Физика Потенциал электростатического поля, разность потенциалов
Материалы к уроку
50. Потенциал электростатического поля, разность потенциалов.doc
44.5 KBСкачать50. Потенциал электростатического поля, разность потенциалов.ppt
9.93 MBСкачать
Конспект урока
В механике взаимное действие тел друг на друга характеризуют силой или потенциальной энергией. Электростатическое поле, осуществляющее взаимодействие между зарядами, также характеризуют двумя величинами. Напряженность поля – это силовая характеристика.
Теперь введем энергетическую характеристику – потенциал. На замкнутой траектории работа электростатического поля равна нулю.
Поля, обладающие таким свойством, называются потенциальными. Потенциальный характер, в частности, имеет электростатическое поле точечного заряда. Работу потенциального поля можно выразить через изменение потенциальной энергии. Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле пропорциональна заряду. Это справедливо как для однородного поля, так и для любого другого. Следовательно, отношение потенциальной энергии к заряду не зависит от помещенного в поле заряда. Это позволяет ввести новую количественную характеристику поля – потенциал, не зависящую от заряда, помещенного в поле.
Если в качестве нулевого уровня потенциальной энергии, а, значит, и потенциала принять отрицательно заряженную пластину, то потенциал однородного поля равен произведению напряженности поля на перемещение заряда.
Работа перемещения заряда в однородном электростатическом поле не зависит от формы траектории заряда, а зависит от положения в этом поле начальной и конечной точек перемещения.
Напряженность электрического поля – силовая характеристика поля, физическая векторная величина, численно равная силе, действующей на единичный положительный заряд. Единицы измерения: 1Н/Кл (ньютон на кулон) =1В/м (вольт на метр).
Работа перемещения заряда по замкнутой траектории, совершаемая силами электростатического поля, равна нулю. Силы, работа которых на замкнутой траектории равна нулю и не зависит от формы траектории, называются консервативными силами. Потенциальное поле – силовое поле, в котором на тела действуют консервативные силы.
Также, исходя из принципа суперпозиции электрического поля, мы приходим к выводу о том, что потенциал поля, созданного в данной точке множеством зарядов-источников, равен алгебраической сумме потенциалов полей, созданных в этой точке каждым зарядом в отдельности.
Решим задачу.
Металлический шар укреплен на изолированной подставке и соединен с источником тока постоянного напряжения. Второй полюс источника тока заземлен.
1) Определите значение потенциала в точке А, если расстояние от центра шара до точки А составляет 8 см, а радиус шара равен 2 с половиной см.
2) Определите потенциал поверхности шара.
3) Чему равен потенциал внутри шара, если он сплошной?
4) Определите напряженность электрического поля у поверхности шара.
1) Отношение потенциала в точке А к потенциалу шара, который измеряет вольтметр, равен отношению радиуса шара к расстоянию от шара до точки А. Вычисления по этой формуле дают результат в 190 вольт.
3) В сплошном шаре потенциал внутри шара равен потенциалу на его поверхности.
4) Напряженность поля на поверхности шара определим, как отношение потенциала шара к радиусу шара.
Радиус шара в данном случае рассматривается как расстояние от точки на поверхности шара до точки в центре шара. Получаем результат в 24000 вольт на метр.Для измерения разности потенциалов между каким-нибудь изолированным металлическим проводником и Землей достаточно присоединить стержень электрометра металлической проволокой к проводнику, а корпус — к Земле. После такого присоединения листочки электрометра принимают тот же потенциал, что и наш проводник, так как в металлах имеются свободные электроны, которые будут перемещаться, пока разность потенциалов между стержнем электрометра и проводником не сделается равной нулю. Таким образом, электрометр, показывающий разность потенциалов между стержнем и корпусом, одновременно будет показывать разность потенциалов между изучаемым проводником и Землей.
Потенциал тела сравнивается с потенциалом Земли, которое условно принимается за нуль.По мере подъема над земной поверхностью потенциал электрического поля земли увеличивается примерно по 100 вольт на 1 метр. При указанной напряженности, казалось бы, разность потенциалов между головой человека среднего роста (170 см) и его подошвами составляет почти 220 вольт. На самом деле, человек является довольно хорошим проводником с сопротивлением около 1 килоОм, и является эквипотенциальным объемом. С Земли на человека переходит часть заряда. Поле вокруг человека искажается примерно так, как показано на рисунке и потенциал человека по-прежнему 0 В.
Приведем значения некоторых напряжений, которые мы замечаем в жизни.
Генератор Ван-де-Граафа – устройство, генерирующее высокое напряжение с помощью концентрации электрических зарядов на внешней стороне полого проводника. Построенный Джоном Кокрофтом и Эрнестом Уолтоном ускоритель Кокрофта-Уолтона вырабатывал высокое напряжение с помощью группы заряженных конденсаторов, соединенных последовательно. Американский физик Роберт Ван де Грааф (1901-67) усовершенствовал эту конструкцию, распыляя положительные или отрицательные заряды по непрерывно движущейся ленте, которая переносила их в большую полую металлическую сферу, где накапливалось напряжение.
Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!
Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ
Выбрать репетитораОставить заявку на подбор
Раковина наутилуса
«Самое прекрасное, что
мы можем воспринять – это таинство. Это источник настоящего искусства и науки»
Альберт Эйнштейн
Наутилус – живое ископаемое
Наутилус (что по-гречески значит «моряк») существует на нашей планете почти
без изменений 450 миллионов лет; это один из немногих моллюсков, выживших со
времен динозавров. Вот почему наутилус иногда называют «живое ископаемое». Наутилус – ночное животное
и проводит большую часть времени в океанических глубинах. Раковина наутилуса,
покрытая перламутром, на протяжении его жизни «растет» (к ней прибавляются все
бóльшие по размеру камеры) – вот почему наутилус стал символом роста и обновления.
Раковина наутилуса и фи
Еще в индуистских мифах наутилус называли символом многих аспектов творения.
Это также символ внутренней красоты в природе. Раковина наутилуса – один из
известных природных объектов, символизирующих золотое сечение. Пропорция золотого
сечения известна как число фи – 1,6180339… Фи – это число, не имеющее математического
решения. Знаки после запятой просто продолжаются до бесконечности, не повторяясь.
Особенность этого числа в том, что его можно найти во всех известных органических
структурах. Пропорция фи есть везде, от строения костей человека до спирального
расположения семян подсолнуха и завитков раковин моллюсков. Платон называл пропорцию
фи «ключом к физике космоса».
Золотое сечение широко применятеся в искусстве, архитектуре и религиозной символике.
Такие художники, как да Винчи и Кандинский, использовали золотое сечение в своих
картинах. Музей Гугенхейма, спланированный Фрэнком Ллойдом Райтом, имеет форму
раковины наутилуса.
Ученые пришли к выводу, что люди сочтут красивым произведение искусства, здание и даже лицо, соответствующее пропорциям золотого сечения.
Фи (золотое сечение) – «ключ к физике космоса» (Платон)
Фи – это постоянная, влияние которой даже более глубоко и загадочно, чем пи.
Как и пи, фи – это число, не имеющее математического решения. Знаки после запятой
просто продолжаются до бесконечности, не повторяясь. Особенность этого числа
в том, что его можно найти во всех известных органических структурах. Пропорция
фи есть везде, от строения костей человека до спирального расположения семян
подсолнуха и завитков раковин моллюсков, она лежит в основе всех биологических
структур и кажется геометрической схемой самой жизни.
Хотя у числа фи нет арифметического решения, его можно легко получить при помощи
циркуля и угольника.
Как найти золотое сечение
Вот два простых метода вычисления золотого сечения.
Первый метод
Если взять два одинаковых квадрата и поставить сторона к стороне, получится
прямоугольник 1х2. Разделите один из квадратов пополам и проведите диагональ
в полученном прямоугольнике (с соотношением сторон 1х0.5). Сумма длины этой
диагонали и короткой стороны малого прямоугольника будет равна фи, 1,6180339+,
если принять сторону квадрата за 1. (Эта формула точно описывает пол Камеры
Царя в Великой пирамиде).
Второй метод
Второй метод нахождения золотого сечения – разделение отрезка АВ в точке С так,
чтобы весь отрезок целиком был длиннее его первой части в той же пропорции,
в какой первая часть длиннее остатка. АВ/АС=АС/СВ=1,6180339+ (обратите внимание
на фрактальную и голографическую природу этого соотношения…)
Золотое сечение в архитектуре
Пропорция фи присутствует в архитектуре Великой пирамиды, в треугольнике, возникающем
из высоты, половины основания и апофемы, то есть диагонали.
Другими словами,
основное сечение пирамиды дает нам золотое сечение. Если принять длину половины
основания за 1, длина апофемы даст нам фи, а высота – квадратный корень из фи.
Золотое сечение снова и снова встречается в Гизе и часто оказывается сложным
и сбивающим с толку (о геометрии постройки Великой пирамиды написаны целые тома).
Ювелир – Давид Вейцман
David Weitzman is the force behind Ka Gold Jewelry. David has a vast knowledge in the fields of Kabbalah, Sacred Geometry, Ancient Egyptian wisdom, Jewish tradition, Tibetan Buddhism and other sacred concepts. David’s work harnesses the power of spiritual symbols to bring those wearing them happiness, vitality, excitement, success, and love.
Просто Wi-Fi
Почти Wi-Fi Теперь самое главное — физика работы Wi-Fi! Теперь, как мы узнали из истории и что такое раздел, что Wi-Fi возможен через радиоволны.
Радиоволны известны как электромагнитные волны. Эти волны передают данные, колеблясь на разных частотах. Эти волны жизненно важны для того, чтобы Wi-Fi работал хорошо». Электромагнитные волны имеют те же характерные части,
как механические волны (например, длина волны, амплитуда, частота,
д.), но ведут они себя по-разному. Звуковые волны распространяются в
воздуха со скоростью примерно 344 метра в секунду, в то время как
электромагнитные волны распространяются со скоростью света» (kicp.uchicago.edu). Эти волны распространяются со скоростью света, что делает передачу данных быстрой. Единственная проблема заключается в том, сколько данных может быть отправлено.15 МГц отлично подходит для поездок на большие расстояния, он движется настолько медленно, что не может передавать большой объем данных при передаче. В то время как подставка 2,4 ГГц колеблется с гораздо большей скоростью, она позволяет передавать больше данных. Основная проблема с радиоволнами заключается в том, что они отражаются вокруг.
Чем быстрее волны, тем легче они отражаются. Таким образом, новые волны 5,0 ГГц более склонны к беспорядку, и из-за этого они часто лучше работают только на небольших участках.
Теперь мы можем рассказать о важных качествах радиоволн и о том, как они формируют наш мир WiFi. «…разные радиочастоты ведут себя по-разному в разных средах.
радиоволны поглощаются или отражаются такими вещами, как обычные строительные материалы и растительность. Видимый свет, хоть и далеко
выше в электромагнитном спектре, хорошо демонстрирует принцип. Лист печатной бумаги пропустит немного света
насквозь, но кусок фанеры толщиной ½ дюйма полностью заблокирует его. Радиоволны ведут себя аналогичным образом. У них много
лучшее проникновение, чем видимый свет, но вы бы не стали пытаться играть в игру «Кабс», если бы работали в
банковское хранилище.
Поскольку более высокие частоты легче отражаются, они вызывают более многолучевое распространение — явление, которое
происходит, когда передаваемые сигналы отражаются от промежуточного объекта — даже от обычных капель дождя.
Отражения вызывают
разные части сигнала приходят к приемнику в разное время и не по порядку. Чем хуже многолучевость
распространение становится, тем больше сигнал начинает сливаться с уровнем шума.
» (automation.com) Проблемы с Wi-Fi сводятся к физике радиоволн. Поскольку к волнам добавляется расстояние, чем быстрее они колеблются, тем больше они подвержены тому, что называется потерей пути. В то время как с более высокими частотами мы можем для передачи больших объемов данных. Эти данные не могут перемещаться так далеко. Это баланс между объемом данных и диапазоном, который необходимо передать. В статье о радиоволнах в IEEE Transactions on Antennas and Propagation Vol. 66 “в 2.4 Можно ожидать, что GHz будет иметь больший радиус действия, чем Wi-Fi на частоте 5 GHz. И 900 МГц можно было бы ожидать даже
лучше. Установка с частотой 900 МГц будет иметь примерно на 8,5 дБ меньше потерь на пути распространения, чем аналогичная установка с частотой 2,4 ГГц. монтаж.
«Хотя мы всегда стремимся улучшить технологию, существуют физические ограничения.
С увеличением скорости происходит потеря диапазона из-за законов, связывающих электромагнитные волны.
Не бойтесь, в конце концов, мы придумали ячеистые беспроводные сети для борьбы с потерей дальности путем создания нескольких источников сигнала для эффективного покрытия области сигналом.
изображение с сайта infograph.venngage.com
изображение с сайтаassignpoint.com
Fantasy Science Pt. 27: Руководство писателя-фантаста по квантовой физике
Запутанность. Кот Шредингера. Телепортация. Слышали ли вы подобные термины, витающие в научно-фантастических разделах мира кино/телевидения? Вы когда-нибудь задумывались, насколько точно эти фильмы изображают реальную науку? Что ж, друзья, эта рубрика для вас! Fantasy Science & Coffee, стремится преодолеть разрыв между наукой и фантастикой в кино и популярной культуре. Я надеюсь объяснять вещи в увлекательной форме — как будто мы болтаем за чашкой кофе.
10 обязательных к прочтению художественных книг всех времен…
Включите JavaScript
10 художественных книг всех времен, обязательных к прочтению | Awesome Reads
Вы можете подумать: кто этот человек, почему она думает, что может объяснять науку, и почему, черт возьми , я хочу пить с ней кофе? Ну, я Радха, квантовый физик. Я очень люблю горячие напитки. я тоже заплачу.
В этой двадцать седьмой части серии, публикуемой во второй вторник каждого месяца, мы собираемся сделать что-то немного другое! Я составил Руководство для писателей-фантастов по квантовой физике для ваших писателей. Если вы пишете сценарий, ищете идею для своего следующего рассказа или просто надеетесь добавить немного квантовой привлекательности в свой роман, это руководство идеально подходит для вас! Это должно быть верхушкой айсберга, своего рода быстрой шпаргалкой, на которую вы можете взглянуть, когда захотите выучить или запомнить концепцию квантовой физики.
Он охватывает наиболее часто используемые термины в популярной культуре и не претендует на то, чтобы быть исчерпывающим руководством по всему предмету.
Цель состоит в том, чтобы позволить вам начать с фактического происхождения, чтобы экстраполировать на «правдоподобную невероятность», как это делают многие фантастические фантастические произведения, от кинематографической вселенной Marvel до «Колеса времени» и «Доктора Кто». Как однажды сказал Далай-лама: «Хорошо знай правила, чтобы эффективно их нарушать».
Включено несколько потенциально полезных квантовых явлений, как они могут быть исследованы в художественной литературе, а также некоторые вымышленные тексты, которые подсказывают вам, что ваши творческие соки текут.
Руководство удобно собрано в формате pdf, который можно загрузить, нажав здесь или на изображении ниже.
Приятного письма!
Предупреждение: это научно-популярное руководство для писателей-фантастов, а не руководство для начинающих по квантовой физике.
Квантовая физика — это физика, управляющая сверхмалым. Думайте о субатомном малом. Бросание мяча другу следует классической физике: ваш друг может легко предсказать, куда приземлится мяч, в зависимости от его траектории и скорости, с которой вы его бросили, и, скорее всего, поймает его. Если только у вашего друга ужасная зрительно-моторная координация. Но это совсем другое дело.
Если бы вы и ваш друг уменьшились до размера атома и «выбросили» электрон, история была бы совсем другой, потому что на этом уровне вступают в силу законы квантовой физики, а квантовая физика — это теория. вероятностей. Ваш друг может не «поймать» электрон, потому что будет возможность «приземления» электрона в любой точке окружающей области. Каждая точка будет иметь некоторую вероятность, связанную с ней. Возможно, что-то вроде: 2%-й шанс, что электрон приземлится там, где находится ваш друг, 5%-й шанс, что он приземлится справа от вашего друга, 3%-й шанс, что он приземлится слева от вашего друга.
И так далее. Это приводит нас к принципу неопределенности.
Поскольку квантовая физика — это теория вероятностей, в ней присутствует определенный уровень неопределенности. Существуют пары наблюдаемых (характеристик, которые вы можете измерить/наблюдать), которые имеют своего рода «компромисс» между собой и называются «несовместимыми». То, что позволяет двум наблюдаемым стать несовместимой парой, выходит за рамки этого руководства, но достаточно сказать, что если вы знаете полную информацию об одном, вы ничего не можете знать о втором: одновременное измерение обоих со 100% точностью невозможно.
Одна такая несовместимая пара наблюдаемых состоит из позиции и импульса. Вернемся к примеру с подбрасыванием электрона: если вы точно знаете, как быстро движется электрон, то вы вообще не можете знать, где находится электрон. Чем больше вы знаете о его импульсе, тем меньше вы знаете о его положении. Можно провести упрощенную аналогию с попыткой определить, где находится баскетбольный мяч, слепо бросая теннисные мячи по корту.
Когда теннисный мяч, наконец, ударит по баскетбольному мячу, ваша радость от того, что вы его нашли, будет недолгой, потому что баскетбольный мяч сдвинется с места после удара! Вы определили положение, но теперь не знаете, в каком направлении и с какой скоростью движется баскетбольный мяч.
Интерпретация в художественной литературе
Вы можете получить массу удовольствия, играя с созданием несовместимых наблюдаемых, которые могут быть как материальными, так и абстрактными. Возможно, устройство, которое временно дает кому-то дополнительную силу, также временно истощает интеллект во вселенной, где сила и интеллект несовместимы. Возможно, главный герой должен сделать мучительный выбор: найти ли свою мать в странном мире, где обнаружение точного местоположения не позволяет кому-либо физически попасть туда. Пример такого компромисса можно найти в книге Брэндона Сандерсона «9».Серия 0031 Mistborn , в которой некоторые люди обладают способностью хранить чувства, такие как зрение, в металлических кольцах.
Однако процесс сохранения чувства временно ослабляет его. Хотя магическая система не обязательно является квантовой, она в общих чертах следует законам физики.
Подсказка при записиСуперпозиция
В классическом мире мяч либо движется, либо находится в состоянии покоя, фильм либо воспроизводится, либо стоит на паузе, а кошка либо жива, либо мертва. Комбинации двух вариантов невозможны. Существуют определенные состояния, которые может принимать каждый объект. Однако квантовые частицы могут находиться в нескольких состояниях одновременно. это называется суперпозиция. Суперпозиция довольно хрупка, потому что даже небольшое возмущение в окружении частицы может нарушить ее состояние.
Фундаментальной вычислительной единицей для классических компьютеров является бит, и он может принимать только одно из двух значений, называемых «базисными состояниями»: 0 или 1. То есть все, что вы делаете на своих цифровых устройствах, можно разбить на 0 и 1 .
Квантовый бит или кубит могут находиться не только в одном из двух состояний, 0 или 1, но и в вероятностной суперпозиции этих двух состояний. Как только оно измерено, оно становится 0 или 1. Теперь под «вероятностной суперпозицией» я имею в виду, что есть определенная вероятность, связанная с тем, чтобы стать 0, и определенная вероятность, связанная с тем, чтобы стать 1 после того, как вы выполните измерение на нем, скажем , суперпозиция 50-50 или суперпозиция 60-40. Суперпозиция 50 на 50 будет означать, что все исходы равновероятны.
Любая отдельная операция над кубитом эквивалентна операции, действующей на 0 и отдельно действующей на 1. На классическом компьютере это потребовало бы двух отдельных шагов, но на квантовом компьютере это заняло бы только один — в основном, вы Получаете два по цене одной сделки!
Интерпретация в художественной литературе
Мысленный эксперимент с котом Шредингера, вероятно, чаще всего упоминается в популярной культуре как иллюстрация суперпозиции, и он работает, если бы кот был квантовой частицей — в противном случае он открывает целую банку червей.
Фильм 2013 года Когерентность включает в себя комету, которая раскрывает огромную суперпозицию множества реальностей, и персонажи обсуждают Кота Шредингера:
«В коробке есть кот, у которого шансы выжить 50/50, потому что там есть пузырек с ядом. это тоже в коробке. Итак, обычная физика сказала бы, что либо одно, либо другое. Что кошка либо жива, либо мертва. Но Брайан возразил бы, что квантовая физика утверждает, что обе реальности существуют одновременно. Только когда вы открываете коробку, они сливаются в одно событие».
Хотя это объяснение не совсем полное (пузырек на самом деле связан с радиоактивным элементом, а состояние кота в основном связано с состоянием элемента), его достаточно для научно-фантастического рассказа! (Обратите внимание, что это также связано с Интерпретацией множества миров, о которой говорилось выше.)
Квантовую суперпозицию в художественной литературе нужно исследовать не только в таком крупном масштабе, то есть как суперпозицию реальностей.
Вы можете играть с объектами или даже людьми, находящимися в суперпозиции. Возможно, чай бывает и горячим, и холодным, пока персонаж его не коснется. Или есть транспортное средство, которое является автомобилем, самолетом, лодкой и подводной лодкой, и персонаж использует циферблат, чтобы настроить вероятности так, чтобы суперпозиция шла от 25-25-25-25 автомобиля-самолета-лодки до что-то вроде: 0-100-0-0, когда ей нужно лететь. Веселый пример игры с вероятностями — печально известный «Бесконечно-невероятностный драйв» Дугласа Адамса «9».0031 Автостопом по Галактике.
Из экранизации 2005 года: «Поскольку Бесконечный Невероятностный Двигатель достигает бесконечной невероятности, он почти одновременно проходит через каждую мыслимую точку в каждой мыслимой вселенной. Другими словами, слов, вы никогда не знаете, где вы окажетесь, или даже к какому виду вы будете, когда туда доберетесь. Поэтому важно одеваться соответственно».
Приглашение к записиВолновая функция
Квантовая физика — это теория вероятностей, и вся информация о вероятностях, связанных с каждым возможным исходом, содержится в волновой функции .
Состояние квантовой частицы или квантовой системы математически описывается этой волновой функцией. Именно это придает частицам их волновую природу. В конкретной точке пространства и времени значение волновой функции говорит нам, насколько вероятно, что мы найдем там частицу.
Одним интересным квантовым явлением является квантовое туннелирование , которое невозможно в классическом контексте. Мяч в коробке остается внутри коробки, пока кто-то не удалит его физически; он не может пройти сквозь стены. Однако квантовые частицы могут проходить через энергетические барьеры, если их волновые функции выходят за пределы барьеров, то есть существует ненулевая вероятность того, что частица окажется за пределами ящика.
Интерпретация в художественной литературе
Квантовое туннелирование выглядит очень круто в научной фантастике, потому что технически оно позволяет людям проходить сквозь стены! Примерами вымышленных технологий, в которых используется туннелирование, являются фазовращающие устройства, используемые народом Толлан во вселенной Звездных врат , и костюм, который носил злодей Призрак в фильме 2018 года Человек-муравей и Оса.
Вы можете поиграть с этой концепцией, заставив персонажей вмешиваться в волновую функцию человека и, следовательно, в вероятности. Возможно, враг, который хочет помешать главному герою пройти сквозь стену объекта, может поглотить объект силовым полем, которое эффективно снизит вероятность того, что главный герой окажется внутри объекта, до нуля.
Запрос на записьЗапутанность и нелокальность
Квантовые частицы могут влиять друг на друга, если они запутаны, т. Точнее, состояние каждой частицы нельзя описать независимо. Запутанные пары частиц могут быть созданы несколькими способами, например, оба они были созданы одним и тем же источником или имеют общую историю, возможно, являясь частью одной частицы до того, как она раскололась или распалась. Во многих отношениях суперпозиция хрупка, так же как и запутанность; простая флуктуация в окружении частицы может разорвать запутанность.
Если два кубита запутаны, то они могут быть запутаны так, что при измерении они будут принимать одно и то же значение (т.
е. 00 и 11) или принимать противоположные значения при измерении (т. е. 01 и 10).
Система из двух или более частей называется нелокальной , если каждая из частей может влиять друг на друга, если они не находятся в локали друг друга. В популярной культуре нелокальность часто принимают за запутанность, но две запутанные частицы не обязательно нелокальны. Если они нелокальны, то могут быть разделены даже световыми годами и при этом мгновенно влиять друг на друга. Если они просто запутаны, их разнесение друг от друга может разрушить запутанность.
Обратите внимание, что в квантовой физике запутанность и нелокальность не всегда связаны, но в целях научной фантастики вы можете считать запутанные частицы либо нелокальными, либо нет.
Интерпретация в художественной литературе
Отличным примером запутанности является связь между Человеком-муравьем и Осой в фильме 2018 года Человек-муравей и Оса. Запутанность устанавливается по незнанию, когда Человек-муравей сжимается до квантового царства, потому что Оса уже там.
Это позволяет ей взять под контроль его разум к концу фильма.
Как бы выглядела запутанность без нелокальности ? Хорошим примером является связь человека и демона в трилогии Филипа Пуллмана «Темные начала ». В альтернативном мире человеческие души обитают вне своих тел в форме животных, называемых демонами. Людям необходимо быть рядом со своими демонами, и если их насильно развести на определенное расстояние, тогда связь разорвется, что может привести к смерти. Если человек выживает, не остается ни света, ни эмоций.
При включении запутанности и нелокальности в историю вы можете спросить себя: что вызывает запутанность в этой вселенной? Что может разорвать эту путаницу? Все ли запутанные частицы нелокальны?
Подсказки по написанию
Предположим, что души — это квантовые частицы, а родственные души — запутанные души. То, что происходит с одним, влияет на другое. Если души не местные, то то, что происходит с человеком, мгновенно влияет на его вторую половинку, даже если он находится в другом мире.
Устройство квантовой связи, работающее на больших расстояниях, может работать благодаря нелокальным запутанным частицам.
Когда кубит, скажем, измеряется, мы знаем, что он становится 0 или 1. Но мы не знаем только , как он становится одним из двух. Существует ряд интерпретаций квантовой физики, которые теоретизируют, как это происходит. Одним из них является интерпретация многих миров (MWI), в которой говорится, что достигается каждый возможный результат, каждый в своей собственной реальности. Таким образом, если вы измеряете 0 здесь, то альтернативный вы в параллельной вселенной измеряете 1. Это не самая распространенная интерпретация квантовой физики, но ряд выдающихся физиков верят в нее. Тем не менее, это, безусловно, самый привлекательный для научной фантастики! (Статью о множественных вселенных в Fantasy Science можно найти здесь.)
Интерпретация в художественной литературе
Существует множество способов творческого исследования теории множественных вселенных в художественной литературе.
Рик и Морти исследуют причудливые альтернативные реальности, где альтернативное «я» персонажа может даже не быть человеком. Фильм 2013 года Coherence исследует альтернативные реальности, которые почти идентичны. В книге Роберта Джордана «Колесо времени » говорится о том, что параллельные вселенные тем менее осязаемы для нас, чем дальше они по сходству от нашей собственной вселенной. Есть упоминания в Доктор Кто о других вселенных, которые подчиняются другим законам физики. Мстители: Финал (2019) рассказывает о случайном создании альтернативной реальности, если Камень Бесконечности удаляется из его исходной временной шкалы. То есть изменение прошлого может привести к совершенно новой временной шкале, ответвляющейся от основной. Серия фильмов «Назад в будущее » также исследует альтернативные реальности из-за измененных историй.
Приглашение к записиТелепортация
Квантовая телепортация абсолютно реальна, но, к сожалению, это не тот тип, который стал популярным благодаря Star Trek .
В квантовой физике вы можете телепортировать только квантовые состояния, а не реальные физические объекты. Но важны состояния. Например, у Алисы может быть электрон в произвольном состоянии, о котором мы не знаем, и Бобу в отдаленной лаборатории может понадобиться этот электрон. Алиса может телепортировать состояние своего электрона таким образом, чтобы состояние электрона на конце Боба изменилось на требуемое. Состояние электрона Алисы в процессе разрушается, поэтому в конце концов только у Боба оказывается важный электрон. (Статью о телепортации в Fantasy Science можно найти здесь.)
Интерпретация в художественной литературе
Изображение во вселенной Star Trek людей, по существу разбитых на крошечные частицы и отправленных в новое место, не является неточным; если бы телепортация была реальной, то для того, чтобы телепортироваться, нужно было бы телепортировать каждое состояние каждой частицы в теле человека. Состояния нужно было бы передавать по защищенному квантовому каналу, а «повторная материализация» по существу означала бы передачу состояний латентным частицам, ожидающим на принимающей стороне.
Подсказка по письмуПрименение квантовых вычислений
Когда впервые были изобретены классические компьютеры, никто не мог предсказать, для чего они будут использоваться. Точно так же, вероятно, существуют сотни применений квантовых компьютеров, о которых мы даже не задумывались. Однако у квантовых вычислений уже есть полезные возможности, которые сейчас изучают ученые. Цель состоит в том, чтобы иметь возможность делать вещи, которые классические компьютеры не могут делать очень хорошо или вообще не могут, а не заменять классические компьютеры. Давайте взглянем на некоторые из его приложений (конечно, их неисчислимо больше!).
Оптимизация
Одной из вещей, с которыми классические компьютеры не могут справиться очень хорошо, является решение крупномасштабных задач оптимизации. Если у вас есть 3 книги, то их можно расставить на полке 6 разными способами — то есть 3! (читай «три факториала») возможные схемы.
Если у вас есть 5 книг, то у вас есть 120 возможных комбинаций. Увеличьте это число до 8, и у вас будет 40 320 различных аранжировок, а если вы перейдете к 10 книгам, то у вас будет целых 3 628 800 уникальных комбинаций. Предположим, вам нужно найти единственное оптимальное расположение из множества возможностей. Если вы чем-то похожи на меня, у вас есть десятки книг дома. Вы видите проблему? Классические компьютеры, даже самые лучшие из доступных суперкомпьютеров, с трудом анализируют экспоненциально большие сценарии, подобные этому. На анализ того, что у классического компьютера могут уйти годы, у квантового компьютера уйдут считанные минуты, и есть надежда, что квантовые компьютеры помогут решить такие задачи оптимизации, как управление трафиком и финансовые портфели.
Моделирование
Квантовые компьютеры находят применение в таких областях, как химия и материаловедение, благодаря потенциальной способности моделировать то, что классические компьютеры не могут.
Например, точное моделирование молекулы требует учета каждого отдельного электрон-электронного отталкивания/притяжения. Для сложных молекул даже суперкомпьютеры испытывают затруднения, потому что каждый раз, когда вводится новый электрон, проблема становится экспоненциально большой, подобно тому, как это делается в книгах, описанных выше. Поскольку молекулы подчиняются законам квантовой физики, кажется интуитивно понятным, что вычислительная техника, основанная на этих самых законах, может точно моделировать их так, как не могут классические компьютеры. Это может привести к открытию лучших лекарств в фармацевтической промышленности и новых материалов.
Криптография
Широко используемая криптосистема RSA основана на сложности факторизации больших чисел. Однако квантовые компьютеры потенциально могут факторизовать большие числа за очень короткий промежуток времени — алгоритм для этого уже существует. Его реализация еще впереди, но квантовая криптография — это постоянно растущая область, в которой изучаются более безопасные альтернативы на тот день, когда такие системы, как RSA, можно будет легко взломать.
Интерпретация в художественной литературе
Многие писатели-фантасты сосредотачиваются на основополагающих концепциях квантовой физики, но, как видно из представленных приложений, квантовые вычисления потенциально могут придать красочный оттенок вымышленному миру. В частности, футуристические истории были бы более точными, если бы в них использовалась технология, основанная на квантовых вычислениях!
Подсказка по написанию
Самоуправляемые автомобили перемещаются на основе квантовых алгоритмов в мире, где больше нет пробок.
Новая квантовая фармацевтическая компания делает все остальные излишними из-за ускоренной разработки блестящих лекарств благодаря моделированию на квантовых компьютерах.
Каждое правительство хочет заполучить лучшего в мире хакера, который взломал системы безопасности по всей планете из-за своей склонности к квантовой криптографии.
Статьи
The Economist: появляются доказательства того, что квантовый компьютер может превзойти классический (2019 г.
))
BigThink: ученые совершили прорыв в области телепортации (2019 г.)
Science Daily: физики «телепортируют» логическую операцию между разделенными ионами (2019 г.)
ThoughtCo: понимание мысленного эксперимента «кот Шредингера» (2019 г.) Среднее по параллельным вселенным (2018)
Scientific American: насколько мы на самом деле близки к созданию квантового компьютера? (2018)
Как работают вещи: как работает квантовое самоубийство
Отчет о квантовых вычислениях: лучшие приложения для квантовых вычислений
Книги
Тегмарк. «Наша математическая вселенная: мои поиски конечной природы реальности». Пингвин. (2014)
Грин. «Скрытая реальность: параллельные вселенные и глубинные законы космоса Брайана Грина». Винтаж. (2011)
Бейсер. «Концепции современной физики (8-е издание)». McGraw-Hill Наука/Инженерия/Математика. (2002)
Чуанг и М. Нильсон. «Квантовые вычисления и квантовая информация». Издательство Кембриджского университета.