Квант - это что такое? Определение и значение для науки

Данная статья рассказывает о том, что «квант» – это понятие физики элементарных частиц. Здесь дается определение этой величины, показывается ее важность и приводится краткая история ее открытия.

Математика и физика

Две самые страшные школьные дисциплины для учеников с гуманитарным складом ума однажды объединились, чтобы породить новый этап в изучении окружающего мира. Началось все с того, что Макс Планк, выводя формулу распределения излучения абсолютно черного тела, ввел понятие «квант». Значение слова буквально такое: наименьшая порция чего-либо, например, энергии, поля, момента инерции.

Причем применимо это понятие к микромиру: может быть квант света и гравитационного поля, но не может быть кванта массы или дождя. Чтобы читателю было яснее, приведем пример. Если бы все возможные состояния электрона были целой коровой, то квант – это наименьшая порция мяса, с помощью которой можно насытиться, то есть один стейк. Кстати, в известном фильме о Джеймсе Бонде под квантом милосердия наверняка подразумевается то, что даже у самого черствого человека есть хоть немного сострадания в душе.

Борьба за квантовую физику

Поначалу Макс Планк действовал в рамках прежних представлений о физике. Он ввел в уравнение квант, значение которого в его глазах заключалось только в удобстве математического выражения. Таким образом, получается, что он открыл это понятие почти случайно, не стремясь совершить прорыв.

Вообще, он был добросовестным исследователем, усердно трудился над каждой темой и доводил дело до конца. Именно упорство и настойчивость позволили ему перевернуть физику. Не было никаких гениальных прозрений и внезапных идей. Возможно, поэтому еще долгое время он отрицал важность своего открытия и пытался как-то «приладить», примирить новое понятие со старым подходом к физике. Целая плеяда ученых, которые появились благодаря введению кванта, не смогли убедить его в фундаментальном значении одного-единственного предположения для будущего науки.

Значение для науки

Прежде всего, квант – это основа для понимания природы света. Ученые еще в семнадцатом веке довольно точно измерили скорость солнечных лучей, но объяснить их появление или поглощение поверхностями были не в силах. Выяснилось, что энергия электромагнитных волн с одинаковым приращением фазы по времени может принимать только значения, кратные E= (N+1/2) ħω. Поясним:

• E – энергия;
• N – целое число;
• ħ – редуцированная постоянна Планка, h/2π;
• ω – угловая частота, которая и представляет собой приращение фазы волны по времени.

Приведенная выше формула обозначает, что энергия излучения ħω квантуется, то есть представляет собой набор конечных пакетов или фотонов.

Квант и материя

Объяснив природу света, люди поняли, что квант – это не только математическая шутка, но и огромные возможности. Позже ученые выяснили, почему электроны в атомах могут находиться только на определенных орбитах. Это потребовало введения принципа корпускулярно-волнового дуализма для элементарных частиц.

Переход электрона между двумя орбиталями в атоме происходит всегда рывком. Это приводит к процессам, благодаря которым испускается или поглощается световой квант. Что значит этот факт для науки, поясним чуть ниже. В каждом типе атомов набор квантов перехода уникален. То есть набор энергий, необходимый для возбуждения электронов золота, не подходит платине. Это дает возможность определить, какой именно переход был совершен, и понять, какой тип атома изучается: водород или аргон, алюминий или магний.

На этом основании стоит самый мощный инструмент изучения и покорения материи – спектроскопия. Сферы применения анализа спектров весьма обширны, вот некоторые из них:

• изучение состава и структуры новых материалов;
• улучшение свойств уже известных соединений;
• изучение процессов, происходящих при взаимодействии разных типов материи.

Читатель и сам легко представит, что использовать такой метод можно во всех сферах человеческой деятельности.

Типы квантов

Помимо уже описанного фотона, бывают и другие типы квантов:

1. Глюон – квант векторного поля.
2. Гравитон – квант гравитационного поля (предсказан теоретически, но пока его существование не доказано практически).
3. Бозон Хиггса – квант поля Хиггса.

Большой адронный коллайдер, который был построен в 2012 году, доказал: в его недрах родился новый квант, бозон Хиггса. Таким образом, физики показали, почему глюоны и фотоны не обладают массой покоя.

Лазер как следствие приручения квантов света

Поняв, как получаются фотоны, ученые смогли «приручить» их. В результате появился лазер – источник монохроматических электромагнитных волн. При достаточно простых принципах, которые лежат в основании одновременной генерации фотонов одной длины волны (монохроматических), и простом строении самого устройства, возникали большие технические сложности.

Первой задачей было найти материал, в котором существовала бы инверсная заселенность электронов. Вторая задача состояла в том, чтобы создать два зеркала на торцах рабочего кристалла. Но обе они давно решены, причем понимание того, что такое квант, – это первый шаг к получению таких сложных устройств.

В современном мире лазер используется повсеместно. Его применяют как для забавы (лазерная указка), так и для серьезных целей (термоядерная реакция).