Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов - Чад Орцель

они разделили Нобелевскую премию за это достижение. Их ускоритель, вместе с ускорителем Ван де Граафа[255] и циклотроном, разработанным американскими физиками Робертом Ван де Граафом и Эрнестом Лоуренсом[256], были созданы примерно в одно время и запустили новую эру в экспериментальной ядерной физике, ведущую к созданию еще больших ускорителей частиц, они позволят открыть физику Стандартной модели.

Примерно в то же время в Европе Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открыли «искусственную радиоактивность». Жолио-Кюри был крайне близок к открытию нейтрона. Они получили свидетельство существования нейтрона, но не осознали, что означали их результаты, позволив другому коллеге Резерфорда, Джеймсу Чедвику, выполнить ряд экспериментов, идентифицировавших их новую частицу. Но при изучении поведения нейтронов ученые обнаружили, что ранее инертные элементы, если их облучить нейтронами, иногда становятся радиоактивными. В течение нескольких лет физики смогли создать все виды радиоактивных элементов, которые нельзя встретить в природе. В 1935 году Жолио-Кюри получили Нобелевскую премию.

Процесс поглощения нейтрона, открытый Жолио-Кюри, не тот же, что механизм туннелинга, описанный Гамовым и использовавшийся Коккрофтом и Уолтоном: нейтроны не имеют заряда, так что им не надо туннелировать в ядро таким же способом. Однако это возвращает нас к тому месту, откуда мы стартовали, от работы современного детектора дыма. Америций-241, используемый как источник ионизации в типовом детекторе дыма, – искусственный, сделанный из атомов плутония, которые впитали нейтроны из атомного реактора. Период полураспада америция чуть больше четырехсот лет, что делает его идеальным для детекторов дыма: они будут продолжать ионизировать молекулы воздуха гораздо дольше, чем простоит большинство из домов, которые они охраняют.

Радиоактивный распад искусственно созданных элементов считается существенной составляющей для такого направления, как медицина видеоизображений. Радиологи могут получать данные о функционировании различных органов, вводя радиоактивные изотопы с коротким периодом полураспада и отслеживая их продвижение через тело, при этом датчики радиации помещаются снаружи. Например, радиоактивный технеций, добавленный в пищу, используется для того, чтобы проследить, насколько быстро материал движется через пищеварительную систему. Специальные элементы могут быть использованы также для тестирования отдельных органов: щитовидная железа использует много йода, поэтому радиоактивные изотопы йода, введенные в тело, стремятся концентрироваться в ней, позволяя врачам убедиться, что щитовидная железа нормально функционирует, и получить ее изображения с помощью детекторов гамма-излучения.

Искусственная радиоактивность помогает не только обнаруживать заболевания, но и лечить их. Медицинские работники с физическим образованием лечат рак, имплантируя «семена», содержащие искусственные элементы, излучающие бета- или альфа-частицы, чтобы убить раковые клетки. В зависимости от типа и расположения опухоли физики могут выбирать из широкого спектра изотопов, чтобы найти такие, чей период полураспада и энергии распада причинят максимальный вред опухоли, в то же время минимально повредят здоровым клеткам.

Квантовый туннелинг также находит множественные применения в лабораторных условиях, и они лежат далеко за пределами обычной жизни. Одно из наиболее впечатляющих применений – сканирующий туннельный микроскоп, изобретенный в 1981 году Гердом Биннингом[257] и Генрихом Рорером[258]. Микроскоп использует слабый ток для туннелинга между тонким металлическим острием и поверхностью для измерения расстояний между иглой и поверхностью, которые меньше чем высота отдельного атома. Это позволяет физикам делать карты структуры материала атом за атомом и даже строить структуры в атомных масштабах, передвигая их по поверхности, чтобы создавать интересные картинки[259].

Может показаться неожиданным, что эти явления также используются в чем-то совершенно обычном, типа детектора дыма. Если это и сюрприз, то, надеюсь, приятный – экзотическая физика поставлена на защиту жизней и собственности. В следующий раз, когда детектор дыма предупредит вас о пригоревшей еде до того, как это станет серьезной угрозой, или даже просто о том, что вы поджариваете хлеб в тостере неприемлемым способом, часть благодарности (или проклятий) будут отнесены к пронырливым альфа-частицам, которые выскакивают через туннели из нестабильных ядер.

Глава 11

Шифрование: Окончательная блистательная ошибка

Моя почта, в основном, приходит от студентов, которым нужно помочь с домашними заданиями, плюс пара чеков и уведомлений о покупках через Интернет.

Время, когда концепция торговли через Интернет казалась экзотической, было всего лет двадцать назад, а сейчас покупка вещей онлайн стала настолько привычным делом, что почтенные сети магазинов были сильно потеснены и даже поставлены на грань банкротства ростом продавцов розницы через Интернет. Вы можете купить практически все через Интернет в наши дни, и для некоторых людей даже короткая пробежка из дома за молоком заменена кликом в веббраузере службы доставки овощей онлайн.

Конечно, электронная коммерция была бы немыслимой без способности шифровать сообщения, позволяющей кленту послать информацию о кредитной карточке продавцу, не беспокоясь, что ее узнает весь мир. Большие суммы денег были потрачены на технологии, обеспечивающие безопасность коммерческих транзакций через Интернет, и развитие успешных методов обмена финансовой информацией во многом ответственно за взрывной рост онлайн-магазинов.

Это может показаться странной темой для книги по квантовой физике, поскольку в настоящий момент безопасность онлайн-транзакций гарантируется чисто классическими средствами. По мере завершения нашего исследования физики повседневной реальности мы сделаем один короткий экскурс в умозрительную область. Квантовая криптография, которую я опишу в этой главе, широко не применяется… еще.

Однако эти технологии весьма реальны и становятся все более практическими с каждым днем. Осенью 2017 года исследователи из Пекина и Вены продемонстрировали основанную на квантовых эффектах защищенную линию коммуникаций через китайский спутник, открыв исследовательскую конференцию телефонным звонком, который был защищен квантовым ключом, между Китаем и Австрией. Широкое распространение глобальных квантовых коммуникаций не за горами, несмотря на тот факт, что они имеют свои корни в некоторых наиболее экзотических физических явлениях, которые когда-либо были открыты.

Квантовая криптография основана на идее «запутанности[260]», возможно, одной из наиболее будоражащих из всех странных свойств квантовой механики. Квантовая запутанность устанавливает связь между частицами на больших расстояниях, эту мысль Эйнштейн лихо высмеял как «жуткое дальнодействие». Однако многочисленные эксперименты с 1970-х годов продемонстрировали реальность этих явлений, заставив физиков глубже понимать пространство, время и передачу информации.

На первый взгляд, вопросы, которые поднимает запутанность, могут показаться, в первую очередь, философскими, но в действительности они имеют глубоко практические применения. Если мы пытаемся передать послание от одного человека к другому так, чтобы никто, кроме них, не смог прочитать его, то эта «жуткая» связь между запутанными частицами оказывается как раз тем, что нужно.

Секрет как хранить секреты

Основная проблема криптографии существовала, наверное, со времен изобретения письменности. Самый очевидный способ сохранить секреты – поделиться информацией с глазу на глаз, но личные встречи не всегда можно