Заметили ошибку в тексте?
Выделите её мышкой и
нажмите Ctrl + Enter

Альтернативный взгляд

«Альтернативная история, уфология, паранормальные явления, криптозоология, мистика, эзотерика, оккультизм, конспирология, наука, философия»

Мы не автоматический, тематический информационный агрегатор

Статей за 48 часов: 33


Очевидец: Если Вы стали очевидцем НЛО, с Вами произошёл мистический случай или Вы видели что-то необычное, то расскажите нам свою историю.
Автор / исследователь: У Вас есть интересные статьи, мысли, исследования? Публикуйте их у нас.
!!! Ждём Ваши материалы на e-mail: info@salik.biz или через форму обратной связи, а также Вы можете зарегистрироваться на сайте и размещать материалы на форуме или публиковать статьи сами (Как разместить статью).

Квантовые симуляторы: как ученые создают искусственные миры
Среднее время прочтения:

Источник:
Квантовые симуляторы: как ученые создают искусственные миры

Представьте, что вы хотите рассмотреть быструю, но хрупкую бабочку. Пока она порхает, детально изучить ее довольно трудно, поэтому нужно взять ее в руки. Но как только она оказалась в ваших ладонях, крылышки смялись и потеряли цвет. Просто бабочка слишком уязвима, и любое ваше воздействие изменяет ее вид.

А теперь вообразите бабочку, которая меняет внешний вид от одного вашего взгляда. Именно так ведут себя одиночные электроны в твердом теле. Стоит ученым «посмотреть» на электрон, и его состояние уже отличается от оригинального. Этот факт значительно усложняет изучение физики твердого тела — области науки, которая описывает свойства твердых тел (всех веществ, имеющих кристаллическую решетку) с точки зрения их атомного строения. Создание компьютеров, телефонов и многих других устройств, без которых мы не представляем себе жизнь, является заслугой этого раздела науки.

- Salik.biz

Если электроны невозможно «увидеть», надо их заменить на что–то более крупное, решили ученые. Кандидаты на место электронов должны сохранять их свойства таким образом, чтобы уравнения, описывающие процессы в твердом теле, оставались неизменными. На эту роль подошли атомы при сверхнизких температурах. В физическом мире температура является аналогом энергии: чем она ниже, тем неподвижнее становится объект. При комнатной температуре атом кислорода в воздухе движется со скоростью несколько сотен метров в секунду, но чем ниже температура, тем меньше его скорость. Минимальной в нашем мире считается температура ноль градусов Кельвина, или минус 273,15 °C.

Сравнение поведения атомов в твердом теле при комнатной температуре и атомов при сверхнизких температурах / Иллюстрация РИА Новости. А. ПолянинаСравнение поведения атомов в твердом теле при комнатной температуре и атомов при сверхнизких температурах / Иллюстрация РИА Новости. А. Полянина


Ультрахолодные атомы охлаждены до микрокельвина и даже менее, где скорость движения составляет лишь несколько сантиметров в секунду.

Из таких атомов и оптической решетки ученые создали искусственный кристалл, аналогичный по строению природным твердым телам. Сама оптическая решетка, которая берет на себя роль атомарной решетки твердого тела, создается с помощью лазеров, чьи лучи пересекаются под заданными углами. Управляя положением лазеров и их мощностью, можно непрерывно менять геометрию решетки, а путем наложения дополнительного поля переключить взаимодействие между «электронами» с отталкивающего на притягивающее.

Так художник представляет себе искусственную кристаллическую решетку / Иллюстрация РИА Новости. А.ПолянинаТак художник представляет себе искусственную кристаллическую решетку / Иллюстрация РИА Новости. А.Полянина


Но для проведения экспериментов необходимо управлять движением электронов. Они поддаются воздействию электрического и магнитного полей, так как имеют заряд. Атомы же, замещающие электроны в искусственном кристалле, нейтральны, поэтому необходимо было придумать замену управляющей ими силы. Электрическое поле успешно заменила гравитация, которая отвечает за прямолинейное движение электрона. Однако электроны в магнитном поле закручиваются, их траекторию можно описать как спиралевидную. Поэтому исследователи создали синтетическое магнитное поле, оказывающее на движущиеся атомы такое же действие, как и настоящее магнитное поле, что является главным условием для изучения фундаментальных законов.

Рекламное видео:


Схема движения электронов в электромагнитном поле / Fotolia / Peter Hermes FurianСхема движения электронов в электромагнитном поле / Fotolia / Peter Hermes Furian

Таким образом физики получили возможность изучать свойства любых твердых тел (металлов, полупроводников, диэлектриков), экспериментировать с ними и изменять по собственному желанию. Получается, что учеными создан некий «конструктор», — система, симулирующая свойства квантового мира электронов, но, в отличие от него, легко доступная для исследований.

Из «квантового конструктора» можно собрать и другие системы, включая такие, каких в природе не существует. Например, все элементарные частицы делятся на бозоны и фермионы. Бозоны имеют целое спиновое число, а фермионы — полуцелое. Используя изотопы атомов, можно превратить электроны в рассмотренном выше искусственном твердом теле из фермионов в бозоны.

«Помимо задач физики твердого тела, квантовые конструкторы на основе холодных атомов можно использовать и для решения задач из других областей, например физики элементарных частиц, — поясняет главный научный сотрудник лаборатории теории нелинейных процессов Института физики СО РАН и профессор кафедры Теоретической физики Сибирского Федерального Университета, доктор физико-математических наук Андрей Коловский. — Взаимодействие между элементарными частицами осуществляется через так называемые калибровочные поля. Знакомое нам со школы электромагнитное поле, ответственное за взаимодействие между зарядами, является частным случаем калибровочных полей. В принципе, можно смоделировать и другие поля, помимо электромагнитного, и такие исследования уже проводятся. Еще одно направление — астрофизика, где ученые, используя холодные атомы, моделируют термодинамику черных дыр».

Из таких конструкторов можно также собирать и квантовые компьютеры, с помощью которых удобно изучать телепортацию квантовых частиц. 

А еще заглянуть в далекое будущее, на 20-40 миллиардов лет вперед, ведь Вселенная постоянно расширяется и, согласно законам термодинамики, ее температура плавно падает. Со временем она охладится до нанокельвинов, а благодаря квантовым симуляторам мы сможем наблюдать ее состояние прямо сейчас.

Записал:

SALIK

Санкт-Петербург
info
+48
Я не автоматический, тематический информационный агрегатор! Материалы Salik.biz содержат мнение исключительно их авторов и не отражают позицию редакции. Первоисточник статьи указан в самом начале.

Поделиться в социальных сетях:


Оцените:
+29
498
RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!
Загрузка...

   Подписывайтесь на нашу группу в Одноклассниках:   Подписаться