Насправді квантові ефекти не обмежуються тільки атомним масштабом. Існує кілька прикладів макроскопічної квантової поведінки. Квантова фізика описує матерію та енергію як квантові хвильові функції, які іноді діють як хвилі, а іноді як частинки, але насправді є більш складними сутностями, ніж просто хвилі або частинки.
Насправді кожен об'єкт у Всесвіті (від атомів до зірок) діє відповідно до квантової фізики. У багатьох ситуаціях, наприклад, при кидку м'яча, квантова фізика призводить до того ж результату, що і класична фізика. У таких ситуаціях ми використовуємо класичну фізику замість квантової фізики, тому що її математика простіша, а принципи більш інтуїтивні.
Закони квантової фізики все ще діють в м'ячі, але їх дія не очевидно, тому ми говоримо, що система неквантова. Ситуація описується як квантова, коли її квантова поведінка стає очевидною, хоча насправді вона завжди квантова. Таким чином, «квантовий ефект» - це ефект, який належним чином не передбачається класичною фізикою, але правильно передбачається квантовою теорією.
Класична фізика описує матерію як таку, що складається з маленьких твердих частинок. Тому щоразу, коли ми змушуємо частинки матерії діяти як хвилі, ми демонструємо квантовий ефект. (Класичні хвилі, такі як звукові та морські хвилі, не вважаються квантовими, тому що рух - це хвиля, але частинки все ще маленькі тверді кульки. Щоб бути квантовим ефектом, сама частинка повинна діяти як хвиля.)
Хоча квантові ефекти не обмежуються суворо атомним масштабом, вони, безумовно, більш поширені в атомному масштабі. Чому це так? Давайте подивимося на матерію. Щоб бути квантовим ефектом, ми повинні змусити матерію діяти як хвилі. Щоб бути макроскопічним квантовим ефектом, ми повинні змусити безліч частинок матерії діяти як хвилі організованим чином.
Якщо всі частинки матерії діють як хвилі випадковим, розрізненим чином, то їхні хвилі інтерферують і усереднюються до нуля в макроскопічному масштабі. У фізиці ми називаємо організовану хвилеподібну поведінку «когерентністю». Чим більше хвилеподібна природа частинок матерії вирівняна, тим більш когерентним є об'єкт в цілому. І чим більш когерентний об'єкт, тим більше він діє як хвиля в цілому.
В якості грубої аналогії розглянемо групу дітей, що плещуться в басейні. Якщо всі діти займаються своїми справами, то хвилі води, які вони створюють, коли вони плещуться, будуть випадковими. Багато випадкових хвиль води складається приблизно до нуля. Ця система некогерентна. Тепер, якщо діти шикуються в лінію і всі плещуть у воду в один і той же момент кожні дві секунди, всі їх маленькі хвилі складаються в одну велику хвилю води.
Ця система є когерентною, і хвиля води в басейні очевидна. Басейн - це тільки аналогія. Хвилі води діють як хвилі маленьких твердих частинок і тому є класичними, а не квантовими. Для того щоб діяти як квантові хвилі, частинки матерії повинні не просто вирівняти свої рухи, вони також повинні вирівняти свою квантово-хвильову природу.
Ключ тут у тому, що великомасштабний когерентний стан малоймовірний, поки окремі частинки поводяться випадковим чином. Існує лише кілька можливих способів змусити систему діяти скоординованим чином, в той час як існує набагато більше способів змусити систему діяти неузгоджено. Тому скоординована поведінка менш ймовірна, ніж неузгоджена поведінка, хоча й не неможлива.
Наприклад, якщо ви кидаєте 5 традиційних кубиків, є шість способів, щоб всі числа були однаковими в одному кидку. Навпаки, існують тисячі способів зробити так, щоб всі числа не були однаковими. Змусити кубики показати одне і те ж число малоймовірно, але не неможливо.
Аналогічним чином, квантова когерентність в макроскопічному масштабі малоймовірна, але не неможлива. Якщо квантово-хвильова природа окремих частинок матерії може бути вирівняна в когерентний стан, то квантові ефекти стануть очевидними в макроскопічному масштабі. Нижче наведено деякі приклади макроскопічних квантових ефектів.
Надпровідність. Коли провідний матеріал досить охолоджений, його електрони поширюються в великомасштабні когерентні хвильові стани. Ці когерентні хвильові стани здатні проходити повз атоми без обурення, тож виходить матеріал з нульовим електричним опором. Надпровідність призводить до цікавих макроскопічних ефектів, таких як квантова левітація (ефект Мейснера).
Надплинність. Коли деякі матеріали досить охолоджені, їхні атоми можуть поширюватися в когерентні хвильові стани, які опираються поверхневому натягненню, дозволяючи матеріалу текти як рідина з нульовою в'язкістю.
Конденсати Бозе-Ейнштейна. Коли деякі матеріали досить охолоджуються, їхні атоми повністю переходять в єдиний гігантський когерентний хвильовий стан. Макроскопічний шматок матерії, який конденсувався таким чином, діє як хвиля і проявляє хвильові властивості, такі як інтерференція.
Зверніть увагу, що лазерне світло часто згадується як макроскопічний квантовий ефект. Однак когерентне світло, таке як лазерне, успішно пояснюється класичними рівняннями Максвелла і, отже, не є квантовим ефектом.
Однак спосіб отримання лазерного світла - через стимульоване випромінювання і перехід між дискретними енергетичними рівнями - є квантовим ефектом. Але стимульоване випромінювання в лазерах є ефектом атомного масштабу і тому не входить до нашого списку макроскопічних квантових ефектів.
Так само існує безліч квантових ефектів атомного масштабу, які призводять до результатів, що спостерігаються в макроскопічному масштабі, таких як квантові ефекти, які роблять можливими сучасні комп'ютери. Ці ефекти насправді не відбуваються в макроскопічному масштабі. Швидше, ефекти відбуваються в атомному масштабі, а потім результати ефекту посилюються до макроскопічного рівня.