Что такое квант
Урок 1 из 23 курса «Квантум: курс с нуля». Бесплатно, с анимациями и тестом.
Мир под лупой
Мяч, машина, ты сам: всё большое живёт по привычной физике. Бросил мяч, и можно точно сказать, где он будет через секунду. Но если уменьшаться всё дальше, до атомов, правила меняются. Атом в сотни тысяч раз меньше толщины волоса. Там частицы ведут себя так, что здравый смысл ломается. Правила этого крошечного мира и есть квантовая физика. Формулы не понадобятся: будут картинки, опыты и примеры.
Энергия выдаётся порциями
1900 год. Немецкий физик Макс Планк пытается объяснить, каким цветом светится раскалённый металл. Формулы не сходятся, пока он не делает дерзкое допущение: свет отдаёт энергию не плавно, а маленькими порциями. Эту минимальную порцию назвали квантом, от латинского quantum, «сколько». Сравни пандус и лестницу: на пандусе можно встать на любой высоте, на лестнице только на ступеньке. Микромир устроен как лестница.
Свет — это поток частиц
1905 год, Альберт Эйнштейн. Загадка: если посветить на металл, из него вылетают электроны. Но красный свет их не выбивает, даже очень яркий. А слабенький ультрафиолет выбивает сразу. Эйнштейн объяснил: свет летит порциями, частицами-фотонами, и энергия одного фотона зависит от цвета. Красный фотон слишком слабый, сколько их ни добавляй. Нобелевку 1921 года Эйнштейн получил именно за это. На этом эффекте работают солнечные панели и камера твоего телефона.
Электрон живёт на ступеньках
1913 год, датчанин Нильс Бор. Электрон в атоме не может кружить где попало: у него есть разрешённые уровни энергии, как ступеньки. Когда электрон спрыгивает на ступеньку ниже, он выпускает фотон. Высота прыжка задаёт энергию фотона, а значит, его цвет. У каждого химического элемента свои ступеньки. Поэтому в фейерверке стронций всегда горит красным, натрий жёлтым, а медь синим. Это не краска, это квантовая физика.
Почему мы этого не замечаем
Если микромир такой странный, почему твоя чашка кофе ведёт себя нормально? Квантовые эффекты видны, когда объект маленький, холодный и хорошо изолирован. В чашке триллионы триллионов атомов, и все они постоянно толкаются с воздухом и светом. Эти толчки стирают квантовые странности, и остаётся привычный мир. Физики называют это декогеренцией. Её подробно разберём в уроке про измерение, а пока запомни: большое и тёплое прячет квант.
Нобелевка 2025: квант в руке
Долго считалось, что квантовые фокусы бывают только у отдельных атомов. В 1984–1985 годах Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис показали обратное. Электрическая схема, которую можно держать в руке, тоже прыгает по ступенькам энергии. И проходит сквозь барьер, через который по обычной физике не пройти: это называют туннелированием. В 2025 году за это дали Нобелевскую премию по физике. На этой идее работают квантовые чипы Google и IBM.
Проверь себя
- Почему ультрафиолет выбил электрон, а яркий красный свет нет?
Правильный ответ: Энергия одного фотона зависит от цвета. Электрон выбивает один фотон. Ультрафиолетовый фотон несёт достаточно энергии, красный нет. Это и объяснил Эйнштейн в 1905 году. - Почему стронций в фейерверке всегда даёт именно красный?
Правильный ответ: Его электроны прыгают по своим ступенькам. У стронция свои уровни энергии. Прыжок вниз всегда одной высоты даёт фотон одной энергии, а значит, одного цвета. Так химики и узнают элементы по свету. - Какой факт лучше всего ответит другу?
Правильный ответ: Нобелевка 2025: схема с ладонь ведёт себя квантово. Кларк, Деворе и Мартинис показали, что большая электрическая схема прыгает по уровням энергии и туннелирует как одна частица. Из этого выросли сверхпроводящие кубиты.