Квантовая механика: от кота Шрёдингера до технологий, меняющих мир

Столетие спустя после того, как квантовая механика поставила в тупик Эйнштейна и Шрёдингера, она питает технологии, меняющие мир — и, возможно, самые большие сюрпризы еще впереди. Credit: AI/ScienceDaily.com

На протяжении большей части начала XX века квантовая механика была одной из самых загадочных идей в науке. Эта теория бросила вызов традиционному мышлению и поставила в тупик даже ведущих физиков. Спустя столетие она стала основой технологий, влияющих на повседневную жизнь, включая лазеры, микрочипы, защищенные коммуникации и появляющиеся квантовые компьютеры.

В новой статье, опубликованной в журнале Science, доктор Марлан Скалли из Техасского университета A&M размышляет о замечательной эволюции квантовой механики — от абстрактной теории о крошечных частицах до мощной основы, помогающей исследователям решать одни из самых сложных вопросов науки.

«Квантовая механика начиналась как способ объяснить поведение крошечных частиц, — сказал Скалли, который также связан с Принстонским университетом. — Теперь она движет инновациями, которые были невообразимы всего поколение назад».

Скалли сыграл важную роль в развитии этой области. Он является соавтором влиятельного учебника «Квантовая оптика», ресурса, который обучил поколения физиков. Его исследования в области когерентной наномасштабной лазерной спектроскопии позволили изучать молекулы с атомарной точностью. Он также разработал новаторские концепции, связанные с квантовыми тепловыми двигателями, которые бросают вызов традиционным предположениям о термодинамической эффективности и однажды могут привести к новым энергетическим технологиям.

От кота Шрёдингера до квантовых технологий

Одна из самых известных иллюстраций квантовой механики была предложена в 1935 году, когда Эрвин Шрёдингер сформулировал свой парадокс кота. Мысленный эксперимент предполагал, что кот может находиться в состоянии одновременно живого и мертвого, пока за ним не наблюдают. Шрёдингер ввел эту идею, чтобы подчеркнуть, насколько странной казалась квантовая теория.

Сегодня эти когда-то причудливые концепции вышли далеко за рамки философских дебатов.

«Эта "квантовая странность" больше не является просто философской головоломкой, — сказал Скалли. — Это основа квантовых вычислений, квантовой криптографии и даже обнаружения гравитационных волн».

Основы квантовой механики были заложены такими пионерами, как Шрёдингер и Вернер Гейзенберг. Они разработали два разных математических подхода — волновую механику и матричную механику — для описания квантовых систем. Со временем эти подходы были объединены и способствовали развитию квантовой теории поля, которая объясняет, как частицы взаимодействуют через электромагнитные и ядерные силы.

Их работа развила раннюю атомную модель Нильса Бора, которая изображала электроны, вращающиеся вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца. Хотя более поздние открытия уточнили эту картину, модель Бора помогла проложить путь к современной квантовой теории.

Квантовая когерентность и появление лазеров

Одной из важнейших концепций в квантовой механике является квантовая когерентность. Это явление позволяет таким частицам, как атомы и фотоны, оставаться связанными в согласованном состоянии, даже на значительных расстояниях.

Квантовая когерентность напрямую привела к созданию лазера — технологии, в которую многие когда-то не верили. Сегодня лазеры используются повсеместно: от сканеров штрих-кодов в супермаркетах до операций по коррекции зрения и передовых научных приборов.

Когерентность также тесно связана с квантовой запутанностью — явлением, которое побудило Альберта Эйнштейна назвать его «жутким действием на расстоянии».

Запутанность позволяет частицам обмениваться информацией через уникальные квантовые свойства. Эти эффекты лежат в основе систем квантового шифрования и повышают чувствительность сложных приборов, таких как лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO), которая обнаруживает крошечные колебания пространства-времени.

Квантовые тепловые двигатели бросают вызов классическим пределам

Одно из самых неожиданных применений квантовой физики связано с квантовыми тепловыми двигателями.

Традиционные двигатели ограничены пределом Карно, который определяет максимальную эффективность, допускаемую классической термодинамикой. Исследователи обнаружили, что, используя квантовую когерентность, можно создать двигатели, которые превзойдут эти классические ограничения.

«Это яркий пример того, как квантовые принципы могут переписать правила классической физики», — сказал Скалли.

Квантовая биология, гравитация и турбулентность

Влияние квантовой механики теперь простирается далеко за пределы физики.

В биологии такие методы, как когерентная спектроскопия комбинационного рассеяния, позволяют исследователям изучать вирусы и другие структуры в наномасштабе, предоставляя ценную информацию о микромире.

Квантовые идеи также формируют усилия по пониманию самой Вселенной. Ученые, работающие над такими концепциями, как теория струн и квантовая гравитация, пытаются согласовать квантовую механику с теорией относительности Эйнштейна — одной из самых больших нерешенных проблем современной физики.

Исследователи даже применяют квантовые концепции к давней проблеме понимания турбулентности. Хаотичное движение воздуха и жидкостей влияет на погодные условия, климатические системы и характеристики самолетов. Изучая сверхтекучий гелий, вещество, проявляющее необычное квантовое поведение, ученые обнаруживают закономерности, которые могут улучшить климатическое моделирование, прогнозирование штормов и безопасность полетов.

Следующее столетие квантовых открытий

Несмотря на столетие успехов, квантовая механика продолжает поднимать глубокие вопросы.

Может ли гравитация быть квантована (то есть ведет ли себя гравитация как другие силы на квантовом уровне)? Могут ли квантовые компьютеры трансформировать медицину и материаловедение? Какие новые открытия о Вселенной могут появиться благодаря будущим квантовым технологиям?

Скалли считает, что поиск ответов только начинается.

«В начале XX века многие считали, что физика завершена, — сказал он. — Сейчас, в XXI веке, мы знаем, что приключение только начинается».

Пять способов, которыми квантовая механика влияет на повседневную жизнь

• Лазеры. От сканеров в продуктовых магазинах до операций на глазах — лазеры зависят от квантовых принципов, которые усиливают свет.
• Безопасная связь. Квантовая криптография может создавать высокозащищенные коды, помогающие оберегать конфиденциальную информацию.
• Более быстрые вычисления. Квантовые компьютеры способны решать определенные задачи за секунды, в то время как классическим компьютерам на это потребовались бы тысячи лет.
• Лучшие измерения. Обсерватории гравитационных волн используют квантовые методы, такие как «сжатый свет», для обнаружения крошечных искажений пространства-времени и раскрытия новых деталей о Вселенной.
• Медицинские прорывы. Методы квантовой визуализации помогают ученым изучать вирусы, молекулы и другие биологические структуры на атомном уровне.

Источники: sciencedaily.com

Материалы предоставлены Техасским университетом A&M. Оригинал написан Лесли Хентон.

Marlan O. Scully, William G. Unruh. One hundred years of quantum mechanics. Science, 2025; 390 (6777): 998 DOI: 10.1126/science.ady6092