Атом - модели классической механики.

1) Первый важный прорыв в создании модели атома произошел к концу 19 века, когда ученый Джозеф Томпсон обнаружил отклонение лучей, испускаемых с катода. Они притягивались к положительно заряженным пластинам и отталкивались от отрицательно заряженных, то есть были заряжены отрицательно. Изучая частицы, Томпсон выяснил, что они в 1836 раз легче водорода, а также присутствуют во многих веществах. Так был открыт электрон - отрицательная частица, которая много легче водорода. Это открытие уже говорило о том, что атом возможно разделить и что каждый атом содержит в себе электрон.
Тогда Томпсон предложил такую модель атома - это некоторая положительно заряженная материя, в которую вкраплены электроны, выстроенные в кольцевые орбиты и способные свободно вращаться. Модель еще называют "пудинг с изюмом".

2) Модель Томпсона имела достаточно много логических оснований, поэтому ученик Томпсона, Эрнест Резерфорд, стремясь подтвердить гипотезу учителя и решил провести такой опыт: взял золотую фольгу (очень малой толщины, порядка микрометра) и облучил ее потоком альфа-частиц, то есть ядрами атомов гелия. Опыт проводили ученики Резерфорда - Гейгер и Марсден. Прозрачность атома для потока электронов было показано еще Ленардом, поэтому ожидалось, что практически все альфа-частицы пролетят сквозь фольгу - для регистрации пролетающих частиц Резерфорд расположил датчики вокруг фольги и наблюдал вспышки(сцинтилляции). Большая часть частиц действительно пролетала, угол рассеяния (отклонения) составлял не более 3 градусов от первоначальной траектории. Но была мизерная группа частиц, которая отлетала на угол до 150 градусов - из 8000 частиц находилась одна, отлетающая на угол больше 90 градусов. Почему же это происходило? Значит, был некоторый фактор, находящийся в центре, под действием которого легкие положительно заряженные альфа-частицы отлетали обратно. В любом случае, модель Томпсона была опровергнута.

Увиденное подтверждается снимками треков (следов) альфа-частиц в камере Вильсона - изредко треки заканчиваются вилками и изломами. Это происходит из-за взаимодействия ядер. Трек с вилкой показан на рисунке.

3) Спустя несколько лет Резерфорд пришел к выводу, что частицы, отлетающие на большие углы, появляются из-за взаимодействия с ядром атома. Дело в том, что между двумя заряженными частицами существует так называемая сила Кулона или кулоновское взаимодействие. Многие знают, что заряды одного знака отталкиваются, а разных знаков притягиваются - это обеспечивает как раз кулоновское взаимодействие. Поэтому когда положительно заряженная альфа-частица налетает на положительно заряженное ядро атома золота, то альфа-частица отклоняется - угол отклонения зависит от расстояния между атомами. Так Резерфордом была разработана планетарная модель атома - положительно заряженное ядро, содержащее большую часть массы, вокруг которого вращаются электроны. Расчеты показали, что ядро должно быть меньше атома по крайней мере в несколько тысяч раз. На рисунке показана траектория альфа-частицы, где b - расстояние между траекторией альфа-частицы и ядром золота. Траектория реального пролета представляет собой гиперболу.

Подобное рассеяние - отклонение, вызванное только электрическим полем одного ядра, без учета столкновений частиц - называется резерфордовским.

Несколькими годами ранее японский физик Нагаока предложил модель атома, построенную по аналогии с кольцами Сатурна - кольца удерживаются на орбите благодаря гравитационному взаимодействию массивного Сатурна с кольцами. Модель оказалась неверной, однако Нагаока предсказал два основных положения: ядро атома очень массивно и электроны удерживаются на орбитах благодаря кулоновскому взаимодействию.

С точки зрения классической электродинамики такая модель невозможна. Чтобы не смешивать все в одно, рассмотрю этот вопрос в следующем посте.

Планирую описать в своих постах основные законы атомной и ядерной физики. По всем вопросам - alexjuriev3142@gmail.com.

Литература: И.Е. Иродов "Квантовая физика. Основные законы", Д.В. Сивухин "Общий курс физики. Атомная физика".

Пятьдесят лет назад смартфоны показались бы совершенно волшебными компьютерами. Точно так же, как классические компьютеры были почти невообразимы для предыдущих поколений, сегодня мы сталкиваемся с рождением совершенно нового типа вычислений: чего-то настолько мистического, что его можно назвать волшебным. Это квантовые компьютеры. Если слово «квантовый» вам незнакомо, вы не одиноки. Этот очень холодный, маленький, чувствительный и очень странный мир может показаться сомнительной системой, на которой предлагается построить коммерческую вычислительную машину, но это именно то, над чем работают IBM, Google, Rigetti Computing и другие компании.

В январе на CES в рамках инициативы IBM Q показали System One: ослепительную, изящную и похожую на люстру машину, которая стала первой интегрированной универсальной системой квантовых вычислений для коммерческого использования, с которой мог поиграть каждый.

О потенциале квантовых компьютерах слышал, наверное, каждый: свойства квантовой физики открывают массивно параллельные схемы вычислений, которые, вероятно, обеспечат огромные скачки вычислительной мощности и опередят любые транзисторные суперкомпьютеры, с которыми мы можем столкнуться — сегодня и завтра. Они произведут революцию в области химии, фармацевтики, материаловедения и машинного обучения.

Но что именно делает квантовые компьютеры такими мощными? Давайте разбираться.

Что такое кубиты?

Для начала вспомним, как работают квантовые компьютеры.

Секрет их мастерства в том, что они манипулируют кубитами. Все, что обрабатывает классический компьютер — текст, изображения, видео и так далее — состоит из длинных строк нулей и единиц, или битов. По своей сути бит представляет одно состояние из двух: вкл/выкл, либо подключена электрическая цепь, либо нет. В современных компьютерах бит обычно представлен электрическим напряжением или импульсом тока.

Квантовые компьютеры, напротив, полагаются на кубиты. Как и двоичные биты, кубиты лежат в основе вычислений, с одним большим отличием: кубиты, как правило, являются сверхпроводниками электронов или других субатомных частицами. Неудивительно, что манипуляции кубитами представляют сложную научную и инженерную задачу. IBM, например, использует несколько слоев сверхпроводящих цепей, которые находятся в контролируемой среде и постепенно охлаждаются до температур, которые ниже, чем глубокий космос — около абсолютного нуля.

Поскольку кубиты обитают в квантовой реальности, у них есть удивительные квантовые свойства.

Суперпозиция, запутанность и интерференция

Если бит представить как монету с орлом (0) или решкой (1), кубиты будут представлены вращающейся монетой: в некотором смысле, они одновременно и орлы, и решки, причем каждое состояние имеет определенную вероятность. Ученые используют калиброванные микроволновые импульсы, чтобы помещать кубиты в суперпозицию; точно так же другие частоты и длительность этих импульсов может переворачивать кубит так, чтобы он находился немного в другом состоянии (но все еще в суперпозиции).

Из-за суперпозиции отдельный кубит может представлять гораздо больше информации, чем двоичный бит. Отчасти это происходит из-за того, что при начальном вводе кубиты могут перебирать методом грубой силы огромное число возможных результатов одновременно. Окончательный ответ появляется лишь когда ученые измеряют кубиты — так же, используя микроволновые сигналы — что заставляет их «коллапсировать» в двоичное состояние. Зачастую ученым приходится производить расчеты несколько раз, чтобы проверить ответ.

Запутанность — еще более потрясающая штука. Применение микроволновых импульсов на пару кубитов может запутать их так, что они всегда будут существовать в одном квантовом состоянии. Это позволяет ученым манипулировать парами запутанных кубитов, просто изменяя состояние одного из них, даже если они физически разделены большим расстоянием, отсюда и «жуткое действие на расстоянии». Из-за предсказуемой природы запутанности, добавление кубитов экспоненциально увеличивает вычислительную мощность квантового компьютера.

Интерференция — последнее из свойств, которые реализуют квантовые алгоритмы. Представьте себе катящиеся волны: иногда они подгоняют друг друга (действуют конструктивно), иногда гасят (деструктивно). Использование интерференции позволяет ученым контролировать состояния, усиливая тип сигналов, приводящих к правильному ответу, и отменяя те, которые выдают неверные ответы.

Как программируются квантовые компьютеры?

Основная цель состоит в том, чтобы закодировать части задачи в сложное квантовое состояние, используя кубиты, и затем манипулировать этим состоянием, чтобы привести его к некоему решению, которое можно будет измерить после коллапса суперпозиций в детерминированные последовательности нулей (0) и единиц (1).

Непонятно? Перечитайте еще раз.

Звучит сложно, но поскольку все термины мы уже разобрали, понять можно.

Как и в случае с классическим программированием, ученые разрабатывают языки ассемблера низкого уровня, которые машина понимает лучше, чтобы перейти от них к языкам высокого уровня и графическим интерфейсам, более подходящим для человеческого разума. IBM Qiskit, например, позволяет экспериментаторам создавать задачи и перетаскивать логические элементы.

Демон декогеренции

Почему же квантовые компьютеры еще не продаются на каждом углу? В некотором смысле, ученые пытаются построить совершенные машины из несовершенных частей. Квантовые компьютеры чрезвычайно чувствительны к возмущениям, шуму и другим воздействиям окружающей среды, которые заставляют их квантовое состояние колебаться и исчезать. Этот эффект называется декогеренцией.

Для некоторых экспертов декогеренция — это проблема, сдерживающая квантовые вычисления. Даже при всех соблюденных мерах шум может просочиться в расчеты. Ученые могут хранить квантовую информацию до тех пор, пока она не потеряет свою целостность под влиянием декогеренции, что ограничивает число вычислений, которые можно производить подряд.

Деликатная природа квантовых вычислений также является причиной того, что слепое добавление кубитов в систему не обязательно сделает ее мощнее. Отказоустойчивость тщательно исследуется в области квантовых вычислений: по логике, добавление кубитов может компенсировать некоторые проблемы, но для создания единого, надежного кубита для переноса данных потребутся миллионы корректирующих ошибки кубитов. А у нас их сегодня не больше 128. Возможно помогут умные алгоритмы, которые также разрабатываются.

Имитация квантового с помощью квантовых компьютеров

Поскольку большие данные сейчас горячая тема, можно было бы ожидать, что квантовые компьютеры будут лучше обрабатывать крупные наборы данных, чем классические. Но это не так.

Вместо этого, квантовые компьютеры будут особенно хороши в моделировании природы. Например, квантовые вычисления можно было бы использовать для более эффективного построения молекул лекарств, потому что они в основном работают на той же основе, что и молекулы, которые они пытаются смоделировать. Вычисление квантового состояния молекулы — невероятно сложная задача, которая почти непосильна нашим компьютерам, но квантовые компьютеры справятся с ней на ура.

Точно так же квантовые вычисления могут перевернуть область материаловедения или передачи информации. Благодаря запутанности, кубиты, физические разделенные большим расстоянием, могут создать канал для передачи информации, который с научной точки зрения будет безопаснее наших существующих каналов. Квантовый интернет вполне осуществим.

Но самое интересное вот что: мы даже не знаем всего разнообразия удивительных вопросов, которые могут попытаться решить квантовые компьютеры. Просто имея коммерческий квантовый компьютер и позволяя людям с ним работать, мы могли бы наметить новые интересные области, подходящие для этой потрясающей новой технологии.

https://hi-news.ru/computers/kvantovye-kompyutery-pochemu-ix...

Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшиц "Квантовая механика"

"Если вы не пришли в ужас при знакомстве с квантовой механикой, значит, вы ничего в ней не поняли" - говорил умнейший Нильс Бор. И в ужас идешь отнюдь не от страшных математических формул, а от того, что понимаешь...мир вообще не такой каким мы его видим и воспринимаем.

В современной литературе часто затрагивается квантовая механика для подтверждения каких-то трансцендентных опытов, когда говорится о том, что окружающий нас мир - это просто иллюзия, которую выдает нам мозг с помощью наших чувственных сенсоров (слух, зрение, ..., обоняние). На самом деле вокруг - это только энергия. И выясняется, черт возьми, что так и есть.

Кстати истории про то, что мысль - это энергия, дада, в ту же коробочку, все верно. Поэтому, думать надо, что думаешь!

Конечно же мне хватило лишь нескольких первых глав, чтобы прийти в достаточных ужас. Дальше перестала понимать что-либо вообще и изучать не стала.

Лично мой мозг не рассчитан на восприятие квантового мира. Допустим то, что монетка одновременно спрятана в обеих руках, но в одной из них с большей вероятностью. Это я еще могу представить, но извините, с котом уже слишком. Уж либо он жив, либо сдох, товарищи, мозг по-другому не рисует.

А вот, что действительно оказалось важно: "в самой природе процесса измерения заложена глубокая необратимость". И это написано все в той же книге, что на фото! В общем, если мы хотим измерить будущее состояние, то своими действиями мы создаем новое состояние. Лично я пришла к выводу, что не стоит пытаться узнать свое будущее, гадать, даже в шутку, а то вдруг там реально что-то мерзкое создается в этот момент.

Фух, горжусь собой, что изложила все без единой формулы, хотя так хотелось...

Кароче, мир очень интересен и непостижим. Человек, утверждающий, что он всё видел в этой жизни и его вряд ли чем-то удивишь, на мой взгляд, просто не открыл еще для себя квантовую реальность и скорее всего даже ничего не слышал о доне Хуане, ахаха)