Что такое квантовая физика простыми словами

картинка Что такое квантовая физика простыми словами

Основные понятия квантовой физики

Квантовая физика (также – квантовая теория, квантовая механика, или квантмех) – особый раздел физики, изучающий закономерности микромира.

Для человека, далекого от теоретической и экспериментальной науки, квантмех может показаться совершенной бессмыслицей. Положения этой теории настолько отличаются от повседневного человеческого опыта, что понять их без развитого воображения практически невозможно.

Ричард Фейнман, один из ведущих специалистов в квантовой физике (ныне, к сожалению, покойный), лауреат Нобелевской премии 1965 года, фактически создатель квантовой электродинамики и открыватель ряда фундаментальных законов – то есть, человек, который явно разбирался в предмете – неоднократно и с изрядной долей самоиронии высказывал мысль: «Если кто-то думает, что понимает квантовую теорию – значит, он ничего не понимает в квантовой теории».

В то же время разобраться в основных понятиях этого раздела физики все-таки может любой. Попробуем представить предмет, что называется, по-чапаевски, «на картошках».

Проблемы масштаба

Доступная непосредственному человеческому восприятию реальность – это крайне узенький отрезок Вселенной. Так, нормальное зрение, даже усиленное оптическими приборами (если не брать в расчет телескопы космического базирования) может различить лишь ограниченную область Солнечной системы – примерно до орбиты Плутона.

Даже ближайшие звезды в окрестностях Солнца – для человеческого глаза это просто светящиеся точки, и об их природе люди могут судить лишь на основании абстрактных расчетов. В грубом приближении, сфера непосредственного наблюдения ограничена физической системой размером 14 миллиардов километров (наблюдаемая Вселенная больше примерно в 10 миллионов миллионов раз).

Минимальный объект, который можно различить с помощью самых современный методов микроскопии, имеет размер порядка 0,25 нанометра. Такие размеры имеют, например, белковые молекулы и отдельные участки длинных цепочек биополимеров. В общем, не такие уж и мелкие вещи по сравнению с атомами и их внутренними структурами.

Итак, объекты крупнее Солнечной системы и мельче белковой молекулы выходят за пределы непосредственного человеческого наблюдения, и о них большинство людей способны делать лишь абстрактные выводы.

Не совсем верное, грубое с научной точки зрения, но облегчающее понимание сути утверждение: явления и объекты, доступные непосредственному наблюдению, изучает и описывает классическая ньютоновская физика; все, что лежит выше верхнего предела восприятия – предмет общей и специальной теории относительности; все, что происходит в масштабах меньше крупных молекул – сфера интересов квантовой физики.

Впрочем, за подобное утверждение даже простой лаборант может броситься в драку с наглым невеждой…

Кванты и дискретность

Как следует из названия, квантовая физика оперирует понятием кванта.
Что это такое? По определению, это мельчайшая неделимая часть чего бы то ни было. Не только материи, но и силового взаимодействия, и излучения, и всего на свете.

Представим, что у нас есть тысяча слабеньких пружин, например, в матрасе. Представим, что пружинок меньше этих в природе не существует (мы ведь помним про чапаевские картошки!). Матрас выдерживает 100 килограмм. Тогда пружинка будет квантом силы упругости примерно в 1 ньютон.

Точно так же, по-обывательски, квантом риса будет рисовое зернышко (впрочем, и его можно раздробить). Квантом общества, народа, человечества – один человек. Ну а тем, кто предпочитает наличные деньги электронным, хорошо известен квант российских денег – копейка.

Но в реальности, с точки зрения физики, квант – штука куда более сложная. Начать с того, что в полной мере материальными на деле они не являются. Еще из школьной программы всем известно, что квант электромагнитного излучения – знаменитый фотон – одновременно волна и частица. Корпускулярно-волновой дуализм – эта самая двойственность природы квантов – тема сложная и требует отдельного объемного объяснения.

Разумеется, квантовая физика не занимается исключительно квантами. Кванты определяют подход к описанию явлений микромира. Рассмотрим, например, явление перехода электрона с одного энергетического уровня на другой.

Электрон может занимать только строго определенное положение (орбиту) вокруг атомного ядра. Если приводить аналогию с деньгами, орбиты электронов имеют определенную стоимость: орбита в 1 копейку – самая близкая, орбиты подальше стоят 5, 10, 50 копеек и так далее.

Представим, что электрон, находясь на копеечной орбите, перемещается подальше. При всем его горячем желании, денег для этого у него нет: в силу своей природы электрон не способен хранить наличность – он ее сразу же транжирит либо на изменение своего статуса (перехода с орбиты на орбиту), либо на изменение параметров своего движения: скорости, направления и т.д.

Для того, чтобы перескочить, электрон улавливает шальной кусок энергии – фотон – стоимостью ровно 9 копеек. Переход оплачен и свободно осуществляется.

Допустим, его более богатый сосед с пятидесятикопеечной орбиты решил пересесть на орбиту поближе – сразу на копеечную, такой вот дауншифтинг. Ничто ему не мешает, стоимость «недвижимости» с лихвой покрывает расходы на переезд. Вот только электрон не умеет хранить наличность, как мы помним. И атом испускает последовательно фотоны в 40 копеек (это наш богатей опустился на орбиту ниже) и 9 копеек (еще одна орбита вниз).

Продолжим денежно-картофельные аналогии. Что такое стоимость для фотонов? Это частота излучения. Грубо говоря, чем больше волн «поместится» в фотоне, тем он дороже. Так, одни из самых дорогих – кванты рентгеновского и гамма-излучения, самые дешевые – сверхдлинные радиоволны. Последние настолько «дешевы» (можно сравнить с зимбабвийским центом времен гиперинфляции), что практически не участвуют в квантовых событиях, и электроны на своих орбитах совсем их «не замечают».

А что будет, если электрону на самой дорогой и фешенебельной орбите заплатить еще больше? Для того, чтобы покинуть свой «район» (то есть, атом), он должен иметь на руках определенную фиксированную сумму (обладать кинетической энергией).

Минимальная «сумма» в квантовой физике называется красной границей фотоэффекта и зависит от природы вещества.
Но вот, фотон с нужным количеством денег прилетает в атом, электрон покидает его и отправляется в свободное путешествие. Явление этого «путешествия» называется фотоэлектронной эмиссией.

Кстати, энергетические «цены» орбит у разных химических элементов различны, и потому каждый элемент может поглощать фотоны лишь со строго определенными «стоимостями», ровно такими, чтобы электроны могли без энергетического остатка «переезжать» на более высокие орбиты.

Набор этих фиксированных «сумм» называется спектром поглощения. По таким спектрам (то есть, по тому, какие конкретно фотоны нужны для орбитальных переходов в атомах) можно определить элементы на расстоянии – это называется спектральным анализом.