Електрон - фундаментальна частинка, одна з тих, що є структурними одиницями речовини. За класифікацією є фермионом (частинка з напівцілим спіном, названа на честь фізика Е. Фермі) і лептоном (частинки з напівцілим спіном, не беруть участь у сильній взаємодії, одному з чотирьох основних у фізиці). Барионное число електрона дорівнює нулю, як і інших лептонів. До недавнього часу вважалося, що електрон – елементарна, тобто неподільна, не має структури частинка, однак зараз учені іншої думки. З чого складається електрон за поданням сучасних фізиків?

Історія назви

Ще в Стародавній Греції дослідники помітили, що бурштин, попередньо натертий шерстю, притягує до себе дрібні предмети, тобто проявляє електромагнітні властивості. Свою назву електрон отримав від грецького ????????, що і означає "янтар". Термін запропонував Дж. Стоуні в 1894 році, хоча сама частка була відкрита Дж. Томпсоном у 1897 році. Виявити її було складно, причиною цього є мала маса, і заряд електрона став в досвіді по знаходженню вирішальним. Перші знімки частинки отримав Чарльз Вільсон з допомогою спеціальної камери, яка застосовується навіть у сучасних експериментах і названа в його честь. Цікавий факт, що однією з передумов до відкриття електрона є вислів Бенджаміна Франкліна. У 1749 році він розробив гіпотезу, згідно з якою, електрика – це матеріальна субстанція. Саме в його роботах були вперше застосовані такі терміни, як позитивний і негативний заряди, конденсатор, розряд, батарея і частка електрики. Питомий заряд електрона прийнято вважати негативним, а протона – позитивним.

Відкриття електрона

У 1846 році поняття «атом електрики» став використовувати в своїх роботах німецький фізик Вільгельм Вебер. Майкл Фарадей відкрив термін «іон», який зараз, мабуть, знають все ще зі шкільної лави. Питанням природи електрики займалися багато імениті вчені, такі як німецький фізик і математик Юліус Плюккер, Жан Перрен, англійський фізик Вільям Крукс, Ернст Резерфорд та інші. Таким чином, перш ніж Джозеф Томпсон успішно завершив свій знаменитий досвід і довів існування частинки меншої, ніж атом, в цій сфері працювало безліч вчених, відкриття було б неможливо, не здійсни вони цієї колосальної роботи. У 1906 році Джозеф Томпсон отримав Нобелівську премію. Досвід полягав в наступному: крізь паралельні металеві пластини, які створювали електричне поле, пропускалися пучки катодних променів. Потім вони повинні були пройти такий же шлях, але вже через систему котушок, створювали магнітне поле. Томпсон виявив, що при дії електричного поля промені відхилялися, і те ж саме спостерігалося при магнітному впливі, однак пучки катодних променів не змінювали траєкторії, якщо на них діяли обидва ці поля в певних співвідношеннях, які залежали від швидкості частинок. Після розрахунків Томпсон дізнався, що швидкість цих частинок істотно нижче швидкості світла, а це означало, що вони володіють масою. З цього моменту фізики стали вважати, що відкриті частинки матерії входять до складу атома, що згодом і підтвердилося досвідами Резерфорда. Він назвав її «планетарна модель атома».

Парадокси квантового світу

Питання про те, з чого складається електрон, досить складний, принаймні, на даному етапі розвитку науки. Перш ніж розглядати його, потрібно звернутися до одного з парадоксів квантової фізики, які навіть самі вчені не можуть пояснити. Це знаменитий експеримент з двома щілинами, що пояснює двоїсту природу електрона. Його суть в тому, що перед «гарматою», що стріляє частками, встановлена рамка з вертикальним прямокутним отвором. Позаду неї є стіна, на якій і будуть спостерігатися сліди від влучень. Отже, для початку потрібно розібратися, як веде себе матерія. Найпростіше уявити, як запускаються машиною тенісні м'ячики. Частина кульок потрапляє в отвір, і сліди від влучень на стіні складаються в одну вертикальну смугу. Якщо на деякій відстані додати ще одне таке ж отвір, сліди будуть утворювати, відповідно, дві смуги. Хвилі ж у такій ситуації ведуть себе по-іншому. Якщо на стіні будуть відображатися сліди від зіткнення з хвилею, то у випадку з одним отвором смуга теж буде одна. Проте все змінюється у випадку з двома щілинами. Хвиля, проходячи через отвори, ділиться навпіл. Якщо вершина однієї з хвиль зустрічається з нижньою частиною іншої, вони гасять один одного, і на стіні з'явиться інтерференційна картина (кілька вертикальних смуг). Місця на перетині хвиль залишать слід, а місця, де відбулося взаємне гасіння, немає.

Дивовижне відкриття

За допомогою вищеописаного експерименту вчені можуть наочно продемонструвати світу відмінність між квантової і класичної фізикою. Коли вони стали обстрілювати стіну електронами, на ній проявлявся звичайний вертикальний слід: деякі частинки, точно так само як тенісні м'ячики, потрапляли в щілину, а деякі ні. Але все змінилося, коли виникло друге отвір. На стіні проявилася інтерференційна картина! Спочатку фізики вирішили, що електрони інтерферують між собою, і вирішили пускати їх по одному. Проте вже через кілька годин (швидкість рухомих електронів все ж набагато нижче швидкості світла) знову стала проявлятися інтерференційна картина.

Несподіваний поворот

Електрон, разом з деякими іншими частинками, такими як фотони, проявляє корпускулярно-хвильовий дуалізм (також застосовується термін "квантово-хвильовий дуалізм"). Подібно кота Шредінгера, який одночасно і живий, і мертвий, стан електрона може бути як корпускулярним, так і хвильовим. Однак наступний крок у цьому експерименті породив ще більше загадок: фундаментальна частинка, про яку, здавалося, відомо все, піднесла неймовірний сюрприз. Фізики вирішили встановити біля отворів наглядова пристрій, щоб зафіксувати, через яку щілину проходять частинки, і яким чином вони виявляють себе як хвилі. Але як тільки було поставлено наглядовий механізм, на стіні з'явилися лише дві смуги, що відповідають двом отворів, і ніякої інтерференційної картини! Як тільки «стеження» прибирали, частка знову починала проявляти хвильові властивості, ніби знала, що за нею ніхто не спостерігає.

Ще одна теорія

Фізик Борн припустив, що частка не перетворюється в хвилю в прямому сенсі слова. Електрон містить у собі хвилю ймовірно, саме вона дає інтерференційну картину. Ці частки володіють властивістю суперпозиції, тобто можуть перебувати в будь-якому місці з певною часткою ймовірності, тому їх і може супроводжувати подібна «хвиля». Тим не менш, результат очевидний: сам факт наявності спостерігача впливає на результат експерименту. Здається неймовірним, але це не єдиний приклад такого роду. Фізики проводили досліди і на більш великих частинах матерії, одного разу об'єктом став тоненький шматок алюмінієвої фольги. Вчені відзначили, що один лише факт деяких вимірювань впливав на температуру предмета. Природу подібних явищ вони пояснити поки ще не в силах.

Структура

Але з чого складається електрон? На даний момент сучасна наука не може дати відповідь на це питання. До недавнього часу він вважався неподільної фундаментальною частинкою, зараз же вчені схиляються до того, що він складається з ще більш дрібних структур. Питомий заряд електрона також вважався елементарним, але тепер відкриті кварки, які мають дробовий заряд. Існує декілька теорій щодо того, з чого складається електрон. Сьогодні можна побачити статті, в яких заявляється, що вченим вдалося розділити електрон. Однак це вірно лише частково.

Нові експерименти

Радянські вчені ще у вісімдесятих роках минулого століття припустили, що електрон можливо буде розділити на три квазічастинки. У 1996 році вдалося розділити його на спинон і холон, а нещодавно фізиком Ван ден Бринком і його командою частка була розділена на спинон і орбитон. Однак розщеплення вдається домогтися тільки в спеціальних умовах. Експеримент може проводитися в умовах вкрай низьких температур. Коли електрони «остигають» до абсолютного нуля, а це близько -275 градусів за Цельсієм, вони практично зупиняються і утворюють між собою щось зразок матерії, ніби зливаючись в одну частинку. В таких умовах фізикам і вдається спостерігати квазічастинки, з яких складається» електрон".

Переносники інформації

Радіус електрона дуже малий, він дорівнює 281794 . 10 -13 см, однак виходить, що його складові мають набагато менший розмір. Кожна з трьох частин, на які вдалося «розділити» електрон, що несе в собі інформацію про нього. Орбитон, як випливає з назви, містить дані про орбітальної хвилі частинки. Спинон відповідає за спин електрона, а холон повідомляє нам про заряді. Таким чином, фізики можуть спостерігати окремо різні стани електронів у сильно охолодженому речовині. Їм вдалося простежити пари «холон-спинон» і «спинон-орбитон», але не всю трійку разом.

Нові технології

Фізикам, який відкрив електрон, довелося чекати кілька десятків років до тих пір, поки їх відкриття було застосовано на практиці. У наш час технології знаходять використання вже через кілька років, досить згадати графен – дивовижний матеріал, що складається з атомів вуглецю в один шар. Чим буде корисно розщеплення електрона? Вчені пророкують створення квантового комп'ютера, швидкість якого, на їх думку, в кілька десятків разів більше, ніж у найпотужніших сучасних ЕОМ. У чому таємниця квантової комп'ютерної технології? Це можна назвати простою оптимізацією. У звичному комп'ютері мінімальна, неподільна частина інформації – це біт. І якщо ми вважаємо дані чимось візуальним, то для машини варіанти тільки два. Біт може містити або нуль або одиницю, тобто частини двійкового коду.

Новий метод

Тепер давайте уявимо, що в біті міститься і нуль і одиниця – це «квантовий біт», або «кьюбит». Роль простих змінних буде грати спін електрона (він може обертатися або за годинниковою стрілкою, або проти). На відміну від простого біта, кьюбит може виконувати одночасно кілька функцій, за рахунок цього і буде відбуватися збільшення швидкості роботи, мала маса і заряд електрона тут не мають значення. Пояснити це можна на прикладі з лабіринтом. Щоб вибратися з нього, треба перепробувати безліч різних варіантів, із яких правильним буде тільки один. Традиційний комп'ютер нехай і вирішує завдання швидко, але все ж в один момент часу може працювати тільки над однією-єдиною проблемою. Він перебере по одному всі варіанти шляхів, і в підсумку знаходить вихід. Квантовий комп'ютер, завдяки подвійності кьюбита, може вирішувати безліч завдань одночасно. Він перегляне всі можливі варіанти не по черзі, а єдиний момент часу, і теж вирішить завдання. Трудність поки полягає тільки в тому, щоб змусити безліч квантів працювати над одним завданням – це і буде основою комп'ютера нового покоління.

Застосування

Більшість людей користується комп'ютером на побутовому рівні. З цим чудово справляються і звичайні ПК, однак щоб прогнозувати події, що залежать від тисяч, а може й сотень тисяч змінних, машина повинна бути просто величезна. Квантовий комп'ютер легко впорається з такими речами, як прогнозування погоди на місяць, обробка даних по стихійним лихам та їх прогноз, а також буде здійснювати складні математичні обчислення з багатьма змінними за частку секунди, і все це з процесором величиною в декілька атомів. Так що можливо, вже дуже скоро наші найпотужніші комп'ютери будуть завтовшки з аркуш паперу.

Збереження здоров'я

Квантові комп'ютерні технології внесуть величезний внесок у медицину. Людство отримає можливість створювати наномеханизми з потужним потенціалом, з їх допомогою можна буде не тільки діагностувати хвороби, просто подивившись на весь організм зсередини, але і надавати медичну допомогу без хірургічного втручання: дрібні роботи з «мізками» відмінного комп'ютера зможуть виконувати всі операції. Революція неминуча, і в сфері комп'ютерних ігор. Потужні машини, здатні миттєво вирішувати завдання, зможуть відтворювати ігри з неймовірно реалістичною графікою, не за горами вже і комп'ютерні світи з повним зануренням.