Самые частые мифы о квантовой механике и нанотехнологиях

В помощь научным фантастам, чтобы не повторяли ошибки предшественников.  Идеи не мои, а взяты по большей части у разных авторов в той или иной стадии написания. Никого тапком не бью, просто просвещаю. ))

Квантовая запутанность (она же квантовое сцепление)

Это несчастное явление пинали довольно много фантастов, надеясь получить из него возможность передачи информации быстрее скорости света. У некоторых все скромно – это канал связи на другую планету. У кого-то вообще разрослось до телепортации предметов и людей. А некоторые мечтают подобным образом посмотреть прошлое. В представлении всех выше перечисленных, две запутанные квантовые частицы это как телефон на веревочке. Подергал атом здесь, а аукнулось там. Причем аукнулось именно так, как тебе вздумалось подергать. 

Так в чем проблема? В чем принцип запутанности? Вы имеете две запутанные частицы. Допустим два фотона, или атома, или нейтрона. И у этого фотона можно померить поларизацию. Сложное слово, знаю, но представьте себе просто рулетку. У меня две рулетки, и на каждой можно кинуть шарик (померить), и неизвестно куда этот шарик упадет. Но поскольку мои две рулетки запутанные, то как только шарик упадет на моей первой рулетке, я сразу с точностью могу сказать, куда он упадет на второй – а именно ровно на противоположной стороне. 

Но при этом сделать так, чтобы шарик у первой рулетки упал на 32ое место, у вас не получится. Шарик упадет куда-нибудь. А на второй рулетке ровно напротив. Тем самым никакую информацию передать подобным способом нельзя. Даже если учесть, что закрутив первую рулетку, вы автоматически закручиваете вторую, как бы далеко вторая не была. 

Данного факта уже достаточно, чтобы опровергнуть миф про сверхсветовую коммуникацию. Но добавим еще пару вещей. 

Во-первых, данное действие одноразовое. После одного запуска рулетки, связь между двумя частицами теряется. Так что использовать одну чудом унесенную с Земли пару по 25 раз точно не выйдет.

Во-вторых, запутать можно только очень ограниченное число частиц. Мифы о запутанных людях, местах и кошках все от лукавого. Чтобы запутать частицы надо пропустить их вместе через черный туннель, так, чтобы вы не могли сказать точно, кто есть кто, когда они вдвоем из этого туннеля выйдут. А где вы видели настолько одинаковых кошек, которых вы вообще (даже после вскрытия) не смогли бы как-то отличить друг от друга. 

Квантовая телепортация

Продолжение мифа о квантовой запутанности. Есть такой научный термин – квантовая телепортация. Однако почему-то, услышав его где-то, люди радостно начинают фантазировать на тему капсул, где человека телепортируют из одного места в другое. Телепортация же. 

Так что такое реальная квантовая телепортация. Это когда у вас есть две частицы. А и Б. Так же у вас есть друг Вася на луне, которому вы можете позвонить по самому обыкновенному телефону со всеми задержками. При желании Вася может быть и на Альдебаране, но до туда звонить придется так же – не быстрее скорости света. Вы хотите передать всю информацию записанную на частице А Васе. Что мы делаем. Прежде, чем Вася уезжает на луну, вы заранее запутываете ваши частицы Б и В. На луну Вася берет с собой частицу Б, а у вас остаются частицы А и В. Опустим детали, но используя эти три частицы и вашу связь по телефону, вы теперь можете полностью передать состояние частицы А частице Б. 

Как визуальный пример. У вас есть частицы, которые меняют цвет. И вы хотите передать Васе какого прекрасного фиолетового цвета ваша частица А. До телепортация А будет фиолетовой, а Б будет просто белой (пустышка). После телепортации, А станет белой, а Б станет именно того фиолетового оттенка, каким до этого была А. 

Повторю – без телефона с этой передачей никак, так что быстрее скорости света не получится. Кроме того, никакая материя при этом не телепортируется. Только информация.  Так что телепортация людей быстрее скорости света это не про это. 

Нанонити или нанотрубки

Этот миф есть даже у великого Лю Цысиня, автора цикла «Задача трех тел». Есть такой миф, что можно создать супер тонкие нанонити (некоторые более реалистично говорят о уже существующих нанотрубках) которые будут такими прочными, что будут резать все, что им попадется словно масло. Удобно! Повесили вы нанонить между двумя деревьями, где часто гуляет ваш злейший враг. Нанонить он естественно не увидит, она слишком тонкая. Идет, натыкается на нить, и все, врага разрезало пополам. Ровненько так, прям хирургический срез. 

В чем проблема? Да в том, что нити конечно прочные, но ничего резать не будут. Их прочность заключается скорее в термоустойчивости. А так они примерно такие же прочные, как и ваши волосы. Повесить на них можно в теории хоть слона, но если их рвать поперек оси, то порвутся как миленькие. 

К тому же, на данный момент нанотрубка выращенная размером больше пары сотни микронов это большая редкость. Выращивают их на кремнии, и если их оставить без подложки, в подвешенном состоянии, то размерность становится еще меньше. Можете не мечтать о трубке в пару метров, таких просто не бывает. 

Материя и анти-материя

Еще есть такая замечательная теория, что если взять совсем чуть-чуть материи и анти-материи, то уже все взорвется. Хватит одного электрона и позитрона. Все же знают, что эти две сущности превращаются в огромные клубы энергии, которая разнесет все на своем пути. 

Боюсь, я вас разочарую. Для того, чтобы что-то внятно взорвалось, необходимо иметь гораздо больше частиц, чем всего пару. А сколько? Ну давайте, посчитаем.

Всем наверняка известна великая формула Энштейна, что Е = mc­2 

В этой формуле Е – ваша полученная энергия, м – масса вашей материи, с – скорость света (3е8 метров в секунду). 

Один электрон весит 9е-31 килограм, а электрон и позитрон вместе 18е-31 килограм. Умножаем это на скорость света в квадрате, получаем 1.62е-13 джоулей. В качестве сравнения, чтобы зажечь лампочку на секунду, вам нужно 60 джоулей, а палка динамита вам даст 1 мегаджоуль, то есть 1 000 000 джоулей. Понимаем, насколько мелкая энергия вам досталась?

Чтобы получить взрыв как у одной палки динамита, вам нужно соответственно использовать 10.000.000.000.000.000.000 (1е19) пар электронов-позитронов. Но не расстраиваемся. Можно забить на пары, и просто посчитать вес. Для той же палки динамита, вам понадобится всего 18е-12 килограм, что можно обозвать нанограммами. 

Нанороботы (они же наниты и наноботы)

Есть такая мысль в народе, что можно создать маленьких роботов, которые будут бегать по всему телу человека и чинить его в разных местах. Убивать вирусов, бороться с раковыми клетками, давать человеку суперсилы. В голливудском фильме «Кингсмен. Золотое кольцо.» даже утверждали, что подобными роботами можно спасти человека, только что получившего пулю в глаз.

Проблема с этой идей – размер. Если вы называете вашего робота нанороботом, то по логике вещей его максимальный размер 100 нанометров, то есть 100е-9 метров. А самый маленький бит, которой мы можем себе позволить для программирования, это атом. Меньше никак. Размер атома примерно  1 Ангстрем, что равняется 1е-10. То есть даже если мы берем кубические 100 нанометров, в них влезет максимально (не учитывая расстояние между атомами) то в нашем роботе будут 1е9 атомов. Конечно, если все это потратить на биты, то получится 125 мегабайтов. Что не так уж и мало, если вспомнить старые компьютеры и их оперативную память. Однако у бедного бота должна же еще быть и оболочка, и наверное какой-нибудь хардвер для уничтожения этих раковых клеток. 

Мало того, на данный момент использование атома как компьютерный бит возможно только при очень низких температурах, вроде -270 по Цельсию (3-4 Кельвина). Почему? Да, потому что как только повышается температура, у вашего атома появляется какая-то энергия из окружения, и он начинает дрожать как осиновый лист.  После чего заставить его быть нулем или единицей довольно проблематично. А изолировать систему от окружения, при размерности в 100 нанометров, нереально. 

Ваш робот больше размером? Скажем с клетку или пару клеток? Спешу вас обрадовать, у вас есть шансы, но робот будет размеров в несколько сот микронов (1е-6). То есть называть его надо не нанороботом, а микророботом. Для особо продвинутых, можно назвать его мезороботом, в честь отдела по физики «мезоскопическая физика» которая покрывает все между 1 миллиметром и 10 нанометрами. 

В качестве еще одного реалистичного примера - есть вполне себе работы для использования ДНК и вирусов для нападения на разную заразу и раковые клетки. Но это не запрограммированные роботы, это куски ДНК с определенным генетическим кодом. Никаких кубитов-битов в них нет. 

Если вы знаете еще какие-нибудь мифы, пишете в комментариях, я добавлю. А если вы прочли все это и в ужасе посмотрели на свой текст с мыслью "а как же все это починить, чтобы матчасть не хромала", я с радостью помогу всем несчастным. Консультации абсолютно бесплатные, исключительно во имя поддержки авторов, ценящих матчасть. 

А кому хочется пописать комменты на тему "а вы точно физик?", я могу выдать страницу Википедии, где цитируются мои статьи на тему черного фосфора. Уверяю вас, я действительно физик.