Квант

Квантовый ластик с отложенным выбором

В 1999 году группа ученых под руководствам Марлана Скали направляла фотоны через две щели, за которыми стояла призма, конвертирующая каждый выходящий фотон в пару квантово-запутанных фотонов и разделяя их на два направления. Первое отправляло фотоны на основной детектор. Второе направление отправляла фотоны на систему 50%-отражателей и детекторов. Выяснилось, если фотон из второго направления достигал детекторы определяющие щель, из которой он вылетел, то основной детектор фиксировал его парный фотон как частицу. Если же фотон из второго направления достигал детекторы не определяющие щель, из которой он вылетел, то основной детектор фиксировал его парный фотон как волну. Не только измерение одного фотона отражалось на его квантово-запутанной паре, но и это происходило вне расстояния и времени, ведь вторичная система детекторов фиксировала фотоны позже основного, как если бы будущее определяло прошлое. Считается, что это самый невероятный эксперимент не только в истории квантовой физики, но и вполне в истории всей науки, так как он подрывает многие привычные основы мировоззрения. (Подробно англ., видео англ.)

Что такое «измерение» или «коллапс волновой функции»?

Нам осталось немного — понять ещё, что такое «измерение» и что такое «коллапс волновой функции».

Предположим, у нас есть электрон, он летит себе в неопределённом состоянии, спин его направлен и вверх, и вниз одновременно. Нам надо измерить его состояние.

Измерим при помощи магнитного поля: электроны, у которых спин был направлен по направлению поля, отклонятся в одну сторону, а электроны, у которых спин направлен против поля — в другую. Ещё фотоны можно направлять в поляризационный фильтр. Если спин (поляризация) фотона +1 – он проходит через фильтр, а если -1, то нет.

Стоп! Вот тут у Вас неизбежно возникнет вопрос: до измерения ведь у электрона не было какого-то  конкретного направления спина, так? Он ведь был во всех состояниях одновременно?

Вот такой крутой этот квантовый объект – сам принимает решение о своём состоянии. И мы не можем заранее предсказать, какое решение он примет, когда влетит в магнитное поле, в котором мы его измеряем. Вероятность того, что он решит иметь вектор спина «вверх» или «вниз» – 50 на 50%. Но как только он решил – он находится в определённом состоянии с конкретным направлением спина. Причиной его решения является наше «измерение»!

Внимание! Отличный для понимания пример-ассоциация из нашего макромира:

Раскрутите на столе монетку, как юлу. Пока монетка крутиться, у нёё нет конкретного значения  — орёл или решка. Но как только Вы решите «измерить» это значение и прихлопните монету рукой, вот тут-то и получите конкретное состояние монеты – орёл или решка. А теперь представьте, что это монета принимает решение, какое значение Вам «показать» – орёл или решка. Примерно также ведёт себя и электрон.

А теперь вспомните эксперимент, показанный в конце мультика. Когда фотоны пропускали через щели, они вели себя, как волна и показывали на экране интерференционную картину. А когда учёные захотели зафиксировать (измерить) момент пролёта фотонов через щель и поставили за экраном «наблюдателя», фотоны стали вести себя, не как волны, а как частицы. И «нарисовали» на экране 2 вертикальные полосы. Т.е. в момент измерения или наблюдения квантовые объекты сами выбирают, в каком состоянии им быть.

Фантастика! Не правда ли?

Но это ещё не всё. Наконец-то мы добрались до самого интересного.

Но… мне кажется, что получится перегруз информации, поэтому 2 эти понятия мы рассмотрим в отдельных постах:

  • Что такое Квантовая запутанность простыми словами. Возможна ли телепортация?
  • Что такое мысленный эксперимент Кот Шредингера простыми словами? Суть эксперимента.

А сейчас, хотите, чтобы информация разложилась по полочкам? Посмотрите документальный фильм, подготовленный Канадским институтом теоретической физики. В нём за 20 минут очень кратко и в хронологическом порядке Вам поведают о всех открытиях квантовой физики, начиная с открытия Планка в 1900 году. А затем расскажут, какие практические разработки выполняются сейчас на базе знаний по квантовой физике: от точнейших атомных часов до суперскоростных вычислений квантового компьютера. Очень рекомендую посмотреть этот фильм.

До встречи!

Желаю всем вдохновения для всех задуманных планов и проектов!

P.S.3 Подписывайтесь на блог — форма для подписки под статьёй. 

Что такое интерференция?

В начале мультика было показано на примере жидкости, как ведут себя волны – на экране за пластиной со щелями появляются чередующиеся тёмные и светлые вертикальные полосы. А в случае, когда в пластину «стреляют» дискретными частицами (например, камушками), то они пролетают сквозь 2 щели и попадают на экран прямо напротив щелей. И «рисуют» на экране только 2 вертикальные полосы.

В нашем макромире мы часто наблюдаем, что свет ведёт себя, как волна. Если поставить руку напротив свечи, то на стене будет не чёткая тень от руки, а с расплывающимися  контурами.

Итак, не так уж всё и сложно! Нам сейчас вполне понятно, что свет имеет волновую природу и если 2 щели освещать светом, то на экране за ними мы увидим интерференционную картину. Теперь рассмотрим 2-й эксперимент. Это знаменитый эксперимент Штерна-Герлаха (который провели в 20-х годах прошлого века).

В установку, описанную в мультике, не светом светили, а «стреляли» электронами (как отдельными частицами). Тогда, в начале прошлого века, физики всего мира считали, что электроны – это элементарные частицы материи и должны иметь не волновую природу, а такую же, как камушки. Ведь электроны – это элементарные частицы материи, правильно? То есть, если  ими «бросать» в 2 щели, как камушками, то на экране за прорезями мы должны увидеть 2 вертикальные полоски.

Но… Результат был ошеломляющий. Учёные увидели интерференционную картину – много вертикальных полосок. То есть электроны, как и свет тоже могут иметь волновую природу, могут интерферировать. А с другой стороны стало понятно, что свет не только волна, но немного и частица — фотон (из исторической справки в начале статьи мы узнали, что за это открытие Энштейн получил Нобелевскую премию).

Это сегодня мы с Вами такие умные и понимаем, что 2 выше описанных эксперимента – стрельба электронами и освещение щелей светом – суть одно и тоже. Потому что мы стреляем по прорезям квантовыми частицами. Сейчас мы знаем, что и свет, и электроны имеют квантовую природу, являются и волнами, и частицами одновременно. А в начале 20-го века результаты этого эксперимента были сенсацией.

Внимание! Теперь перейдём к более тонкому вопросу. Мы светим на наши щели потоком фотонов (электронов) – и видим за щелями на экране интерференционную картину (вертикальные полоски)

Это ясно. Но нам интересно увидеть, как пролетает каждый из электронов в прорези

Мы светим на наши щели потоком фотонов (электронов) – и видим за щелями на экране интерференционную картину (вертикальные полоски). Это ясно. Но нам интересно увидеть, как пролетает каждый из электронов в прорези.

Предположительно, один электрон  летит в левую прорезь, другой – в правую. Но тогда должны на экране появиться 2 вертикальные полоски прямо напротив прорезей. Почему же получается интерференционная картина? Может электроны как-то взаимодействуют между собой уже на экране после пролёта через щели. И в результате получается такая волновая картина. Как нам за этим проследить?

Будем бросать электроны не пучком, а по одному. Бросим, подождём, бросим следующий. Теперь, когда электрон летит один, он уже не сможет взаимодействовать на экране с другими электронами. Будем регистрировать на экране каждый электрон после броска. Один-два конечно не «нарисуют» нам понятной картины. Но когда по одному отправим в прорези их много, то заметим…о ужас – они опять «нарисовали» интерференционную волновую картину!

Начинаем медленно сходить с ума. Ведь мы ожидали, что будет 2 вертикальные полоски напротив щелей! Получается, что когда мы бросали фотоны по одному, каждый из них проходил, как бы через 2 щели одновременно и интерферировал сам с собой. Фантастика! Вернёмся к пояснению этого феномена в следующем разделе.

Температура и теплоемкость

Сосуд с газом. Атомы сталкиваются со стенками, и в результате устанавливается тепловое равновесие между газом и сосудом — газ приобретает температуру стенок. Число атомов при столкновениях не меняется. Чтобы измерить температуру газа, можно выпустить небольшую порцию через маленькое отверстие.

Сосуд с излучением (черное тело). Волны или лучи света много раз отражаются от стенок, при этом они поглощаются стенками и излучаются вновь; в результате устанавливается тепловое равновесие между излучением и стенками. При таких процессах число квантов не остается постоянным: величина энергии и число квантов полностью определяются температурой сосуда. Свет, выходящий из маленького отверстия в таком сосуде, будет иметь спектр черного тела.

Рассмотрим газ, находящийся в нагретом сосуде. Мы знаем, что температура газа и стенок сосуда должна быть одинаковой. Если это вначале было не так, то тепло будет до тех пор перетекать от более теплого тела к более холодному, пока температуры не станут равными, т.е. пока не установится тепловое равновесие между стенками сосуда и находящимся в нем газом.

Температура газа связана с кинетической энергией его атомов (мы будем для простоты говорить об одноатомном газе). Один из самых первых выводов кинетической теории газа состоял в том, что каждый атом газа обладает (в среднем) энергией \(~\frac 32 kT\), по \(~\frac 12 kT\) на каждую степень свободы, а полная энергия газа равна \(~\frac 32 NkT\), где N — число частиц в газе (3N — полное число степеней свободы). Здесь k — постоянная Больцмана (k = 1,38·10-23 Дж/К); она играет роль переводного коэффициента от градусов на шкале Кельвина к джоулям. Дальше в кинетической теории газов показывалось, что если есть колебания, то на каждую колебательную степень свободы приходится энергия kT, вдвое большая, чем на степень свободы, отвечающую поступательному движению. Эти утверждения, доказанные и проверенные, относились к газу. Естественно, возник вопрос: а что можно сказать об энергии излучения?

Представим себе, что у нас есть сосуд (как говорили раньше, «полость»), в котором нет газа. Однако в таком сосуде всегда будет электромагнитное поле. Электромагнитные волны излучаются и поглощаются стенками, и эта энергия волн как-то распределяется по спектру. Если стенки сосуда имеют какую-то фиксированную температуру, то распределение энергии будет, очевидно, различным при разных температурах. Мы можем изучить поле внутри сосуда, сделав в нем маленькое отверстие и выпустив пучок света.

Когда впервые начали обсуждать свойства такой «полости», то заметили, что если свет снаружи попадает в отверстие, то он, очень много раз отразившись от стенок и «заблудившись», почти не будет иметь шансов выйти наружу. Отверстие поглощает весь падающий на него свет, поэтому тело и назвали черным (точнее — абсолютно черным), а свет, который выходит из отверстия, назвали излучением черного тела (так что черное тело светится!).

Представьте теперь, что черное тело нагревают. Тогда можно задать вопрос: какое количество тепловой энергии перейдет в свет? Ответ на него был дан в конце XIX века и состоял в том, что свет, заключенный внутри черного тела, должен находиться в тепловом равновесии со стенками сосуда. Это равновесие устанавливается и поддерживается процессами излучения и поглощения световых волн нагретыми стенками (сколько излучают, сколько же поглощают обратно), а энергия и ее спектральная плотность полностью определяются только одним параметром — температурой. Никакого разговора о числе степеней свободы (как это было в случае газа) здесь как будто и не возникает.

Если в сосуде, в котором установилось тепловое равновесие, есть маленькое отверстие, то световые волны будут выходить из него. Величина энергии, выходящей из отверстия черного тела, определяется законом Стефана — Больцмана. Согласно этому закону энергия, излученная черным телом с единицы поверхности отверстия в единицу времени, пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры и не зависит от природы тела:

\(~\varepsilon = \sigma T^4\)

(постоянная Стефана — Больцмана σ = 5,67·10-8 Вт/(м2·К4)).

Закон Стефана — Больцмана был хорошо проверен экспериментально. Опыты подтвердили, что к излучению можно применять те же понятия — энергия, температура, которые используются при описании тепловых свойств газа в кинетической теории.

Квантовая физика дискретна

Все в названии физики — слово «квантум» происходит от латинского «сколько» и отражает тот факт, что квантовые модели всегда включают что-то приходящее в дискретных величинах. Энергия, содержащаяся в квантовом поле, приходит в кратных величинах некой фундаментальной энергии. Для света это ассоциируется с частотой и длиной волны света — высокочастотный свет с короткой волной обладает огромной характерной энергией, тогда как низкочастотный свет с длинной волной обладает небольшой характерной энергией.

В обоих случаях между тем полная энергия, заключенная в отдельном световом поле, целочисленно кратна этой энергии — 1, 2, 14, 137 раз — и не встретить странных долей вроде полутора, «пи» или квадратному корню из двух. Это свойство также наблюдается в дискретных энергетических уровнях атомов, и энергетические зоны конкретны — некоторые величины энергий допускаются, остальные нет. Атомные часы работают благодаря дискретности квантовой физики, используя частоту света, связанного с переходом между двумя разрешенными состояниями в цезии, которая позволяет сохранить время на уровне, необходимом для осуществления «второго скачка».

Сверхточная спектроскопия также может быть использована для поиска вещей вроде темной материи и остается частью мотивации для работы института низкоэнергетической фундаментальной физики.

Это не всегда очевидно — даже некоторые вещи, которые квантовые в принципе, вроде излучения черного тела связаны с непрерывными распределениями. Но при ближайшем рассмотрении и при подключении глубокого математического аппарата квантовая теория становится еще более странной.

Спектральная функция

Спектральная функция f(ν) — это, вероятно, самое трудное, что нужно понять в этой статье. Спектр, который мы видим на экране, тянется непрерывной полоской, и в нем представлены все частоты. Не имеет смысла спрашивать, какую энергию можно сопоставить в спектре точно данной частоте ν. Когда из источника течет вода, нельзя спросить, сколько воды вытечет в какой-то определенный момент времени, например ровно в 12 часов дня. Точно в этот момент вытекает объем воды, равный нулю. Для того чтобы вытекло какое- то количество воды, надо, чтобы прошел хотя бы небольшой промежуток времени. Можно спросить, сколько воды вытечет за время от 12.00 до 12.01. Можно спросить, сколько вытечет воды за любой интервал времени Δt от 12 часов до 12 часов + Δt минут. Если вода течет более или менее равномерно и за 1 минуту вытекает g см3 воды, то за время Δt вытечет g(tt см3.

Мы написали не g а g(t), так как в разное время (в час дня, в два часа дня и т.д.) вода может течь по-разному. Это, например, означает, что количество воды, вытекающее за 1 минуту в 12.15, и количество воды, вытекающее за 1 минуту в 12.30, относятся как g(15) : g(30), если за начало отсчета времени взять полдень — 12.00.

При подсчете количества воды мы сталкиваемся с новой величиной, которая описывает интенсивность непрерывного процесса, — g есть отношение количества воды, вытекающего за интервал времени Δt, к этому интервалу, когда он взят очень маленьким.

Спектральная функция имеет аналогичный смысл: она определяет отношение энергии в полоске спектра к ширине этой полоски, когда ширина полоски взята очень маленькой. Ширина при этом измеряется, как было уже сказано, не в длинах, а в частотах.

Варианты физических олимпиад

Всероссийская олимпиада школьников по физике

На пересечении строки (ваш класс) и столбца (этап Всеросса) находятся ссылки на варианты. Цифры ссылки — год проведения финала олимпиады.

ШЭ МЭ РЭ ЗЭ
7 класс ,
,
,
,
,
,

,
,
,
,
,

,

8 класс ,
,
,
,
,
,

,
,
,
,
,

,
,

9 класс ,
,
,
,
,

,
,
,
,

,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,

,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,

10 класс ,
,
,
,
,

,
,
,
,

,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,

,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,

11 класс ,
,
,
,
,

,
,
,
,

,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,

,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,

На основе классификации задач 1992–2017 годов составлены программы подготовки к региональному и заключительному этапам:

  • 9 класс;
  • 10 класс.

Московская олимпиада школьников по физике

Нулевой тур Первый тур Второй тур
7 класс 19.0,
19.118.0,
18.117.0,
17.116.0,
16.115.0,
15.114.0,
14.1,
14.2,
14.3,
14.4
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,

,
,
,

8 класс 19.0,
19.118.0,
18.117.0,
17.116.0,
16.115.0,
15.114.0,
14.1,
14.2,
14.3,
14.4
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,

,
,
,
,
,
,
,
,
,
,

9 класс 19.0,
19.118.0,
18.117.0,
17.116.0,
16.115.0,
15.114.0,
14.1,
14.2,
14.3,
14.4
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,

,
,
,
,
,
,
,
,
,
,

10 класс 19.0,
19.118.0,
18.117.0,
17.116.0,
16.115.0,
15.114.0,
14.1,
14.2,
14.3,
14.4
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,

,
,
,
,
,
,
,
,
,
,

11 класс 19.0,
19.1,
19.2,
19.T18.0,
18.1,
18.2,
18.317.0,
17.1,
17.2,
17.316.0,
16.1,
16.2,
16.315.0,
15.1,
15.2,
15.314.0,
14.1,
14.2,
14.3,
14.4
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,

,
,
,
,
,
,
,
,
,
,

Примечания.

  • Для 7–10 классов финалом является второй тур (победители и призёры определяются по количеству баллов на втором туре). Нулевой и первый туры служат отборочным этапом.
  • Для 11 класса финалом являются первый и второй туры (победители и призёры определяются по сумме баллов на первом и втором турах). Нулевой тур служит отборочным этапом; поэтому число заочных заданий нулевого тура в 11 классе больше, чем в 7–10 классах.
  • Второй тур для 7 класса впервые проведён в 2015 году. До 2014 года включительно финалом в 7 классе был первый тур.
  • Нулевой тур проводится с 2013/14 года. До этого был просто «отборочный этап».

Олимпиада «Физтех»

Онлайн Финал
7 класс ,
,
,

8 класс ,
,
,

9 класс ,
,
,
,

19.1,
19.218.1,
18.217.1,
17.216.1,
16.2,
16.3
10 класс ,
,
,
,
,

19.1,
19.218.1,
18.217.1,
17.216.1,
16.2,
16.315.1,
15.2,
15.3
11 класс ,
,
,
,
,

19.1,
19.218.1,
18.2,
18.3,
18.417.1,
17.216.1,
16.2,
16.315.1,
15.2,
15.314.1,
14.2; 
13.1,
13.212.1,
12.2; 
11.1,
11.2; 
09.1,
09.2; 
,

Примечания.

  • Очный финал для 7–8 классов пока не проводится.
  • Очный финал для 10 класса впервые прошёл в 2015 году, а для 9 класса — в 2016 году.
  • В 2016/17 и 2017/18 годах на онлайн-этапе для 7 класса давалось задание 8 класса.
  • Задания онлайн-этапа 2012/13 года найти не удалось.

Открытая олимпиада Физтех-лицея 2014/15 года —
7 класс,
8 класс,
9 класс,
10 класс,
11 класс.

Олимпиада «Покори Воробьёвы горы!»

7–9 классы 19.1,
19.2,
19.3,
19.4,
19.518.1,
18.2,
18.317.1,
17.2,
17.316.1,
16.2; 
,

10–11 классы 19.1,
19.2,
19.3,
19.4,
19.5,
19.618.1,
18.2,
18.3,
18.417.1,
17.2,
17.3,
17.4,
17.5,
17.616.1,
16.2,
16.3,
16.4,
16.5,
16.6,
16.715.1,
15.2,
15.3,
15.5,
15.7,
15.8,
15.914.1,
14.2,
14.3,
14.4,
14.5,
14.6,
14.7

Олимпиада «Росатом»

7 класс ,
,
,
,
,
,
,

8 класс ,
,
17.1,
17.2,
,
,
,
,

9 класс ,
,
17.1,
17.2,
,
,
,
,

10 класс ,
,
17.1,
17.2,
,
,
,
,

11 класс 19.1,
19.2,
19.318.1,
18.2,
18.3,
18.417.1,
17.2,
17.3,
17.4,
,
13.1,
13.2,
13.3,
13.4,
13.5,
13.612.1,
12.2,
12.3,
12.4,
12.511.1,
11.2,
11.3,
11.4,
11.5
11.6

Банкноты и блокноты

История квантовой криптографии началась еще в конце 1960-х годов, когда студент Колумбийского университета Стивен Визнер изложил своему бывшему сокурснику Чарльзу Беннету идею квантовых банкнот, которые в принципе нельзя подделать, поскольку это исключают законы природы. Суть идеи состояла в том, чтобы поместить на каждую банкноту несколько квантовых объектов. Это могут быть, например, ловушки с фотонами, каждый из которых поляризован под определенным углом в одном из двух базисов — либо под углом 0 и 90, либо 45 и 135 градусов. Серийный номер напечатан на банкноте, но соответствующая номеру комбинация поляризаций и базисов (фильтров, с помощью которых фотону придается или измеряется его поляризация) при этом известна только банку. Чтобы подделать такую банкноту, фальшивомонетчик должен измерить поляризацию каждого фотона, но он не знает, в каком базисе поляризован каждый из них. Если он ошибется с базисом, то поляризация фотона изменится, и поддельная банкнота будет с неверной поляризацией. Квантовые деньги до сих пор не появились, поскольку пока не удалось создать достаточно надежных ловушек для фотонов. Однако тогда же Визнер предложил использовать тот же самый принцип для защиты информации, и эта технология сейчас уже близка к реализации.


Первый протокол Первый протокол квантового распределения ключей был создан Жилем Брассаром и Чарльзом Беннетом в 1984 году и получил название BB84. Для передачи данных используются фотоны, поляризованные в четырех разных направлениях, в двух базисах — под углом 0 и 90 градусов (обозначается знаком +) либо 45 и 135 градусов (x). Отправитель сообщения A (традиционно его называют «Алиса») поляризует каждый фотон в случайно выбранном базисе, а затем отправляет его получателю B — «Бобу». Боб измеряет каждый фотон, тоже в случайно выбранном базисе. После этого Алиса по открытому каналу сообщает Бобу последовательность своих базисов, и Боб отбрасывает неправильные (не совпавшие) базисы и сообщает Алисе, какие данные «не прошли». При этом сами значения, полученные в результате измерений, они по открытому каналу не обсуждают. Если шпион (его обычно называют «Евой», от английского eavesdropping — подслушивание) захочет перехватить секретный ключ, он должен будет измерять поляризацию фотонов. Поскольку он не знает базиса, он должен будет определять его случайным образом. Если базис будет определен неправильно, то Ева не получит верных данных, а кроме того, изменит поляризацию фотона. Появившиеся ошибки сразу обнаружат и Алиса, и Боб.

Идеи Визнера, однако, были признаны далеко не сразу. Еще в начале 1970-х годов Визнер отправил свою статью о квантовой криптографии в журнал IEEE Transactions on Information Theory, но редакторам и рецензентам язык статьи показался слишком сложным. Лишь в 1983 году эта статья увидела свет в журнале ACM Newsletter Sigact News, и именно она стала первой в истории публикацией об основах квантовой криптографии.

Технологии
Как изготавливают сверхтонкое стекло: невероятная гибкость

Первоначально Визнер и Беннет рассматривали вариант передачи зашифрованных сообщений с помощью квантовых «носителей», при этом подслушивание портило бы сообщение и не давало возможности его прочесть. Затем они пришли к улучшенному варианту — использованию квантовых каналов для передачи одноразовых «шифроблокнотов» — шифровальных ключей.

Закрытый конверт

Квантовые системы связи основаны на использовании квантовых свойств носителей информации. Если в обычных телекоммуникационных сетях данные кодируются в амплитуде и частоте излучения или электрических колебаний, то в квантовых — в амплитуде электромагнитного поля или в поляризации фотонов. Разумеется, потребуется значительно более дорогая и сложная аппаратура, но эти ухищрения оправданны: дело в том, что передача информации по квантовым каналам обеспечивает стопроцентную защиту от «прослушки». Согласно законам квантовой механики измерение свойств того или иного квантового объекта, например измерение поляризации фотона, неминуемо меняет его состояние. Получатель увидит, что состояние фотонов изменилось, и предотвратить это нельзя в принципе — таковы фундаментальные законы природы. Это можно описать такой аналогией: представьте себе, что вы пересылаете письмо в закрытом конверте. Если кто-то откроет письмо и прочитает его, цвет бумаги изменится, и получатель неминуемо поймет, что послание читал кто-то третий.

Самая ценная информация — это шифровальные ключи. Если ключ имеет длину, равную самому сообщению или еще длиннее, то расшифровать послание, не зная ключа, в принципе невозможно. Остается организовать защищенную передачу ключей, а это как раз и обеспечивают квантовые линии связи. Однако пока дистанция передачи данных для таких линий слишком коротка: из-за тепловых шумов, потерь, дефектов в оптоволокне фотоны не «выживают» на больших расстояниях.

Комптон-эффект

Во всем предыдущем оставался еще один пункт, не проверенный опытом. Если квант обладает энергией и импульсом, то выполняются ли для него законы сохранения энергии и импульса так же, как для других частиц? И хотя в положительном ответе на этот вопрос никто не сомневался, все же прямая экспериментальная проверка законов сохранения была бы очень полезной. Такая проверка была осуществлена в 1925 году Артуром Комптоном, который изучал, как рассеиваются кванты света, когда они падают на покоящийся электрон. Ком- птон обнаружил, во-первых, что электрон испытывает отдачу, т.е. электрон получает от кванта импульс, а во- вторых, что квант теряет энергию и его частота уменьшается. Качественно картина была похожей на столкновение частиц. Но Комптон показал и больше — что энергия и импульс электрона и кванта в конце соударения как раз такие, какие получаются из уравнений, описывающих законы сохранения.

квантовая физика 2017 .

Квантовая физика для всех

Нажми для просмотра

Понятным
(насколько
это
возможно
конечно))
языкам
рассказыва
ется о
квантовой
физики. И
готовь
себя к…
 
 
 
Тэги:
 
Пространство и время. Что это такое? Квантовая физика, космос, Вселенная 02.10.2017

Нажми для просмотра

Пространст
во и время.
Что это
такое?
Квантовая
физика,
космос,
Вселенная
.2017 Что
такое
пространст
в…
 
 
 
Тэги:
 
Планк Макс (2017)

Нажми для просмотра

Макс Планк
— немецкий
физик-теор
тик,
основополо
жник
квантовой
физики,
Нобелевски
й лауреат.
Он был
пред…
 
 
 
Тэги:
 
Квантовая физика простым языком — поймут все

Нажми для просмотра

Друзья,
канал
«На
пальцах»
перекочева
л сюда и
теперь
станет
отдельной
рубрикой.
Почему? Об
этом я
рассказыва
 
 
 
Тэги:
 
Вселенная. Теория струн. Что объединяет квантовую физику и теорию относительности.

Нажми для просмотра

Документал
ьный фильм
про космос,
космос ,
тайны
космоса,
загадки
космоса
смотреть
онлайн
Подпишись
(Ежедне…
 
 
 
Тэги:
 
Тайны квантовой физики. Часть 1. BBC

Нажми для просмотра

Тайны
квантовой
физики.
Часть 1. BBC.
Подписывай
ся друг,
здесь
будут
собраны
только
лучшие
видео,
позволяю…
 
 
 
Тэги:
 
Пространство и время. Что это такое? Квантовая физика, космос, Вселенная 02.10.2017

Нажми для просмотра

Теория
струн. Что
объединяет
квантовую
физику и
теорию
относитель
ности?
Космос,
Вселенная
.2017…
 
 
 
Тэги:
 
Квантовая механика за 1 минуту | BrainTime

Нажми для просмотра

Квантовая
механика
одна из
самых
известных
теорий в
мире на
данный
момент
, она
перевернул
а наши
представле
 
 
 
Тэги:
 
Квантовая физика для чайников!

Нажми для просмотра

Подробнее
о бутсах Nike
Phantom: Что
такое
принцип
неопределе
нности,
квантовая
суперпозиц
ия, жив ли…
 
 
 
Тэги:
 
Квантовая физика невозможного: Нарушая временные границы. Discovery. Документальный фильм

Нажми для просмотра

Квантовая
физика
невозможно
го HD
Нарушая
временные
границы …
 
 
 
Тэги:
 
Физика: подготовка к ЕГЭ. Квантовая физика. Фотоэффект

Нажми для просмотра

Видеоурок
ориентиров
ан на
учащихся 11
класса
школы. Он
будет
особенно
полезен
для тех,
кто
готовится
сдавать…
 
 
 
Тэги:
 
Квант / Квантовая физика / Постоянная Планка

Нажми для просмотра

Квант /
Квантовая
физика /
Постоянная
Планка
Квантовая
теория и
квантовая
механика –
с
некоторых
пор…
 
 
 
Тэги:
 
Тайны квантовой физики. Часть 2. BBC

Нажми для просмотра

Тайны
квантовой
физики.
Часть 2. BBC.
Подписывай
ся друг,
здесь
будут
собраны
только
лучшие
видео,
позволяю…
 
 
 
Тэги:
 
Вселенная/Universe Попытка объединения квантовой физики и гравитации

Нажми для просмотра

Единая
Вселенная
(2016).
Документал
ьный
научно-поп
лярный
фильм.
Научное
обосновани
е Единства
всего и
всех…
 
 
 
Тэги:
 
Документальный фильм В чем связь квантовой физики и теории относительности؟ Физика света . — The Bes

Нажми для просмотра

Добро
пожаловать
на наш
канал,
посвященны
й
достижения
м и
открытиям
современно
й науки.Вам
откроются
все….
 
 
 
Тэги:
 
Квантовая физика и её парадоксы (рассказывает физик Марцис Аузиньш)

Нажми для просмотра

Программа
«Теория
всего»,
ведущий —
Алексей
Гусев.
История
квантовой
физики …
 
 
 
Тэги:
 
Квантовая механика

Нажми для просмотра

Лекцию
читает
читает
Александр
Сергеевич
Чирцов,
кандидат
физико-мат
матически
наук,
доктор
техничес…
 
 
 
Тэги:
 
Квантовая механика 1 — Несостоятельность классической физики

Нажми для просмотра

Поддержите
канал:
Первая
часть
серии
элементарн
ого
введения в
квантовую
механику.
Приве…
 
 
 
Тэги:
 
Пространство и время. Что это такое? Квантовая физика, космос, Вселенная 02.10.2017

Нажми для просмотра

Пространст
во и время.
Что это
такое?
Квантовая
физика,
космос,
Вселенная
.2017 Что
такое
пространст
в…
 
 
 
Тэги:
 
КАК ПОНЯТЬ КВАНТОВУЮ МЕХАНИКУ. Шокирующие открытия» rel=»spf-prefetch

Подведем итоги

Электроны в атомах существуют в «облаках» распределенной вероятности, а не как дискретные частицы материи, вращающиеся вокруг ядра, как миниатюрные спутники, как показывают распространенные примеры.

Отдельные электроны вокруг ядра атом стремятся к уникальным «состояниям», описываемым четырьмя квантовыми числами: главное (радиальное) квантовое число, известное как оболочка; орбитальное (азимутальное) квантовое число, известное как подоболочка; магнитное квантовое число, описывающее орбиталь (ориентацию подоболочки); и спиновое квантовое число, или просто спин. Эти состояния квантовые, то есть «между ними» нет условий для существования электрона, кроме состояний, которые вписываются в схему квантовой нумерации.

Гланое (радиальное) квантовое число (n) описывает базовый уровень или оболочку, на которой находится электрон. Чем больше это число, тем больше радиус электронного облака от ядра атома, и тем больше энергия электрона. Главные квантовые числа являются целыми числами (положительными целыми)

Орбитальное (азимутальное) квантовое число (l) описывает форму электронного облака в конкретной оболочке или уровне и часто известно, как «подоболочка». В любой оболочке столько подоболочек (форм электронного облака), каково главное квантовое число оболочки. Азимутальные квантовые числа – целые положительные числа, начинающиеся с нуля и заканчивающиеся числом, меньшим главного квантового числа на единицу (n — 1).

Магнитное квантовое число (ml) описывает, какую ориентацию имеет подоболочка (фигура электронного облака). Подоболочки могут допускать столько различных ориентаций, чему равен удвоенный номер подоболочки (l) плюс 1, (2l+1) (то есть, для l=1, ml= -1, 0, 1), и каждая уникальная ориентация называется орбиталью. Эти числа – целые числа, начинающиеся от отрицательного значения номера подоболочки (l) через 0 и заканчивающиеся положительным значением номера подоболочки.

Спиновое квантовое число (ms) описывает другое свойство электрона и может принимать значения +1/2 и -1/2.

Принцип запрета Паули говорит, что два электрона в атоме не могут разделять один и тот же набор квантовых чисел. Следовательно, может быть не более двух электронов на каждой орбитали (спин=1/2 и спин=-1/2), 2l+1 орбиталей в каждой подоболочке, и n подоболочек в каждой оболочке, и не более.

Спектроскопическое обозначение – это соглашение для обозначения электронной структуры атома. Оболочки показываются как целые числа, за ними следуют буквы подоболочек (s, p, d, f) с числами в верхнем индексе, обозначающими общее количество электронов, находящихся в каждой соответствующей подоболочке.

Химическое поведение атома определяется исключительно электронами в незаполненных оболочках. Оболочки низкого уровня, которые полностью заполнены мало или совсем не влияют на химические характеристики связывания элементов.

Элементы с полностью заполненными электронными оболочками почти полностью инертны, и называются благородными элементами (ранее были известны как инертные).

Ссылка на основную публикацию