Як квантова фізика змінює світ
Квантова фізика працює з вивченням поведінки самих маленьких речей в нашому Всесвіті: субатомних частинок. Це відносно нова наука, лише на початку 20 століття вона стала такою після того, як фізиків став цікавити питання, чому вони не можуть пояснити деякі ефекти радіації. Один з новаторів того часу Макс Планк (Max Planck) при дослідженні крихітних часток з енергією використовував термін "кванти", звідси і пішла назва "квантова фізика". Планк зазначив, що кількість енергії, що міститься в електронах, не є довільним, а відповідає стандартам "квантової" енергії. Одне з перших результатів практичного застосування цього знання стало винахід транзистора.
На відміну від негнучких законів стандартної фізики, правила квантової фізики можна порушувати. Коли вчені вважають, що мають справу з одним з аспектів дослідження матерії і енергії, з'являється новий поворот подій, що нагадує їм про те, як непередбачувана буває робота в цій області. Тим не менш, вони, навіть якщо не повністю розуміють, що відбувається, можуть використовувати результати своєї роботи для розробки нових технологій, які часом можуть бути названі не інакше, як фантастичними.
В майбутньому, квантова механіка зможе допомогти зберегти військові секрети, а також забезпечити безпеку і захистити ваш банківський рахунок від кібер-злодіїв. Вчені в даний час працюють на квантових комп'ютерах, можливості яких виходять далеко за межі звичайного ПК. Розділені на субатомні частинки, предмети в одну мить легко можуть бути перенесені з одного місця на інше. І, можливо, квантова фізика зможе дати відповідь на найбільш інтригуюче питання щодо того, з чого складається всесвіт і як зародилося життя.
Нижче представлені факти, як квантова фізика може змінити світ. Як сказав Нільс Бор (Niels Bohr): "Той, хто не шокований квантовою механікою, просто ще не зрозумів принцип її роботи".
Незабаром, можливо, завдяки квантовій фізиці, можна буде усунути турбулентні зони, через які ви проливаєте сік в літаку. Шляхом створення квантової турбулентності в ультрахолодних атомах газу в лабораторії, бразильські вчені, можливо, зрозуміють роботу турбулентних зон, з якими стикаються літаки і човни. Протягом століть, турбулентність ставила в тупик вчених через труднощі її відтворення в лабораторних умовах.
Турбулентність викликається згустками газу або рідини, але в природі здається ніби вона формується хаотично і формується несподівано. Хоча турбулентні зони можуть утворюватися в воді і в повітрі, вчені виявили, що вони також можуть формуватися і в умовах ультрахолодних атомів газу або в середовищі сверхтекучего гелію. За допомогою вивчення цього явища в контрольованих лабораторних умовах, вчені в один прекрасний день зможуть точно передбачати місце появи турбулентних зон, і, можливо, контролювати їх в природі.
Новий магнітний напівпровідник, розроблений в Массачусетському технологічному інституті, може привести до появи ще більш швидкого енергоефективного електронного пристрою в майбутньому. Звана «спінтроніка», ця технологія використовує спіновий стан електронів для передачі і зберігання інформації. У той час, як звичайні електронні схеми використовують тільки Зарядове стан електрона, спінтроніка користується перевагами спинового напрямки електрона.
Обробка інформації за допомогою схем спінтроніки дозволить даними накопичуватися відразу з двох напрямків одночасно, що так само зменшить розмір електронних схем. Цей новий матеріал впроваджує електрон в напівпровідник на основі його спину орієнтації. Електрони проходять через напівпровідник і стають готовими бути спін-детекторами на стороні виходу. Вчені стверджують, що нові напівпровідники можуть працювати при кімнатній температурі і є оптично прозорими, що означає можливість роботи з сенсорними екранами і сонячними батареями. Вони також вважають, що це допоможе винахідникам придумати ще більш багатофункціональні пристрої.
Ви ніколи не замислювалися про те, якою б була наша життя, якщо у нас була можливість подорожувати в часі? Ви б убили Гітлера? Або приєдналися б до римським легіонам для того, щоб побачити стародавній світ? Проте, поки ми всі фантазуємо на тему, щоб ми зробили, якби у нас була можливість повернутися в минуле, вчені з каліфорнійського університету Санта-Барбари вже очищають шлях до відновлення образ минулих років.
Зараз вчені намагаються з'ясувати, як можна "перестрибнути" момент розпаду і увійти в той світ, який нам не бачимо. Це подорож в паралельні всесвіти в часі теоретично повинно працювати, оскільки квантові частинки рухаються і вперед, і назад в часі. Тепер, все, що вчені повинні зробити - це побудувати машину часу за допомогою квантових частинок.
Незабаром, квантові фізики зможуть допомогти лікарям виявляти ракові клітини в організмі і точно визначати, куди вони поширилися. Вчені виявили, що деякі дрібні напівпровідникові кристали, звані квантовими точками, можуть світитися під впливом ультрафіолетового випромінювання, а також їх вдалося сфотографувати за допомогою спеціального мікроскопа. Потім їх з'єднали з особливим, «привабливим» для ракових клітин матеріалом. При попаданні в організм світяться квантові точки притягувалися до ракових клітин, показуючи тим самим, лікарям, де саме шукати. Світіння триває досить тривалий час, і для вчених процес налаштування точок під характеристики конкретного виду раку щодо нескладний.
Хоча високотехнологічна наука, безумовно, несе відповідальність за багато медичні досягнення, людина протягом століть залежимо від багатьох інших засобів боротьби з захворюванням.
Важко уявити собі, що може бути спільного між корінним американцем, цілителем-шаманом і піонерами квантовій фізиці. Однак, між ними все ж є щось спільне. Нільс Бор, один з ранніх дослідників цієї дивної області науки, вважав, що багато з того, що ми називаємо реальністю залежить від "ефекту спостерігача", тобто зв'язок між тим, що відбувається, і як ми це бачимо. Ця тема породила розвиток серйозних дебатів між фахівцями квантової фізики, однак, експеримент, проведений Бором понад півстоліття тому, підтвердив його припущення.
Все це означає, що наша свідомість впливає на реальність і може змінити її. Повторювані слова молитви і ритуали церемонії шамана-цілителя можуть бути спробами змінити напрямок "хвилі", яка створює реальність. Більшість обрядів проводяться також в присутності численних спостерігачів, вказуючи на те, що чим більше "хвиль зцілення" виходить від спостерігачів, тим потужніше вони впливають на реальність.
Взаємозв'язок об'єктів може в подальшому надати величезний вплив на сонячну енергію. Взаємозв'язок об'єктів передбачає квантову взаємозалежність атомів, розділених в реальному фізичному просторі. Фізики вважають, що взаємозв'язок може утворитися в частині рослин, відповідальних за фотосинтез, або перетворення світла в енергію. Структури, відповідальні за фотосинтез, Хромофор, можуть перетворювати 95 відсотків одержуваного світла в енергію.
Зараз вчені вивчають, як цей взаємозв'язок на квантовому рівні може вплинути на створення сонячної енергії в надії створення ефективних природних сонячних елементів. Фахівці також виявили, що водорості можуть використовувати деякі положення квантової механіки для переміщення одержуваної від світла енергії, а також зберігати її в двох місцях одночасно.
Інший не менш важливий аспект квантової фізики може бути застосований в комп'ютерній сфері, де особливий тип надпровідного елемента дає комп'ютера безпрецедентну швидкість і силу. Дослідники пояснюють, що елемент поводиться як штучні атоми, оскільки вони можуть тільки або отримати, або втратити енергію шляхом переміщення між дискретними рівнями енергії. Найскладніший за будовою атом володіє п'ятьма рівнями енергії. Ця складна система ( «кудіт») володіє значними перевагами в порівнянні з роботою попередніх атомів, у яких було лише два рівня енергії ( «кубіт»). Кудіти і кубіти це частина бітів, використовуваних в стандартних комп'ютерах. Квантові комп'ютери в своїй роботі використовуватимуть принципи квантової механіки, що дозволить їм виконувати обчислення набагато швидше і точніше в порівнянні з традиційними комп'ютерами.
Існує, однак, проблема, яка може виникнути, якщо квантові обчислення стануть реальністю - криптографія, або кодування інформації.
Вся інформація, починаючи від номера вашої кредитної картки і закінчуючи надсекретними військовими стратегіями, є в мережі інтернету, а кваліфікований хакер з достатньою кількістю знань і потужним комп'ютером може спустошити ваш банківський рахунок або піддати світову безпеку загрозу. Спеціальна кодування тримає цю інформацію під секретом, а комп'ютерні фахівці постійно працюють над створенням нових, більш безпечних методів кодування.
Це наукова фантастика, не більше. Однак, вона була здійснена, але тільки не за участю людини, а за участю великих молекул. Але в цьому й полягає проблема. Кожна молекула в організмі людини повинна бути відсканована з двох сторін. Але це навряд чи відбудеться найближчим часом. Є ще одна проблема: як тільки ви скануєте частку, за законами квантової фізики, ви міняєте її, тобто у вас немає можливості зробити її точну копію.
Ось де проявляється взаємозв'язок об'єктів. Вона пов'язує два об'єкти так, ніби вони є єдиним цілим. Ми скануємо одну половину частки, а телепортіруемая копія буде зроблена іншою половиною. Це буде точна копія, оскільки ми не вимірювали саму частку, ми вимірювали її двійника. Тобто частка, яку ми виміряли, буде зруйнована, але її точна копія реанімована її двійником.
Вчені використовують дуже величезна своє творіння - великий адронний коллайдер - для того, щоб досліджувати щось вкрай маленьке, але дуже важливе - фундаментальні частинки, які, як сподіваються, лежать в основі зародження нашого Всесвіту.
Частинки Бога - це те, що, як стверджують вчені, дає масу елементарних частинок (електронів, кварків і глюонів). Фахівці вважають, що частинки Бога повинні пронизувати все простір, але до сих пір існування цих часток не доведено.
Виявлення цих частинок допомогло б фізикам зрозуміти, як Всесвіт оговталася після Великого Вибуху і перетворилася в те, що нам відомо про неї сьогодні. Це також допомогло б пояснити, як речовина балансує з антиречовиною. Коротше кажучи, виділення цих частинок допоможе пояснити все.
Переклад: Баландіна Е. А.