Квантовое поле и перспективы его изучения

Гипотеза квантового поля предполагает, что квантовое поле является фундаментальной и универсальной формой материи, объединяющей понятия классического поля (например, электромагнитное поле) и поля вероятностей квантовой механики. Квантовое поле характеризуется бесконечным числом степеней свободы, непрерывным созданием и уничтожением, а также передачей сигнала между частицами с конечной скоростью, не превышающей скорость света. Взаимодействие между частицами осуществляется через обмен квантами поля, такими как фотоны в случае электромагнитного поля.

Вот некоторые открытия в области квантового поля:
\* Планковская постоянная: Макс Планк ввёл концепцию квантования энергии в 1900 году.
\* Фотоэффект: Альберт Эйнштейн объяснил фотоэффект в 1905 году, подтвердив квантовую природу света.
\* Уравнение Шрёдингера: Эрвин Шрёдингер разработал уравнение в 1925 году для описания квантовых состояний.
\* Принцип неопределённости Гейзенберга: Вернер Гейзенберг сформулировал принцип неопределённости в 1927 году.
\* Квантовая запутанность: Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натаниель Розен предположили явление «действий на расстоянии» в 1935 году.
\* Эксперименты с Bell-неравенствами: Джон Белл провёл эксперименты для проверки предсказаний квантовой механики в 1960-х и 1980-х годах.
\* Квантовые компьютеры: концепция квантовых компьютеров была разработана в 1980-х годах.
\* Квантовая криптография: методы безопасной передачи информации с помощью квантовых принципов были разработаны в 1980-х годах.
\* Открытие Хиггсовского бозона: Хиггсовский бозон был открыт в 2012 году на Большом адронном коллайдере, подтвердив существование поля, дающего массу элементарным частицам.

Планковская постоянная, или постоянная Планка, — это фундаментальная физическая постоянная, которая определяет широкий круг физических явлений, связанных с дискретностью величин с размерностью действия. Обозначается как \$h\$.
Постоянная Планка была введена Максом Планком в 1900 году при установлении закона распределения энергии в спектре излучения абсолютно чёрного тела. С 2018 года в Международной системе единиц СИ (SI) принято фиксированное числовое значение постоянной Планка: \$h = 6,62607015 \* 10^{-34}\$ Дж\*с.
Постоянная Планка связывает величину энергии \$E\$ кванта электромагнитного излучения с его частотой \$;\$ следующим образом: \$E = h \* ;\$. Вместо \$h\$ часто используют постоянную \$; = h / (2 \* ;)\$, также называемую постоянной Планка.

Фотоэффект — это явление выбивания электронов из вещества под действием света. Альберт Эйнштейн объяснил фотоэффект в своей статье 1905 года «О эвристической точке зрения на образование и преобразование света».
Суть фотоэффекта заключается в том, что электроны получают энергию от фотонов света, и эта энергия достаточна для того, чтобы электроны покинули вещество. Эйнштейн предположил, что свет ведёт себя как поток частиц, называемых фотонами.
Основные положения его теории включают:
1\. Квантование энергии: свет состоит из частиц света (квантов), или фотонов, энергия которых пропорциональна частоте света: E = h;, где h — постоянная Планка, а ; — частота света.
2\. Фотоэлектронная эмиссия: фотон, ударяясь о поверхность металла, передаёт всю свою энергию одному электрону. Для выбивания электрона из материала требуется некоторая минимальная энергия, называемая работой выхода Ek.
3\. Свободная энергия: энергия, переданная фотоном, используется для преодоления работы выхода, а оставшаяся энергия преобразуется в кинетическую энергию выбитого электрона W = h;
; Ek.

Уравнение Шрёдингера — это основное уравнение квантовой механики, которое описывает движение и поведение элементарных частиц и систем, состоящих из них. Оно связывает волновую функцию частицы с её энергией и потенциалом.
Уравнение Шрёдингера имеет вид:
\$;;^2 \* ;^2 \* ;(x, y, z, t) + U(x, y, z, t) \* ;(x, y, z, t) = i; \* ;;(x, y, z, t) / ;t\$,
где \$;(x, y, z, t)\$ — волновая функция, \$;\$ — постоянная Планка, \$;^2\$ — оператор Лапласа, \$U(x, y, z, t)\$ — потенциальная энергия, а \$;/;t\$ — частная производная по времени.
Это уравнение позволяет определить изменение волновой функции частицы со временем и описать её поведение в различных условиях.

Принцип неопределённости Гейзенберга — это фундаментальное соображение в квантовой механике, устанавливающее предел точности одновременного определения пары характеризующих систему квантовых наблюдаемых, описываемых некоммутирующими операторами. Он гласит, что чем точнее измеряется одна характеристика частицы, тем менее точно можно измерить вторую.
Соотношение неопределённостей задаёт нижний предел для произведения среднеквадратичных отклонений пары квантовых наблюдаемых. Принцип неопределённости был открыт Вернером Гейзенбергом в 1927 году и является одним из краеугольных камней физической квантовой механики.

Квантовая запутанность — это квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Например, можно получить пару фотонов, находящихся в запутанном состоянии, и тогда, если при измерении спина первой частицы её спиральность оказывается положительной, то спиральность второй всегда оказывается отрицательной, и наоборот.
История изучения квантовой запутанности началась в 1935 году, когда Эйнштейн, Подольский и Розен сформулировали ЭПР-парадокс, который должен был показать неполноту предлагаемой модели квантовой механики. В результате были подтверждены квантовая запутанность и нелокальная природа реальности.
В большинстве экспериментов с запутанными частицами используются фотоны. Математически запутанное состояние описывается элементом тензорного произведения двух векторных пространств, который нельзя представить в виде тензорного произведения двух векторов.

Эксперименты с неравенствами Белла направлены на проверку теоремы Белла, которая утверждает, что вне зависимости от наличия скрытых параметров в квантово-механической теории, можно провести серийный эксперимент, подтверждающий или опровергающий их существование.
В рамках этих экспериментов изучался вопрос нарушения принципа локального реализма и свободы выбора. В частности, проводились эксперименты Шайдла и других учёных, которые использовали запутанные фотоны для проверки неравенств Белла. Результаты этих экспериментов подтвердили нарушение неравенств Белла, что указывает на отсутствие локального реализма в природе.

Концепция квантовых компьютеров основана на использовании явлений квантовой механики, таких как квантовая суперпозиция и квантовая запутанность, для передачи и обработки данных. Вместо работы с битами, способными принимать значения 0 или 1, квантовые компьютеры используют кубиты, имеющие значения одновременно и 0, и 1. Это позволяет обрабатывать все возможные состояния одновременно и достигать существенного преимущества в ряде алгоритмов по сравнению с обычными компьютерами.
Квантовые компьютеры оперируют с квантовыми алгоритмами, использующими квантовомеханические эффекты, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность. Вычисления происходят благодаря унитарным операциям над кубитами, а результат получается после измерения конечного состояния квантового…

Квантовая криптография — это наука о шифровании данных методами, основанными на законах квантовой механики. В отличие от традиционной криптографии, квантовое шифрование защищает и передаёт данные с помощью физических свойств элементарных частиц, таких как фотоны.
Информация в квантовой криптографии кодируется в виде состояний квантовых частиц, чаще всего фотонов. Фотоны передаются по оптическому кабелю, и их невозможно полностью скопировать или измерить без изменения их состояния. Это позволяет однозначно определить факт перехвата передаваемой информации.
Первый протокол квантового шифрования был разработан в 1984 году учёными Жилем Брассаром и Чарльзом Беннетом. С тех пор было создано несколько протоколов квантового распределения ключей, включая протоколы Брассара и Беннета (BB84) и Артура Экерта (E91).
Проблемы квантовой криптографии включают высокую стоимость создания и поддержки сетей для квантовой коммуникации и ограниченную дальность передачи информации. Тем не менее, методы квантовой криптографии применяются на практике в исследовательских центрах и коммерческих компаниях, например, для генерации случайных чисел.

Открытие хиггсовского бозона стало важным событием в физике элементарных частиц. Хиггсовский бозон был постулирован британским физиком Питером Хиггсом в 1964 году, и его существование было предсказано Стандартной моделью.
В 2012 году после многолетних поисков на Большом адронном коллайдере был обнаружен кандидат на роль хиггсовского бозона — новая частица с массой около 125–126 ГэВ/c;. В марте 2013 года отдельные исследователи ЦЕРНа подтвердили, что найденная частица действительно является бозоном Хиггса.
Открытие хиггсовского бозона позволило объяснить наличие инертной массы у частиц-переносчиков слабого взаимодействия, таких как W- и Z-бозоны, и отсутствие массы у частицы-переносчика сильного (глюон) и электромагнитного взаимодействия (фотон).

Перспективные направления в изучении квантового поля включают:
\* теорию представлений и точно-решаемые модели квантовой теории поля;
\* суперсимметричную квантовую механику;
\* теорию критического поведения и физику сложных систем;
\* применение методов квантовой теории поля в различных областях теоретической физики, таких как астрофизика, физика твёрдого тела, теория конденсированного состояния и статистическая физика.