Этот канал создан для обмена знаний по квантовой и ядерной физике, квантовой информатике и других смежных областях науки простыми словами.

Мотивом послужило желание «вспомнить» (а точнее узнавать заново) о простых истинах квантовой физики, объяснить их доступным языком для детей, «гуманитариев» и других, кто не занимается этим профессионально. Поводом также послужило желание разобраться в принципе работы квантового компьютера и квантовой криптографии.

Для подачи материала подобраны книги, видео лекции, интервью и прочие источники информации, которыми хочется поделиться.

Важно: канал не претендует на полную научность и допускает упрощения и искажения ради простоты подачи, а также собственные ошибки в восприятии этого сложного, но интересного раздела науки.

Кто являются основателями квантовой физики?

Первыми представителями квантовой физики являются Макс Планк и Нильс Бор, которые ввели понятие кванта и получили за это Нобелевские премии, а вовсе не Альберт Эйнштейн, который ассоциируется с квантовой физикой благодаря его знаменитой теории относительности. Конечно же было и много других физиков, причастных к зарождению квантовой теории, но чтобы с чего-то начать, кратко расскажем об их экспериментах и ключевых выводах.


Макс Планк ввел понятие кванта благодаря интерпретации имеющихся экспериментальных исследований об излучении тела. Он сначала нашел эмпирическим путем формулу для спектральной плотности энергии равновесного излучения (известного также как излучение черного тела), а потом и вывод этой формулы и изложил 14 декабря 1900г. на заседании Немецкого физического Общества. Этот день считается днем рождения квантовой физики. Принципиальным результатом его работы послужило объяснения излучения (поглощения) света веществом не непрерывно, как предсказывала бы волновая теория света, а конечными порциями, квантами света или квантами энергии. Сначала такой подход касался только света, а затем распространился и на другие разделы физики, которые позволили объяснить природу поведения объектов в области атомных и субатомных масштабов (электроны, протоны, атомы и даже молекулы углерода С60, называемые бакминстерфуллеренами).

Нильс Бор использовал квантовый характер излучения и поглощения света для объяснения спектральных закономерностей, продемонстрированных в опытах, когда газ при его нагреве испускал излучение и при пропуске этого излучения через призму давал спектр линий. Нильс Бор предположил строение атома таким образом, где электрон не просто находится на какой-то орбите, но может находиться на дискретных уровнях, а при излучении или поглощении света электрон перепрыгивает на следующий или предыдущий уровень орбиты. Постулат Бора, как было впоследствии сформулировано в квантовой физике, являлся уже слесдтвием основных приницпов квантовой механики. Например, неправильным было у Бора представление о траектории движения эклетрона по определенной орбите (на самом деле он не движется по орбите, а статистически распределен в пространстве).

Альберт Эйнштейн позднее использовал теорию кванта для объяснения своего опыта фотоэлектрического эффекта, за которую получил нобелевскую премию (хотя и стал известен благодаря теории относительности). О самом экперименте мы расскажем позднее, а сейчас упомянем лишь тот интересный факт, что вначале Эйнштейн возражал квантовой теории. В мае 1935г. вышла известная работа, напечатанная в "The Physical Review" под названием "Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?"


Немного запутались? В следующих постах мы расскажем по порядку, что такое квант, в чем заключается волновая теория света, и как интуиция подводит в объяснении поведения частиц в атомных и субатомных масштабах. Обо всем по порядку.
#основателиквантовойфизики

Чтобы понять что такое свет и причем здесь кванты света, нужно отмотать историю физики немного назад. Ниже краткая эволюция представлений о природе света:

Пифагор (580-500 лет до н.э.) считал, что предметы становятся видимыми благодаря испускаемыми ими мельчайшими частицами и попадающими в глаза наблюдателя. Представление о свете как о корпускуле или отдельных частицах называется в физике корпускулярной теорией природы света.

Декарт предполагал, что свет - это сжатие, распространяющееся в идеальной упругой среде (эфире), заполняющей мировое пространство и и промежутки между частицами тел - то есть распространение света было представлено подобно волнам.

Гук (1635-1703) считал, что свет представляет собой импульсы сжатия, распространяющиеся мгновенно или с очень большими скоростями. Были и другие сторонники представления о свете как о волне, включая чешского и итальянского монахов Марци и Гримальди. Такое представление о свете было названо волновой теорией природы света.

Более систематические теории о представлении света были развиты Исааком Ньютоном и Христианом Гюйгенсом. Оба придерживались разных взглядов: Ньютон склонялся к корпускулярной теории света, нежели волновой, Гюйгенс же наоборот.
Не вдаваясь в формулы, ключевым выводом обеих теорий было заключение, что скорость света в разных средах отличается от скорости света в вакууме, однако зависимость была полностью противоположной в двух теориях. Согласно корпускулярной теории света ее скорость должна быть выше в более плотной среде (например, в воде), чем в вакууме, а в волновой теории - наоборот. Точку в спорах поставили эксперименты Физо и Фуко в 1850г., которые впервые измерили скорость света лабораторными методами. Опыты подтвердили правдивость волновой теории света.

Но самый значимый сдвиг в теории о свете был установлен Максвеллом, который изучал общие законы электромагнитного поля и вывел известные уравнения Максвелла для электромагнитных волн. Одним из его теоретических выводов было определение формулы для скорости распространения электромагнитного поля, которая зависит от постоянных, характеризующих электромагнитные свойства среды и скорости света. Так, например, в вакууме скорость электромагнитного поля равна скорости света. Именно этот вывод и навел Максвелла на мысль о том, что свет и есть электромагнитное поле. Позднее Фарадей в 1846г. подтвердил такой вывод экспериментально.

Но и это еще не все! Волновая теория света не давала объяснения всем явлениям, например, как в эксперимента Макса Планка с излучением черного тела в виде спектральных линий. Объяснение такого опыта удалось объяснить только с введением представления о том, что излучение и поглощение света происходит не непрерывно, а конечными порциями или квантами энергии. Затем Эйнштейн развил данную теорию, что не только излучение и поглощение, но и распространение света происходит конечными порциями - квантами света с определенной энергией и импульсом.Так появилось представление о фотонах - частицах света с определенной энергией светового кванта E=hv частотой волны v.

Может показаться, что последние исследования привели ученых к ранее существовавшей теории о природе света с точки зрения корпускулярной теории, однако это не так. Здесь корпускула уже рассматривается в субатомных масштабах, где законы классической механики неприменимы.

Представить все это воедино, как свет может быть одновременно и волной и частицей невозможно, здесь речь идет об обобщении опытных фактов и разных областях применения: описание распространения света хорошо дает волновая теория света (например, для явлений интерференции - наложения волн и дифракции - огибания волнами препятствий). Для описания взаимодействия света и вещества необходимы корпускулярные представления в субатомных масштабах, которые дает квантовая физика.

Именно такая двойственность света как волны и частицы привела к современному пониманию света с точки зрения корпускулярно-волнового дуализма.
#теориясвета

Если немного отвлечься от теории и обратиться к вопросу об интересных источниках информации о квантовой физике, то сразу скажу - их много! И они настолько удивительные, что будут выдаваться здесь порционно.
Например, начнём с простого: увлекательные и захватывающие лекции и видео от физика Алексея Семихатова. Простыми словами он рассказывает о природе электрона и парадоксе об известном коте Шредингера, который то ли жив, то ли мертв.
Рекомендую к просмотру например вот это видео: https://youtu.be/fULXL6wdO4I?si=r6pQPF9KYVA5VT3I
#источники

Количество подписчиков неожиданно увеличилось в четере раза буквально за одни сутки! Спасибо вам за проявленный интерес и надеюсь, что публикации в этом канале будут интересны и полезны.
Продолжая делиться источниками, начну, пожалуй, с самых простых, в том числе подходящих для детей, и закончу самыми сложными.
Итак, перечисляю (мои фавориты помечены восклицательным знаком!):

1. Мультфильм "Пинкод" - удивительно, но он довольно просто и понятно доносит разные инетресные факты из физики и квантовой физики. Конечно же, в первую очередь подходит для детей 5-10 лет и прививает интерес к науке, из него дети вполне усваивают принципы работы ядерно-магнитного резонанса, знакомятся с формулой энергии E=mc2 и даже узнают принцыпы теории струн.

2. (!) Вполне недетский курс "Наука и смелость" от Арзамаса из детского приложения "Гусь Гусь" - про известных физиков, их жизнь и открытия. Интересно слушать и взрослым, интригует не меньше, чем сериалы от Netflix.

3. Курс "Как атом изменил нашу жизнь" от Арзамаса о создании атомной бомбы в СССР - не такой простой и доступыный как предыдущий, но не менее интересный. Последние два курса могут составить вполне полноценное понимание о работе физиков Советского Союза и за его пределами.

4. Недавно вышедший и всем известный фильм Oppenheimer о создателе атомной бомбы в США - захватывающий и наверное вполне близкий к историчексой правде, если конечно не вникать в смысл диалогов о квантовой физике в первой половине фильма) Подсказывают, что хорошей российской альтернативой является сериал "Бомба".

5. Книга "Физика на пальцах" - подходит для детей и взрослых. Некоторые подписчики, читая канал, сетуют, что материал не так уж и прост. Увы, объяснить некоторые темы парой постов в телеграмм канале бывает сложно, но чтобы было проще усваивать материал и тем, кто забыл физику со школы данная книга может быть крайне полезна.

6. (!) Книга "Суперсила" П. Дэвиса - очень рекомендую! в ней мы как раз ближе подходим к сути и все еще доступному объяснению о квантовом мире.

7. (!) Видеолекции о квантовой физике от MIT Quantum Physics I - при знании английского языка этот курс относительно просто доносит сложные вещи с демонстрацией экспериментов и даже фоновой музыкой русского рока) По крайней мере, не обладая необходимым мат.аппаратом, можно вполне усвоить материал как минимум первых трех лекций. Слушаются с большим удовольствием во многом благодаря энтузиазму и подаче лектора.

8. (!) Книга "Квантовая случайность" Николя Жизан написана без формул и для "гуманитариев". Книгу приобрела в поисках простого материала о принципах работы квантовых компьютеров. Идея работы квантового компьютера не раскрыта, но в книге представлены самые актуальные вопросы переднего края современной квантовой физики - раскрывается суть неравенства Белла о своего рода нелокальности нашего мира и связанности/запутанности состояний разнесенных в пространстве фотонных пар, которые позволяют сверхсветовую передачу информации (квантовая телепортация). Сложна в понимании, требует концентрации, но в хорошем смысле взрывает мозг и наводит на очень филосовские рассуждения. Здесь наверное самое доступное разъяснение "принципа неопредленности" Гейзенберга. Книга заставляет задуматься о природе истинной случайности, присущей нашему миру, о том как же определяется результат случайности и о многом другом.

9. Книга "КЭД - Странная теория света и вещества" от оригинального и остроумного Ричарда Фейнмана - это конечно же классика.

10. (!) Не могу обойти стороной книги курса общей физики от Сивухина Д.В. Для настоящего физика - это базовый материал. Безусловно, требует знания мат. аппарата, но и некоторые главы без формул дают очень хорошее представление о предмете.

11. Для тех, кто готов пойти дальше, потребуется серьезный уровень мат. аппарата. Поскольку квантовая физика научном языком описана в основном в матричном виде, то знания линейной алгебры, и в особенности представления об унитарных и гильбертовых пространствах здесь необходимы. Подойдет, например, вот такой учебник аналитической геометрии и линейной алгебры

#источники

12. "Приницпы квантовой механики" П. Дирак - если ее освоить, то дальше в чтении этого канала у вас уже точно не возникнет необходимости:)

13. Ну и если наконец-то приблизиться к квантовой информатике, то самое лучшее из найденного мной - это лекции и книги Холево А.С. Единственный недостаток заключается в том, что они требуют хорошего понимания материала из предыдущих двух пунктов

Делитесь и вы своими полезными источниками в комментариях!
#источники

Чем отличается рентгеновское излучение от бетта-излучения и альфа-излучения? Отвечаю.

Во-первых, под светом принимаются не только видимый свет, но и примыкающие к нему области спектра электромагнитного излечения - инфракрасного и ультрафиолетового.
Области спектра отличаются между собой длиной волны и частотой - величинами, которые характеризуют не только волновые, но и квантовые свойтва электромагнитного излучения.
Для начала, напомним, что такое длина волны. Длина волны- это расстояние, на которое распространяется волна, равное периоду колебания, или грубо говоря, это расстояние между двумя максимумами или минимумами волны на рисунке.
Спектр принято делить на радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Различаются они по способу генерации и приему излучения, а границы между ними очень условны.
Если по порядку, то:
радиоволны - это волны, длина волны которых превосходит 0,1 мм. Их делят на 1) сверхдлинные волны с длиной волны более 10 км, 2) длинные волны с длиной волны между 1 и 10 км, 3) средние волны с длиной волны между 100 м и 1 км, 4) короткие волны с длиной волны между 10 м и 100 м, 4) ультракороткие волны с длиной волны менее 10 м; 5) ультракороткие волны с длиной волны менее 10 м. Последние принято делить на метровые, дециметровые, миллиметровые, субмиллиметровые или микрометровые волны. Например, волны СВЧ из микроволновой печи (СВЧ) - это волны длиной волны всего лишь менее 1 м!

Оптическая область спеткра - это видимое излучение, занимаемое от инфракрасного до ультрафиолетового излучения. Основная характеристика оптической области спектра заключается в том, что длина волны велика по сравнению с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями, но на границах оптической области спектра эти взаимосвязи нарушаются и длина волны уже сопоставима с межмолекулярными расстояниями. Именно так вы можете запомнить, какие волны вы видите визуально!

В области рентгеновского и гамма-излучения на первый план уже выступают квантовые свойства излучения. Рентгеносвкие излучения возникают при торможении быстрых заряженных частиц , а также в результате процессов, происходящих внутри элеткронных оболочек атомов. Гамма-излучения появляются в результате процессов, происходящих внутри ядер атомов или превращения элементарных частиц, например, при торможении быстрых заряженных частиц. Если говорить чуть проще, то альфа-излучение — это поток ядер гелия-4 = 2 протона+ 2 нейтрона, бета — поток быстрых электронов, а гамма — поток фотонов высокой энергии. Подробнее здесь

Автор посмотрел пресс-конференцию Банка России по изменению ключевой ставки и много думал. О чем? Об эффекте Джанибекова, который был упомянут в прессе в контексте того, что изменение ключевой ставки, направленное на охлаждение кредитования экономики, не приводит к желаемому эффекту, а наоборот.
Про сам эффект Джанибекова простыми словами наглядно объяснено на видео здесь .
Он показывает, что для ассиметричного предмета, если задать ему вращение по одной из осей (промежуточной, где момент импульса при вращении ни максимальный, ни минимальный), то предмет делает обороты на 180 градусов вокруг этой оси.
Является ли эта аллегория правильной к имеющейся ситуации? и да и нет.
Да, поскольку является корректной с точки зрения того, что при вращении тел с большой скоростью вдоль одной из осей, направление движения такого вращающегося тела совершенно отлично и не совпадает с направлением приложенной внешней силы. Таким поведением обладают гироскопические тела, где эффект от приложенной силы определяется моментом силы и направлен перпендикулярно ей. Самый простой пример - вращающийся волчок.
Посмотрим, например, на гироскоп, изображенный на рисунке выше - по оси Z расположены два вращающихся диска, ось вращения которых совпадает с осью Z. При отсутствии вращения, если на ось Z повесить груз P, то под действием силы тяжести F правый диск будет опускаться вниз - то есть вдоль направления действия внешней силы.
Для вращающегося гироскопа, направление движения будет уже определяться моментом данной силы F и направлен перпендикулярно направлению силы F и радиусу-вектору от центра гироскопа O до точки приложения силы F, то есть перпендикулярно оси Y в плоскости XZ.

Если вернуться к аллегории поведения экономики РФ, то бюджетные расходы можно сравнить с моментом импульса (то есть чем выше расходы, тем быстрее вращение, но скорость его зависит от оси вращения если гироскоп несимметричный). Действия по охлаждению денежно-кредитной политики можно сравнить с силой тяжести. Если расходы бюджета низкие, то эффект вращения пренебрежимо мал и грузик будет тянуть правый диск вниз. Если расходы бюджета существенные, то результирующая сила направлена совершенно в другом направлении и грузик не способен тянуть вниз правый диск - он остается на одном и том же уровне.
Отметим, что гироскоп обладает таким поведением именно при высокой скорости вращения, данный эффект не будет проявляться на малых скоростях вращения. Почему же данный эффект не совсем верный для сравнения с текущей экономикой?
Эффект Джанибекова проявляется для асимметричных тел и если вращение происходит вдоль промежуточной оси. При воздействии на гироскоп внешнего момента сил, гироскоп поворачивает свою ось так, чтобы уменьшить угол между вектором момента импульса самого гироскопа и вектором момента внешних сил (что бы это ни значило). В эффекте Джанибекова с гайкой в космосе отсутствуют внешние силы, то есть гайка сама изменяет направление исключительно из-за своей несимметричности и из-за вращения вокруг промежуточной оси. К тому же, это направление меняется с фиксированной периодичностью. Можно такую аллегорию привести для сравнения с экономикой, когда ставка не меняется (сила тяжести = 0), а изменение направления связано исключительно с перераспределением спроса внутри экономики и происходит циклически. В условиях земли, например, при действии силы тяжести направление вращения не меняется относительно вертикальной оси - при подбрасывании ракетки, она как и все тела летит сначала вверх, а потом опускается вниз.
Более наглядным примером может стать китайский волчок, который имеет форму перевернутого гриба, где центр тяжести находится ниже точки центра вращения. При вращении из-за сил трения центр масс непрерывно поднимается, и в какой-то момент волчок опрокидывается и становится на ножку и его ось все более и более приближается к вертикальной.
Другой пример - если поместить колесо на горизонтальную ось и закрутить, держа в руках, а затем попытаться повернуть ось, то колесо будет стремиться вырваться из рук, а для быстрого переворота потребуется значительное усилие, чтобы удержать ось в руках.
Что можно утверждать из приведенной аллегории эффекта Джанибекова однозначно - это то, что хочется выразить признательность финансистам, поляризующим физику в широкие массы.
Ну и напоследок, ответ на вопрос - можно ли перевернуть земную ось, как предлагал герой романа Жюля Верна "Вверх дном" ? Ответ - можно (!!!) и как именно - приведено в задаче из учебника Сивухина, если выпустить тяжелый заряд с Земли с большой скоростью. Но есть небольшой нюанс - скорость должна быть настолько большой, чтобы быть приближенной к скорости света, поэтому шансы повернуть земную ось все же крайне низки 😏

Автор канала просит прощения за долгое отсутствие, но обещает подписчикам новые материалы в новогодние каникулы (особенно из журнала по ссылке ниже)

А сейчас хочется поделиться с вами архивом журнала «Квант» в электронном виде тут ->> https://kvant.mccme.ru/