Квантовая физика. Понятным языком

– какие силы между ними действуют,

– можно ли их отличить друг от друга.

Электрический заряд: основа взаимодействий

Электрический заряд – это свойство частицы, которое определяет, как она взаимодействует с электромагнитным полем.

– Протон: +1

– Электрон: —1

– Нейтрон: 0

Законы просты:

– Противоположные заряды притягиваются.

– Одинаковые – отталкиваются.

Электрический заряд сохраняется: он никогда не исчезает и не создаётся из ничего (по крайней мере, в известных процессах).

Масса: не просто вес

Масса – это мера инерции: насколько «тяжело» изменить движение частицы.

Интересно, что масса в квантовом мире может быть неочевидным понятием:

– Фотоны, например, не имеют массы, но переносят энергию.

– Масса частиц, по современным теориям, появляется через взаимодействие с поля Хиггса.

То есть:

Масса – это не что-то «вшитое» в частицу, а результат её взаимодействия с полем.

Спин: квантовое вращение без вращения

Спин – одно из самых загадочных свойств квантовых частиц. Он похож на вращение вокруг собственной оси, но…

частицы не вращаются в привычном смысле слова.

Это внутреннее квантовое свойство, которое:

– влияет на магнитные свойства,

– определяет, можно ли отличить одну частицу от другой,

– играет ключевую роль в построении атомов.

Например:

– Электрон имеет спин 1/2.

– Фотон – спин 1.

– Частицы с целым спином (0, 1, 2, …) называются бозонами.

– Частицы с полуцелым спином (1/2, 3/2…) – фермионами.

Фермионы подчиняются принципу Паули (не могут занимать одно и то же квантовое состояние).

Бозоны могут, наоборот, «сливаться» в одно состояние (что делает возможным лазеры и сверхпроводимость).

Магнитный момент: микроскопы и МРТ

Из-за спина и заряда, электроны действуют как маленькие магниты. Это называется магнитный момент.

На нём основана работа:

– магнитно-резонансной томографии (МРТ),

– спиновой электроники (спинтроники),

– и многих квантовых технологий.

Спин-магнетизм – это причина, по которой железо магнитится