Мир на субатомном уровне подчиняется правилам, которые кажутся абсурдными с точки зрения здравого смысла: частицы могут находиться в двух местах одновременно, мгновенно влиять друг на друга на расстоянии и проходить сквозь стены. Доктор Карен Хальберг, ведущий специалист в области квантовой физики конденсированного состояния, объясняет, как эти «странности» становятся фундаментом технологий будущего и почему коллективное поведение атомов рождает совершенно новые формы материи.
🏛️ От Планка до Эйнштейна: рождение квантовой эры 7:20
Квантовая механика, возникшая более ста лет назад, сегодня является фундаментальной базой для описания природы на атомном и субатомном уровнях. Её основы заложили Макс Планк, предположивший дискретность энергии при изучении излучения черного тела, и Альберт Эйнштейн, объяснивший фотоэффект через существование квантов света — фотонов.
Ключевые элементы этой теории:
- Постоянная Планка ($h$): Фундаментальная константа, значение которой составляет примерно $6.626 \times 10^{-34} \text{ кг}\cdot\text{м}^2/\text{с}$.
- Корпускулярно-волновой дуализм: Эксперименты с двухщелевой установкой показали, что не только свет, но и электроны ведут себя и как частицы, и как волны, образуя интерференционную картину даже при одиночном запуске.
- Атомные орбитали: Теория позволила математически описать распределение электронов вокруг ядра, например, в атоме водорода.
🌀 Квантовая запутанность и принцип неопределенности 13:45
Одним из самых загадочных явлений остается квантовая запутанность — состояние, при котором частицы «связаны» так, что их нельзя описать по отдельности. Если две частицы запутаны, измерение состояния одной (например, направления спина) мгновенно определяет состояние другой, вне зависимости от расстояния между ними.
Вернер Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, согласно которому невозможно одновременно точно знать положение и импульс частицы. Доктор Хальберг шутит, что из-за этого Гейзенберг «никогда точно не знал, где находится». Этот принцип приводит к туннельному эффекту — способности частиц преодолевать энергетические барьеры, которые классическая физика считает непроходимыми. Данное явление лежит в основе работы сканирующих туннельных микроскопов (STM), позволяющих видеть отдельные атомы.
💻 Квантовые вычисления и «превосходство» Google 18:24
Квантовая физика уже окружает нас в виде транзисторов, лазеров, МРТ и систем точной медицины. Однако главной вершиной современных разработок Хальберг считает квантовый компьютер.
В отличие от классического бита (0 или 1), квантовый кубит может находиться в суперпозиции обоих состояний. Это открывает колоссальные возможности:
- Скорость: Вычисления, на которые у обычного компьютера уйдут миллиарды лет, квантовый может завершить за минуты.
- Квантовое превосходство: В 2019 году Google объявила о достижении этого этапа с помощью процессора Sycamore, решив задачу, непосильную для суперкомпьютеров. По мнению Хальберг, это достижение, хотя и оспариваемое IBM, знаменует начало новой эры.
- Сферы применения: Дизайн новых лекарств, моделирование климата, криптография и оптимизация сложных систем.
🐜 Эмерджентность: когда целое больше суммы частей 24:55
Карен Хальберг подчеркивает важность концепции эмерджентности — появления у системы новых свойств, которые невозможно предсказать, изучая только её отдельные компоненты. Физик Филип Андерсон сформулировал это фразой «More is different» (Больше — значит другое).
Примеры эмерджентного поведения в природе:
- Муравьиные колонии: Индивидуальные муравьи следуют простым правилам (феромонным следам), но колония в целом проявляет сложный интеллект.
- Сознание: Возникает из взаимодействия миллиардов нейронов, хотя ни один отдельный нейрон сознанием не обладает.
- Кристаллизация воды: Исследование 2012 года показало, что для появления кристаллического порядка (льда) необходимо критическое количество молекул воды — около 290.
🔬 Разделение заряда и спина: подтверждение теории спустя 30 лет 30:10
В квантовом мире конденсированного состояния взаимодействие частиц приводит к удивительным эффектам, таким как разделение заряда и спина электрона. Обычно электрон рассматривается как единое целое, обладающее и тем, и другим. Однако в определенных условиях (сильно коррелированные системы) заряд и спин начинают двигаться независимо друг от друга, превращаясь в новые квазичастицы — «холоны» и «спиноны».
Доктор Хальберг поделилась личной историей успеха: численные расчеты этого эффекта она провела еще в своей докторской диссертации 30 лет назад. В октябре 2020 года группа Google AI Quantum опубликовала результаты эксперимента на процессоре Sycamore, которые полностью подтвердили её старые расчеты. Хальберг называет это «прорывным результатом», так как впервые квантовый компьютер был использован для симуляции реального квантового поведения материалов.
🧊 Сверхпроводимость и пятый вид материи 37:25
Квантовая материя способна принимать экзотические формы. Одной из них является конденсат Бозе-Эйнштейна — «пятое состояние материи», где атомы при сверхнизких температурах сливаются в единое квантовое состояние.
Сверхпроводимость — еще одно макроскопическое проявление квантовых эффектов, позволяющее току течь без сопротивления. Открытие высокотемпературных сверхпроводников Беднорцем и Мюллером в 1986 году подстегнуло изучение сильно коррелированных электронных систем. Хальберг отмечает, что достижение комнатной сверхпроводимости — это «мечта», к которой физики стремятся прямо сейчас.
👩🔬 Этика и женщины в науке 46:13
В завершение лекции Карен Хальберг затронула важную социальную проблему. Проанализировав список своих соавторов за многие годы, она обнаружила, что женщины составляют лишь около 10% (3-4 человека из 100).
- Причина: По её мнению, проблема носит культурный характер, а не интеллектуальный. Женщины обладают тем же аналитическим потенциалом, что и мужчины.
- Призыв: Хальберг активно выступает за инклюзивность и призывает молодых женщин не бояться карьеры в физике.
Она подчеркивает, что наука — это коллективный труд, именно поэтому физики чаще говорят «мы», а не «я».
