Квант — минимально неделимая порция физической величины (энергии, импульса, углового момента, электрического заряда и др.), передаваемая в акте излучения, поглощения или взаимодействия; в квантовой теории — элементарное возбуждение соответствующего поля (например, фотон — квант электромагнитного поля) ⚛️.
Понятие возникло из работ М. Планка (1900) о дискретном обмене энергией излучения, а затем было расширено А. Эйнштейном (квант света — фотон) и в формализме квантовой механики и квантовой теории поля. В современном понимании квант — это не просто «кусочек энергии», а квантованное возбуждение с определёнными квантовыми числами, статистикой, симметриями и динамикой. Энергия кванта электромагнитного поля пропорциональна частоте: E = hν (постоянная Планка h, редуцированная ħ = h/2π).
Квантовая природа проявляется в фотоэффекте 🔦, линиях спектров, сверхпроводимости, лазерной генерации, шуме выстрелов в фотодетекторах, квантовом Холловском эффекте и в стабильных состояниях атомов. Кванты излучаются и поглощаются целиком — деление одного кванта на «половинки» в акте взаимодействия невозможно, хотя допускаются процессы рождения-уничтожения множества квантов.
Кванты различных полей и квазичастицы
| Поле / среда | Квант | Носимая величина | Соотношение/свойство | Статистика | Пример явления | Эмодзи |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Электромагнитное поле | Фотон | Энергия, импульс, спин 1 | E = hν, p = ħk | Бозе | Фотоэффект, лазер | 🔦 |
| Колебания кристаллической решётки | Фонон | Квазичастица упругих волн | Дискретные ветви ω(k) | Бозе | Теплоёмкость, теплопроводность | 🧊 |
| Спиновая упорядоченность | Магнон | Квант спиновой волны | ΔS = ħ | Бозе | Ферромагнетизм, спинтроника | 🧲 |
| Плазменные колебания | Плазмон | Коллективный зарядовый отклик | Плазменная частота ωp | Бозе | Нанофотоника, металлоптики | ✨ |
| Квантовое электронное поле | Электрон | Заряд −e, спин 1/2 | Антисимметрия волновой функции | Ферми | Зоны проводимости, вырождение | 🔌 |
| Поле сильного взаимодействия | Глюон | Цветной заряд, спин 1 | Ненаблюдаемы свободно | Бозе | Конфаймент в адронах | 🧬 |
| Свет в среде (связан с фононом/экситоном) | Поляритон | Смешанное возбуждение | Гибридные дисперсии | Бозе | Микрорезонаторы, БЭК поляритонов | 💡 |
| Гравитационное поле (гипотет.) | Гравитон | Спин 2, энергия переносится волной | Квант ОТО не подтверждён | Бозе | Квантовая гравитация | 🌌 |
Ключевые свойства и формализм
- Дискретность спектров: энергия связанных систем квантована (уровни En), переходы сопровождаются излучением/поглощением целых квантов соответствующей частоты ν.
- Корпускулярно-волновой дуализм: каждому кванту соответствует волновой вектор k и частота ω, связанные с импульсом и энергией: p = ħk, E = ħω.
- Неопределённости и некоммутативность: величины, соответствующие некомутациям операторов, не могут быть заданы одновременно произвольно точно; это ограничивает определение параметров кванта.
- Статистика: бозоны (индентичные кванты со спином 0,1,2,…) склонны к макрозаполнению состояний (лазеры, БЭК), фермионы (спин 1/2, 3/2,…) подчиняются принципу Паули.
- Рождение и уничтожение: в квантовой теории поля кванты описываются операторами a†, a; число частиц меняется при взаимодействиях.
Исторически квант вводился как гипотеза квантуемости энергии излучения полости; теперь же он понимается как универсальная характеристика любых квантованных степеней свободы, включая квазичастицы в конденсированных средах. Современная формулировка: квант — это элементарный «пакет» возбуждения поля, определяемый симметриями и спектром Гамильтониана.
Откуда берётся квантование
- Граничные условия и компактификация: стоячие волны в резонаторах, орбитальная квантование в атомах.
- Каноническая квантизация: замена наблюдаемых на операторы с коммутаторами [x,p] = iħ.
- Пути интегрирования и фаза: условие однозначности волновой функции (квантование потока, вихревые кванты в сверхтекучести).
Обнаружение и измерение
- Подсчёт единичных квантов: сверхчувствительные фотодетекторы, лавинные диоды, ионизационные камеры 🎯.
- Спектроскопия: измерение линий, расщеплений и ширин, позволяющих восстановить квантовые числа и взаимодействия.
- Интерференция и корреляции: эксперименты Ханбери Брауна — Твисса, двухщелевой опыт, g(2)(τ) для диагностики одиночных фотонов.
- Квантовые шумы: спектр выстрелов, нулевая точка, сквизинг для проверки статистики бозонных квантов.
Квантовые числа (n, l, m, s и др.) метят состояние кванта или многочастичной системы; законы сохранения (энергии, импульса, заряда, изоспина) накладывают ограничения на возможные переходы и сечения процессов. Выраженной характеристикой кванта является его дисперсия ω(k), определяющая групповую скорость и кинематику.
В классике дискретность может быть «технологической» (например, пакетная передача данных), но в квантовой физике дискретность фундаментальна и обусловлена структурой пространства состояний и коммутаторной алгеброй. Кванты «объясняют» устойчивость атомов, наличие химических связей, свойства твёрдых тел, предельные шумы измерений и возможности квантовых технологий 🛰️.
