Наверняка большинство из любителей популярной науки написали, что скорость света недостижима для объектов, обладающих массой, по причине увеличения этой массы до бесконечности при разгоне. Это самое распространенное и простое описание, которое ещё и запомнить легко.
Во главу угла ставится известная закономерность E=mc2, которая связывает массу и энергию. По этой логике очень складно получается, что увеличение скорости к световой потребует бесконечной энергии, так как и масса становится бесконечной.
Обычно такие размышления принято называть релятивистскими. Есть целая группа величин, которые меняются при увеличении скорости. Их описывал Лоренц и это явление вошло в историю, как преобразования Лоренца. Серди них, кстати говоря, есть и преобразование для расчёта массы и её изменения.
Что же, стоит тут отметить мнение самого Лоренца. Он описывал эти действия как математические, а относительно массы этак вообще говорил, что она инвариантна. Цель преобразований - описать специфику поведения пространства и, если вы посмотрите ролик выше про длину, то поймёте, что ФИЗИЧЕСКИ никакая длина не меняется. Изменяются параметры пространства-времени.
С массой всё ещё интереснее. Невозможность достижения световых скоростей посредством бесконечной энергии для ускорения бесконечной массы и правда использовали как одну из теорий. Но эта теория быстро ушла из более или менее серьезных источников. Достаточно тут только лишь проанализировать современное представление о массе.
Сегодня считается, что масса объекта появляется в результате взаимодействия объекта с полем Хиггса. Теория довольно сложная и не будем сейчас её подробно разбирать. Основная идея в том, что масса - это результат взаимодействия с полем. При таком раскладе сложно понять, как связывается бесконечная масса с увеличением скорости.
Масса никогда не изменяется со скоростью. Она инвариантна. Теория относительности Эйнштейна не говорит о том, что вы становитесь массивнее по мере приближения к скорости света. Она говорит о том, что по мере того, как измеренная скорость приближается к скорости света, ваш импульс приближается к бесконечности.
Это происходит не потому, что ваша масса изменяется. Это связано с тем, что "измеренная" скорость не может описать вашу "общую скорость".
Любое измерение позволяет узнать только реальную часть того, что на самом деле является сложным процессом. Как правило, измерения измеряют только реальные для этого направления проекции.
Изменение скорости приводит к тому, что импульс растет экспоненциально, даже несмотря на то, что масса инвариантна. Дело не в том, что масса увеличивается. Просто больше импульс.
И, в общем-то, вопрос становится ещё более прозрачным, если вы попытаетесь разобраться с возможностью достижения световых скоростей безмассовыми частицами.
Самый распространенный ответ тут тоже прозвучит как: ну ведь у фотона нет массы, значит его масса не станет бесконечной. Но подставьте нулевую массу в формулу Эйнштейна и увидите, что свет якобы не обладает энергией при его нулевой массе. Однако, очевидно, что это не так.
Тут даже если опустить простое определение о квантовой природе света, которая наделяет его такими свойствами изначально, есть и простое объяснение.
Дело в том, что почему-то основную формулу E=mc2 все помнят, а вот её правильную запись с учетом относительности забывают. Из релятивистской взаимосвязи между массой, энергией и импульсом следует, что E2 = p2 * c2 + m2 * c4.
Подставим сюда нулевую массу и в итоге получим, что применительно к фотону должно получаться E = p * c. Собственно, главная часть тут - импульс.
Так что дело совсем не в бесконечной массе.
⚡ Обязательно подпишитесь на мой Telegram! Очен нужна ваша поддержка в виде подписки. Я делюсь авторскими заметками про то, как научиться изобретать понимать физику.
Мы уже как-то обсуждали и самые вонючие, и самые активные элементы на Земле. Теперь давайте поговорим про самую тяжелую материю во Вселенной, одна чайная ложка которой будет весить как товарный поезд.
Масса материи определяется двумя параметрами - плотностью и объемом. Часто плотность и объем взаимосвязаны. Но в классической формуле речь не об этом. Чем больше плотность и чем больше объем (читай как количество этого вещества), тем больше и масса. Всё довольно-таки очевидно.
Из всего этого следует, что для создания невероятной массы нужна и невероятная плотность. Невероятная плотность будет у той материи, частички которой расположились максимально близко друг к другу. В случае естественного её формирования такое расположение вряд ли возможно. А вот искусственное формирование вполне может иметь место. Нужно только давление.
Максимальное давление наблюдается внутри нейтронных звёзд. Нейтронная звезда - это вариант космического тела, который появляется после того, как обычная звезда выработала всё своё топливо. Остаётся нечто типа "каркаса" и огромная гравитация стягивает оставшийся материал к центру. При этом происходит вырождение протонов и электронов, которые разлетаются в разные стороны. Сама ткань нейтронной звезды состоит из нейтронов.
Нейтроны удерживаются рядом друг с другом посредством сильнейшей гравитации. И тут есть интересная котовасия. Нейтроны отталкиваются друг от друга, но мы-то с вами помним, что отталкиваются разноименные частицы. Тогда как нейтроны нейтральны. Почему же они "распрыгивают"?
Всё сложнее. Нейтроны имеют спин 1/2 и, следовательно, подчиняются принципу исключения Паули, что означает, что два нейтрона не могут занимать одно и то же пространство одновременно. Когда волновые функции двух нейтронов перекрываются, они ощущают сильную силу отталкивания. Поэтому, без гравитации, нейтроны бы тоже не находились рядом.
И тут интересный момент. Нейтронная материя (которую часто именуют нейтронием) претендует на самую тяжелую материю во Вселенной. В научпоп статьях часто любят писать, что одна ложка такой материи будет весить, как гора. Это действительно так.
Нейтроний может иметь плотность 4 ×10^17 кг / м3, что примерно на 14 порядков величины плотнее самых плотных известных обычных веществ. Собственно, это ответ на вопрос, поставленный в заголовке.
Но взвесить нейтроний вне нейтронный звезды или отрезать от неё кусочек, как от торта, мы не сможем. В условия отсутствия гравитации нейтроны разлетятся во все стороны. Нейтронная материя моментально распадается при обычных условиях.
Поэтому, хотя ткань нейтронной звезды и является теоретически самой плотной и тяжелой, использовать это свойство на практике невозможно. Собственно, как и определить точные значения массы экспериментальным путём.
Самая интересная часть квантового компьютера это, пожалуй, кубит. Как с точки зрения материаловедения устроен кубит и что позволяет проявлять ему такие фантастические свойства?
Давайте вспомним самые основные моменты, которые тесно связаны с физикой работы кубита. Как это водится, стоит начать с полупроводников. Без этого не прочувствовать принципиальную разницу.
Материаловедение полупроводника
Привычные всем полупроводниковые устройства работают довольно просто. Это группа транзисторов, объединенных в сложную архитектуру и выдающих на выходе ожидаемое напряжение (ну или не выдающих).
Полупроводниковые транзисторы часто вполне уместно сравнивают с открытым или закрытым краном для подачи самой обычной воды. При этом кран - это вентиль, являющийся инструментом и позволяющий собирать простейшие управляемые логические цепочки. Про транзисторы у меня был большой хороший материал.
Материаловедение полупроводникового транзистора простое. Полупроводник проводит электрический ток только при определенных физических условиях и занимает место между диэлектриками и проводниками. Одним из условий проводимости для полупроводника является легирование - искусственное увеличение количества свободных электронов или вакантных мест для них.
Стандартный диод
Есть полупроводниковые материалы, "богатые" электронами, а есть материалы "богатые" вакантными местами для размещения этих электронов. Если соединить друг с другом материал, обладающий большим количеством вакантных мест (или дырок) и материал, обладающий большим количеством носителей заряда (электронов), то в одно направлении ток будет проходить, а в другом нет. Получится полупроводниковый диод.
Если же комбинировать материалы по принципу электроны - дырки - электроны, то в таком тройном бутерброде получится управляемая область. Подача электрического тока на управляемую зону, где отсутствуют носители заряда, откроет эту область и позволит току протекать через транзистор. Тут можно было бы сказать, что бывают транзисторы p-n-p или n-p-n, но это сейчас не столь важно.
Стандартная схема из учебника
Базовый принцип материаловедения транзистора прост. Взять в транзисторный бутерброд такие материалы, которые обеспечат проводимость только если посредством подачи электрического тока на промежуточный слой будет происходить добавление электронов (или диаметрально противоположный вариант для другого типа полупроводника).
Основные материалы для транзисторов - германий и кремний. Для того, чтобы добиться «эффекта изобилия» дырок или электронов, основной материал легируется. Легирующими компонентами выступают обычно алюминий, галлий или индий. Логика, в общем-то, простая - добавить к атомам основного элемента "примесного кукушонка", который внедрится в кристаллическую решетку основы и привнесет новые свободные электроны в основной компонент (ну или перетянет себе те, что есть в относительно свободном состоянии, обладая большим количеством вакантных мест с выгодным энергетическим переходом).
Результат мы все знаем. Получается полупроводниковый транзистор, на базе которого можно собрать логическую ячейку. Всё просто по одной причине - по большому счёту, мы делаем обычный управляемый водопроводный кран с положениями да/нет и это ложится на привычные нам 1 и 0. 1 и 0, если помните - это и есть бит. Строго фиксированные значения.
Квантовое материаловедение
Квантовые компьютеры же известны тем, что технология не подразумевает работу с конкретными значениями. Тут нет 1 и 0. Вместо бита основным элементом становится ку-бит. Кубит интересен тем, что способен принимать весь диапазон значений от 0 до 1, причем с некоторой вероятностью. Скажем, в конкретный момент времени кубит может принимать значение «1» с вероятностью 30%. В итоге и алгоритм компьютера работает с вероятностными показателями.
Наверное такую схемку вы тоже уже видели
Для осознания нужно хорошо понимать основы квантовой физики, но думаю достаточно будет уяснить, что кубит всегда находится во всех возможных состояниях сразу. Это и 0, и 1, со всеми сопутствующими вероятностями принятия 1 и 0.
Так проявляется квантовая суперпозиция - специфическое свойство, позволяющее квантовой частице принимать сразу все возможные состояния. Конкретное значение фиксируется благодаря эффекту наблюдателя - нужно измерить искомое свойство и тогда суперпозиция разрушится, а кубит примет одно из ожидаемых конкретных значений.
Вероятностное исчисление требует специальной логики построения алгоритма, который работает совсем не так, как в привычном нам случае. Как правило, квантовые алгоритм ориентированы на работу с какой-то одной хорошо описанной задачей. Например, прогнозирование изменения температуры какой-то природной зоны. Факт измерения кубита приведет к фиксации значения и завершению работы алгоритма.
Если мы сравнивали полупроводниковый транзистор с управляемым краном, то кубит - это нечто типа закрытого ящика, в котором может лежать что угодно и его содержимое определяется вероятностью. Открываешь ящик измерением и узнаешь результат. Если математически описать вероятность нахождения того или иного результата в ящике, то это можно использовать, как способ решения некоторой задачи.
И вот тут начинается самое интересное. А как и из чего сделать эту волшебную коробку с точки зрения материаловедения?
Если полупроводниковый компьютер работал как механическое устройство, то квантовые кубиты так сделать точно не выйдет. Вместо транзисторов изначально даже использовались механические клапана, поскольку значения было всего два и они были строго определены.
Но вот квантовый компьютер в механическом эквиваленте представить невозможно. Попробуйте сделать кран, который и открыт, и закрыт сразу. Почти кот Шрёдингера. Ящик с сюрпризом.
Оперировать тут необходимо квантовыми частицами, да ещё и в состоянии суперпозиции. Вот только что это с позиции материаловедения?
На самом деле, всё равно из чего сделать квантовый кубит. Главное, чтобы это что-то было в контролируемом состоянии суперпозиции. Состояние суперпозиции достигается у частиц при создании низких температур где-то рядом со значениями сверхпроводимости, когда вся термодинамическая активность замирает. Там же проявляется порой и эффект сверхпроводимости.
Технически кубиты могут представлять собой самые разные объекты. Холодные атомы, фотоны, дефекты в кристаллической решетке. Но самым популярным и удобным типом кубита сегодня считаются сверхпроводящие кубиты на базе контактов Джозефсона.
Схемка для простоты
Джозефсоновский контакт - это тип соединения двух сверхпроводников через тонкий слой диэлектрика. Материалы можно выбрать разные. Сверхпроводящие контакты можно сделать хоть из алюминия, а прослойку изготовить из висмута-теллура-селена или оксида алюминия.
Через джозефсоновский контакт могут туннелировать куперовские пары электронов, ответственные за перенос тока в сверхпроводнике. Куперовская пара, если очень утрировать - это сам электрон и место для размещения этого электрона в сверхпроводнике. Посредством переноса пар проявляется квантовое туннелирование в джозефсоновском контакте.
Вероятность того, что слон высосет твой борщ, никогда не равна 0
Квантовое туннелирование, как мы помним - это эффект, при котором частица может проходить через барьер, когда ее энергия меньше, чем нужна для перепрыгивания высокого барьера. Процесс это вероятностный и при измерении можно фиксировать положение частицы относительно барьера. Мы помним, что квантовое туннелирование интересно тем, что всегда есть ненулевая вероятность оказаться внутри барьера ну или проявиться за ним. Остаётся измерить положение куперовской пары. Так и получается кубит.
Мы можем предполагать, что пара находится в момент измерения за потенциальным барьером с вероятностью 20%. Само собой, образно. Мы проверяем этот факт измерением и фиксируем кубит.
Джозефсоновские кубиты ведут себя подобно отдельным атомам: способны находиться в основном и в нескольких возбуждённых состояниях, занимать сразу несколько положений согласно суперпозиции, обмениваться энергией при помощи излучения и поглощения фотонов и даже моделировать режимы лазерной генерации.
Отметим, что это не единственный вариант подхода к созданию кубита. Но, пожалуй, он самый простой.
Принципиальное различие во всей этой схеме относительно полупроводника - сложные условия для поддержания суперпозиции. Именно это обстоятельство требует сохранение постоянной низкой температуры у системы.
Так выглядит квантовый процессор. Не намного больше стандартного
Технически кубит (или квантовый процессор) представляет собой несколько тонких металлических пластинок, склеенных друг с другом тонким слоем диэлектрика. Сделать это просто. Сложно создать условия, соответствующие состоянию суперпозиции, инициировать это состояние частицы и сохранить длительное время. Поэтому, квантовый процессор - это небольшой металлический брусок, а вместе с системой охлаждения вся конструкция занимает пару комнат.
А так выглядит машинка в сборе
Нужна система охлаждения и устройство, способное с помощью внешнего электромагнитного поля, резонансного к частоте перехода, создать суперпозиционное состояние между двумя соседними энергетическими уровнями в рассматриваемом кубите. Это сложные и технически сложные физические состояния объектов.
⚡ Друзья мои, если вам нравятся мои статьи, то лучшей поддержкой творчества будет подписка на мой тг-канал про Изобретения. Там регулярно выходят интересные тематические заметки про технику и способы развития мышления.
Представь себе, что по дороге едет машина. Мы делаем фото на длинной выдержке. За это время машина успевает проехать метров 10. Зная расстояние и время (выдержки), легко посчитать скорость. Но где именно в момент съёмки была машина? Нигде конкретно и в то же время везде.
Сделаем ещё фото, на этот раз на короткой выдержке. Машина получилась чёткой и мы точно знаем, где она находилась в момент съёмки. Но как теперь посчитать, с какой скоростью она ехала? А может, она и не ехала вовсе? По фото теперь сказать невозможно.
Это и есть "принцип Гейзенберга", хотя и довольно грубо.
Раньше люди думали, что свет – это луч, состоящий из частиц. Потом поняли, что волна. Потом увидели, что свет проявляет свойства и частицы и волны и придумали корпускулярно-волновой дуализм. Так и что же получается, свет – это и частица и волна одновременно? Нет!
Чем вообще частицы отличается от волны с точки зрения квантовой физики? Прямым следствием корпускулярно-волнового дуализма является неопределенность Гейзенберга – принцип квантовой физики, согласно которому мы не можем в равной степени точно знать и импульс и координату квантового объекта. И дело тут не в ограниченности наших технологий, а в самом устройстве квантовой физики.
Таким образом, с определенной долей упрощения можно сказать, что частица от волны отличается тем, что у частицы координата строго определена, а импульс не определен, а у волны определен импульс, а координата нет. И чисто логически получается, что частицы и волны – это в базе своей что-то одно и то же: частица – это волна, координата которой определена, а волна – это частица, импульс которой определен. Частица – это волна, а волна – это частица. Они тождественны, но всё-таки различны. Как же так? Почему? Потому что оба они являются лишь проявлением чего-то большого.
Корпускулярно-волновой дуализм – это не механическое соединение противоположностей. Свет – это не просто соединение частицы и волны в какое-то нелепое единство. Свет проявляет свойства частицы и волны, потому что сам по себе является чем-то большим, чем-то «третьим» по отношению к частицам и волнам. Так что же такое свет?
Свет – это квантовое поле. И вот в зависимости от того, с какого «угла» мы «смотрим» на это поле, подобно слепцам из притчи про слона, мы видим то частицу, то волну, но и то и другое суть проявление одного и того же явления – квантового поля.
Исследователи из Пермского политеха усовершенствовали сепаратор отделения нефти от газа и частиц породы для скважин с большим дебитом дебитом. Изменив форму устройства, они сделали его до пяти раз долговечнее.
Чтобы увеличить приток нефти в скважину, часто применяют гидроразрыв пласта. Дебит при этом увеличивается, но одновременно с ним может возрасти приток газа с частицами породы. Для отделения нефти от газа и твердых частиц используют газосепараторы, которые помещают в скважину ниже насоса. В них примеси породы отбрасываются центробежными силами к стенкам корпуса и могут повредить его, особенно в случае со скважинами с большим дебитом — за сутки их сепараторы пропускают через себя тонны абразивных частиц. Причем чем лучше отделение газа от нефти, тем сильнее эффект концентрации абразива у стенок оборудования.
В процессе расчетов ученые установили, что жидкость из скважины приобретает вращательное движение еще до попадания внутрь газосепаратора. Эффект переноса вращения вверх по потоку обусловлен трением частиц жидкости друг о друга, а создаваемые вращением центробежные силы перемещают абразивные частицы на периферию потока — к поверхности корпуса. Перед входом в газосепаратор концентрация абразивных частиц увеличивается. Вызвано это вихревым течением жидкости на входе в газосепаратор и конструкцией устройства. Получается парадоксальное явление: износ корпуса сепаратора происходит еще до входа жидкости внутрь него.
Для продления срока службы газосепаратора политехники усовершенствовали его конструкцию. Они, в том числе, предложили сделать вход в устройство в форме сужающегося конуса, а внутри конусного канала разместить лопасти, препятствующие закрутке жидкости до попадания в сепаратор.
Эксперименты показали, что скорость износа стенок корпуса в новой модели газосепаратора уменьшилась в 3–5 раз по сравнению с аналогами. Сейчас ученые заканчивают разработку конструкторской документации для запуска серийного производства устройств.
Ученые Института ядерной физики Сибирского отделения РАН разработали устройство для измерения плотности плазмы в термоядерном реакторе. Он сможет снимать показания дистанционно, поэтому ему не навредят десятки миллионов градусов тепла и сильные вибрации.
Прибор представляет собой интерферометр — оптическую схему, на которую «светят» лазерным излучателем. В традиционных конструкциях эта схема разделяет лазерный луч на два потока, один из которых огибает плазму в реакторе, а другой проходит сквозь нее. После этого лучи складываются, попадая в фотоприемник, преобразуются в электрический сигнал и поступают в фазометр — устройство, которое вычисляет необходимые параметры. Проблема, говорят авторы разработки, в том, что для разделения лучей используются оптические элементы — например, зеркала и отражатели, — чувствительные к вибрациям. Если зеркало сдвинется, проходящий через него луч отклонится, что приведет к ошибкам в итоговых показателях.
Решением проблемы стала разработка дисперсионного интерферометра. В новом приборе обе волны будут проходить сквозь плазму, но благодаря разной длине одна из них все так же останется неизменной. Основное преимущество такой схемы в том, что два луча идут по одному пути — и даже сильные вибрации не приведут к изменению показателей.
Прибор, способный точно регистрировать плотность и температуру плазмы, сделан. Следующая задача — управление параметрами плазмы. В фазометр мы заложили возможность загружать математически вычисленные значения плотности плазмы в конкретные моменты времени. В результате сравнения этих и реальных значений можно будет подавать в камеру больше или меньше газа, регулируя плотность плазмы.
— Светлана Иваненко. Старший научный сотрудник Института ядерной физики РАН.