Квантовая физика
Присоединяйся к Вомбату
Сохраняй посты, комментируй и ставь оценки
или через
Хотите перенести свой аккаунт с Пикабу? Узнайте как
Уведомления
Вомбаттл
Сохраняй посты, комментируй и ставь оценки
Попробуем разобраться что енто такое.
Сразу к сути - в стандартной модели физики для удобства разбили частицы на три поколения. Отличает их всего навсего масса покоя, чем моложе поколение - тем более упитаннее их частицы. Но поколения применимы только к частицам, формирующим материю, а именно лептоны и кварки. Переносчики взаимодействий вне этой классификации:
При этом каждая частица и её поколения имеют одинаковые квантовые числа и фундаментальные взаимодействия. Например электрон, мюон, тау-лептон имеют одинаковый заряд и спин, тоже самое и с нейтрино и с кварками (см. картинку выше).
Стабильную во времени материю в нашем привычном виде могут составлять только частицы первого поколения (с нейтрино и так много непоняток), т.е. электрон, и верхний и нижний кварки (эти кварки отвечают за протоны и нейтроны). Соответствующие античастицы - как и полагается имеют противоположный электрический заряд, например, анти-d-кварк будет иметь эл. заряд в +1/3. Ну с электронами и позитронами так же. Причём существует и антинейтрон, составленный из дву анти-d-кварка и одного анти-u-кварка. Так что с поколениями античастиц всё нормально.
А теперь глянем на первое поколение:
Электрон - масса покоя ~0.511 МэВ, экспериментальная нижняя граница среднего времени жизни электрона составляет 6,6⋅10^28 лет (нехило да? - ,больше возраста вселенной)
Кварки по отдельности не тусуются а только в составе других частиц, минимум два кварка у мезонов. потому говорить о времени жизни отдельного кварка бессмысленно. А вот массы пожалуйста: d-кварк 4,67МэВ, u-кварк 2.16МэВ.
Но стоит приглядеться к протону со временем жизни более чем - нижнее ограничение на время жизни — 2,1⋅10^29 лет независимо от канала распада, 1,6⋅10^34 лет для распада на позитрон и нейтральный пион, 7,7⋅10^33 лет для распада на положительный мюон и нейтральный пион. Т.е. больше чем у электрона. Нейтрону повезло меньше - в свободном состоянии: τ = 878,4 ± 0,5 секунды, после чего идёт бэта распад на электрон, протон и электронное антинейтрино. Именно этот канал инициирует распад радиоактивных изотопов в большинстве случаев. Связка в ядре с протонами стабилизирует нейтрон что позволяет существовать изотопу Fe-56, период полураспада оценивается в бесконечность (это означает, что в эксперименте распад не был замечен).
Что же по второму и третьему поколениям - они накачаны энергией сверх меры, потому и времена жизни мизерные, появляются только в ядерных реакциях (Мюоны долетают до нас за миллионы световых лет, но из-за того, что летят они почти со скоростью света - их собственное время оказывается меньше 2,1969811 микросекунды).
А вот массы разнятся катастрофически. Если у мюона 105,7МэВ (в 207 раз больше электрона), то у тау-лептона уже 1.777ГэВ ( в три с половиной тысячи электронов), в время жизни у тау-лептона составляет 2,9⋅10^−13 секунды.
По картинке можно судить о том как "ожирение" на фундаментальном уровне сокращает жизнь. Не переедайте дорогие мои вомбатяне.
З.Ы. Надеюсь не слишком заморочено написал, старался как проще.
Эту увлекательную беседу мы начнём с того, что обратимся к стандартному пониманию суперпозиции в обычной физике.
В стандартном случае принцип суперпозиции означает, что если у вас есть несколько решений некоторого уравнения, описывающего физическую систему, то любая линейная комбинация этих решений также будет решением этого уравнения.
Звучит довольно путанно, но поможет простой пример. Представьте себе, что вы бросаете два камня в пруд. Каждый камень создает механические волны на поверхности воды. В тех местах, где волны от разных камней встречаются, они накладываются друг на друга (суперпозиционируются) или... если ещё проще...Складываются.
Можно смело сказать, что итоговая волна, которую вы видите на поверхности пруда, является результатом суперпозиции волн от каждого камня. Это линейная суперпозиция, потому что амплитуда результирующей волны в каждой точке является суммой амплитуд волн от каждого источника. Ну и важно отметить, что складывается оно по всем правилам математической обработки результата - плюс складывается с минусом, учитывается направление вектора и так далее. Некоторые почему-то притягивают сюда логику абсолютного значения.
И тут всё хорошо и логично. Но потом мы сталкиваемся с квантовой физикой. Там есть квантовая суперпозиция.
Это совсем другое понятие, хотя логика суммирования тоже может к нему применяться. Нам важно понимать что это такое, потому что суперпозиция - это база для всей квантовой механики.
Начнём с примера. Процитирую, пожалуй, классическое представление проблемы и не менее классический пример.
Представьте, что у вас есть монетка, которая крутится в воздухе. Пока она не упала, нельзя сказать, орёл там или решка – она как бы “и то, и другое сразу”. Вот это и есть квантовая суперпозиция!
В квантовой физике частицы (например, электроны) могут находиться в нескольких состояниях одновременно (например, иметь разный спин или энергию). Пока мы не измерили, в каком именно состоянии частица, она находится в “суперпозиции” всех возможных состояний. Только в момент измерения частица “выбирает” одно конкретное состояние.
Суперпозиция - это как “квантовая неопределенность” до момента наблюдения.
Осознать это в здравом уме не так-то и просто.
Вот и Шрёдингер подумал, что это какой-то бред и привёл легендарный пример с котом. Да, я не устаю напоминать, что кот Шрёдингера был примером того, что квантовая физика - это безумие. Но в историю, как это часто бывает с событиями, он вошёл как милое животное, которое и живое и мёртвое.
Он предложил мысленный эксперимент. В закрытом ящике следует расположить кота и флакон с ядом. Флакон с ядом может быть разрушен, а зависит это от системы срабатывания, которая зависит от вероятности распада частицы. Мы умышленно подбираем такой вариант, когда это фифти-фифти или 50 на 50. Мы сможем узнать, что именно случилось с котом только в том случае, когда откроем ящик. Но до того момента кот сразу и живой, и мёртвый с равно вероятностью. Эксперимент иллюстрирует сразу и эффект наблюдателя, и состояние квантовой суперпозиции.
А теперь прочитайте это ещё раз и попробуйте перенести состояние фифти-фифти на обычную жизнь. Не получается? Именно так! Всё потому, что между квантовой физикой и физикой стандартной (которая нами легко воспринимается) существует серьезный барьер.
По сути любое квантовое событие рассматривается именно как кот в закрытом ящике. Я много раз поднимал эти темы на канале.
Состояние любой квантовой системы описывается квантовой или волновой функцией. Это база. И она не имеет определенного описания конкретного варианта или состояния системы.
Мы получаем результат только в случае наблюдения (парадокс наблюдателя). По сути дела это можно перефразировать, что конкретное состояние из множества вариантов проявляет себя только в момент взаимодействия с системой (это детектирование или что-то аналогичное). Такое взаимодействие принято называть коллапсом волновой функции.
И тут целая вереница интересных размышлений и разбора сопутствующих проблем (например про варианты, которые были у системы или про скрытые параметры). Но не будем пока отвлекаться. Всё это интересно, однако нам нужно познать квантовую суперпозицию.
Очень важно осознать, что квантовая физика отталкивается от математики. Переносить туда знания о макромире не то, чтобы сильно правильно.
Квантовая суперпозиция - это математика и только потом попытка наложить её на физику.
Для того, чтобы в должной мере понимать проблему, полезно изучать историю физики. Но я упрощу вам задачу и сделаю это за вас. Вывод там один - почти все квантовые явления начинаются с математического анализа. Это не физика, в которой встречается математика, это математика, которую потом пытаются найти в реальности и даже частенько находят.
Вот, например, в 1993 году Дон Эйглер и его коллеги из лаборатории IBM Almanden в Сан-Хосе придумали способ реализовать студенческую задачу про частицу в ящике в реальной жизни. Это как раз способ моделирования суперпозиции.
Используя методы манипуляции отдельными атомами (ранее использовавшиеся для написания «IBM» атомами на металлической поверхности и про это было на канале), Эйглер и его команда поместили 48 атомов железа на медный лист таким образом, чтобы образовать твердую стенку радиусом 7,1 нанометра. Затем они инжектировали электроны в эту яму. Используя сканирующий туннельный микроскоп, который может улавливать отдельные электроны с поверхности, они измерили плотность электронов в разных точках загона.
При разных уровнях заполнения загона электронами они могли визуализировать плотности электронов, связанные с отдельными волновыми функциями в загоне. Вы можете прочитать об этом в их оригинальной статье в журнале Science: Crommie, Lutz, and Eigler, Science 262, 218 (1993).
По сути это наблюдение загадочной волновой функции на практике, где электроны вели себя согласно расчёту.
Получается, что как-то доходчиво представить математическую суперпозицию в терминах стандартной физики очень сложно. Механику сюда не притянуть. Лучшим примером остаётся монетка в воздухе, но и тут не всё так просто.
В классической механике объекты всегда имеют определенные значения своих свойств (например, положение или скорость). Суперпозиция просто описывает, как комбинируются значения этих свойств от разных источников.
В квантовой механике, как мы уже обсуждали, суперпозиция означает, что объект не имеет определенного значения свойства до момента измерения. Он находится в “смеси” всех возможных значений. Это принципиальное отличие, которое делает квантовую суперпозицию гораздо более загадочной и контринтуитивной, чем классическую.
Это говорит лишь о том, что не зря квантовые системы отталкиваются от математики, накладывая расчётные состояния на реальность. И можно было бы плеваться и говорить, что это не настоящая физика, но примеров, когда это работает успешно, вполне хватает. Например, в вашем устройстве, на котором вы сейчас читаете текст, есть транзисторы с квантовым туннелированием и это работает.
Дальше нам остаётся спорить про выбор конкретных состояний или про существование истинной случайности, про хаос или детерминированную, но сложную математическую модель и про то, что происходит при детектировании частицы в опыте Юнга. Но это уже совсем другая история.
Группа физиков из Лос-Аламосской национальной лаборатории опубликовала в журнале Physical Review X исследование, описывающее новый протокол управления квантовыми системами, который позволяет манипулировать так называемой стрелой времени на квантовом уровне.
На основе этого механизма учёные разработали измерительный движок для извлечения энергии из квантовых систем, при этом обнаружив, что их инструмент делает эволюцию квантовой системы "более согласующейся со временем, текущим в обратную сторону" – в статистическом смысле.
Чтобы понять, о чём идёт речь, стоит вспомнить базовую интуицию о направленности времени. Если кто-то покажет видео, на котором разбитый стакан сам собирается, а разлитая вода собирается обратно в чашку, любой сразу поймёт, что запись воспроизводится в обратном направлении. Это и есть стрела времени – физически необратимые процессы мы воспринимаем как однонаправленные.
Однако, как объясняет ведущий автор исследования Луис Педро Гарсиа-Пинтос, многие природные явления сами по себе не имеют предпочтительного направления времени.
Строго говоря, в математическом аппарате физики направление стрелы времени не играет никакой роли. Стрела времени возникает в вероятностном смысле лишь тогда, когда система измеряется и эти измерения вносят в неё случайность.
Фундаментальные законы физики утверждают, что на квантовом уровне время симметрично, и новая работа опирается именно на эту идею. Как правило, появление стрелы времени квантифицируют путём "сравнения вероятности прямого процесса во времени с его обращённой во времени версией". Новый протокол представляет собой математический каркас, описывающий эволюцию наблюдаемых квантовых систем.
Исследователи создали конструкцию наподобие движка и применили протокол к системе через механизм обратной связи. Это позволило "компенсировать, усиливать или избыточно компенсировать" возмущения, вносимые измерением системы. В результате учёные получили возможность свободно "изменять то, как система эволюционирует" и "переформировывать стрелу времени".
При этом ученые отдельно отметили принципиальный момент:
Наша работа никак не связана с путешествиями во времени. В фундаментальном плане она показывает конкретные способы, которыми квантификаторы стрелы времени можно обмануть, заставив их сигнализировать о неправильном направлении течения времени.
Важно учитывать, что описанный движок пока существует исключительно как теоретическая конструкция, хотя статья предлагает убедительные идеи для его реализации. Команда нацелена на экспериментальную проверку концепции с использованием сверхпроводящих кубитов.
Если это удастся воплотить, исследователи полагают, что механизм позволит максимизировать энергетический потенциал таких технологий, как квантовые батареи, или конкретных алгоритмов в квантовых устройствах.
По словам Гарсиа-Пинтоса, инструмент оказался "достаточно универсальным", чтобы другие исследователи могли найти для него неожиданные применения. В качестве следующего шага команда планирует испытать протокол на сверхпроводящих кубитах, чтобы оценить его применимость в более прикладных экспериментальных установках.
Феномен "квантового ластика" бросает вызов нашему пониманию времени: частица "решает", быть волной или частицей, в зависимости от измерения, которое еще не произошло.
В эксперименте фотон проходит через двойную щель, создавая интерференционную картину (волновое поведение). Затем его квантово запутывают с другим фотоном. Удивительно, но если второй фотон измеряют определенным образом в будущем, первый фотон ретроактивно "меняет" свое поведение в прошлом.
Это не нарушает причинно-следственную связь, но показывает, что квантовая механика оперирует вне привычных рамок линейного времени. Как заметил физик Джон Уилер: "Никакое элементарное квантовое явление не является реальным, пока оно не наблюдается".
Интересное по теме: Туннельный эффект: квантовая «игра в кости», которая бесила Эйнштейна.
Феномен "квантового ластика" бросает вызов нашему пониманию времени: частица "решает", быть волной или частицей, в зависимости от измерения, которое еще не произошло.
В эксперименте фотон проходит через двойную щель, создавая интерференционную картину (волновое поведение). Затем его квантово запутывают с другим фотоном. Удивительно, но если второй фотон измеряют определенным образом в будущем, первый фотон ретроактивно "меняет" свое поведение в прошлом.
Это не нарушает причинно-следственную связь, но показывает, что квантовая механика оперирует вне привычных рамок линейного времени. Как заметил физик Джон Уилер: "Никакое элементарное квантовое явление не является реальным, пока оно не наблюдается".
Интересное по теме: Туннельный эффект: квантовая «игра в кости», которая бесила Эйнштейна.
В РФ есть такая тема, как награждать 10 мульёнами "деревянных рублей" людей, которые сделали приличный вклад в развитие отечественной науки. Это, конечно, не лям баксов, как в нобелевке, но на среднюю квартиру в "резиновой" вполне может хватить, если из окна Кремль видно не будет.
Называется это мероприятие "Вызов". И есть там одна из номинаций, под названием "Перспектива" - вручается за научное достижение, повлиявшее на динамику развития будущих технологий (вручается учёным до 35 лет).
И вот, по результатам 2023 года в "Перспективе" получил премию кандидат физико-математических наук Илья Семериков из Российского квантового центра и Физического института имени Лебедева за создание ионного квантового компьютера.
Всего, на данный момент в мире существует 4 типа квантовых компов (элементные базы, на основе которых они создаются):
Всё это хозяйство пока весьма дорогостоящее удовольствие. Занимаются всеми направлениями группы учёных, каждый в своей отрасли.
Фишка ионных квантовых компьютеров в том, что они "запутывают" не сами частицы, атомы, а электроны на орбитах атомов, про принцип Паули помните? Так вот, у одного атома толпа электронов, каждый на своей "орбите" (энергетический уровень, на самом деле). Т.е. на одном атоме мы можем иметь несколько электронов, которые можно запутать с соседями - отсюда и появляется кудит.
Так, этот комп уже решал вполне себе прикладные NP-задачи в программировании (пока стенд - но далее уже и в единичную серию можно запулить).
Какой подход к квантовым вычислениям лучше, что выгоднее и т.п. только время покажет - сейчас же у всех методов есть свои достоинства и недостатки. Кто "вперде планеты всея" - сказать сложно.
Но, одно можно утверждать уже сейчас - в плане квантовых вычислений РФ далеко не в последних рядах.
Давайте пронаблюдаем очень интересный эффект.
Суть эффекта относительно проста. Если разогреть металлическую поверхность и капнуть на нее водой, то произойдет пшик, и капля испарится. Однако если сильно разогреть поверхность, то вместо испарения капля начнет непрерывно бегать по поверхности металла.
Причина такого поведения относительно проста. Если поверхность металла действительно сильно разогрета, то между каплей и металлом мгновенно испаряется небольшой слой воды и создается паровая прослойка. Эта прослойка изолирует каплю от металла, позволяя ей, во-первых, долго не испаряться ввиду отсутствия прямого контакта, а также собираться в почти идеальный шарик, поскольку молекулы воды притягиваются только друг другом, и отсутствуют силы межмолекулярного притяжения со стороны металла.
Но в целом запомним главное. Некоторые предметы являются настолько горячими, что не могут охладиться, создавая вокруг себя изолирующую паровую прослойку. В этом и заключается суть эффекта.
Существует еще красивая демонстрация. Если шарик сильно нагреть и опустить в воду, то вокруг шарика образуется и удерживается паровой пузырь.
В определенный момент шар остывает, и паровая прослойка практически 'взрывается' кипением.
Также данный эффект позволяет совершать физикам буквально безумные опыты!
Вот на видео молодой человек открытой рукой расплескивает жидкий металл.
Вот на видео молодой человек сует руку в расплавленный свинец.
+ А вот на видео молодой человек сует руку в жидкий азот.
Во всех случаях здоровье этих людей защищает образующаяся вокруг кожи воздушная прослойка, возникающая из-за великого и могучего эффекта Лейденфроста.
Убедительная просьба! Не повторяйте эти опыты без соответствующей подготовки! А если уж решитесь повторять - включите заранее запись видео! :)
Физик, выпускник МФТИ, Олег Фея рассказывает на примере популярных супергеройских фильмов «Человек-муравей» и «Человек-муравей и Оса» о фундаментальных законах нашей Вселенной, квантовом мире и квантовой запутанности.
Олег Фея: Мне кажется, что фильм «Человек-муравей» (франшиза про Человека-муравья, [включая] «Человек-муравей и оса») — это замечательный повод поговорить про квантовую физику, про те явления, которые там были показаны и которые были показаны практически везде неправильно, с физической точки зрения. Я на самом деле большой поклонник франшизы Marvel про супергероев, про Мстителей, и я абсолютно не против того, что там показаны какие-то магические вещи: инопланетяне, камни, которые могут разрушать биологические объекты по всей Вселенной мгновенно... Но я против того, чтобы так вольно обращались с законами физики, как они обращаются в фильме про Человека-муравья.
Собственно, про что этот фильм: этот фильм про мелкого жулика, который попал в переплёт, ему дали суперкостюм, благодаря которому он может уменьшаться и увеличиваться, причём увеличиваться…
В фильме показано, что он увеличился метров до двадцати, может быть, больше, а уменьшается практически вплоть до бесконечности, до субатомных размеров. И это, наверное, главная такая фича этого супергероя — Человека-муравья — как раз изменение в размерах.
При этом не только он сам там уменьшается, там уменьшают автомобили, здания, уменьшают и увеличивают детские игрушки…
Цитата из фильма:
Билл Фостер: Кстати, о рассинхронизации с реальностью…
Олег Фея: Какая основная с этим проблема? Основная проблема, как, наверное, вы можете догадаться — это закон сохранения массы. Один из фундаментальных законов, что масса не берётся из ниоткуда и не исчезает в никуда.
Давайте рассмотрим пример со зданием, потому что оно имеет форму параллелепипеда, и с ним легко делать расчёты. Вот здание, предположим, уменьшается в 20 раз, то есть, каждая его грань пусть уменьшится в 20 раз. Это значит, что, чтобы закон сохранения массы оставался в действии, все его параметры должны тоже измениться в 20х20х20 раз — в 8000 раз, потому что мы имеем дело с трёхмерным объектом.
Соответственно, если здание сделано из бетона, плотность бетона около 2000 кг на метр кубический, то плотность материала, из которого будет сделано маленькое здание, увеличится в 8000 раз. Это будет 16 миллионов килограмм на кубический метр, и я не уверен, что это не приближается к плотности каких-нибудь там белых карликов или, возможно, даже нейтронных звёзд. Такие здания точно нельзя будет таскать за собой как тележку, как это делают герои фильма.
При этом непонятно, из какого материала будет такое здание сделано, потому что самые плотные материалы, например, иридий, это 22 грамма на сантиметр кубический
Примечание: осмий слегка превосходит иридий — 22.61 против 22.56 грамма на сантиметр кубический.
То есть, они явно не дотягивают до такого суперматериала. Как можно пофантазировать, чтобы эта фича осталась у него? Можно предположить, что при уменьшении здания или какого-то объекта его масса куда-то освобождается, куда-то во внешнее пространство. В таком случае, если будет уменьшаться здание, то его маленькая копия будет находиться в облаке из силикатов, из какой-то пыли, которая из-за этого освободится, при этом непонятно, благодаря какому механизму это произойдёт, но тут настолько глубоко уже копаться не следует.
Что же будет, если оно будет внезапно увеличиваться? Если здание действительно такое лёгкое, что его можно таскать на руках, как вы видите в фильме, то ему нужно будет откуда-то добрать несуществующую массу. Откуда? Из окружающей среды. Например, из воздуха, из близлежащей территории, из грунта. И добрать такое огромное количество массы, даже, положим, если оно доберёт мгновенно (опять непонятно, по какому механизму, такого механизма просто не существует) из окружающей среды, из воздуха, то вокруг него образуется вакуум на какое-то мгновение, который тут же заполнится окружающим воздухом, произойдёт просто эпической силы взрыв.
Такой объект на самом деле можно использовать как бомбу. Например, Человек-муравей, который захочет таким образом взорвать [что-нибудь], он сам разорвётся, и это будет одноразовая бомба. Наверное, это не очень разумно — использовать супергероев таким образом.
Что же касается изменения размеров самого главного персонажа: вот он говорит, что он максимально увеличился до 20 метров:
Цитата из фильма:
Скотт Лэнг: 20 метров! Да?
Билл Фостер: Круут!
Скотт Лэнг: 20 метров.
Олег Фея: А уменьшался он до субатомных размеров. Атом водорода характеризуется размером в 1 ангстрем. Что такое 1 ангстрем? Это в 10 миллиардов раз меньше, чем метр. Это очень-очень мало, и в таких единицах измеряется то, что происходит в квантовом мире и в микромире. При уменьшении Человека-муравья до таких размеров его плотность будет больше 10 в 45 – 10 в 50 степени килограмм на метр кубический, это уже плотность порядка чёрной дыры. То есть он, уменьшившись, чтобы попасть в какое-то ядро атома и что-то там сделать по сюжету, превратится в маленькую чёрную дыру. Но в фильме показано, что такого не происходит, что он вполне себе выглядит как Человек-муравей, просто уменьшенный, а вокруг летают атомы, какие-то волны, какие-то электроны… Тут тоже возникает вопрос, из чего же он состоит, то есть из каких частиц состоит уменьшенный герой, если он сам имеет размеры порядка атомных размеров.
Давайте посмотрим, как создатели фильма изобразили квантовый мир:
Герой идёт по некой красивой долине, где разные цвета, и вообще это на самом деле похоже на какой-то наркотический трип, наверное, по крайней мере, они таким образом описываются.
Тут тоже возникает куча вопросов: почему она такая разноцветная? Что такое в принципе цвет? Цвет характеризуется какой-то длиной волны. Например, видимый свет — это очень-очень короткий диапазон длин волн, примерно от 400 до 700 нанометров. 700-нанометровая волна соответствует красному цвету, то есть если нам в глаз попадают волны длиной примерно 700 нанометров, то мы видим красный свет. 400 нанометров — это уже фиолетовый свет. Как мы уже определили, размер героя будет ангстрем или, может быть, несколько ангстрем, что в 10 раз меньше, чем нанометр. То есть его размер будет меньше в несколько сотен раз, чем длина волны того же красного света. В квантовом мире понятия цветов просто не существует. Все размеры будут меньше, чем длины волн, и сам Человек-муравей, и его друзья, которые попадают тоже в этот мир. То есть, мы не сможем видеть его доспехи, которые переливаются замечательным красным светом, просто потому что нет такой длины волны, на которой мы сможем это наблюдать.
Теперь о том, что вообще такое мы видим. Квантовая физика — это принципиально вероятностная наука, в квантовой физике нет такого понятия, как чёткое положение какой-то частицы. То есть любая частица, например, электрон, описывается волновой функцией, квадрат которой задаёт вероятность нахождения этой частицы где-то в пространстве.
Например, если мы узнаем волновую функцию электрона в атоме, мы возведём её в квадрат и будем знать, где, с какой вероятностью вокруг атома будет находиться электрон. Это называется ещё электронной плотностью.
Попытки увидеть квантовый мир пока что достаточно редки… Как это в принципе делается? Например, есть сканирующая туннельная микроскопия. Это прибор, сканирующий электронный микроскоп, с помощью которого можно как бы “увидеть” то, что происходит, увидеть структуру вещества, отдельные атомы можно увидеть с очень хорошим разрешением. Но почему я говорю “увидеть” в кавычках? Потому как сканирующая туннельная микроскопия работает как щуп, с помощью которого проходит… Вот, слепой человек, он идёт, он использует палочку, он как-то ощупывает объекты с помощью этой палочки, и он понимает, что же перед ним находится. Так же работает и сканирующая туннельная микроскопия.
Через иголочку, которая подводится к поверхности материала, пропускается ток, этот ток называется туннельным, потому что он будет идти дальше не по проводнику, он будет как бы туннелировать между концом этой иголочки, которая называется кантилевером, и поверхностью материала. При проведении иголочки вдоль поверхности происходит изменение силы тока, и по изменению силы тока уже компьютер достраивает по определённым алгоритмам то, над чем проходит иголочка, например, поверхность какого-то материала: золота или меди или чего угодно.
С помощью таких микроскопов перемещают отдельные атомы, вот, например, сделали “человека-молекулу”.
Так выглядел бы, возможно, Человек-муравей, если бы этот фильм больше соответствовал действительности: просто набор нескольких атомов. Но вряд ли он смог бы функционировать, выполнять какие-то действия, которые ему были положены по сюжету.
Это один из способов увидеть микромир. Есть ещё электронная микроскопия, когда материал бомбардируется огромным количеством электронов. Есть ещё попытки с помощью рентгеновской микроскопии увидеть то, что там происходит. То, что видят учёные, как-то особо не соответствует тому, что нарисовано было в фильме, но, наверное, к этому придираться особо не нужно, это было художественным приёмом.
Герои по сюжету фильма «Человек-муравей и Оса» пытаются найти жену одного из учёных (героев этого фильма), которая застряла 30 лет назад в этом субатомном мире. Они строят эпических размеров установку, которую называют квантовым туннелем, и с помощью этой установки они узнают её координаты.
При этом они говорят, что…
Цитата из фильма:
Сознание Джанет в теле Скотта Лэнга: У вас 2 часа. Потом поля вероятности сместятся, и следующего совмещения придётся ждать сотню лет!
Олег Фея: Этот момент противоречит принципу неопределённости Гейзенберга. О чём он говорит? Он говорит о том, что измерить величины и измерить некие параметры квантовых объектов, например, скорость квантового объекта (допустим, электрона) и его положение принципиально невозможно с максимальной точностью, со стопроцентной точностью. Потому как скорость или импульс этого электрона и его координаты будут связаны собственно неравенством Гейзенберга, которое закладывает некие ограничения. Если мы будем измерять очень точно его скорость, значит, мы всё меньше и меньше будем иметь возможность говорить о координате этого объекта. И наоборот, если мы знаем довольно неплохо координату объекта, то про скорость его мы практически ничего не можем сказать, погрешность её измерений будет огромная. То есть, определить точные координаты жены этого главного героя, размер которой несколько ангстрем, как мы уже говорили, просто невозможно. Тем более, довольно занятно, откуда они взяли число в следующие 100 лет… Это не то что будет невозможно сделать через 100 лет, это невозможно будет сделать через тысячу, через миллион лет, и через время, которое ещё будет существовать Вселенная.
Цитата из фильма:
Сознание Джанет в теле Скотта Лэнга: Буду ждать в этой точке, видите координаты? На пустоши, за квантовым вакуумом. Но осторожно, нагрузка на мозг, особенно наш, огромная!
Олег Фея: В чём герой прав, это в том, что нагрузка на мозг действительно будет огромная, особенно на наш с вами… При этом где мы будем искать эту героиню? Она будет “на пустошах за квантовым вакуумом”. Это в принципе звучит достаточно эпично и прикольно, наверное, но смысла… Вот я пытался понять какой-то смысл, что значит “пустоши за квантовым вакуумом” — я так и не понял.
Что говорит физика о вакууме? В физике вакуум — это не просто некая пустота, где вообще ничего не происходит (возможно, это как раз то, что они подразумевали под словом пустошь). Это некое пространство, где плотность частиц очень-очень маленькая, там постоянно возникают виртуальные частицы, то есть, парачастица может возникнуть, а потом тут же исчезает. Они аннигилируют, частица и античастица. В некоторых случаях эти частицы могут не аннигилировать, например, если находятся рядышком с чёрной дырой. Это так называемое излучение Хокинга, когда одна из частиц попадает в чёрную дыру, а другая, получив соответствующий импульс, по закону сохранения импульса (который в фильме тоже не везде сохраняется) будет улетать.
То есть тогда чёрная дыра будет генерировать как бы новые частицы, которые будут появляться как бы из ниоткуда, из вакуума. И вот эти процессы, в отличие от того, что показано в фильме с уменьшением и увеличением размеров объектов, не нарушают ни закона сохранения массы, ни закон сохранения энергии.
Так, а можно ли с помощью этих же самых муравьёв построить второе кольцо Большого адронного коллайдера, которое должно быть в длину 100 километров? На самом деле мы видим некий, как мне кажется, миф, который пошёл из кино, о том, что учёный-одиночка может построить огромную установку. Вопрос: откуда у него деньги на этот квантовый туннель? Он тогда супермиллиардер, а мы во франшизе Marvel знаем другого супермиллиардера — Тони Старка, который в принципе, наверное, может себе такое позволить. Но в реальном мире таких учёных-одиночек нет. Я допускаю, что они могут быть в очень хардкорной теоретической физике, в математике, где не нужны никакие установки, но если человек занимается прикладной физикой (а это самая что ни на есть прикладная физика: открыть туннель в квантовый мир и чего-то там сделать), то в реальности просто не найдётся человека с такими ресурсами, который сам бы всё это спроектировал. Тот же самый Большой адронный коллайдер, на туннель которого похож тот самый квантовый туннель, его делали десятки тысяч человек, инженеров, и каждый отвечал за какую-то небольшую задачу. Я не думаю, что есть на свете человек, который знает, как работают вообще все установки Большого адронного коллайдера, потому что это просто невозможно. Потому что это просто настолько сложная установка, физика настолько сложная, что один человек сейчас не может всю эту физику знать. Поэтому от образа героя, от образа талантливого, гениального, может безумного, учёного из кино, который сделал суперустановку, тоже нужно отходить. Это тоже я отношу к разряду фантастики. Такое построить в подсобке или где-то в гараже просто невозможно.
Цитата из фильма:
Билл Фостер: Два мозга взаимодействуют на квантовом уровне через познеровский молекулярный барьер.
Скотт Лэнг: Я так и думал.
Олег Фея: “Я так и думал”. Этот профессор рассказывает о такой, возможно, последней попытке ухватиться за квантовый разум, как молекулы Познера. Ну, давайте вернёмся немножко на момент пораньше, где персонаж мысленно связался с женой своего коллеги. То есть он говорит о том, что их мозги квантово запутались, и поэтому она может ему передавать свои мысли из квантового мира. Что такое квантовая запутанность? В двух словах, это когда у нас есть пара или больше квантовых объектов, например фотонов или электронов, и их свойства связаны таким образом, что если мы измеряем свойства одного из них, получаем, к примеру, положительную спиральность, то у другого фотона, спутанного с ним, будет отрицательная спиральность. Или у одного электрона будет спин направленный вверх, то у другого будет спин направленный вниз.
Эта история ведёт свое начало с тридцатых годов прошлого века, когда Альберт Эйнштейн попытался показать, что квантовая механика это полная ерунда. И он написал в довольно влиятельном научном журнале «Physics review» статью о том, что если представить, будто бы всё, что говорили Гейзенберг, Бор и компания, верно, то можно прийти к явлению, которое он назвал “жутким дальнодействием”.
Что если взять две частицы, которые будут иметь одинаковое происхождение, и измерить какие-либо параметры, одной частицы, то мы сможем знать параметры другой частицы, которая будет являться частью этой системы. Таким образом Эйнштейн пытался обойти принцип неопределённости Гейзенберга и показать, что нарушается теория относительности, в которой говорится, что передача информации не может идти быстрее скорости света, а здесь изменение свойств частиц будет происходить быстрее скорости света — мгновенно. Нильс Бор спустя год написал статью с точно таким же названием, в том же самом журнале, где он разбил аргументы Энштейна в пух и прах.
А потом история рассудила следующим образом: в 80-е годы учёный Ален Аспе провёл эксперименты, которые показали, что действительно, имеет смысл говорить о том, что Энштейн назвал “жутким дальнодействием”. Он проверил это неравенством Белла. С того времени началась история квантовой запутанности.
Схема классического эксперимента: пучки фотонов направляются на некий кристалл, там они разделяются на фотоны с разной поляризацией. Так как у этих фотонов было одинаковое происхождение, то на выходе получались спутанные попарно фотоны. Их разносили на достаточно большое расстояние — сначала на метр, потом на сотни километров, и смотрели, что действительно, свойства запутанных фотонов передаются мгновенно. Не со скоростью света, а просто мгновенно. Это теорию относительности, горячо любимую Эйнштейном, не нарушает, потому как информация не передаётся, передаётся состояние фотона. И так получилось, что то, что Эйнштейн считал полным абсурдом, имеет место быть.
Может ли такое произойти в мозгах людей? Могут ли молекулы в головах двух людей таким образом запутаться? Наверное, можно было бы подвести какой-то романтический базис, сказать, что вот так действует влюбленность. Я когда-то общался с девушкой, которая говорила, что люди, которые дружат или влюблены, у них волны, которые исходят из мозга, синхронизируются, в одной фазе находятся. Но эти молекулы должны иметь какое-то общее происхождение для того, чтобы запутаться. Просто так запутаться они не могут. Причём эти эксперименты проводятся в контролируемой среде, где либо низкие температуры, либо происходит всё очень быстро, так что передать какие-то мысли или образы из одного мозга в другой таким образом точно не получится.
Теперь, что касается молекул Познера. Познеровские молекулы — это, возможно, последняя такая надежда на квантовое сознание. Квантовое сознание — это теория, скорее стремящаяся к маргинальности в физическом мире. Она говорит о том, что наш мозг состоит из молекул, молекулы — это квантовые объекты, что, в принципе, очевидно, а значит, в мозге происходят некие квантовые явления, и из-за этих квантовых явлений мы можем мыслить и возможно делать что-то ещё. Например, запутывать наши мозги с мозгами других людей, или передавать мысли, или делать что-то силой мысли. Но это уже совсем маргинально и относится скорее к некоему квантовому мистицизму.
А вот то, что не маргинально — это то, что, собственно, относится к молекулам Познера. Это условная молекула, такой комплекс молекулярный, который состоит из большого числа атомов: там девять атомов кальция, которые расположены в уголках кубика. Если так представить, то в центре находятся пять молекул кальция и еще молекулы фосфора и кислорода. Общая формула Ca9(PO4)6. Это довольно крупный молекулярный комплекс.
Почему они так интересны? Их наблюдали в гидроксиапатите кальция, и оказалось, что эти молекулы сохраняют свои параметры, например спин, достаточно долго.
И группе учёных пришла мысль, что возможно если эти молекулы есть в нашем организме… А они точно есть: например предполагается, что кости растут благодаря тому, что вокруг этих молекул происходит нарастание костной массы. Есть свидетельства о том, что они есть в клетках других органов человека, в том числе в мозге. Предполагается, что раз они длительное время сохраняют свои свойства, то такие молекулы могут на длительное время запутываться квантовым образом, и эта квантовая запутанность будет длиться не наносекунды как в лабораторных экспериментах, а достаточно продолжительное время. Мне кажется, что это может выглядеть достаточно интересно, но всё-таки очень спорно и пока что просто красивая гипотеза. Но, по крайней мере, этот момент, когда профессор теоретической физики в фильме говорит о познеровских молекулах показывает, что создатели фильма находятся на острие научной мысли, может быть, немножко маргинальном, но, тем не менее, острие.
Цитата из фильма:
Хэнк Пим: Похититель, кто бы он ни был, хорошо подготовился.
Хоуп ван Дайн: И, похоже, освоил фазирование.
Олег Фея: Фазирование?
Продолжение цитаты:
Скотт Лэнг: Фазирование?
Хэнк Пим: Квантовый процесс перехода из одной формы материи в другую.
Олег Фея: “Я так и думал”. Я посмотрел фильм с английскими субтитрами, и там то, что герои [в русском дубляже] называют “фазирование”, называется “quantum fasing”, или если говорить по-русски, квантовый фазовый переход. Где можно наблюдать такой фазовый переход? К примеру, самый известный фазовый переход — это когда тает лёд. Из твёрдого вещества получается жидкое. Или когда вода испаряется — из жидкого вещества получается газообразное. В данном случае мы имеем дело с персонажем, который в фильме называется призраком. Этот персонаж, который освоил “фазирование”, может внезапно сделать так, чтобы его тело становилось очень прозрачным и проходить, к примеру, через стены, объекты и прочие препятствия, например, других персонажей.
Как они про это говорят:
Цитата из фильма:
Эйва Старр/Призрак: Это называется молекулярная разбалансировка. Все клетки моего тела разрываются и сшиваются воедино. Снова и снова, каждый день.
Олег Фея: “Я так и думал”. То, что она называет молекулярной разбалансировкой, теоретически можно привести к испарению жидкости, когда связи между молекулами рвутся, и эти молекулы становятся гораздо более независимыми, чем они были в жидкости. Но, если предположить, что её тело самопроизвольно распадается на отдельные молекулы, она проходит через какие-то объекты, и потом она опять собирается, то можно прикинуть, сколько при этом выделяется энергии. Например, тело человека на довольно большой процент состоит из воды. Для простоты будем считать, что тело человека на сто процентов состоит из воды. Чтобы разорвать ковалентные связи между атомами водорода и кислорода в молекуле воды нужно примерно 900 кДж/моль. Один моль воды весит восемнадцать грамм. Соответственно, для того, чтобы порвать все связи в молекулах воды человека, который весит 70 кг, потребуется больше трёх миллиардов джоулей. Это очень много, и если наша героиня не носит с собой ядерный реактор, как тот же Тони Старк, то, наверное, у неё просто не будет энергии на то, чтобы её тело распадалось. При этом для того, чтобы молекулы вновь собрались, эта энергия опять будет выделяться, то есть вокруг неё будет мини-взрыв. То есть, мы уже придумали несколько способов создать взрыв в этом фильме. Например, можно заслать куда-то Человека-муравья, он внезапно уменьшится, вокруг него образуется вакуум, туда устремится воздух, и всё взорвётся. Или героиня внезапно перейдёт из газообразного состояния в нормальное — и тоже выделится куча энергии, и всё взорвётся. Правда, это одноразовое применение таких супергероев.
Цитата из фильма:
Билл Фостер: В изолированной системе частицы сосуществуют в стабильном фазовом взаимодействии. При вмешательстве в систему на смену стабильности приходит хаос. В абсолютной изоляции квантовой системе свойственно разделение форм материи. Каждая спутана со своей, только ей характерной средой. То есть изучаемый объект будет синхронизирован и рассинхронизирован с множеством параллельных реальностей.
Олег Фея: Вполне возможно, что профессор квантовой физики говорит о многомировой интерпретации Эверетта. Это интерпретация квантовой механики, на основе которой строятся различные гипотезы о существовании параллельных вселенных. Эти гипотезы, на самом деле слишком натянутые, потому как сама интерпретация говорит о следующем: если весь мир представить огромной волновой функцией, которая будет включать в себя все атомы, электроны и все другие частицы, которые есть во Вселенной, то при попытках это измерить, то есть, к примеру, проверить, куда пошёл электрон в классическом двухщелевом опыте, волновая функция будет расщепляться. И, якобы, так может возникать параллельная вселенная. Возможно, это имеется в виду под синхронизацией и рассинхронизацией.
Давайте теперь поподробнее посмотрим на формулы, которые написаны у героя на доске.
К примеру, здесь видно уравнение Шрёдингера (2), которое записано более чем корректно. Здесь есть матрица плотности (1), тоже обычная вещь для квантовых расчётов. Правда, это такие самые базовые вещи. По-видимому, студенты в этом моменте фильма изучают азы квантовой физики. Бывают фильмы, где на доске пишется какая-то чушь, но здесь я ничего такого не увидел. Что ещё может свидетельствовать о том, что они рассматривают азы квантовой физики? А вот этот вот график.
То есть, я его особо рассмотреть не смог, этот график, он показан далеко, но возможно на нём изображён спектр абсолютно чёрного тела. Это как раз то явление, с которого началась вся квантовая физика. Именно в попытке объяснить абсолютно чёрное тело Макс Планк ввёл понятие кванта, коэффициент пропорциональности, который потом назвали постоянной Планка по его имени.
Цитата из фильма:
Хоуп ван Дайн: Лаборатория фонит радиацией. Так, может, отследим её с помощью квантоспектрометра?
Олег Фея: “Квантовый спектрометр”? “Дифракционный блок регулятора”? “Целебные частицы”? Ну, в принципе, в фильме ещё довольно много всяческой ерунды. Вы можете сами её поискать и написать в комментариях, что вы нашли. Всем спасибо за внимание. :)
===================
Источники:
Для ЛЛ - очень интересно, но н*и*х*у*я не понятно. Начнем.
Почти все СМИ Рунета (но не только) заявили о том, что ученые якобы зарегистрировали распад ложного вакуума. Это результат плохого понимания вопроса: в реальности первый же такой распад был бы концом света в буквальном смысле слова, а зарегистрировать его было бы некому. Naked Science рассказывает, что произошло на самом деле.
Многие российские СМИ дали новости вроде «Физики увидели распад ложного вакуума». К сожалению, это были новости о событиях, которые не происходили. Чтобы понять почему, стоит вспомнить, что такое ложный вакуум. Это чисто гипотетическое состояние в квантовой теории поля, причем многие люди, занимающиеся квантовой механикой, скептически оценивают саму возможность его существования, которое, предположительно, наблюдается в нашей Вселенной сейчас.
Очевидно что его отличие от истинного вакуума заключается в том, что в ложном вакууме энергия находится не на минимально возможном уровне, как в истинном, а на субминимальном. При распаде ложного вакуума минимальный энергетический уровень в вакууме для нашей Вселенной снизится. Согласно большинству расчетов по этой теме, такой распад ложного вакуума будет означать мгновенное исчезновение барионной материи. Есть небольшое число моделей, при которых такой распад не уничтожает сразу всю обычную материю, но вот жизнь нашего типа при этом все равно будет, мягко говоря, маловероятна
На картинке выше изображено базовое энергетическое состояние нашей Вселенной зависит от потенциала поля Хиггса. Если сейчас Вселенная находится в состоянии с минимальной возможной энергией (что вполне вероятно), тогда вакуум в ней истинный, и она вполне стабильна. То есть она хоть и может сжиматься или расширяться, но не может мгновенно измениться до неузнаваемости. А вот если мы находимся в области лишь локального минимума (состояния с не самой низкой энергией вакуума), тогда вакуум нашей Вселенной ложный. Соответственно, она тогда могла бы мгновенно туннелировать в состояние истинного вакуума, при этом погибло бы все живое
Иными словами, это событие почти наверняка означало бы мгновенное уничтожение всех земных наблюдателей. Поэтому реальная регистрация подобного распада маловероятна: если он все же случится, регистрировать будет некому. К тому же это событие, если вообще возможно, очень маловероятно. Ожидаемое минимальное время до него — десять миллиардов триллионов триллионов триллионов триллионов лет (10 в 58-й степени). Учитывая, что нынешний возраст наблюдаемой Вселенной примерно в триллион триллионов триллионов триллионов раз меньше, возможность такого события в ближайшее время не слишком велика. О чем же тогда пишут СМИ?
Они пытаются, в меру сил и возможностей, описать научную работу, опубликованную в журнале Nature Physics (впрочем, даже полное название журнала корректно смогли указать не все). Проблема в том, что она отнюдь не описывает ложный вакуум в квантовомеханическом смысле этого слова: авторы разбирают симуляционную модель перехода из состояния с одной минимальной энергией в состояние с чуть более низкой минимально возможной энергией.
Для этого ученые из Италии провели эксперимент с образованием пузырьков в ферромагнитной сверхтекучей жидкости, где до массового образования пузырьков было метастабильное состояние с одной минимальной энергией, а после образования пузырьков наступило иное, но тоже стабильное состояние (только с более низкой энергией). Опыт проходил в среде с температурами в районе долей градуса выше абсолютного нуля. Однако он не касался вакуума в физическом смысле этого слова, в том числе потому, что происходил в среде, насыщенной атомами.
Интересно, что сами ученые, написавшие эту работу для Nature Physics, достаточно однозначно пояснили, что речь идет именно о симуляции квантовых процессов, а не о них самих. Том Биллам прокомментировал ее так: «Использование возможностей экспериментов с ультрахолодными атомами для симулирования квантовых физических процессов в других системах — в данном случае ранней Вселенной — крайне интересная область исследования в настоящий момент». Другой автор исследования, теоретик Ян Мосс, констатировал: «В физике частиц распад вакуума в случае бозона Хиггса изменил бы законы физики, породив то, что называют „последней экологической катастрофой“
Из этого видно, что вины самих авторов работы в том, как странно представили их исследование в СМИ, нет. Они осознают, что проводили симуляцию распада ложного вакуума и регистрировали именно эту симуляцию, а не реальный процесс. Ясно им и то, что если бы такое событие случилось в реальной жизни, оно стало бы последним в нашей истории.
Квантовая биология изучает, как квантовые эффекты проявляются в биологических системах. Одним из наиболее изучаемых примеров является фотосинтез, где квантовая когерентность может играть роль в эффективном переносе энергии от солнечного света к хлорофиллу.
Исследования показывают, что растения могут использовать квантовые эффекты для почти 100%-ной эффективности передачи энергии, что значительно превосходит наши текущие технологии солнечных батарей.
Уникальность квантовой биологии в том, что она предлагает новый взгляд на биологические процессы, показывая, что квантовая механика не ограничивается микромиром, а может объяснять некоторые из самых фундаментальных процессов жизни, открывая путь для создания сверхэффективных технологий, вдохновленных природой.
Если нагреть металлический шарик и сунуть его в воду, то раздастся пшик и на этом все фокусы кончатся.
Однако если нагреть шарик до достаточно высокой температуры, то он мгновенно создаст вокруг себя паровую шапку, которая будет изолировать шарик от остальной жидкости. При этом и шарик охлаждается медленнее, и вода вокруг нагревается гораздо медленнее. В этом и проявляется в данном опыте эффект Лейденфроста, про который мы говорили ранее.
Я думаю, при наличии газовой горелки (баллон+горелка < 1000 р) такой эксперимент вполне можно повторить в домашних условиях и пронаблюдать паровую шапку воочию. Только осторожно!
Спрайт - удивительное явление из мира разрядов и довольно вкусный лимонад. Но разряд в первую очередь!
Итак, спрайт - разновидность молний. В отличие от обычных молний, которые развиваются на высоте до 20 км, эти товарищи развиваются на высоте около 100 км и могут тянуться на десятки километров как в длину, так и в диаметре. На такой высоте довольно разреженная атмосфера, поэтому требуемое напряжение для пробоя меньше, чем для обычных молний.
Обратите внимание, что спрайт имеет красный оттенок в отличие от обычной молнии - дело в том, что на такой высоте преобладает азот, который и дает красное свечение (в отличие от кислорода, который больше в синие оттенки).
Полноценного физического объяснения я не нашел, скорее всего, его пока и нет. Очевидно, что это форма разряда, но не ясны точные условия, при которых спрайты развиваются. Считается, что спрайты развиваются во время сильных гроз и являются разновидностью разряда в холодной плазме (механизм такой же как свечение в газоразрядных трубках, которые используют в различных лампах).
Спрайт проходит очень быстро - не дольше 0.1 секунды, обычно значительно быстрее.
А вот так спрайты выглядят вкупе с остальной грозой. Увидеть вполне даже можно.
Новое исследование Google сдвигает ожидаемые сроки "квантового криптоапокалипсиса" с 2030+ на 2029 год. Под угрозой оказывается эллиптическая криптография (ECC) – фундамент безопасности блокчейнов, криптовалют и множества других систем.
Блокчейны особенно уязвимы, ведь публичные ключи участников и данные транзакций по определению опубликованы в открытом доступе – их можно сохранить сейчас и атаковать позднее, когда появятся подходящие квантовые мощности. Недавнее исследование Кембриджского университета подтвердило, что список уязвимых сетей охватывает по сути все существующие блокчейны.
Исследователи Google продемонстрировали, что атаку с помощью алгоритма Шора (опубликован ещё в 1994 году) можно провести на системах с порядка 1200 логическими кубитами и 90 миллионами вентилей Тоффоли. Для сегодняшнего оборудования с потолком в 48 логических кубитов эти цифры далеки, однако мощности квантовых систем растут экспоненциально. Любопытная ирония – устаревшая схема RSA с длинными 2048-битными ключами оказалась бы значительно устойчивее к квантовой атаке, чем пришедшая ей на смену ECC.
Последствия успешной атаки обещают быть катастрофическими – от кражи средств с кошельков и подделки личностей участников до полного разрушения целостности реестров. Экосистема DeFi и все её смарт-контракты также окажутся под ударом, причём вторжения будет сложнее отследить, ведь все транзакции будут выглядеть легитимными.
Google называет переход на постквантовое шифрование (PQC) наиболее адекватной мерой, однако децентрализованные сети не имеют центрального органа управления и исторически адаптируются крайне медленно.
Три года – ничтожный срок для экосистемы, которой потребовалось семь лет, чтобы перевести Ethereum с proof-of-work на proof-of-stake. Bitcoin в этом контексте выглядит ещё уязвимее – многие участники сообщества воспринимают медленную эволюцию платформы как преимущество, а не как недостаток, и именно это может стать уязвимым местом.
Блокчейны – далеко не единственная область риска. Обмен ключами на веб-сайтах, SSH, мессенджеры – все эти системы тоже используют ECC и уже начинают переход на PQC. Сертификаты X.509 для аутентификации серверов представляют особую сложность, а подписание кода – ещё одну болевую точку, где технология доступна, но не внедрена в масштабе.
Наибольшему риску, как всегда, подвержено устаревшее оборудование – рано или поздно его шифрование будет легко вскрыто, а весь ранее перехваченный трафик станет лёгкой добычей.
Ну что за инженеры? Надо один магнит на крышу приклеить, а второй на палочке повыше. Тогда машина вертикально взлетит вверх аки ракета.
Спагеттификация - процесс, при котором объект вытягивается и удлиняется в длинную, тонкую форму, когда он проходит слишком близко к сверхмассивной черной дыре. Этот феномен происходит из-за экстремальных гравитационных сил, создаваемых черной дырой, что приводит к разрыванию объекта на "спагетти-подобную" форму.
На самом деле гравитационные силы есть у всех объектов, обладающих массой. Даже когда мы стоим на земле, наши ноги "тянутся" к центру планеты сильнее, чем голова. Но эта разница ничтожно мала, поэтому мы остаёмся целы.
Квантовые физики из Австралийского национального университета (ANU) впервые наблюдали квантовую запутанность в движении атомов гелия – явление, при котором частицы с массой одновременно находятся в двух разных точках пространства.
Доктор Шон Ходжман из Исследовательской школы физики ANU говорит:
Нам действительно странно думать, что Вселенная работает именно так. Можно прочитать об этом в учебнике, но осознавать, что частица может находиться в двух местах одновременно, по-настоящему странно.
Эксперимент стал серьёзным шагом вперёд по сравнению с аналогичными опытами, проводившимися ранее с фотонами – частицами света. Принципиальное отличие в том, что атомы гелия обладают массой и подвержены гравитации, что делает демонстрацию квантовых эффектов значительно сложнее.
Чтобы понять суть эксперимента, нужно начать с основ. В квантовой механике частицы ведут себя совершенно не так, как привычные объекты. Мяч не может лежать одновременно на столе и на полу – но атом, в теории, может. Более того, два атома способны "запутаться" – связаться друг с другом так, что измерение одного мгновенно определяет состояние другого, независимо от расстояния между ними.
Эйнштейн называл это "жутким дальнодействием" и сомневался, что природа действительно так устроена. Десятилетиями учёные доказывали реальность запутанности на фотонах – частицах света без массы. Но продемонстрировать то же самое на атомах, которые обладают массой и подчиняются гравитации – задача совершенно другого уровня (технически, фотоны тоже подвержены влиянию гравитации – но ее эффекту на пространство-время).
Именно это удалось сделать команде ANU. Учёные охладили атомы гелия-4 почти до абсолютного нуля, создав так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна – состояние, в котором тысячи атомов ведут себя как единое квантовое целое. Затем с помощью лазерных импульсов конденсат расщепили на несколько облаков, двигающихся с разными скоростями. Когда эти облака сталкивались, пары атомов разлетались в противоположных направлениях, оставаясь при этом квантово связанными – запутанными.
Представить это можно как бильярдный удар в микромире. Два шара разлетаются от точки столкновения, но в квантовом варианте каждый из них "не решил", куда именно полетел, пока кто-то не посмотрит. И как только один атом обнаруживается в определённом месте, его партнёр мгновенно оказывается в противоположном – вне зависимости от расстояния.
Чтобы доказать, что эта связь подлинно квантовая, а не объясняется какими-то скрытыми классическими причинами, учёные построили специальный интерферометр – прибор, в котором пути запутанных атомов пересекаются и создают интерференционную картину.
Если атомы ведут себя классически, картина будет одной. Если квантово – совершенно другой. Результаты однозначно указали на квантовое поведение.
Ключевым критерием стало так называемое неравенство Белла – математический тест, разработанный ещё в 1960-х годах для проверки реальности квантовой запутанности. Если результаты эксперимента нарушают это неравенство, значит, происходящее невозможно объяснить обычной физикой.
Команда ANU зафиксировала нарушение на уровне 3,9 стандартных отклонения – убедительный результат, подтверждающий, что атомы действительно демонстрируют нелокальное поведение. Проще говоря, связь между запутанными атомами реальна, мгновенна и не передаётся никаким известным сигналом.
Этот результат подтверждает предсказания более чем столетней давности о том, что материя может находиться в двух местах одновременно и интерферировать сама с собой даже в этих местах.
Практическое значение эксперимента выходит за рамки фундаментальной физики. Демонстрация квантовой запутанности на частицах с массой открывает путь к исследованию одного из главных нерешённых вопросов современной науки.
Квантовая механика блестяще описывает мир атомов и элементарных частиц. Общая теория относительности столь же точно описывает гравитацию и устройство Вселенной в целом.
Однако две эти теории до сих пор не удалось объединить в одну непротиворечивую картину – так называемую "Теорию всего". Эксперименты, в которых квантовые эффекты наблюдаются на частицах, подверженных гравитации, это именно тот мостик, который может помочь связать два мира физики воедино.
Комментарии