Тостеры и МРТ. Как квантовая физика стала частью повседневной жизни

Квантовая физика - величайший интеллектуальный триумф науки, но большинству людей кажется, что она слишком далека и абстрактна от реальной жизни. Квантовая физика не только объясняет, как материя ведет себя на микроуровне, но также используется во многих устройствах в повседневной жизни - от транзисторов до GPS и мобильных телефонов. 

Первые открытия квантовых явлений в науке были сделаны еще в начале двадцатого века. Сегодня квантовая теория настолько интегрирована в повседневную жизнь, что большинству людей будет очень трудно представить мир, в котором не используются законы квантовой физики.

Электронная микроскопия

Электронная микроскопия подарила человечеству возможность увидеть мельчайшие частицы размером от 0,2 до 10 нанометров. До появления электронных микроскопов использовались обычные - световые, но их разрешение составляло до 0,2 мм. Благодаря использованию принципов квантовой теории разрешение в электронных микроскопах увеличилось в 10 тысяч раз. Ученым и исследователям открылся микромир, в котором можно наблюдать, например, за вирусами и бактериями, что было невозможно в обычном микроскопе.

Устройство электронного микроскопа основано на квантово-волновом дуализме - двойственной природе частицы. Электроны, являясь частицами, могут проявлять свои волновые свойства. Длина волны электронов, ускоренных в электрическом поле, намного меньше длины волны видимого света. Использовав это свойство удалось получить максимальное разрешение изображения и получить с помощью электронных микроскопов больше информации из наблюдаемых объектов.

Тостеры

Тостеры обычно в шутку называют причиной возникновения квантовой физики. Каждое утро мы видим красное свечение нагревательных элементов в тостере, не догадываясь, что используем в бытовых целях основы квантовой теории. Чад Орзел - доцент кафедры физики и астрономии в Юнион Колледж в своей книге "Завтрак с Эйнштейном" описал историю одной из главных головоломок, с которой столкнулись физики в конце XIX века. Для них было загадкой, почему объекты из разных материалов, нагретые до определенной температуры, светятся одинаково красным светом. В то время физики все еще пытались разобраться в тонкостях спектра света, и не знали, почему свет, излучаемый объектом, не зависит от его состава.

Впервые о квантовом мире ученые задумались, когда в 1900 году немецкий физик Макс Планк попытался выяснить, почему при нагревании металлы меняют свой цвет. До этого считалось, что свет распространяется непрерывно. Свет, согласно теории Планка, излучается отдельными порциями - квантами. Макс Планк вывел "квантовую гипотезу", согласно которой свет может испускаться только в дискретных порциях энергии, которые зависят от частоты, умноженной на универсальную постоянную. Этот принцип использовали создатели тостеров. Вместе с нагревом появляется красное свечение элементов тостера и невидимое человеческим глазом инфракрасное излучение, передающее тепло другим объектам. Например, кусочкам хлеба.

Люминесцентные лампы

Привычные лампы накаливания состоят из колбы и спирали: свет излучается благодаря нагреву кусочка проволоки до температуры, способной испускать яркий белый свет. Современные люминесцентные лампы преобразуют электрическую энергию в полезный свет гораздо эффективнее, чем лампы накаливания, благодаря еще одному революционному квантовому процессу.

Еще в начале XIX века физики заметили, что каждый элемент периодической таблицы обладает уникальным спектром излучения. Обнаруженные "спектральные линии" стали использоваться для идентификации состава неизвестных элементов. Так был обнаружен гелий в спектральном свечении Солнца. Никто не мог объяснить природу этого явления, пока в 1913-м году ученый Нильс Бор не представил первую квантовую модель атома. Бор предположил, что существуют определенные особые состояния, в которых электрон может успешно вращаться вокруг ядра атома, и что атомы поглощают и излучают свет только при движении между этими состояниями. Основываясь на идее Планка частота поглощенного или излучаемого света зависит от разности энергий между состояниями и дает набор определенных частот для любого конкретного атома. Это идея объясняла спектральные различия света, испускаемого водородом, а также рентгеновские лучи, испускаемые различными элементами. И именно она легла в основу создания люминесцентного освещения. Внутри люминесцентной лампы электрический разряд в парах ртути создает ультрафиолетовое излучение, которое преобразуется в видимый свет с помощью люминофора. Таким образом, всякий раз, когда вы используете флуоресцентные лампы для освещения своего дома или офиса, запускаются процессы квантовой физики.

Компьютеры и смартфоны

По сути, вся компьютерная индустрия стоит на принципах квантовой физики. Квантово-механический полупроводниковый транзистор - базовый элемент всех современных компьютеров. В его основе лежит волновая природа электронов и зонной структуры твердых объектов, с помощью которой мы можем манипулировать электрическими свойствами кремния.

Идея, послужившая основой для современных компьютеров, пришла французскому доктору философии Луи де Бройлю. Он предположил, что природа световых волн (луч света можно рассматривать как поток "световых квантов", каждый из которых несет одну единицу энергии для определенной частоты) может возникнуть в виде соответствующего волнообразного поведения частиц, подобных электронам. Склеив кусочки кремния с точной правильной примесью других элементов удалось создать крошечные транзисторы, которые образуют основу для обработки цифровой информации. Миллионы транзисторов, упакованных в один блок компьютерных чипов, лежат в основе современных настольных компьютеров, ноутбуков, планшетов, смартфонов, мелкой бытовой техники и носимых устройств.

GPS-позиционирование

В каждом современном смартфоне встроены карты и навигаторы, которые работают при помощи разработанной американцами Системы Глобального Позиционирования (GPS). GPS - это сеть спутников, которые обеспечивают навигацию смартфонов. Все пользуются этой удобной системой, но мало кто знает, что GPS-приложения зависят от квантовой физики.

Текущая конфигурация GPS состоит из 24 спутников, вращающихся вокруг Земли на высоких орбитах. Каждый спутник в "созвездии" GPS летает на высоте порядка 20 тысяч километров над Землей, его орбитальная скорость приблизительно равна 14 тысяч км/ч. Орбиты спутников распределены так, что в любой момент времени по крайней мере четыре спутника видимы с любой точки позиционирования на Земле (одновременно может быть видно до 12 спутников). Каждый спутник несет на своем борту атомные часы, которые "тикают" с точностью до одной наносекунды. По сути, их работа основана на квантовой механике, тиканье часов - это колебание микроволн, вызывающих переход между двумя конкретными квантовыми состояниями в атоме цезия. GPS-приемник в самолете или автомобиле определяет свое текущее положение и направление путем сравнения сигналов времени, получаемых с разных GPS-спутников. Так достигается идеальная точность: даже простенький карманный GPS-приемник может определить абсолютную позицию относительно поверхности Земли с точностью от 5 до 10 метров всего за несколько секунд.

Магнитно-резонансная томография

Квантовая физика, вместе с математикой, биологией, криогеникой, химией и электроникой сплелись в один клубок, чтобы показать медицинским специалистам внутренний мир человека. Магнитно-резонансная томография (МРТ) основана на ядерно-магнитном резонансе, который включает в себя изменение направления спинов электронов в ядрах водорода. Вращение спинов - квантовое явление, которое заставляет электроны, протоны и нейтроны, находящиеся в мягких тканях человека, вести себя как крошечные магниты.

После взаимодействия радиоволны с протонами и резонансного усиления колебаний, частицы стремятся прийти к равновесному состоянию, при этом излучают фотоны, из которых и состоит радиоволна. Фактически, тело, находясь внутри томографа, становится огромным массивом миниатюрных радиопередатчиков, сигнал с которых можно поймать, локализовать и построить картину распределения атомов водорода в веществе. Так что МРТ - не что иное, как одно из практических применений квантовой физики.