Facebook
Капитал страны
Капитал Страны
ENGLISH
Меню
02 ДЕК, 03:26 МСК
USD (ЦБ)    75,5379
EUR (ЦБ)    88,9960

02 ДЕК, 03:26 МСК
USD (ЦБ)    75,5379
EUR (ЦБ)    88,9960


Триумф интеллекта. Что дало человечеству открытие фантастического квантового мира

14 Июня 2018 12181 0 Наука и технологии
Триумф интеллекта. Что дало человечеству открытие фантастического квантового мира

Мы привыкли к тому, что наш мир воспроизводит себя по своему подобию от малого до большого. Вот упало семечко в землю и потом выросло из него дерево: из соснового семечка – сосна, из березового – береза, а не наоборот. И в неживой природе то же самое: каждая капля воды в безмерном океане обладает теми же свойствами, что и вся эта огромная масса жидкости.

Все намного сложнее

Казалось бы, это такой универсальный закон функционирования нашего мира. Так-то оно так, но не совсем. Как выяснилось в начале XX века, все намного сложнее.

Вся окружающая нас материя (живая и неживая) состоит из атомов (кому интересно, может взглянуть на «таблицу Менделеева» – в интернете есть). Когда-то считали, что все эти менделеевские атомы являются теми основополагающими элементарными компонентами, из которых все и устроено.

Потом выяснилось, что нет. Атомы имеют сложную внутреннюю структуру. Они состоят из так называемых «ядер», которые образуют протоны и нейтроны (ядра, по масштабам атомов, тяжелые), и вращающихся вокруг них электронов (они легкие). Все это отдаленно напоминает нашу солнечную систему. В центре – огромное и массивное солнце, а вокруг него вращаются маленькие (по сравнению с солнцем) планеты.

Нейтроны, протоны и электроны были названы «элементарными частицами». Далее обнаружилось, что электрон – он, действительно, «элементарный». А протоны и нейтроны – нет. Они состоят из так называемых кварков.

Да и других «элементарных» частиц со временем открыли великое множество, они взаимодействуют между собой, преобразуются друг в друга. Сейчас уже стало понятно, по каким законам.

Это понимание дала так называемая «стандартная модель» – одно из величайших достижений современной физики. А в ее основе лежит квантовая механика, которая возникла в конце XIX века – (Макс Планк) начале XX века (Эйнштейн, Нильс Бор и другие выдающиеся ученые).

Фантастичность жизни микромира

Так в чем состоит фантастичность жизни микромира? Прежде всего, в том, что он живет по вероятностным законам. Что это означает?

Вот представьте себе, что вы идете по лесу, ориентируясь на солнце. Небо чистое и голубое – так нет проблем. А если все затянуто облаками? Свет-то он есть. Но откуда идет? И где там солнце? Вы смотрите на небо. Вот здесь вроде ярче. Наверно, солнце там. Но ваш прогноз может быть неверным. А вдруг в этом месте просто облака раздвинулись? А потом они раздвинутся в другом месте?

Так что же делать? Дождаться пока эти облака действительно разойдутся, и вы увидите солнце в его законном месте. Говоря словами физики, «произведете измерение».

Вот так и в квантовой механике. Положение и характеристики каждой элементарной частицы носят случайный характер. Так называемый «корпускулярно-волновой дуализм». Т.е. она, частица, с одной стороны вроде бы и частица, такой маленький материальный объект, как песчинка – мала, но вот она, лежит здесь, на ладони.

А с другой стороны, она ведет себя по тому примеру солнца в облаках. Где оно? То ли тут, то ли там.

Спор Эйнштейна и Бора

Интересно, что Эйнштейн получил свою «нобелевку» вовсе не за теорию относительности, а за одну небольшую статью о квантовой механике, объяснявшей явление так называемого «фотоэффекта». Эйнштейн и Бор, тоже нобелевский лауреат, всю жизнь вели дискуссию об основах этой науки.

Дело все в том, что, как мы уже говорили, микромир живет по вероятностным законам. Эйнштейн по этому поводу однажды сказал – «Господь не играет в кости». На что Бор ему ответил: «Альберт, не надо учить Бога, как ему жить».

Суть спора, кстати, много сделавшего для развития науки, состояла в следующем. Эйнштейн считал, что весь математический аппарат квантовой механики не отражает истинного устройства микромира, а просто является такой хорошей придумкой, которая позволяет с высокой точностью предсказывать происходящие там события. А Бор отвечал ему, что это не так: если наши вычисления совпадают с результатами наблюдений и экспериментов, то они описывают истинное устройство мира. Сейчас в научном сообществе преобладает точка зрения Бора. Хотя вопросов накопилось много. Они носят фундаментальный характер, и ответов на них пока нет. Что касается практических применений, то здесь, как мы расскажем далее, все более или менее в порядке.

Как квантовая физика согласуется с законами макромира

Дело в том, что хотя все эти элементарные частицы живут по своим законам, весь окружающий макромир, в том числе и мы с вами, состоящие из всей этой «мелочи», живет по законам другим. Как так?

Ученые нашли ответ на этот вопрос. Дело в том, что так называемое уравнение Шредингера – основа описания всей квантовой физики, переходит в классические уравнения физики Ньютона, к которой мы привыкли. Это установил нобелевский лауреат Де Бройль, который, еще тогда, в начале XX века, ввел понятие «длинны волны Де Бройля» и показал, что если она мала, то квантовая физика переходит в ньютоновскую. А для всех макрообъектов, таких, например, как мы с вами, она мала. Так что ларчик открылся просто.

Что принесла нам квантовая физика

 Ньютоновская физика отражает привычные нам эмпирические представления о мире, на которых основаны все ключевые инженерные достижения нашего времени – самолеты, автомобили, ракеты и далее по списку.

Хотя и не все. Компьютеры, мобильные телефоны и прочие гаджеты, интернет, лазеры, оптоволоконные сети, атомная энергетика, рентген, томография, электронные микроскопы – все это не могло бы быть создано без науки о квантах.

Кто это сделал? В большинстве случаев какого-то одного автора всех этих изобретений нет, потому что над ними работало множество коллективов инженеров и ученых из разных стран. И все развивалось постепенно. Сначала появлялись первые, весьма несовершенные прототипы. Идеи, положенные в их основу, подхватывались и начинали развиваться. И так шаг за шагом, пока не появлялись то, чем мы привыкли пользоваться. Причем, как правило, это происходило параллельно в разных лабораториях и исследовательских центрах мира. Затем в дело вступали крупнейшие технологические компании, которые вкладывали большие инвестиции в то или иное изобретение и доводили его до промышленного производства. Вот только один пример.

Лазеры

Это слово, конечно, слышали все. Современные лазеры в разных своих ипостасях используются сейчас повсеместно. В медицине, например, глазная хирургия, в промышленности – сварка металлических конструкций, в оборонной промышленности – системы наведения, в космосе и исследованиях термоядерных реакций. Без сомнения можно сказать, что лазеры – одно из величайших технологических достижений XX века.

Так что такое лазер? Если говорить по-простому, то эта штука, устроена примерно так. Она состоит из «рабочего тела» и системы «накачки». Рабочим телом может быть какой-то газ или кристаллическое вещество. Система «накачки» определенным образом вкачивает (потому она так и называется) энергию в рабочее тело. Это приводит составляющие его (рабочего тела) атомы в «возбужденное» состояние. И они излучают электромагнитные волны с определенной частотой (так называемое когерентное излучение). Это излучение распространяется в пространстве в виде узкого, практически не рассеивающегося, пучка, и, достигая объекта применения (глаза или металлической конструкции), делает свое дело. Естественно, что лазеры, применяющиеся в разных сферах нашей жизни, обладают разными свойствами и разной мощностью.

Так откуда все это появилось? Кто эти лазеры изобрел? А вот так однозначно и не скажешь.

История создания лазеров

Еще в 1916 году Альберт Эйнштейн работал над квантовомеханической теорией взаимодействия излучения и материи. Из нее вытекала возможность создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн. Хотя Эйнштейн об этом и не писал, написал Алексей Толстой в своем романе «Гиперболоид инженера Гарина». Это гиперболоид был типичным примером сверхмощного лазера. Хотя понятно, что Толстой о лазерах (которых еще не было) и о квантовой механике ничего не знал. Так что это была так – научная фантастика.

Первая попытка экспериментально обнаружить то самое индуцированное рабочим телом излучение была предпринята только в 1928 году. Но к каким-то значимым результатам не привела.

И только в 1955 году советские ученые Николай Басов и Александр Прохоров разработали действующий прототип лазера. Разумеется, он не был промышленным.

Эти работы были подхвачены американскими физиками. Через два года Чарльз Таунс и Артур Шавлов начали работать над принципами создания лазеров. Наконец, в 1960 году исследователи из Bell Laboratories Али Джаван, Уильям Беннетт и Дональд Хэрриот продемонстрировали первый в мире промышленный газовый лазер на смеси гелия и неона, который повсеместно применяется и в наши дни. После этого физики и инженеры всего мира включились в гонку по созданию всевозможных лазеров, которая идет и по сей день.

Кстати, Басов, Прохоров и Таунс получили в 1964 году Нобелевскую премию за свои революционные разработки.

Вот и скажи после этого, кто создал лазеры. Человечество.

Вот так вся эта квантовая неопределенность в конечном итоге складывается во вполне стройную и предсказуемую картину нашего макромира. А таинства квантовой физики превращаются, в конечном итоге, во вполне осязаемые инженерные достижения, без которых уже сложно представить нашу жизнь.

Сергей Егорушкин

Написать комментарий

правила комментирования
  1. Не оскорблять участников общения в любой форме. Участники должны соблюдать уважительную форму общения.
  2. Не использовать в комментарии нецензурную брань или эвфемизмы, обсценную лексику и фразеологию, включая завуалированный мат, а также любое их цитирование.
  3. Не публиковать рекламные сообщения и спам; сообщения коммерческого характера; ссылки на сторонние ресурсы в рекламных целях. В ином случае комментарий может быть допущен в редакции без ссылок по тексту либо удален.
  4. Не использовать комментарии как почтовую доску объявлений для сообщений приватного характера, адресованного конкретному участнику.
  5. Не проявлять расовую, национальную и религиозную неприязнь и ненависть, в т.ч. и презрительное проявление неуважения и ненависти к любым национальным языкам, включая русский; запрещается пропагандировать терроризм, экстремизм, фашизм, наркотики и прочие темы, несовместимые с общепринятыми законами, нормами морали и приличия.
  6. Не использовать в комментарии язык, отличный от литературного русского.
  7. Не злоупотреблять использованием СПЛОШНЫХ ЗАГЛАВНЫХ букв (использованием Caps Lock).
Отправить комментарий

Статьи

Путин нашел выход для России при отказе мира от нефти

Путин нашел выход для России при отказе мира от нефти
Экономика 1

Рост цен и массовые сокращения. К чему привела «превосходная» девальвация рубля

Рост цен и массовые сокращения. К чему привела «превосходная» девальвация рубля
Экономика

Российские олигархи рекордно разбогатели в 2020 году

Российские олигархи рекордно разбогатели в 2020 году
Экономика 1

Молдавия отказалась выплачивать России «нечестный и несправедливый» долг за газ

Молдавия отказалась выплачивать России «нечестный и несправедливый» долг за газ
Экономика 2

Новости бизнеса

Миллиарды импорта и сотни совместных компаний с Россией. Чем рискует Белоруссия в период кризиса

Миллиарды импорта и сотни совместных компаний с Россией. Чем рискует Белоруссия в период кризиса

Исследование: как изменились расходы компаний в пандемию

Исследование: как изменились расходы компаний в пандемию

Узнай, страна!

Власти Оренбуржья увеличивают субсидии аграриям

Власти Оренбуржья увеличивают субсидии аграриям

Уникальная пермская IT-разработка помогает бороться с коронавирусом

Уникальная пермская IT-разработка помогает бороться с коронавирусом
Капитал страны
Нашли ошибку на сайте? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter