторая космическая скорость» (скорость освобождения или скорость убегания). Для Земли эта скорость составляет приблизительно 11 км / с, а, например, для Юпитера – уже около 60 км / с.

Из формулы видно, что вторую космическую скорость определяют два фактора – масса тела и его радиус – большая скорость освобождения требуется не только при старте с массивного объекта, но и с более плотного (чем в меньший объём «упакована» масса, тем сложнее с неё улететь).

И следующий вопрос, которым может озадачиться пытливый ум – а что случится, если объект будет настолько плотным, что вторая космическая скорость для него сравняется со скоростью света? Такие объекты получили название «чёрная дыра», так как даже свет не может покинуть их окрестности. Уже зная формулу, мы можем просто подставить в уравнение скорость света и решить его для любой массы (плотности), а преобразовав его для r – получим уравнение радиуса, внутрь которого необходимо «упаковать» массу M, чтобы образовалась чёрная дыра:

Эту величину называют «Радиусом Шварцшильда», в честь немецкого физика Карла Шварцшильда, который впервые решил уравнения Эйнштейна для такого случая и, тем самым, предсказал существование чёрных дыр.

Так какое отношение это всё имеет к нашим электронам? Самое непосредственное. Мы уменьшаем расстояние между ними, масса системы растёт, а размеры уменьшаются. Рано или поздно мы «упакуем» их достаточно плотно, так, чтобы в этой области пространства сформировалась чёрная дыра. А, имея необходимые формулы, мы можем вычислить, когда это произойдёт.

Во-первых, мы можем оценить, сколько гравитационной массы содержится в системе из двух электронов на расстоянии r друг от друга (r

ħ / mc). И так же, мы только что посчитали, как радиус Шварцшильда связан с гравитационной массой (r

Gm/c²). Объединив эти два уравнения, мы увидим, что m сократится, а всё, что останется можно записать следующим образом:

Что примечательно, если внимательно приглядеться к этой формуле, можно заметить, что она целиком состоит из констант и никак не содержит никаких других параметров. Мы можем взять не только электроны, но и любые иные два объекта, и если мы уменьшим расстояние между ними до 10⁻³⁵ м, в данном объёме неизбежно возникнет чёрная дыра и на этом этапе мы больше не сможем извлечь никакой дополнительной информации из системы. Даже если вы захотите «вкачать» в систему ещё больше энергии, это приведёт лишь к росту этой чёрной дыры.

Мы подошли к фундаментальному пределу, точнее которого мы физически не в состоянии ничего измерить. Данный предел, по фамилии его первооткрывателя носит название Планковская длина. Это граница, где заканчиваются даже наши теоретические возможности познания пространства. Примечательно, что на данном пределе и квантовая механика и теория относительности становятся одинаково важны.

Тут человек, знающий историю научных открытий, может спросить – но ведь Планк опубликовал свои труды раньше, чем Эйнштейн опубликовал свою теорию относительности, да и до открытия принципа неопределённости было ещё далеко!

Поэтому сейчас мы пройдём по пути, пусть менее наглядному, но доступному Максу Планку в самом конце 19 века.

В наших выкладках можно увидеть постоянное использование 3 разных констант из трёх областей физики. Мы использовали постоянную Планка-Дирака (E = ħω) , основную константу квантовой механики; так же – скорость света (E = mc²), основную константу общей и специальной теории относительности, а так же Ньютоновскую универсальную гравитационную константу (F = G (m1m2 / r²). Здесь можно задаться вопросом – каковы фундаментальные, базовые единицы измерения для этих трёх констант?

Все возможные единицы измерения являются производными от 7 базовых:

Расстояние – метр, м

Время – секунда, с

Масса – килограмм, кг

Электрический ток – Ампер, А

Количество вещества – моль

Интенсивность света – канделла, Кд

Температура – кельвин, К

(четыре последних нас сейчас не интересуют, они приведены просто для комплекта)

Любая другая величина выражается через использование этих семи. Например, скорость выражается как расстояние, преодолённое за время (метры в секунду, м/с), ускорение будет выражено как изменение скорости за единицу времени (метры в секунду за секунду или м/с²)

Как же выражаются используемые константы скорости света, гравитационной постоянной и постоянной самого Планка?

Скорость света (с) – это просто – м/с.

Постоянная Планка-Дирака (ħ) уже сложнее – исходя из определения, видно, что она имеет в себе единицы энергии, разделённые на частоту ħ = E / ω, где в числителе мы имеем энергию (Джоуль – это сила * расстояние, или 1 Дж = 1 Н•м=1 кг•м²/с²), а в знаменателе – частоту ([ω] = [2πf]) = Гц (раз в секунду или с⁻¹). Совместив единицы, мы получаем единицы измерения постоянной Планка (ħ): кг*м²/с.

Ну и гравитационная постоянная (G) выражается следующим образом:

Раз F = Gm1m2/r², то G = F r² / m1m2, то есть кг * м³ * c⁻² / кг² или м³ / кг * c²

Теперь, зададимся вопросом, а можем ли мы при помощи этих констант выразить длину?

Именно этот вопрос задал себе Макс Планк более 100 лет назад. Можно ли при помощи этих трёх фундаментальных констант создать новую единицу измерения длины? Трюк, который он придумал – записывать их как произведение G в какой-то степени α, ħ в какой-то степени β и с в какой-то степени γ:

Тогда его задача сводилась к определению степеней α, β и γ, таким, чтобы комбинации:

сводились бы просто к метрам.

Теперь, запишем левую часть уравнения в более подходящей форме:

Ну и теперь нам нужно просто сопоставить степени в левой и правой части уравнения, получив следующую систему:

Первое уравнение говорит нам, что α = β, зная это , получаем:

Следовательно, имеем α = 1/2 , β = 1/2, γ = – 3/2

Подставив значения степеней в формулу, мы обнаружим, что мы получили то же самое уравнение, что и раньше:

Планк не остановился на этом. Мы так же можем посчитать, а сколько массы нужно упаковать в этот объём, чтобы получить чёрную дыру. Нам всего только надо преобразовать полученное уравнение:

Есть так же «Планковское время» – строго говоря, время, за которое свет проходит расстояние равное «Планковской длине» (5,3 * 10⁻⁴⁴ с), но у этой величины есть и другое значение. Помимо того, что это – кратчайший интервал времени, который в принципе имеет физический смысл, это так же и кратчайший интервал, дальше которого мы никогда не сможем проникнуть в исследовании условий большого взрыва. Период с момента возникновения нашей Вселенной до 5,3 * 10⁻⁴⁴ с так и называется – Планковская эпоха.

Концепция самого времени теряет физический смысл на интервалах, меньше планковского времени!

Очень часто можно слышать вопрос «А что было до Большого взрыва?». Правда в том, что время не существовало как концепция на протяжении всей Планковской эпохи, как и не существовало никаких «до» (см. пост Правды и кривды теории Большого взрыва.).

Теперь, уткнувшись в столь фундаментальный барьер, мы можем только гадать, является ли пространство-время непрерывным на любом интервале, мы лишь не можем ничего измерить на расстояниях, меньших Планковских, либо пространство-время дискретно, имеет «воксели» – мельчайшие кирпичики, и тогда самым наглядным аналогом подобной реальности станет популярная игра Minecraft, а пространства-времени в меньшем масштабе попросту не существует.

Квантовая механика против философской идеи абсолютной пустоты⁠ ⁠

Все твёрдые и осязаемые тела состоят из вещества, собранного в атомах и молекулах, но между частицами есть пространство, в котором как будто бы ничего нет. Если следовать этой логике, то окажется, что и сами атомы состоят из пустоты.

Внутри атомов находятся электроны — точечные частицы, которые не имеют размеров, а ядро атома примерно в 10 тысяч раз меньше самого атома. Выходит, что любой атом почти целиком состоит из пустоты — почти всё вещество атома сосредоточено в его ядре. Ядро, в свою очередь, состоит из нейтронов и протонов, а они сложены из ещё более элементарных частей, которые называются кварками. И кварки тоже не имеют размеров — это просто точки.

Примерно так атом выглядит на самом деле — миниатюрное ядро в центре электронного облака, а между ними как будто бы ничего нет (Скриншот с видео MEL Science).

Подобные рассуждения исходят из неверных допущений. На самом деле пустоты не существует — на уровне микромира (одной триллионной доли миллиметра) есть как минимум три явления, которые делают размышления о пустоте бессмысленными.

ВЕЩЕСТВО НЕ ИМЕЕТ ЧЕТКИХ ГРАНИЦ И ВООБЩЕ СОСТОИТ ИЗ ВОЛН

Поведение молекул, атомов и отдельных частиц вроде нейтронов и протонов описывает квантовая механика со своими законами. Одно из основных правил квантовой механики — принцип неопределённости Гейзенберга. В вольной трактовке он звучит так:

Нельзя с одинаковой точностью узнать местонахождение частицы и её скорость. Чем больше определена скорость частицы — тем более размыто её местоположение, и наоборот.

Это ограничение фундаментально, оно не зависит от качества измерительных приборов. Чтобы как можно точнее определить скорость частицы — нужно пронаблюдать за ней какое-то время. В таких условиях о местоположении частицы можно сказать лишь «ну, её можно обнаружить где-то в этой области».

Принцип неопределённости — следствие двойственной природы любых частиц вещества. Тот же электрон — одновременно и частица, и волна. Как всякая волна, он «размыт» в пространстве. Поэтому в атоме его изображают не точкой, а целым облаком. Там, где яркость облака ниже — электрон находится реже, но вероятность его нахождения там никогда не равна нулю.

«Расплывчатость» микрочастиц это не допущение, продиктованное несовершенством научного оборудования, а фундаментальное свойство материи. Электрон — точечная частица, но только когда его зафиксировали (измерили). Пока электрон не зафиксирован — он «расплывается» как волна. Электрон не летает точкой где-то в этой волне — он и есть волна с неопределёнными границами и размерами.

Когда атомы собраны в молекулы, их электронные облака могут пересекать и перекрывать друг друга. Так что невозможно с уверенностью говорить о том, что между атомами — абсолютно пустое пространство. Там всегда может оказаться электрон. Принцип неопределённости может «забрасывать» его даже в самые «неудобные» области, просто вероятность этого крайне мала.

Электронные облака атома водорода на разных уровнях энергии электрона (Изображение Wikimedia).

Существуют «фотографии» и даже целые «видеозаписи» атомов, где они выглядят как чётко очерченные шарики. Но это не настоящие изображения атомов как они есть, а всего лишь визуализации, построенные на собранных данных. На таких визуализациях местоположение и границы атомов всегда изображаются «в среднем». Иначе понятная картинка превратилась бы в расплывчатую кашу.

Чем масштабнее вещественное тело — тем определённее его границы и местоположение. Поэтому отдельная частица может «заполнить собой» целую комнату (и даже Вселенную, это не запрещено), а тела, которые состоят из огромного числа частиц (стулья, машины и дома), не расплываются и занимают вполне конечное и определённое место.

Впрочем, даже большие тела не избавлены от квантовой «расплывчатости», просто их волновая составляющая так сильно сокращается, что становится незаметной. Но её можно засечь высокоточным оборудованием. Так, в обсерватории LIGO с помощью лазеров учёные зафиксировали квантовое «дрожание» 40-килограммового зеркала — оно колебалось в пределах одной миллионной одной миллиардной миллиметра.

ВИРТУАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ – "КЛЕЙ" МИРОЗДАНИЯ

Пусть электрон с ненулевой вероятностью может проявиться где угодно — всё-таки в атоме есть «тёмные» области, где вероятность нахождения электрона крайне мала. То есть, в этих областях большую часть времени нет никаких электронов, как и протонов, как и нейтронов. Значит, там абсолютно пусто?

И снова нет. Даже в самой «тёмной» области между ядром атома и его электроном есть нечто вполне материальное — «привязь», с помощью которой ядро удерживает электрон в атоме. Эта «привязь» — поток виртуальных фотонов, которые безостановочно снуют между ядром и электроном.

Виртуальные частицы так называются, потому что их нельзя зафиксировать напрямую. Они слишком быстро исчезают, распадаясь или превращаясь в другие частицы примерно за одну триллионную одной триллионной доли секунды. Расстояние, на которое они успевают переместиться, сравнимо с их «расплывчатостью» из-за принципа неопределённости. Это позволяет виртуальным частицам нарушать некоторые законы физики.

«Нормальные» частицы вроде реальных электронов и фотонов подчиняются базовым законам физики — их импульсы однозначно связаны с энергией, а энергию они не могут брать из ниоткуда. Но виртуальные частицы могут появляться сами по себе вопреки закону сохранения энергии, могут иметь отрицательную или мнимую массу. Всё это — полная бессмыслица с точки зрения физики. Тем не менее, есть масса признаков существования виртуальных частиц.

Эти «неправильные» частицы поистине вездесущи — они безостановочно рождаются и тут же исчезают во всех точках пространства: и между атомами, и внутри атомов, и даже внутри микрочастиц. Более того, они успевают «передать информацию» от одной реальной частицы к другой, если те находятся достаточно близко. Как в случае с электроном и протоном в ядре атома.

Схема строения протона — реальные кварки, виртуальные кварки и виртуальные глюоны. Численные масштабы не соблюдены (изображение CERN).

Внутри самого протона роль виртуальных частиц становится ещё более заметной. Протон состоит из кварков — фундаментальных частиц, которые скреплены между собой «клеем» из виртуальных глюонов, частиц-переносчиков сильного взаимодействия. Там же, прямо внутри протона «бушует море» виртуальных кварков, которые постоянно появляются и исчезают, внося некоторый вклад в массу протона.

Существование таких частиц может показаться странным и неестественным: как что-то природное может нарушать законы самой же природы? Причина — в принципе неопределённости. На очень малых расстояниях и промежутках времени некоторые физические пропорции могут «сломаться», потому что энергия, масса, импульс как бы не успевают принять определённых значений.

ВЕСЬ МИР КАК ВОЗМУЩЕНИЯ КВАНТОВЫХ ПОЛЕЙ

Двойственность материи, где электрон или фотон одновременно частица и волна, может показаться очень надуманной и неуклюжей концепцией. Это вина квантовой механики: при всей математической точности она довольно плохо описывает суть материи, потому что пытается «скрестить ежа с ужом» — классическую (макроскопическую) картину мира с микроскопической.

Но можно «спуститься на уровень ниже» и перейти к квантовой теории поля — она полностью отметает классические представления о реальности. В этой теории уже нет частиц как отдельных точек или очень маленьких шариков. Всё существующее здесь представлено в виде квантовых полей, а любые частицы — лишь как возмущения этих полей, локальные всплески энергии.

Фотон и электрон как возмущения квантового поля (Скриншот с видео Fermilab).

В таком случае, идея абсолютной пустоты отпадает как несостоятельная, даже если закрыть глаза на неопределённость положения реальных частиц и на постоянное «бурление» виртуальных частиц. Любое квантовое поле — совершенно монолитная материальная сущность, которая заполняет собой каждую точку пространства и имеет в каждой точке ненулевую энергию — энергию вакуума.

Такой подход позволяет иначе взглянуть на существование виртуальных частиц. Из-за принципа неопределённости поля постоянно колеблются, создавая иллюзию рождения частиц. Далеко не всегда это нормальные, полноценные частицы. Как правило, колебания полей порождают «дефективных уродцев» с «поломанными» свойствами. В нашей Вселенной такие частицы долго не живут — они-то и называются виртуальными.

Типичная диаграмма Фейнмана, которая изображает взаимодействие двух электронов через обмен виртуальным фотоном. Как правило, волнистыми линиями на таких диаграммах обозначаются только виртуальные частицы (Изображение Dummies).

Чем ближе свойства рождённой частицы к «физическому идеалу» — тем дольше она живёт. Тем частицам, что называются реальными, просто повезло иметь нормальные, пропорциональные свойства, которые соответствуют законам физики. Поэтому разница между реальными и виртуальными частицами — чисто количественная. По сути, всё это одно и то же, только первые проходят «естественный отбор», а вторые — нет.

МАТЕРИЯ ВЕЗДЕ, ПУСТОТЫ НЕ СУЩЕСТВУЕТ

Квантовые поля буквально «вшиты» в само пространство и заполняют его. В каком-то смысле, это и есть настоящая, фундаментальная материя нашей Вселенной. То, что люди привыкли видеть в повседневной жизни — лишь волновая «рябь» квантовых полей. Считать, что между частицами ничего нет — всё равно, что смотреть на горные вершины и думать, что между ними бесконечная пустота, только потому что пелена облаков скрывает землю внизу.

Понятие пустоты в физике вообще довольно условно, что демонстрирует эффект Унру. Его описание гласит: если начать достаточно быстро ускоряться, то из «пустоты» внезапно появятся частицы тёплого газа. То есть, «пустотность» окружающей среды зависит от ускорения наблюдателя, что совсем уж непривычно и полностью противоречит человеческой интуиции.

И пусть эффект Унру до сих пор не подтверждён на опыте — он хорошо показывает, насколько беспомощными могут быть попытки человека судить о пустоте и материи за пределами своей повседневной реальности, которая составляет очень и очень небольшую часть Вселенной.

Исследователи нашли новый квантовый материал⁠ ⁠

Группа исследователей из Венского технического университета совместно с Университетом Джона Хопкинса, Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) и Университетом Райса натолкнулась на удивительную форму «квантовой критичности» (критического поведения около квантовой критической точки). Это открытие может привести к разработке концепции новых материалов.

Полуметалл Вейля-Кондо

В повседневной жизни фазовые переходы обычно связаны с изменениями температуры —например, когда кубик льда нагревается и тает. Но есть также типы фазовых переходов в зависимости от других параметров, таких как магнитное поле.

Фазовые переходы для понимания квантовых свойств материалов особенно интересны, когда они происходят в точке абсолютного нуля температуры. Их еще называют «квантовыми критическими точками». Такая квантовая критическая точка была обнаружена австрийско-американской исследовательской группой в новом материале. Его свойства пока исследуются. Предполагается, что этот материал может быть так называемым полуметаллом Вейля-Кондо, который, как считается, имеет большой потенциал для квантовой технологии из-за особых квантовых состояний. Если его свойства подтвердятся, то может быть найден ключ к разработке топологических квантовых материалов.

Исследователи отметили, что обычно квантовое критическое поведение изучают в металлах или изоляторах, но они решили рассмотреть полуметалл. Этот материал представляет собой соединение церия, рутения и олова — со свойствами, которые находятся между свойствами металлов и полупроводников.

Как правило, квантовая критичность проявляется при очень специфических условиях окружающей среды — определенном давлении или электромагнитном поле. Но выбранный полуметалл продемонстрировал это состояние без каких-либо внешних воздействий.

Этот результат, вероятно, связан с тем, что электроны в материале ведут себя особым образом. «Электроны сильно взаимодействуют друг с другом, и вы не можете объяснить это поведение, глядя на них по отдельности», — отмечают авторы работы. — «Это электронное взаимодействие приводит к так называемому эффекту Кондо. Здесь квантовый спин в материале экранируется окружающими его электронами, так что он больше не влияет на остальной материал».

Если свободных электронов относительно мало, как в случае полуметалла, то этот эффект нестабилен. Это могло быть причиной квантового критического поведения материала: система колеблется между состоянием с эффектом Кондо и состоянием без эффекта Кондо.

Основная причина, по которой результат исследования имеет такое важное значение, заключается в том, что он, как предполагается, тесно связан с феноменом «фермионов Вейля». В твердых телах фермионы Вейля могут появляться в форме квазичастиц. Таким образом, они должны существовать и в этом материале, а квантовые критические флуктуации могут иметь стабилизирующий эффект на фермионы Вейля.

Исследователи предполагают, что определенные квантовые эффекты, а именно квантовые критические флуктуации, эффект Кондо и фермионы Вейля, вместе порождают экзотические состояния Вейля-Кондо. Это «топологические» состояния большой стабильности, которые, в отличие от других квантовых состояний, не могут быть легко разрушены внешним воздействием, что делает их особенно интересными для разработки квантовых компьютеров.

Команда ожидает, что подобное взаимодействие различных квантовых эффектов также можно привнести в другие материалы для их улучшения и адаптации для конкретных решений.