Почему квантовые эффекты происходят только в атомном масштабе?

На самом деле квантовые эффекты не ограничиваются только атомным масштабом. Существует несколько примеров макроскопического квантового поведения. Квантовая физика описывает материю и энергию как квантовые волновые функции, которые иногда действуют как волны, а иногда как частицы, но на самом деле являются более сложными сущностями, чем просто волны или частицы.

В действительности каждый объект во Вселенной (от атомов до звезд) действует в соответствии с квантовой физикой. Во многих ситуациях, например, при броске мяча, квантовая физика приводит к тому же результату, что и классическая физика. В таких ситуациях мы используем классическую физику вместо квантовой физики, потому что ее математика проще, а принципы более интуитивны.

Законы квантовой физики все еще действуют в мяче, но их действие не очевидно, поэтому мы говорим, что система неквантовая. Ситуация описывается как квантовая, когда ее квантовое поведение становится очевидным, хотя на самом деле она всегда квантовая. Таким образом, «квантовый эффект» — это эффект, который должным образом не предсказывается классической физикой, но правильно предсказывается квантовой теорией.

Классическая физика описывает материю как состоящую из маленьких твердых частиц. Поэтому всякий раз, когда мы заставляем частицы материи действовать как волны, мы демонстрируем квантовый эффект. (Классические волны, такие как звуковые и морские волны, не считаются квантовыми, потому что движение — это волна, но частицы все еще маленькие твердые шарики. Чтобы быть квантовым эффектом, сама частица должна действовать как волна.)

Хотя квантовые эффекты не ограничиваются строго атомным масштабом, они, безусловно, более распространены в атомном масштабе. Почему это так? Давайте посмотрим на материю. Чтобы быть квантовым эффектом, мы должны заставить материю действовать как волны. Чтобы быть макроскопическим квантовым эффектом, мы должны заставить множество частиц материи действовать как волны организованным образом.

Если все частицы материи действуют как волны случайным, разрозненным образом, то их волны интерферируют и усредняются до нуля в макроскопическом масштабе. В физике мы называем организованное волнообразное поведение «когерентностью». Чем больше волнообразная природа частиц материи выровнена, тем более когерентным является объект в целом. И чем более когерентен объект, тем больше он действует как волна в целом.

В качестве грубой аналогии рассмотрим группу детей, плещущихся в бассейне. Если все дети занимаются своими делами, то волны воды, которые они создают, когда они плещутся, будут случайными. Много случайных волн воды складывается примерно до нуля. Эта система некогерентна. Теперь, если дети выстраиваются в линию и все плещут в воду в один и тот же момент каждые две секунды, все их маленькие волны складываются в одну большую волну воды.

Эта система является когерентной, и волна воды в бассейне очевидна. Бассейн — это только аналогия. Волны воды действуют как волны маленьких твердых частиц и поэтому являются классическими, а не квантовыми. Для того чтобы действовать как квантовые волны, частицы материи должны не просто выровнять свои движения, они также должны выровнять свою квантово-волновую природу.

Ключ здесь в том, что крупномасштабное когерентное состояние маловероятно, пока отдельные частицы ведут себя случайным образом. Существует лишь несколько возможных способов заставить систему действовать скоординированным образом, в то время как существует гораздо больше способов заставить систему действовать несогласованно. Поэтому скоординированное поведение менее вероятно, чем несогласованное поведение, хотя и не невозможно.

Например, если вы бросаете 5 традиционных кубиков, есть шесть способов, чтобы все числа были одинаковыми в одном броске. Напротив, существуют тысячи способов сделать так, чтобы все числа не были одинаковыми. Заставить кубики показать одно и то же число маловероятно, но не невозможно.

Аналогичным образом, квантовая когерентность в макроскопическом масштабе маловероятна, но не невозможна. Если квантово-волновая природа отдельных частиц материи может быть выровнена в когерентное состояние, то квантовые эффекты станут очевидными в макроскопическом масштабе. Ниже приведены некоторые примеры макроскопических квантовых эффектов.

Сверхпроводимость. Когда проводящий материал достаточно охлажден, его электроны распространяются в крупномасштабные когерентные волновые состояния. Эти когерентные волновые состояния способны проходить мимо атомов без возмущения, так что получается материал с нулевым электрическим сопротивлением. Сверхпроводимость приводит к интересным макроскопическим эффектам, таким как квантовая левитация (эффект Мейснера).

Сверхтекучесть. Когда некоторые материалы достаточно охлаждены, их атомы могут распространяться в когерентные волновые состояния, которые сопротивляются поверхностному натяжению, позволяя материалу течь как жидкость с нулевой вязкостью.

Конденсаты Бозе-Эйнштейна. Когда некоторые материалы достаточно охлаждаются, их атомы полностью переходят в единое гигантское когерентное волновое состояние. Макроскопический кусок материи, который конденсировался таким образом, действует как волна и проявляет волновые свойства, такие как интерференция.

Обратите внимание, что лазерный свет часто упоминается как макроскопический квантовый эффект. Однако когерентный свет, такой как лазерный, успешно объясняется классическими уравнениями Максвелла и, следовательно, не является квантовым эффектом.

Однако способ получения лазерного света — через стимулированное излучение и переход между дискретными энергетическими уровнями — является квантовым эффектом. Но стимулированное излучение в лазерах является эффектом атомного масштаба и поэтому не входит в наш список макроскопических квантовых эффектов.

Точно так же существует множество квантовых эффектов атомного масштаба, которые приводят к результатам, наблюдаемым в макроскопическом масштабе, таким как квантовые эффекты, которые делают возможными современные компьютеры. Эти эффекты на самом деле не происходят в макроскопическом масштабе. Скорее, эффекты происходят в атомном масштабе, а затем результаты эффекта усиливаются до макроскопического уровня.