Тостери і МРТ. Як квантова фізика стала частиною повсякденного життя

Квантова фізика - найбільший інтелектуальний тріумф науки, але більшості людей здається, що вона занадто далека і абстрактна від реального життя. Квантова фізика не лише пояснює, як матерія поводиться на мікрорівні, а також використовується в багатьох пристроях в повсякденному житті - від транзисторів до GPS і мобільних телефонів.

Перші відкриття квантових явищ в науці були зроблені ще на початку двадцятого століття. Сьогодні квантова теорія настільки інтегрована в повсякденне життя, що більшості людей буде дуже важко уявити світ, в якому не використовуються закони квантової фізики.

Електронна мікроскопія

Електронна мікроскопія подарувала людству можливість побачити найдрібніші частинки розміром від 0,2 до 10 нанометрів. До появи електронних мікроскопів використовувалися звичайні - світлові, але їх дозвіл становило до 0,2 мм. Завдяки використанню принципів квантової теорії дозвіл в електронних мікроскопах збільшилася в 10 тисяч разів. Вченим і дослідникам відкрився мікросвіт, в якому можна спостерігати, наприклад, за вірусами і бактеріями, що було неможливо в звичайному мікроскопі.

Пристрій електронного мікроскопа базується на квантово-хвильовому дуалізм - двоїстої природи частки. Електрони, будучи частками, можуть проявляти свої хвильові властивості. Довжина хвилі електронів, прискорених в електричному полі, набагато менше довжини хвилі видимого світла. Використавши це властивість вдалося отримати максимальний дозвіл зображення і отримати за допомогою електронних мікроскопів більше інформації з спостережуваних об'єктів.

Тостери

Тостери зазвичай жартома називають причиною виникнення квантової фізики. Щоранку ми бачимо червоне світіння нагрівальних елементів в тостері, не здогадуючись, що використовуємо в побутових цілях основи квантової теорії. Чад Орзел - доцент кафедри фізики та астрономії в Юніон Коледж у своїй книзі "Сніданок з Ейнштейном" описав історію однієї з головних головоломок, з якою зіткнулися фізики в кінці XIX століття. Для них було загадкою, чому об'єкти з різних матеріалів, нагріті до певної температури, світяться однаково червоним світлом. У той час фізики все ще намагалися розібратися в тонкощах спектру світла, і не знали, чому світло, випромінюване об'єктом, не залежить від його складу.

Вперше про квантовому світі вчені задумалися, коли в 1900 році німецький фізик Макс Планк спробував з'ясувати, чому при нагріванні метали змінюють свій колір. До цього вважалося, що світло поширюється безперервно. Світ, згідно теорії Планка, випромінюється окремими порціями - квантами. Макс Планк вивів "квантову гіпотезу", згідно якої світло може випускатися тільки в дискретних порції енергії, які залежать від частоти, помноженої на універсальну постійну. Цей принцип використовували творці тостерів. Разом з нагріванням з'являється червоне світіння елементів тостера і невидиме " людським оком інфрачервоне випромінювання, що передає тепло іншим об'єктам. Наприклад, шматочках хліба.

Люмінесцентні лампи

Звичні лампи розжарювання складаються з колби і спіралі: світло випромінюється завдяки нагріванню шматочки дроту до температури, здатної випромінювати яскраве біле світло. Сучасні люмінесцентні лампи перетворюють електричну енергію в корисний світ набагато ефективніше, ніж лампи розжарювання, завдяки ще одному революційному квантовим процесу.

Ще на початку XIX століття фізики помітили, що кожен елемент періодичної таблиці володіє унікальним спектром випромінювання. Виявлені "спектральні лінії" стали використовуватись для ідентифікації складу невідомих елементів. Так був виявлений гелій в спектральному світлі Сонця. Ніхто не міг пояснити природу цього явища, поки в 1913-му році учений Нільс Бор не представив першу квантову модель атома. Бор припустив, що існують певні особливі стани, у яких електрон може успішно обертатися навколо ядра атома, і що атоми поглинають і випромінюють світло тільки при русі між цими станами. Ґрунтуючись на ідеї Планка частота поглиненого або випромінюваного світла залежить від різниці енергій між станами і дає набір певних частот для будь-якого конкретного атома. Це ідея пояснювала спектральні відмінності світла, випромінюваного воднем, а також рентгенівські промені, що випускаються різними елементами. І саме вона лягла в основу створення люмінесцентного освітлення. Всередині люмінесцентної лампи електричний розряд у парах ртуті створює ультрафіолетове випромінювання, яке перетворюється у видиме світло за допомогою люмінофора. Таким чином, всякий раз, коли ви використовуєте флуоресцентні лампи для освітлення свого будинку або офісу, запускаються процеси квантової фізики.

Комп'ютери та смартфони

По суті, вся комп'ютерна індустрія стоїть на принципах квантової фізики. Квантово-механічний напівпровідниковий транзистор - базовий елемент всіх сучасних комп'ютерів. В його основі лежить хвильова природа електрона та зонної структури твердих об'єктів, з допомогою якої ми можемо маніпулювати електричними властивостями кремнію.

Ідея, яка послужила основою для сучасних комп'ютерів, прийшла французькому доктор філософії Луї де Бройлю. Він припустив, що природа світлових хвиль (промінь світла можна розглядати як потік світлових квантів", кожен з яких несе одну одиницю енергії для певної частоти) може виникнути у вигляді відповідного хвилеподібного поведінки частинок, подібних електронам. Склеївши шматочки кремнію з точною правильної домішкою інших елементів вдалося створити крихітні транзистори, які утворюють основу для обробки цифрової інформації. Мільйони транзисторів, упакованих в один блок комп'ютерних чіпів, лежать в основі сучасних настільних комп'ютерів, ноутбуків, планшетів, смартфонів, дрібної побутової техніки і переносних пристроїв.

GPS-позиціонування

В кожному сучасному смартфоні вбудовані карти та навігатори, які працюють за допомогою розробленої американцями Системи Глобального Позиціонування (GPS). GPS - це мережа супутників, які забезпечують навігацію смартфонів. Всі користуються цією зручною системою, але мало хто знає, що GPS-програми залежать від квантової фізики.

Поточна конфігурація GPS складається з 24 супутників, що обертаються навколо Землі на високих орбітах. Кожен супутник в "сузір'ї" GPS літає на висоті близько 20 тисяч кілометрів над Землею, її орбітальна швидкість складає приблизно 14 тисяч км/ч. Орбіти супутників розподілені так, що в будь-який момент часу принаймні чотири супутника видимі з будь-якої точки позиціонування на Землі (одночасно може бути видно до 12 супутників). Кожен супутник несе на своєму борту атомні годинники, які "цокає" з точністю до однієї наносекунди. По суті, їх робота заснована на квантовій механіці, цокання годинника - це коливання мікрохвиль, що викликають перехід між двома конкретними квантовими станами в атомі цезію. GPS-приймач в літаку або автомобілі визначає своє поточне положення і напрямок шляхом порівняння сигналів часу, одержуваних з різних GPS-супутників. Так досягається ідеальна точність: навіть простенький кишеньковий GPS-приймач може визначити абсолютну позицію відносно поверхні Землі з точністю від 5 до 10 метрів всього за кілька секунд.

Магнітно-резонансна томографія

Квантова фізика, разом з математикою, біологією, криогеникой, хімією і електронікою сплелися в один клубок, щоб показати медичним фахівцям внутрішній світ людини. Магнітно-резонансна томографія (МРТ) заснована на ядерно-магнітному резонансі, який включає в себе зміну напрямку спінів електронів на ядрах водню. Обертання спінів - квантове явище, яке змушує електрони, протони і нейтрони, які перебувають у м'яких тканинах людини, вести себе як крихітні магніти.

Після взаємодії радіохвилі з протонами і резонансного посилення коливань, частинки прагнуть прийти до рівноважного стану, при цьому випромінюють фотони, з яких і складається радіохвиля. Фактично, тіло, перебуваючи всередині томографа, стає величезним масивом мініатюрних радіопередавачів, сигнал з яких можна зловити, локалізувати і побудувати картину розподілу атомів водню в речовині. Так що МРТ - не що інше, як одне з практичних застосувань квантової фізики.