Квантовые эффекты ограничиваются не только атомными масштабами. Есть несколько примеров макроскопического квантового поведения. Квантовая физика описывает материю и энергию как квантовые волновые функции, которые иногда действуют как волны, а иногда как частицы, но на самом деле представляют собой более сложные сущности, чем просто волны или частицы. На самом деле каждый объект во Вселенной (от атомов до звезд) работает согласно квантовой физике. Во многих ситуациях, например, при броске бейсбольного мяча, квантовая физика приводит к тому же результату, что и классическая физика. В таких ситуациях мы используем классическую физику вместо квантовой физики, потому что математика проще, а принципы более интуитивно понятны. Законы квантовой физики все еще действуют в бейсбольном мяче, брошенном через поле, но их действие неочевидно, поэтому мы говорим, что система неквантовая. Ситуация описывается как квантовая, когда ее квантовое поведение становится очевидным, хотя на самом деле оно всегда квантовое. Таким образом, «квантовый эффект» - это эффект, который не предсказывается должным образом классической физикой, но правильно предсказывается квантовой теорией. Классическая физика описывает материю как состоящую из маленьких твердых частиц. Поэтому всякий раз, когда мы заставляем части материи действовать как волны, мы демонстрируем квантовый эффект. (Классические волны, такие как звук и морские волны, не считаются квантовыми, потому что движение - это волна, но части по-прежнему представляют собой маленькие твердые шарики. Чтобы быть квантовым эффектом, сама частица должна действовать как волна.)
==========================
Хотя квантовые эффекты не ограничиваются строго атомным масштабом, они, безусловно, более распространены на атомном уровне. Почему это? Давайте посмотрим на материю. Чтобы быть квантовым эффектом, мы должны заставить материю действовать как волны. Чтобы быть макроскопическим квантовым эффектом, мы должны заставить множество частиц материи действовать как волны организованным образом. Если все частицы материи действуют как волны случайным, разрозненным образом, то их волны интерферируют и в среднем приводят к нулю в макроскопическом масштабе. В физике мы называем организованное волновое поведение «когерентностью». Чем больше совпадает волнообразная природа частиц материи, тем более когерентным становится объект в целом. И чем более когерентный объект, тем больше он действует как волна в целом. В качестве грубой аналогии рассмотрим группу детей, плещущихся в бассейне. Если все дети занимаются своими делами, тогда волны на воде, которые они создают, когда плещутся, будут случайными. Группа случайных волн на воде в сумме дает примерно ноль. Эта система не является когерентной, и волны на воде не очевидны, если вы не присмотритесь. Теперь, если дети выстраиваются в очередь и каждые две секунды плещут воду в один и тот же момент, все их маленькие волны складываются в одну гигантскую волну воды. Эта система слаженная, и волна воды в бассейне очевидна. Бассейн - это только аналогия. Волны на воде действуют как волны маленьких твердых частиц и поэтому являются классическими, а не квантовыми. Чтобы действовать как квантовые волны, частицы материи не должны просто выровнять свои движения, частицы материи также должны иметь выровненную квантовую волновую природу.
===========================
Ключевым моментом здесь является то, что крупномасштабное когерентное состояние маловероятно, пока отдельные части ведут себя случайным образом. Существует лишь несколько возможных способов заставить систему частей действовать скоординированным образом, в то время как существует гораздо больше способов заставить систему действовать нескоординированным образом. Следовательно, скоординированное поведение менее вероятно, чем нескоординированное, хотя и возможно. Например, если вы бросаете 5 традиционных кубиков, есть шесть способов сделать все числа одинаковыми за один бросок. Напротив, есть тысячи способов добиться того, чтобы все числа не совпадали. Заставить кубиков показать одно и то же число маловероятно, но возможно. Точно так же квантовая когерентность в макроскопическом масштабе маловероятна, но не невозможна. Если квантово-волновую природу отдельных частиц материи можно выровнять в когерентное состояние, тогда квантовые эффекты станут очевидными в макроскопическом масштабе. Ниже приведены некоторые примеры макроскопических квантовых эффектов.
Сверхпроводимость. Когда проводящий материал достаточно охлаждается, его электроны проводимости переходят в крупномасштабные когерентные волновые состояния. Эти когерентные волновые состояния могут проходить мимо примесей и атомов без возмущений, так что получается материал с нулевым электрическим сопротивлением. Сверхпроводимость приводит к интересным макроскопическим эффектам, таким как квантовая левитация (эффект Мейснера).
=======================
Сверхтекучесть. Когда определенные материалы достаточно охлаждаются, их атомы могут распространяться в когерентные волновые состояния, которые сопротивляются поверхностному натяжению, позволяя материалу течь как жидкость с нулевой вязкостью.
========================
Конденсаты Бозе-Эйнштейна. Когда определенные материалы достаточно охлаждаются, их атомы полностью распределяются в единое гигантское когерентное волновое состояние. Макроскопический кусок материи, который сконденсировался таким образом, действует как волна и проявляет волновые свойства, такие как интерференция.
========================
Обратите внимание, что лазерный свет часто упоминается как макроскопический квантовый эффект. Однако когерентный свет, такой как лазерный, успешно объясняется классическими уравнениями Максвелла и, следовательно, не является квантовым эффектом. Однако способ получения лазерного света; через вынужденное излучение и переход между дискретными уровнями энергии; квантовый эффект. Но вынужденное излучение в лазерах - это эффект атомного масштаба, поэтому он не входит в наш список макроскопических квантовых эффектов. Точно так же существует множество квантовых эффектов атомного масштаба, которые приводят к результатам, наблюдаемым в макроскопическом масштабе, например квантовые эффекты, которые делают возможными современные компьютеры.
Эти эффекты на самом деле не происходят в макроскопическом масштабе. Скорее, эффекты происходят в атомном масштабе, а затем результаты эффекта усиливаются до макроскопического уровня