Чем квант отличается от фотона

Чем квант отличается от фотона

Видео: Энергия фотона (видео 1) | Квантовая физика | Физика

Содержание

В ключевое отличие между фотоном и квантом заключается в том, что фотон — это элементарная частица, а квант — мера количества.

Фотон — это элементарная частица, а квант — это дискретный пакет с запасенной в нем энергией. Фотон и квант — два очень важных понятия в современной физике. Кроме того, эти концепции широко используются в таких областях, как квантовая физика, квантовая химия, теория электромагнитного поля, оптика, физика элементарных частиц и т. Д. Эти концепции также важны во многих реальных приложениях, таких как ЛАЗЕРЫ, микроскопия высокого разрешения, измерения молекулярных расстояния, квантовая криптография и фотохимия.

1. Обзор и основные отличия
2. Что такое Фотон
3. Что такое квант
4. Сравнение бок о бок — фотон и квант в табличной форме
5. Резюме

Что такое фотон?

Фотон — это элементарная частица, не имеющая субструктуры. Элементарные частицы — это строительные блоки вселенной; все остальные частицы состоят из этих частиц. Фотоны относятся к категории элементарных бозонов. Альберт Эйнштейн — отец современной концепции фотонов. Он использовал эту концепцию для объяснения экспериментальных наблюдений, которые не соответствовали классической волновой модели света.

Фотон — это частица с нулевой массой покоя, но у нее есть релятивистская масса. Кроме того, он не имеет электрического заряда. Кроме того, он не распадается самопроизвольно в космосе. Более того, он движется в космосе со скоростью света. Мы можем найти энергию фотона по формуле E = hf, где E — энергия, f — частота фотона, а h — постоянная Планка. Мы также можем дать это уравнение в виде E = hc / λ, где скорость света равна c, а λ — длина волны.

(имеет высоковольтную энергию)

Кроме того, фотоны, как и все другие квантовые объекты, проявляют свойства, подобные волнам и частицам. И эта двойственная природа волны-частицы — это концепция, которую мы называем дуальностью фотона волна-частица. Фотоны испускаются во многих естественных процессах; например, при ускорении заряда, во время молекулярного, атомного или ядерного перехода на более низкий уровень и когда частица и соответствующая ей античастица находятся в аннигиляции.

Что такое квант?

Термин «квант» происходит от латинского «квант», означающего «сколько». Квант — это «дискретный пакет» с запасенной в нем энергией. Энергия материи не непрерывна. Это означает, что передача любого количества энергии невозможна. Ученые обнаружили, что энергия квантуется и передается дискретными единицами (или пакетами) размером hf. Мы называем каждый из пакетов энергии «квантом».

Например, фотон — это единичный квант света. Множественное число квантов — это кванты. Макс Планк открыл концепцию квантования. Он использовал эту концепцию, чтобы объяснить излучение от нагретых объектов; мы называем это излучением черного тела.

В чем разница между фотоном и квантом?

Фотон — это наименьшее дискретное количество или квант электромагнитного излучения, в то время как квант — это дискретное количество энергии, пропорциональное по величине частоте излучения, которое он представляет. Следовательно, ключевое различие между фотоном и квантом заключается в том, что фотон является элементарной частицей, а квант — это мера количества.

Более того, еще одно существенное различие между фотоном и квантом состоит в том, что фотон важен как квант электромагнитного излучения, в то время как квант важен для измерения количества на субатомном уровне.

Резюме — Фотон против кванта

Мы можем описать квант как меру количества, но фотон — это не мера количества. Фактически, мы можем описать фотон как квант энергии. Следовательно, ключевое различие между фотоном и квантом состоит в том, что фотон является элементарной частицей, а квант — это мера количества.

Что такое кванты ⁠ ⁠

Самый простой способ объяснить, что такое кванты – это (внезапно, да?) аналогия.

Возьмем расстояние между вашими глазами и монитором. Чисто математически это расстояние можно разделить на несколько отрезков. Сначала вполовину, потом еще на четыре, затем на восемь частей. И так, например, до бесконечности. И может показаться, что если вы захотите ткнуть пальцем в монитор, то не сможете это сделать, потому что это расстояние делится до бесконечности. Но вы знаете, что физически вы это сделаете без проблем, потому что, по-видимому, существует мельчайшая единица расстояния, меньше которой уже ничего нет.

Раньше считали, что мельчайший размер имеет атом, но нынче ученые докопались аж до кварков и суперструн (последние скорее нет, чем да, но звучат круто). Но вопрос определения мельчайшего расстояния оставим физикам – рано или поздно нам предъявят эталон. Факт в том, что наш опыт подтверждает, что деление отрезка в реальности не бесконечно.

Эти рассуждения близки известному парадоксу Ахиллеса и черепахи. Древние тоже задумывались о бесконечности деления пространства. Так то!

Теперь возьмем другой пример из жизни. Энергию как она есть. Вы поджарили шашлык, и он, стало быть, теперь горячий. Излучает тепло, которое в общем случае является тем, что мы называем энергией, а физики — электромагнитными волнами. Жизненный опыт нам подсказывает, что энергия существует в виде непрерывных волн (помните, непонятные синусоиды на уроках алгебры). То есть энергия, как мы считаем, излучается непрерывно. До начала XX века все ученые мира тоже так думали.

А вот и фигушки. Выяснилось, что существует конечный кусочек энергии. Самая маленькая порция энергии, меньше которой не существует. Как и в случае с расстоянием, передачу энергии можно делить на кусочки (или пакеты, если вы, простигосподи, вэб-программист, и вам так понятнее). Самый крошечный кусочек энергии и называют квантом.

Собственно на этом можно и закончить. Но ведь вам наверняка интересно, как это было обнаружено, да и почему из такого пустяка родилась целая наука – квантовая физика.

О том, что кванты существуют, никто не догадывался. Пока физики чисто из интереса не решили попрактиковаться в расчетах на всяких идеальных ситуациях. Они заморочились на так называемом абсолютно черном теле. Это такая выдуманная фиговина, типа духовки, которую нагревают, а она при этом не теряет (не отражает) ни капельки энергии — все тепло забирает себе без остатка.

Эта гипотетическая духовка после нагревания, разумеется, тоже начнет излучать тепло. Физики стали считать, сколько тепла (энергии) будет излучать такая духовка. И неожиданно у них по тогдашним, казалось бы логичным, формулам умника Максвелла выходила бесконечная энергия. Это была засада – практика показывала, что в реальности подобные бесконечности не наблюдается вообще нигде и тем более в духовках. И вот на этой ерунде вся классическая физика пошла дремучим лесом.

Первым что-то путное высказал Макс Планк – дедушка квантовой физики. Он чисто по-студенчески подогнал результат под задачу, придумав формулу, из которой следовало, что энергия излучается порциями. То есть каждая электромагнитная волна несет в себе определенное количество энергии, пропорциональное частоте этой волны. Чем больше частота волны, тем больше энергии несет в себе один квант. Коэффицент пропорциональности назвали постоянной Планка, которая впоследствии оказалась не просто какой-то случайной цифрой, а фундаментальной физической величиной вселенского масштаба.

Интересная аналогия: когда мы играем на скрипке, и плавно увеличиваем громкость, то на самом деле громкость растет не непрерывно, а скачками, но такими маленькими, что мы не замечаем этого.

Планк, к сожалению, сам не понял, что открыл – до конца жизни он был противник квантовой физики. Квантование энергии было вообще очень оскорбительным для классиков. Один известный ученый-шутник (Георгий Гамов, советский эмигрант, кстати) объяснял квантование энергии так: это все равно, что природа разрешила либо пить целый литр пива сразу, либо вообще не пить ничего, не допуская промежуточных доз. Ну или аналогия от нас: вы покупаете пиво только в бутылках (разной емкости), но никакого розливного пива! Так получается и с энергией.

Формула Планка для излучения абсолютно черного тела выдала адекватный результат без всяких бесконечностей. Потому что кусочки энергии в отличие от бесконечно малых величин можно подсчитать. После этого научный мир замер в нехорошем предчувствии.

Окончательно добил классическую физику Эйнштейн. Его первым открытием была совсем не теория относительности — он сумел объяснить загадку фотоэффекта. За что и получил нобелевскую премию (а совсем не за ТО).

Фотоэффект — это когда свет падает на пластинку и выбивает из нее электроны. Только вот энергия выбитых электронов не зависит от увеличения мощности (яркости) света, хоть ставь сто ламп, но увеличивается только число электронов, а не их скорость. Энергия же выбитых из пластинки электронов растет, если увеличить частоту волны света, уменьшая ее длину: то есть посветить не красным, а, например, фиолетовым светом. Свет с малой частотой, типа очень красного, вообще не производит эффекта. Это, кстати, напрямую касается великой тайны, почему фотографии проявляют при красном свете — только этот цвет не засвечивает пленку, не выбивает электроны, улавливаете?

Явление фотоэффекта вообще никто не мог объяснить в рамках классической физики.

На картинке, походу, нарисован прибор для изучения фотоэффекта.

Никто не мог объяснить, кроме агента мировых заговорщиков Эйнштейна. Чтобы ответить, почему цвет падающего луча света, а не его энергия, определяет скорость выбиваемых электронов, Эйнштейн решил перенести идейки о порциях энергии Планка на световую волну. Ведь озадаченный Планк применял свою теорию только к тепловым излучениям.

Для начала Эйнштейн впервые озвучил идею, что свет можно и нужно рассматривать не как волну, а как частицу (впоследствии ее назовут фотоном, а Эйнштейн называл ее световым квантом). Для любознательных: обычная лампочка в 100 Ватт излучает в секунду примерно сто миллиардов миллиардов фотонов (это 10 в 20 степени).

При фотоэффекте в силу размеров сражение между электроном и фотоном идет один на один. Чтобы фотон при столкновении с электроном вырвал последний из металлической пластинки, он должен иметь для этого достаточное количество энергии. А если применить формулу Планка именно для света, то выходило, что энергия каждого фотона пропорциональна частоте световой волны, то есть отдельно взятый фотон обладает определенной энергией, зависящей от собственной частоты. Вот и получалось, что частота света (его цвет) определяет скорость вылетающих электронов, а интенсивность (яркость) света влияет только на количество выбитых электронов.

Это как сотни детишек будут сбивать снежками сосульки, но никто не сможет докинуть, а потом придет переросток из старшей группы и метнет снежок до самой крыши и собьет цель.

Таким образом, Эйнштейн показал, что электромагнитная волна (свет) состоит из маленьких частиц – фотонов, которые в свою очередь представляют собой маленькие порции или кванты света.

И после этого мир уже никогда не был прежним. Физики столкнулись с невероятным для макромира явлением, что материя может быть одновременно и частицей и волной, что энергия не делится бесконечно, а очень даже кратна некоему значению (постоянной Планка), что эти самые кванты обладают такими свойствами, что расскажи кому в приличной компании – не поверят и вызовут санитаров.

Эйнштейн был злостным противником квантовой физики. Он до самой смерти держал оборону, считая, что квантовые явления можно как-то нормально объяснить. Но разные там Нильсы Боры, Гейзенберги, Ландау и прочие открывали все новые и новые свойства квантов. А в 50-е годы, уже после смерти Эйнштейна квантовые штучки были подтверждены экспериментально и окончательно.

Благодарим за внимание! Продолжение следует.

NB: Все изображения взяты из гугла (поиск по картинкам) — авторство определяется там же.

Незаконное копирование текста преследуется, пресекается, ну, и сами знаете.

7K постов 75.5K подписчиков

Правила сообщества

ВНИМАНИЕ! В связи с новой волной пандемии и шумом вокруг вакцинации агрессивные антивакцинаторы банятся без предупреждения, а их особенно мракобесные комментарии — скрываются.

Основные условия публикации

— Посты должны иметь отношение к науке, актуальным открытиям или жизни научного сообщества и содержать ссылки на авторитетный источник.

— Посты должны по возможности избегать кликбейта и броских фраз, вводящих в заблуждение.

— Научные статьи должны сопровождаться описанием исследования, доступным на популярном уровне. Слишком профессиональный материал может быть отклонён.

— Видеоматериалы должны иметь описание.

— Названия должны отражать суть исследования.

— Если пост содержит материал, оригинал которого написан или снят на иностранном языке, русская версия должна содержать все основные положения.

Не принимаются к публикации

— Точные или урезанные копии журнальных и газетных статей. Посты о последних достижениях науки должны содержать ваш разъясняющий комментарий или представлять обзоры нескольких статей.

— Юмористические посты, представляющие также точные и урезанные копии из популярных источников, цитаты сборников. Научный юмор приветствуется, но должен публиковаться большими порциями, а не набивать рейтинг единичными цитатами огромного сборника.

— Посты с вопросами околонаучного, но базового уровня, просьбы о помощи в решении задач и проведении исследований отправляются в общую ленту. По возможности модерация сообщества даст свой ответ.

Наказывается баном

— Оскорбления, выраженные лично пользователю или категории пользователей.

— Попытки использовать сообщество для рекламы.

— Многократные попытки публикации материалов, не удовлетворяющих правилам.

— Нарушение правил сайта в целом.

Окончательное решение по соответствию поста или комментария правилам принимается модерацией сообщества. Просьбы о разбане и жалобы на модерацию принимает администратор сообщества. Жалобы на администратора принимает @SupportComunity и общество пикабу.

благодаря вашему посту понял что такое квант в принципе) а про суперпозицию так же доходчиво объясните? и про парадокс наблюдателя или как оно там правильно называется когда квант ведет себя как частица или волна если за ним не «смотрят» это уже много лет напрочь выносит мне мозг;)

-Сколько стоит рюмка коньяка?

-Однако. А сколько стоит одна капля коньяка?

-Тогда накапайте мне рюмку.

И понял, и не понял.

В материальном мире получается, что энергия не делится бесконечно, потому что должен быть эталон самой маленькой частицы. Это понятно.

А геометрически, те есть не в материальном мире, а образно?
Я вот еще в школе задался вопросом (скорее философским по своей природе), когда декартову систему координат использовали. Вот, допустим, движение от единицы до нуля. Бесконечное множество точек, которые не имеют размера. Таким образом от единицы до нуля никогда не дойти (это не про Ахиллеса с черепахой?).

Ну а если точек бесконечное множество, то они не имеют определенного значения, а следовательно можно прийти к выводу, что и нуля не существует.

Структура материи: (эпизод 4): модель Бора и гипотеза де Бройля – физик Виталий Бейлин | Научпоп⁠ ⁠

КАК ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ РАЗУМ ПРОНИКАЛ ВГЛУБЬ СТРУКТУРЫ ВЕЩЕСТВА — ЧАСТЬ 4

Что такое квантовый объект? В чём заключался основной смысл теории физика Луи де Бройля? Когда и кем был сформулирован математический аппарат квантовой механики? Виталий Бейлин, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической и вычислительной физики ЮФУ, научный сотрудник отдела теоретической физики НИИ Физики ЮФУ рассказывает, какая модель наиболее наглядно описывает состояние электронов в атоме, что представляла собой квантовая модель Бора и почему дуализм необходим для объяснения природы квантовых объектов.

Квантовая теория поля: визуализация от ScienceClic⁠ ⁠

Как согласовать теорию относительности с квантовой механикой? Что такое спин? Откуда берётся электрический заряд?

Физики представили квантовые системы в виде сферы⁠ ⁠

Ученые предложили количественный способ оценки степени нахождения системы в квантовом состоянии. Результаты исследования опубликованы в журнале AVS Quantum Science.

Известно, что более или менее крупные материальные объекты подчиняются классическим законам механики, сформулированным Ньютоном. Маленькие, такие как атомы и субатомные частицы, регулируются квантовой механикой, где объект может вести себя и как волна и как частица.

Для описания классических и квантовых состояний используется различный математический аппарат. При этом описание квантовой системы с помощью волновой функции возможно не всегда, а только для так называемых чистых состояний, когда состояние системы можно представить в виде линейной суперпозиции некоторых базисных состояний.

Помимо чистых состояний квантовомеханических систем существуют смешанные, которые описывают с помощью матрицы плотности. Кроме того, физики понимают, что должны быть и переходные состояния между классической и квантовой моделями, когда система частично "классическая", а частично "квантовая".

Исследователи во главе с Луисом Санчесом-Сото (Luis Sanchez Soto) из Мадридского университета Комплутенсе изучили экстремальные квантовые состояния, когда система проявляет наибольшую или наименьшую "квантовость", и разработали метод количественной оценки этого параметра.

Вместо численной шкалы квантовости авторы предложили для визуального представления экстремальных квантовых состояний так называемые созвездия Майораны, с помощью которых квантовая система может быть представлена математически точками на сфере.

созвездия Майораны

Известно, что наименее квантовые — когерентные — состояния можно описать как квазиклассические. Поэтому их созвездия представляет собой просто одну точку на сфере. Когерентные состояния возникают, например, в лазере, где свет от источников множества фотонов находится в одной фазе, что делает их состояниями с наименьшим квантом.

Для наиболее квантовых состояний созвездия покрывают большую часть сферы.
Исследователи рассмотрели в своей работе несколько способов, которыми другие ученые оценивали степень квантовости и построили созвездия Майораны для каждого из них. Сравнив результаты, авторы сделали вывод, что их метод не только удобен, но и "невероятно красив".

Оценка степени квантовости систем имеет не только чисто теоретическое значение. Она важна в таких перспективных областях, как квантовые вычисления и квантовое зондирование.

Разгадан величайший парадокс квантовой механики⁠ ⁠

Китайские ученые успешно проверили гипотезу, называемую квантовым дарвинизмом, которая объясняет трудноразрешимые противоречия между квантовой механикой и классической физикой, в том числе парадокс кота Шредингера. Исследователи протестировали одно из основных положений концепции, согласно которому одно из состояний квантовой системы многократно «отпечатывается» в окружающей среде, с которой эта система взаимодействует. Об этом сообщает издание Science Alert.

Для объяснения, как возникает классическая физика, исследователи предположили существование особенно устойчивых к декогеренции состояний, называемых состоянием указателя (pointer states). Конкретное местоположение частицы или ее скорость, значение ее спина или поляризация могут быть зафиксированы как устойчивое положение стрелки на измерительном устройстве. Иными словами, взаимодействие с окружением разрушает одни состояния, а другие оставляет, например, положение частицы. Это называется суперселекцией, индуцированной средой.

Согласно второму условию квантового дарвинизма, способность человека наблюдать какое-либо свойство зависит от того, насколько хорошо оно «отпечатано» в окружающей среде. Ученые подсчитали, что частица пыли в один микрометр за одну микросекунду «отпечатается» в фотонах около ста миллионов раз, что и обуславливает ее классические свойства. Разные наблюдатели видят пылинку в одном и том же месте благодаря «копированию» информации о наиболее устойчивом состоянии (в данном случае местоположении).

Ученые создали квантовую систему (фотон) в искусственной среде, состоящей всего из нескольких частиц (других фотонов). Согласно предсказанию квантового дарвинизма, наблюдая только за средой, можно получить всю информацию о классическом поведении частицы. Результаты проверки этого положения показали совместимость наблюдаемых свойств с теорией. Однако для доказательства последней необходимы дальнейшие исследования.

Декогеренцией называют процесс, когда квантовая система, которая находится в состоянии суперпозиции (ее альтернативные состояния наложены друг на друга), начинает проявлять классические свойства. Именно поэтому кот Шредингера, который, согласно мысленному эксперименту, является одновременно живым и мертвым, при открытии коробки оказывается лишь в одном из двух альтернативных состояний. Квантовая система запутывается с окружающей средой, взаимодействуя с огромным числом атомов, в результате чего ее состояния прекращают быть наложенными друг на друга. Если окружающая среда состоит из миллиарда атомов, то декогеренция происходит почти мгновенно, а кот не может быть одновременно живым и мертвым на отрезке времени, который поддается измерению.

Квантовая физика для самых маленьких⁠ ⁠

P.S. Долгое, но за то понятное видео о квантовой механике.
P.P.S. Самое то в 2 часа ночи.

Ох уж эта квантовая. ⁠ ⁠

Честно стыпжено с просторов вк

Так ли "пуст" вакуум как нам кажется?⁠ ⁠

Мы привыкли понимать слово «вакуум», как область пространства, где полностью отсутствует какая-либо материя, однако по-настоящему пустого пространства в нашей вселенной попросту не существует. А всё из-за одного наблюдения, который в 1927 году сделал немецкий физик Вернер Гейзенберг. Выраженное в математической формуле, данное наблюдение получило название «принцип неопределённости» или даже «принцип неопределённости Гейзенберга».

У квантовой механики есть несколько отцов-основателей, однако именно Вернер Гейзенберг получил Нобелевскую премию по физике с формулировкой «за создание квантовой механики. ».

Простыми словами, эта формула значит следующее: чем точнее мы будем знать положение квантового объекта в пространстве, тем меньше мы будем знать о моменте этой частицы и наоборот. Сам по себе, данный принцип является краеугольным камнем в фундаменте квантовой механики.

На сегодняшний день, единственной экспериментально-подтверждённой теорией, способной описать и предсказать поведение элементарных частиц при высоких энергиях (то есть при энергиях, существенно превышающих их энергию покоя), является квантовая теория поля (КТП). Согласно этой теории, пространство пронизано различными квантовыми полями, своё поле есть для каждой частицы. Различные энергии полей заставляют их колебаться и вибрировать с разной интенсивностью, и эти пики возбуждения и есть электроны, кварки, нейтрино, фотоны, глюоны и пр.

Поскольку поля являются квантовыми, это значит, что возбуждение поля может происходить не с какой угодно энергией, а лишь «порциями» или квантами – целочисленными множителями какого-то базового минимального уровня. Иными словами, уровни энергии можно представить определёнными ступенями, чем выше «ступенька», тем больше частиц находится в данном квантовом состоянии. Вся «математика» квантовой теории поля состоит из путешествий вверх и вниз по этим ступеням при помощи операций создания и аннигиляции, помогают в которых диаграммы, которые придумал американец Ричард Фейнман – по-своему легендарная фигура и не только в физике.

Пример – диаграмма аннигиляции электрон-позитронной пары, которая порождает фотон, который, в свою очередь, снова распадается на электрон-позитронную пару. Просто следим за стрелочками и смотрим, как происходит взаимодействие частиц.

Самый низкий энергетический уровень нашей «лесенки» не должен иметь никакой энергии, что означает, что в данном квантовом состоянии отсутствуют какие-либо частицы, это состояние вакуума. В идеальном вакууме, энергия всех полей всё время должна находиться в состоянии вакуума, но тут на сцену выходит принцип неопределённости Гейзенберга. Мы видели, что невозможно одномоментно зафиксировать положение и момент частицы, но у принципа неопределённости есть одно следствие – оотношению неопределённости подвержены не только момент и скорость, но и любые две сопряжённые переменные. В общем случае, и в отличие от случая координаты и импульса, обсуждённого выше, нижняя граница произведения «неопределённостей» двух сопряжённых переменных зависит от состояния системы. Иными словами, соотношение неопределённости можно также применить и к энергии со временем, в той интерпретации, что Δ E – максимальная точность определения энергии квантовой системы, достижимая путём процесса измерения, длящегося время Δ t :

Чем точнее мы будем стараться определить временной интервал, тем меньше определённой будет энергия квантового поля в заданном отрезке времени, квантовое поле будет размыто по всем энергетическим состояниям. В вакууме, наиболее вероятный уровень энергии – нулевой, но иногда поле будет содержать достаточно энергии, чтобы создать частицу, будто бы «из ничего». Такие частицы называются «виртуальными частицами». Квантовая теория поля рассматривает подобные виртуальные частицы как основу и связующее звено всех взаимодействий в нашей вселенной. Например, электромагнитное взаимодействие рассматривается как обмен виртуальными фотонами между двумя заряженными частицами.

Однако, законы сохранения должны соблюдаться и здесь, и виртуальные частицы обычно создаются парами частица-античастица. И существовать такие пары могут лишь в тот краткий миг времени, отведённый принципом неопределённости, и чем выше энергия виртуальной частицы, тем меньший период времени она может существовать. Это ограничение и определяет дальность действия каждого из фундаментальных взаимодействий. Например, безмассовый фотон может иметь крайне малые уровни энергии, поэтому может существовать неопределённо долго, достаточно долго, чтобы передавать электромагнитное взаимодействие на любое расстояние. В случае с глюоном же, требуется более высокая энергия на его создание, что означает, существует предел для перемещения виртуального глюона, что делает сильное ядерное взаимодействие (переносчиком которого и являются глюоны) столь ограниченным по расстоянию.

Кто-то может возразить, что виртуальные частицы – лишь математический трюк, костыль, которым подпирают теорию (хотя надо отметить, что КТП делает предкрасные предсказания и описания явлений в своей области), но как же «поймать» виртуальную частицу, которая по определению существует между измерениями, живёт тогда, когда мы не смотрим?

Первые намёки на них мы получили в 1947 году Уиллисом Лэмбом и его аспирантом Робертом Ризерфордом (нет, не тем Резерфордом), которые заметили слабое различие между энергиями стационарных состояний ²S₁⸝₂ и ²P₁⸝₂ атома водорода. Позднее его назовут Лэмбовский сдвиг, а самому Лэмбу дадут Нобелевку, однако на то время по модели Бора, данные уровни должны были иметь идентичные уровни энергии. Данное открытие заставило учёных исследовать глубже данный феномен. Позднее американец немецкого происхождения Ханс Бете объяснил данный сдвиг флуктуациями энергии вакуума.

Виртуальные частицы и анти-частицы образовываются в пространстве между ядром и электронами, после чего ориентируются по силовым линиям электрического поля, что в какой-то степени загораживает электроны от положительного заряда ядра, что и влечёт за собой слегка разную энергию электрнов:

Другим способом поохотиться на виртуальные частицы является обнаружение их общего влияния на вакуум. Если квантовые поля находятся в постоянном возмущении из-за непрерывного появления и аннигиляции виртуальных частиц, то «нулевая энергия» (энергия нулевого уровня) данных полей будет ненулевой и абсолютно пустой объём пространства будет иметь какое-то количество реальной энергии – энергии вакуума.

В 1948 году голландский физик Хендрик Казимир придумал замечательный способ обнаружить данную энергию. Он предложил расположить две проводящие пластины, расположенные очень близко друг к другу таким образом, чтобы между ними могли существовать фотоны только определённой частоты (возьмите гитарную струну определённой длины – она будет резонировать только на определённые звуковые частоты). Нерезонирующий фотон не сможет существовать между пластинами, что вызовет пропорциональное уменьшение энергии вакуума между пластинами, однако на внешней поверхности пластин могут существовать фотоны с любой энергией, в результате чего возникнет сила, сдавливающая пластины ближе друг к другу. Эффект Казимира был впервые успешно измерен лишь в 1984 году.

Вне зазора, сформированного пластинами, могут существовать частицы с любыми частотами. Между пластинами, возможны частицы лишь с определённым набором частот.

Ни эффект Казимира, ни сдвиг Лэмба не позволяют оценить количество энергии вакуума в абсолютном выражении. Данные эксперименты способны оценить лишь относительную разность уровней энергии между между разными состояниями, поэтому возникает вопрос, а сколько вообще энергии содержится в вакууме? На данный момент наука пока не знает ответа на этот вопрос. Одним из ответов может быть ускорение расширения вселенной – тёмная энергия может быть энергией вакуума.

Австралийским учёным из центра исследования субатомной структуры материи физического отделения университета Аделаиды под руководством Дерека Лайнвебера удалось создать компьютерную модель флуктуаций, происходящих в крохотном объёме пространства 2,4×2,4×3,8 фемтометра (1×10⁻¹⁵ метра). Анимация ниже построена при помощи данной модели. Уровень энергии закодирован в цвете, при этом самый низкий уровень энергии сделан прозрачным, так, чтобы мы могли видеть, что происходит внутри. Анимация смоделирована со скоростью 1×10²⁴ кадров в секунду.

Анимация Центра исследований субатомной структуры материи физического отделения университета Аделаиды (Австралия)

Именно так выглядит пустое место или вакуум. В пустоте непрерывно происходят подобные флуктуации, потому что даже в самом разреженном вакууме межзвёздного или даже межгалактического пространства всё равно присутствует энергия. Это может показаться странным, но для создания истинного вакуума с минимально-возможным уровнем энергии, этой энергии придётся затратить гораздо больше. И даже если бы нам удалось создать подобный истинный вакуум, он бы оказался крайне нестабилен, словно гвоздь, сбалансированный вертикально на своём острие – малейшая помеха и энергия снова хлынет в него, возобновляя флуктуации.

P. S. Всех пикабушников с наступающим новым годом! В следующем посте будем разбираться с тем, кто такие кварки.

Фотоны, кванты и состояние Фока: манипуляции с радиочастотным резонатором на квантовом уровне

Мир квантовых технологий такой же богатый и запутанный, как история целой цивилизации. Одни открытия в этой области нас могут удивить, другие вводят в состояние интеллектуального ступора. А все потому, что квантовый мир живет по своим законам, и ему частенько нет никакого дела до классической физики. Мы привыкли связывать слово «квантовый» с вычислениями, которые можно производить быстрее и больше. Однако это далеко не единственное применение квантовых технологий. Сегодня мы рассмотрим исследование, в котором квантовая механика позволила ученым создать архитектуру, с помощью которой можно манипулировать радиочастотным резонатором на квантовом уровне. Звучит просто, но на деле достижение этого было сопряжено с рядом «головоломок». Какие именно аспекты квантовых наук использовали ученые, как они их реализовали и что именно из этого вышло мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.

Основа исследования

Первым делом ученые задают себе вопрос — какое самое слабое поле в квантовой механике? Ответ — однофотонное. И, казалось бы, обнаружение и манипулирование одним единственным фотоном не должно быть трудной задачей. Однако на мегагерцовых частотах это достаточно проблематично ввиду того, что имеются значительные тепловые флуктуации даже при криогенных температурах.

В данном же исследовании ученые использовали гигагерцовый сверхпроводящий кубит для прямого наблюдения квантования мегагерцевого радиочастотного электромагнитного поля. Использование кубита позволяет получить контроль над тепловым излучением, охлаждением до основного квантовомеханического состояния и стабилизацией состояния Фока* фотона.

Логично, что подобную проблему можно решить путем применения более холодных систем для извлечения энтропии, создаваемой окружающей средой. На практике такое решение именуется термическим резервуаром.

Ученые применили технологии резервуаров в своей квантовой электродинамической схеме, что позволило эффективно охлаждать и манипулировать электромагнитными полями на квантовом уровне.

В своем исследовании ученым удалось получить контроль над термически возбужденным мегагерцовым фотонным резонатором, что позволило наблюдать квантование радиочастотных электромагнитных полей. А манипуляция с квантовым состоянием была достигнута за счет резервуаров. Также ученым удалось стабилизировать однофотонное и двухфотонное состояния Фока.

В основе всего лежит считывание и управление резонатора посредством дисперсионной связи фотонов резонатора и сверхпроводящего кубита. Однако, когда имеется гигагерцовый кубит и мегагерцовый фотон, связь (соединение) между ними в традиционной квантовой электродинамической схеме будет крайне слабой. Но и это препятствие ученые преодолели, предложив новый метод соединения.

Результаты исследования

Изображение №1

Посредством созданной учеными схемы возникает очень сильное соединение между кубитом и фотоном (1А). Схема состоит, помимо прочего, из следующих элементов:

L_J — контакт Джозефсона, 41 нГн (наногенри);
C_L — конденсатор, 11 пФ (пикофарад);
L — спиральный индуктор, 28 нГн.

При низких частотах паразитная ёмкость* спирального индуктора незначительна, а у альтернативной схемы (1В) частота первого перехода будет равна ω_L=2π х 173 МГц. Если же имеют место быть гигагерцовые частоты, CL становится коротким замыканием, а емкость спирального индуктора C_H = 40 фФ (фемтофарад). В таком случае параллельное соединение (1С) L_J, L и C_H имеет частоту первого перехода в 2π х 5.91 ГГц. Подобная конфигурация схем позволяет обеим моделям совместно использовать контакт Джозефсона.

Данный контакт обладает индуктивностью, которая изменяется в зависимости от колебаний проходящего по нему тока. Ввиду этого резонансная частота высокочастотной (HF) моды смещается в соответствии с числом возбуждений в низкочастотной (LF) моде и наоборот.

Подобное кросс-керровское взаимодействие количественно определяется числом смещений за 1 фотон: х = 2√A_HA_L, где ангармоничность* HF и LF мод равна A_L = h х 495 кГц и A_H = h х 192 МГц.

Кросс-керровское взаимодействие проявляется как расщепление числа фотонов в измеренном микроволновом отражении S₁₁.

Как видно из графика 1D, ввиду сильного кросс-керровского взаимодействия квантовые колебания состояния Фока фотона (|0⟩, |1⟩, |2⟩…) в резонаторе приводят к сдвигу частоты перехода кубита.

Собственные состояния системы были помечены как |j, n⟩, где j = g, e, f, … является возбуждением высокочастотной моды, а n = 0, 1, 2… — низкочастотной моды.

Амплитуда пиков n пропорциональна P_nк_ext / к_n, где P_n — положение уровня числа фотонов в низкочастотной моде, а к_ext / к_n — разница между внешним соединением к_ext/2π = 1.6 МГц и шириной к_n на пике n. В соответствии с распределением Бозе-Эйнштейна высот пика P_n, ученые определили среднее значение числа фотонов n_th= 1.6, что соответствует модовой температуре в 17 мК (милликельвин).

Разрешение пиков индивидуальных фотонов обусловлено условием кn ≪ х/ħ. Соответственно ширина пиков будет увеличиваться с увеличением значения n: к_n = к (1+4n_th (H)) + 2γ(n+(1+2n)n_th). В данной формуле к/2π = 3.7 МГц является уровнем диссипации высокочастотной моды, а γ/2π = 23 кГц — уровнем диссипации низкочастотной моды.

В таком случае условие к_n ≪ A_H/ħ делает из высокочастотной моды трансмон (сверхпроводящий зарядовый кубит). Это позволяет селективно активировать переходы |g, n⟩⟷|e, n⟩ и |e, n⟩⟷|f, n⟩.

А вот с низкочастотной модой все иначе. Ширина линии у нее всего несколько МГц, ввиду ограничения со стороны теплового расширения, значительно большего чем A_L. Это делает из нее своего рода гармонический осциллятор.

Процесс перехода частиц между состояниями осуществлялся через нелинейность контакта посредством накачки схемы на ωp частоте. В данном процессе возможно взаимодействие только 4 фотонов единовременно, когда 1 фотон в резонаторе (низкочастотная мода) аннигилируется, а на стороне трансмона образуется уже 2 фотона.

Изображение №2

Такой метод подкачки в сочетании с большой разницей в частотах релаксации мод позволяет охлаждать мегагерцовый резонатор до его основного состояния. Схема процесса показана на 2А.

Охлаждение будет только в том случае, если скорость термализации резонатора будет ниже скорости перехода возбуждений из |g, 1⟩ в |g, 0⟩. Есть и второй вариант охлаждения — посредством перехода |g, 1⟩⟷|e, 0⟩. Однако этот процесс является двухфотонным, а потому требует большей мощности подкачки.

На изображении 2В показаны измерения S₁₁ (микроволновый отклик) при разных уровнях мощности охлаждающей подкачки. Как мы видим из этого графика самый лучший результат достигается, когда уровень населенности основного состояния равен 0.82.

Если же населенность использовать как функцию кооперативности*, то будет видно, что при более высокой (сильной) кооперативности начнется резкое снижение показателя населенности основного состояния. Следовательно, процесс охлаждения будет невозможен в такой ситуации.

Ученые отмечают три основных фактора, которые ограничивают охлаждение и приводят к тому, что мы видим на графике 2С — чем выше кооперативность, тем хуже дела обстоят с населенностью.

Первый фактор это термическая населенность кубита. Подкачка переводит населенность из |g, 1⟩ в |f, 0⟩, однако возникает и обратный процесс из-за того, что уровень f обладает термической населенностью (хоть и очень малой) — 0.006. Из этого следует такое соотношение: P1/P0 ﹥Pf/Pg (пунктирная линия на 2С).

Второй фактор — во время сильного соединения (связи) подкачка гибридизирует состояния |g, 1⟩ и |f, 0⟩. Если g превышает скорость распада 2k, то населенность состояния |g, 1⟩ начнет переход в |f, 0⟩ и вернется обратно в |g, 1⟩, не имея при этом времени на распад до состояния |e, 0⟩.

Изображение №3: обход ограничения внерезонансного воздействия многопоточной накачкой

Обойти этот ограничивающий фактор можно «массовостью», то есть одновременно запускать несколько процессов охлаждения |g, n⟩⟷|f, n-1⟩. Чем больше таких потоков, тем меньше мощности подкачки требуется для достижения необходимой населенности основного состояния. Следовательно, влияние внерезонансного воздействия снижается.

Корме того, можно объединить разные процессы, |g, n⟩⟷|f, n-1⟩ и |g, n⟩⟷|f, n+1⟩, что позволит достичь стабилизации состояний Фока мегагерцового резонатора.

/>
Изображение №4

Напоследок ученые проверили динамику всей системы с учетом резервуаров и термализации мегагерцевого резонатора с временным разрешением (интервалом) в 80 нс (наносекунд). Во время измерения микроволнового отражения на определенной частоте накачка включалась и отключалась на 50 мкс (микросекунд).

На изображениях выше представлены результаты данной проверки: 4А — динамика охлаждения до основного состояния и 4В — стабилизация однофотонного состояния Фока.

После изучения стационарного состояния, обусловленного накачкой, последняя прекращалась, что позволило наблюдать за процессом термализации устройства.

Ученые подвели итоги своего труда в нескольких умозаключениях. Во-первых, система хоть и показывает хорошие результаты охлаждения до основного состояния и стабилизации состояний Фока, но есть определенные проблемы, которые требуют дальнейшего изучения. В первую очередь, это внерезонансное воздействие. Эту проблему можно решить путем определения точного значения A_H и Χ, что позволит убрать внерезонансные процессы из частотного диапазона процесса охлаждения. Второй метод это достижение высокой населенности основного состояния до того, как эффект сильного соединения (связи) начнет значимо влиять на процесс. Вариант снижения диссипации кубита ученые не рассматривают из-за того, что этот метод хоть и ликвидирует негативный эффект внерезонансных процессов, но сильная связь будет возникать при более низкой мощности накачки.

Для более детального ознакомления с подробностями исследования настоятельно рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Квантовый мир, его законы, ограничения и преимущества сложно понять, но возможно и, самое главное, необходимо. Одним из самых сложных направлений в данной области является объединение квантовых и классических физик, то есть применение квантовых технологий для изменения, управления и улучшения процессов, описываемых классической физикой.

В данном исследовании ученым удалось создать архитектуру квантового устройства, которое может манипулировать радиочастотным резонатором на квантовом уровне. Сами исследователи с оптимизмом смотрят в будущее своего детища. По их словам, это может дать толчок для создания подобной, но куда более сложной и масштабной системы, которая может помочь в исследовании тел в системах Бозе-Хаббарда. Также ученые указывают на то, что их творение может служить связующим звеном между квантовыми технологиями и физическими системами в мегагерцовом частотном диапазоне. Данное устройство может также быть использовано в совершенствовании ЯМР (ядерно-магнитного резонанса) и даже в радиоастрономии.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличной всем рабочей недели, ребята.

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до лета бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

Термины фотон и квант

Термины фотон и квант.
На форуме спорил с SBK и он отрицал существование фотонов и квантов. Я не понимаю такого неприятия.
В общем фотон — это квант электромагнитного излучения любой частоты с одним периодом колебаний.

В физике термины фотон и квант почти равнозначны.

Смотрите также

Удар по Собянину: политолог назвал причину задержания чиновника московской мэрии

Чем отличается христианский Иисус от мусульманского Исы

Россия ввела санкции против глав ФБР и Нацразведки США

Квант все же более широкое понятие.

По моему, это одно и тоже, а что предлагает взамен SBK?

Фотон – кварт света.

Уважаемый, а вот объясните, когда появляется и когда исчезает фотон?

Я имею ввиду частоту электромагнитного излучения.

Это к тому, что фотон придуман.

Для начала, Вы не точны, уважаемый Николай Григорьевич. Я отрицал термин фотон, но не отрицал термин квант и многократно объяснял, что этот термин появился, как следствие энергетического подхода,И перечитайте, пожалуйста ещё раз мои работы, где всё это разжёвывается

Каравашкин С.Б., Каравашкина О.Н. Может ли тело одновременно обладать корпускулярными и волновыми свойствами?

Каравашкин С.Б., Каравашкина О.Н. О направлении воздействия фотона на электрон