Квантовые свойства¶

Квантовые свойства — совокупность физических свойств и явлений, обусловленных квантовой природой материи и излучения: дискретностью энергетических уровней, корпускулярно-волновым дуализмом, принципом неопределённости Гейзенберга и квантовой запутанностью частиц. В отличие от свойств макроскопических тел, описываемых классической физикой, квантовые свойства проявляются на атомном и субатомном масштабе и принципиально не сводятся к ним. К ним относятся квантование энергии и импульса, спин, туннелирование, сверхтекучесть, сверхпроводимость, когерентность и невозможность одновременного точного измерения взаимно дополняемых величин.

¶Основные проявления

¶Квантование энергии

Первым экспериментальным подтверждением квантовых свойств стало объяснение Максом Планком (1900) закономерностей теплового излучения: энергия излучается и поглощается дискретными порциями — квантами, величина которых пропорциональна частоте излучения: $E = h\nu$, где $h$ — постоянная Планка ($6{,}626 \times 10^{-34}$ Дж·с). Дискретность энергетических уровней атомов объяснил Нильс Бор в 1913 году, постулировав, что электроны в атоме могут находиться лишь в определённых стационарных состояниях, а излучение возникает при переходах между ними. Спектры атомов водорода и гелия, а также молекулярные спектры, описанные квантовой механикой, подтверждают квантование на практике.

¶Волновые свойства частиц

Дуализм «волнa — частица» — одно из центральных квантовых свойств. Гипотезу де Бройля (1924) о том, что любой движущийся объект обладает волновыми свойствами с длиной волны $\lambda = h/p$, где $p$ — импульс, экспериментально подтвердили Дэвиссон и Джермер (1927) на рассеянии электронов кристаллами никеля, а также Дж. П. Томсон. Интерференция и дифракция электронов, нейтронов, атомов и даже крупных молекул (включая фуллерены) показывают, что волновые свойства проявляются у объектов любой массы, хотя для макроскопических тел длина волны де Бройля чрезвычайно мала.

¶Принцип неопределённости

Сформулированный Вернером Гейзенбергом в 1927 году принцип неопределённости устанавливает фундаментальное ограничение на одновременную точность измерения пары взаимно дополняемых величин, например координаты и импульса: $\Delta x \cdot \Delta p \geq \hbar/2$, где $\hbar = h/2\pi$. Это не следствие несовершенства приборов, а принципиальное свойство квантовых систем. Следствием принципа является существование нулевой энергии колебаний (нулевые колебания) и запрет на одновременное определение всех координат и импульсов частицы.

¶Спин

Спин — собственный момент импульса квантовой частицы, не связанный с её вращением в классическом смысле. Спин электрона равен $\hbar/2$, у фотона — 1, у нейтрона и протона — также $\hbar/2$. Спиновые свойства объясняют магнитные моменты атомов, структуру периодической таблицы элементов (принцип Паули), явление тонкой и сверхтонкой структуры спектров, а также эффект Зеемана.

¶Квантовая запутанность

Запутанные состояния — коррелированные квантовые состояния нескольких частиц, при которых измерение одного объекта мгновенно определяет состояние другого независимо от расстояния между ними. Эйнштейн, Подольский и Розен в 1935 году предложили парадокс ЭПР, усматривая в запутанности угрозу локальности. Теорема Белла (1964) и последующие эксперименты (Алан Аспект, 1982; Джон Клаузер, 2022 — Нобелевская премия по физике) показали, что запутанность реально существует и не объяснима локальными скрытыми переменными.

¶Манифестации в макроскопических системах

Ряд квантовых свойств проявляется в макроскопических материалах при низких температурах:

• Сверхпроводимость — нулевое электрическое сопротивление и вытеснение магнитного поля (эффект Мейснера), возникающие при конденсации электронов в квантовое состояние (коперовские пары). Открыта Х. Камерлинг-Оннесом в 1911 году, теория Бардина — Купера — Шриффера (1957).
• Сверхтекучесть — нулевая вязкость жидкой гелия-4 при температуре ниже 2,17 К, открытая П. Капицей в 1938 году.
• Квантовый эффект Холла — дискретизация квадратуры сопротивления в двумерных электронных системах при сильных магнитных полях, открытая Клаусом фон Клитцингом (1980).
• Когерентность — сохранение фазовых соотношений между квантовыми состояниями, лежащее в основе лазеров и квантовых вычислений.

¶Квантовые технологии

Квантовые свойства активно используются в технологиях: лазеры (стимулированное излучение), транзисторы и полупроводники (зонная теория), магнитно-резонансная томография (ядерный спин), атомные часы (переходы между сверхтонкими уровнями), солнечные элементы, туннельные диоды и сканирующие туннельные микроскопы. Перспективные направления — квантовые компьютеры, использующие суперпозицию и запутанность кубитов, квантовая криптография и квантовое моделирование.

¶Историческое значение

Формирование понятия «квантовые свойства» прошло несколько этапов: гипотеза Планка (1900), квантовая теория Эйнштейна (1905), модель Бора (1913), математическая формализация квантовой механики (Шрёдингер, Гейзенберг, Дирак — 1925–1928), релятивистская теория Дирака и открытие позитрона (1932), квантовая электродинамика (1940-е), Стандартная модель (1970-е). Квантовые свойства стали одним из фундаментальных оснований современной физики и химии, а их изучение продолжает развиваться в области квантовой информации и квантовых материалов.

¶Источники

• Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. Квантовая механика. Нерелятивистская теория.
• Фейнман Р. Лекции по физике. Том 3. Квантовая механика.
• Борн М. Атомная физика.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том 5. Квантовая механика.
• Энциклопедия «Британника»: Quantum mechanics.