През по-голямата част от началото на 20-и век квантовата механика беше една от най-загадъчните идеи в науката. Тази теория предизвика традиционното мислене и постави в затруднение дори водещите физици. След век тя се превърна в основа на технологии, които оказват влияние върху ежедневието ни, включително лазери, микрочипове, защитени комуникации и новопоявилите се квантови компютри.
В нова статия, публикувана в авторитетното списание Science, доктор Марлан Скали от Тексаския университет A&M разсъждава върху забележителната еволюция на квантовата механика – от абстрактна теория за миниатюрни частици до мощна основа, която помага на изследователите да решават едни от най-сложните въпроси на науката.
„Квантовата механика започна като начин да се обясни поведението на микроскопичните частици. Сега тя е движеща сила за иновации, които бяха невъобразими само преди едно поколение.“
казва Скали, който е свързан и с Принстънския университет.Скали е изиграл важна роля в развитието на тази област. Той е съавтор на влиятелния учебник „Квантова оптика“, който е обучил поколения физици. Неговите изследвания в областта на кохерентната наномащабна лазерна спектроскопия позволиха изучаването на молекули с атомна точност. Той също така разработи новаторски концепции, свързани с квантовите топлинни двигатели, които оспорват традиционните предположения за термодинамичната ефективност и един ден могат да доведат до нови енергийни технологии.
От котката на Шрьодингер до квантовите технологииЕдна от най-известните илюстрации на квантовата механика беше предложена през 1935 година, когато Ервин Шрьодингер формулира своя парадокс с котката. Мисловният експеримент предполагаше, че котката може да се намира едновременно в състояние на живот и смърт, докато не бъде наблюдавана. Шрьодингер въведе тази идея, за да подчертае колко странна изглеждаше квантовата теория. Днес тези някога странни концепции са излезли далеч извън рамките на философските дебати.
„Тази „квантова странност“ вече не е просто философска загадка. Тя е в основата на квантовите изчисления, квантовата криптография и дори откриването на гравитационни вълни.“
каза СкалиОсновите на квантовата механика бяха положени от пионери като Шрьодингер и Вернер Хайзенберг. Те разработиха два различни математически подхода – вълновата механика и матричната механика за описание на квантовите системи. С течение на времето тези подходи бяха обединени и допринесоха за развитието на квантовата теория на полето, която обяснява как частиците взаимодействат чрез електромагнитни и ядрени сили. Тяхната работа доразви ранния атомен модел на Нилс Бор, който представяше електроните като въртящи се около ядрото, подобно на планетите около Слънцето. Въпреки че по-късни открития уточниха тази картина, моделът на Бор помогна да се проправи пътят към съвременната квантова теория.
Квантовата кохерентност и появата на лазеритеЕдна от най-важните концепции в квантовата механика е квантовата кохерентност. Това явление позволява на частици като атоми и фотони да остават свързани в синхронизирано състояние, дори на значителни разстояния. Квантовата кохерентност директно доведе до създаването на лазера – технология, в която мнозина някога не вярваха. Днес лазерите се използват повсеместно: от скенери за баркодове в супермаркетите до операции за корекция на зрението и авангардни научни уреди.
Кохерентността е тясно свързана и с квантовата заплетеност – явление, което подтикна Алберт Айнщайн да го нарече „страшно действие на разстояние“. Заплетеността позволява на частиците да обменят информация чрез уникални квантови свойства. Тези ефекти са в основата на системите за квантово криптиране и повишават чувствителността на сложни уреди, като например лазерната интерферометрична обсерватория за гравитационни вълни (LIGO), която открива миниатюрни колебания в пространство-времето.
Квантовите топлинни двигатели предизвикват класическите ограниченияЕдно от най-неочакваните приложения на квантовата физика е свързано с квантовите топлинни двигатели. Традиционните двигатели са ограничени от предела на Карно, който определя максималната ефективност, допустима от класическата термодинамика. Изследователите са открили, че чрез използване на квантовата кохерентност е възможно да се създадат двигатели, които ще надхвърлят тези класически ограничения.
„Това е ярък пример за това как квантовите принципи могат да пренапишат правилата на класическата физика.“
споделя Скали Квантова биология, гравитация и турбулентностВлиянието на квантовата механика вече се простира далеч извън границите на физиката. В биологията методи като кохерентната спектроскопия на комбинационно разсейване позволяват на изследователите да изучават вируси и други структури в наномащаб, предоставяйки ценна информация за микросвета. Квантовите идеи също така оформят усилията за разбиране на самата Вселена. Учените, работещи върху концепции като струнната теория и квантовата гравитация се опитват да съгласуват квантовата механика с теорията на относителността на Айнщайн – един от най-големите нерешени проблеми на съвременната физика.
Изследователите дори прилагат квантови концепции към отдавнашния проблем с разбирането на турбулентността. Хаотичното движение на въздуха и течностите оказва влияние върху метеорологичните условия, климатичните системи и характеристиките на самолетите. Изследвайки свръхтечния хелий – вещество, проявяващо необичайно квантово поведение, учените откриват закономерности, които могат да подобрят климатичното моделиране, прогнозирането на бури и безопасността на полетите.
Следващият век на квантовите откритияВъпреки век на успехи, квантовата механика продължава да поставя дълбоки въпроси. Може ли гравитацията да бъде квантована (т.е. дали може гравитацията да се държи като другите сили на квантово ниво)? Могат ли квантовите компютри да преобразят медицината и материалознанието? Какви нови открития за Вселената могат да възникнат благодарение на бъдещите квантови технологии? Скали счита, че търсенето на отговори тепърва започва.
„В началото на 20-и век мнозина смятаха, че физиката е завършена. Сега, в 21-и век знаем, че приключението тепърва започва.“
казва той Пет начина, по които квантовата механика влияе върху ежедневието ни Лазери. От скенерите в магазините за хранителни стоки до офталмологичните операции – лазерите разчитат на квантови принципи, които усилват светлината. Сигурна комуникация. Квантовата криптография може да създава високозащитени кодове, които помагат за опазването на поверителна информация. По-бързи изчисления. Квантовите компютри са способни да решават определени задачи за секунди, докато на класическите компютри за това биха били необходими хиляди години. По-точни измервания. Обсерваториите за гравитационни вълни използват квантови методи като „сгъстена светлина“, за да откриват миниатюрни изкривявания на пространство-времето и да разкриват нови подробности за Вселената. Пробиви в медицината. Методите за квантова визуализация помагат на учените да изследват вируси, молекули и други биологични структури на атомно ниво.