Osnove kvantne fizike ukratko. Kvantna fizika za lutke! Najbolji eksperimenti. Kvantna teorija polja

Reč "fizika" dolazi od grčkog "fusis". To znači "priroda". Aristotel, koji je živeo u četvrtom veku pre nove ere, prvi je uveo ovaj koncept.

Fizika je postala "ruska" na poticaj M.V. Lomonosova, kada je preveo prvi udžbenik s njemačkog.

Naučna fizika

Fizika je jedna od glavnih stvari u svijetu oko nas, stalno se dešavaju različiti procesi, promjene, odnosno pojave.

Na primjer, komad leda na toplom mjestu će se početi topiti. I voda u kotliću ključa na vatri. Električna struja koja prolazi kroz žicu će je zagrijati, pa čak i zagrijati. Svaki od ovih procesa je fenomen. U fizici, to su mehaničke, magnetske, električne, zvučne, termičke i svjetlosne promjene koje proučava nauka. Nazivaju se i fizičkim pojavama. Ispitujući ih, naučnici izvode zakone.

Zadatak nauke je da otkrije te zakone i prouči ih. Prirodu proučavaju nauke kao što su biologija, geografija, hemija i astronomija. Svi oni primenjuju fizičke zakone.

Uslovi

Osim uobičajenih, fizika koristi i posebne riječi koje se nazivaju termini. To je "energija" (u fizici je to mjera različitih oblika interakcije i kretanja materije, kao i prijelaza iz jedne u drugu), "sila" (mjera intenziteta utjecaja drugih tijela i polja na bilo kojem tijelu) i mnoge druge. Neki od njih su postepeno ušli u kolokvijalni govor.

Na primjer, kada koristimo riječ "energija" u svakodnevnom životu za označavanje osobe, možemo procijeniti posljedice njegovih postupaka, ali energija u fizici je mjera koja se proučava na mnogo različitih načina.

Sva tijela u fizici se nazivaju fizičkim. Imaju volumen i oblik. Sastoje se od supstanci, koje su, pak, jedna od vrsta materije - to je sve što postoji u Univerzumu.

Eksperimenti

Mnogo od onoga što ljudi znaju naučeno je posmatranjem. Za proučavanje fenomena, oni se stalno posmatraju.

Uzmimo, na primjer, pad raznih tijela na tlo. Potrebno je utvrditi da li se ovaj fenomen razlikuje kod pada tijela nejednake mase, različitih visina i sl. Čekanje i posmatranje različitih tijela bilo bi jako dugo i ne uvijek uspješno. Stoga se eksperimenti provode u takve svrhe. Razlikuju se od zapažanja, jer se konkretno provode prema unaprijed izrađenom planu i sa određenim ciljevima. Obično u planu unaprijed nagađaju, odnosno postavljaju hipoteze. Tako će tokom eksperimenata biti opovrgnuti ili potvrđeni. Nakon razmišljanja i objašnjenja rezultata eksperimenata, donose se zaključci. Tako se dolazi do naučnih saznanja.

Količine i mjerne jedinice

Često, kada nešto proučavaju, vrše različita mjerenja. Kada tijelo padne, na primjer, mjere se visina, masa, brzina i vrijeme. Sve je to nešto što se može izmjeriti.

Mjerenje veličine znači upoređivanje sa istom količinom, koja se uzima kao jedinica (dužina stola se upoređuje sa jedinicom dužine - metar ili druga). Svaka takva veličina ima svoje jedinice.

Sve zemlje pokušavaju koristiti zajedničke jedinice. U Rusiji, kao iu drugim zemljama, koristi se Međunarodni sistem jedinica SI (što znači "međunarodni sistem"). Koristi sljedeće jedinice:

• dužina (karakteristika dužine linija u numeričkom smislu) - metar;
• vrijeme (tok procesa, uvjet moguće promjene) - sekunda;
• masa (u fizici je to karakteristika koja određuje inertna i gravitaciona svojstva materije) - kilogram.

Često je potrebno koristiti jedinice koje su mnogo veće od općeprihvaćenih – višekratnika. Zovu se odgovarajućim prefiksima iz grčkog: „deka“, „hekto“, „kilo“ i tako dalje.

Jedinice koje su manje od prihvaćenih nazivaju se submultiple. Za njih se koriste prefiksi iz latinskog jezika: “deci”, “santi”, “milli” i tako dalje.

Merni instrumenti

Za izvođenje eksperimenata potrebni su vam instrumenti. Najjednostavniji od njih su ravnalo, cilindar, mjerač trake i drugi. Razvojem nauke unapređuju se, složeniji i pojavljuju se novi instrumenti: voltmetri, termometri, štoperice i drugi.

U osnovi, uređaji imaju skalu, odnosno podjele linija na kojima su ispisane vrijednosti. Prije mjerenja odredite vrijednost podjele:

• uzeti dvije linije skale sa vrijednostima;
• manji se oduzima od većeg, a rezultirajući broj se dijeli s brojem podjela između.

Na primjer, dva poteza sa vrijednostima "dvadeset" i "trideset", razmak između kojih je podijeljen na deset razmaka. U ovom slučaju, cijena podjele će biti jednaka jedan.

Precizna mjerenja i sa nesigurnošću

Mjerenja se vrše manje-više precizno. Dozvoljena nepreciznost naziva se greška. Prilikom mjerenja ne može biti veća od vrijednosti podjele mjernog uređaja.

Točnost ovisi o vrijednosti podjele i pravilnoj upotrebi uređaja. Ali na kraju, u bilo kojem mjerenju, dobivaju se samo približne vrijednosti.

Teorijska i eksperimentalna fizika

Ovo su glavne grane nauke. Može se činiti da su jako udaljeni jedno od drugog, pogotovo što su većina ljudi ili teoretičari ili eksperimentalisti. Međutim, oni se stalno razvijaju rame uz rame. Bilo koji problem razmatraju i teoretičari i eksperimentatori. Rad prvih je da opisuju podatke i izvode hipoteze, dok drugi testiraju teorije u praksi, provodeći eksperimente i dobijajući nove podatke. Ponekad su postignuća uzrokovana samo eksperimentima, bez opisanih teorija. U drugim slučajevima, naprotiv, moguće je dobiti rezultate koji se naknadno provjeravaju.

Kvantna fizika

Ovaj pravac je nastao krajem 1900. godine, kada je otkrivena nova fizička fundamentalna konstanta, nazvana Plankova konstanta u čast njemačkog fizičara koji ju je otkrio, Maxa Plancka. On je riješio problem spektralne distribucije svjetlosti koju emituju zagrijana tijela, dok klasična opća fizika to nije mogla učiniti. Planck je predložio hipotezu o kvantnoj energiji oscilatora, koja nije kompatibilna s klasičnom fizikom. Zahvaljujući njoj, mnogi su fizičari počeli revidirati stare koncepte i mijenjati ih, kao rezultat toga je nastala kvantna fizika. Ovo je potpuno nova ideja svijeta.

i svesti

Fenomen ljudske svijesti nije sasvim nov sa stanovišta. Njegove temelje su postavili Jung i Pauli. Ali tek sada, sa pojavom ovog novog pravca nauke, fenomen je počeo da se razmatra i proučava u većem obimu.

Kvantni svijet je višeznačan i višedimenzionalan, u njemu ima mnogo klasičnih lica i projekcija.

Dva glavna svojstva u okviru predloženog koncepta su superintuicija (tj. primanje informacija kao niotkuda) i kontrola subjektivne stvarnosti. U običnoj svijesti, osoba može vidjeti samo jednu sliku svijeta i nije u stanju da razmotri dvije odjednom. Dok ih u stvarnosti ima ogroman broj. Sve ovo zajedno je kvantni svijet i svjetlost.

Ovo je kvantna fizika koja nas uči da vidimo novu stvarnost za ljude (iako mnoge istočne religije, kao i mađioničari, odavno posjeduju ovu tehniku). Potrebno je samo promijeniti ljudsku svijest. Sada je osoba neodvojiva od cijelog svijeta, ali se uzimaju u obzir interesi svih živih bića.

Tada, uranjajući u stanje u kojem je u stanju da vidi sve alternative, dolazi do tog uvida, što je apsolutna istina.

Princip života sa stanovišta kvantne fizike je da čovjek, između ostalog, doprinese boljem svjetskom poretku.

Vraćanje automobila pod garancijom ili kvantna fizika za lutke.

Recimo da je godina 3006. Odeš na "povezano" i kupiš jeftin kineski vremeplov na rate na 600 godina. Da li želite da se ušunjate oko nedelju dana unapred da pobedite kladionicu? U iščekivanju velikog džekpota, mahnito kucate datum dolaska na plavu plastičnu kutiju...

I evo smeha: U njemu konvertor Nikadim-hronon odmah pregoreva. Mašina, ispuštajući umiruću škripu, baca vas u godinu 62342. Čovječanstvo je bilo podijeljeno na oborene i obrijane i razbacano po udaljenim galaksijama. Sunce je prodato vanzemaljcima, Zemljom vladaju džinovski radioaktivni silicijumski crvi. Atmosfera je mješavina fluora i hlora. Temperatura minus 180 stepeni. Tlo je erodiralo, a vi takođe padate na liticu kristala fluorita sa udaljenosti od petnaestak metara. Na svom posljednjem izdisaju, ostvarujete svoje građansko galaktičko pravo na jedan međuvremenski poziv na vašem ključu. Pozovite centar za tehničku podršku "messengera", gdje vam ljubazni robot kaže da je garancija na vremeplov 100 godina i da je u njihovo vrijeme potpuno ispravan, a u 62342 ste dobili iznos od milion penija neizreciv mehanizmom ljudskog govora za nikad plaćeno jednom na rate.

Sačuvaj i uštedi! Gospode, hvala ti što živimo u ovoj desetkovanoj medveđoj prošlosti, gde su takvi incidenti nemogući!
...Iako, ne! Samo većina velikih naučnih otkrića ne daju tako epske rezultate kao što zamišljaju razni pisci naučne fantastike.

Laseri ne spaljuju gradove i planete - oni snimaju i prenose informacije i zabavljaju školarce. Nanotehnologija ne pretvara svemir u samoreplicirajuću hordu nanobota. Oni čine kabanicu vodootpornijim, a beton izdržljivijim. Atomska bomba eksplodirana u moru nikada nije pokrenula lančanu reakciju termonuklearne fuzije jezgri vodika i pretvorila nas u drugo sunce. Hadronski sudarač nije izokrenuo planetu naopačke niti odvukao cijeli svijet u crnu rupu. Vještačka inteligencija je već stvorena, ali ona samo ismijava ideju uništenja čovječanstva.
Time Machine nije izuzetak. Činjenica je da je nastala sredinom prošlog veka. Izgrađen je ne kao cilj sam po sebi, već samo kao alat za stvaranje jednog malog, neupadljivog, ali vrlo izvanrednog uređaja.

Svojevremeno je profesor Dmitrij Nikolajevič Gračev bio veoma zbunjen pitanjem stvaranja efikasnih sredstava zaštite od radio zračenja. Na prvi pogled zadatak se činio nemogućim - uređaj je morao na svaki radio talas odgovoriti svojim vlastitim, a pritom ni na koji način ne biti vezan za izvor signala (pošto je bio neprijateljski). Dmitrij Nikolajevič je jednom gledao djecu kako se igraju "dodgeball" u dvorištu. Najbrži igrač koji najefikasnije izbjegne loptu pobjeđuje u igri. To zahtijeva koordinaciju, i što je najvažnije, sposobnost predviđanja putanje lopte.

Sposobnost predviđanja je određena računarskim resursom. Ali u našem slučaju povećanje računarskih resursa neće dovesti do ničega. Čak ni najmoderniji superkompjuteri neće imati dovoljno brzine i tačnosti za to. Govorili smo o predviđanju spontanog procesa brzinom poluciklusa mikrotalasnog radio talasa.

Profesor je pokupio loptu koja je odletela u žbunje i bacila je nazad deci. Zašto predviđati kuda lopta ide kada je već stigla? Pronađeno je rješenje: karakteristike nepoznatog ulaznog radio signala su dobro poznate u bliskoj budućnosti i jednostavno ih nema potrebe izračunavati. Dovoljno ih je izmjeriti direktno tamo. Ali evo problema: nemoguće je putovati kroz vrijeme čak ni nanosekundu. Međutim, to nije bilo potrebno za ovaj zadatak. Potrebno je samo da osjetljivi element uređaja - tranzistor - bude barem djelomično u bliskoj budućnosti. I tu je nedavno otkriveni fenomen kvantne superpozicije priskočio u pomoć. Njegovo značenje je da ista čestica može biti na različitim mjestima iu različito vrijeme u isto vrijeme.

Kao rezultat toga, profesor Gračev je stvorio Mass-Oriented Quantum Electron Trap - stvarnu vremensku mašinu, u kojoj je po prvi put stvoren poluprovodnički čip, od kojih su neki elektroni u budućnosti i istovremeno u sadašnjosti. . Prototip tog istog TMA - čip koji kontroliše Gračev rezonator. Moglo bi se reći da će ova stvar uvijek stajati jednom nogom u budućnosti.

Kvantinė fizika statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. kvantna fizika vok. Quantenphysics, f rus. kvantna fizika, f pranc. physique quantique, f … Fizikos terminų žodynas

Ovaj izraz ima druga značenja, pogledajte Stanje stabilnog stanja. Stacionarno stanje (od latinskog stationarius stoji mirno, nepomično) je stanje kvantnog sistema u kojem se njegova energija i druge dinamike ... Wikipedia

- ... Wikipedia

Ima sledeće pododeljke (lista je nepotpuna): Kvantna mehanika Algebarska kvantna teorija Kvantna teorija polja Kvantna elektrodinamika Kvantna hromodinamika Kvantna termodinamika Kvantna gravitacija Teorija superstruna Vidi takođe... ... Wikipedia

Kvantna mehanika Princip nesigurnosti Uvod... Matematička formulacija... Osnova... Wikipedia

FIZIKA. 1. Predmet i struktura fizike Fizika je nauka koja proučava najjednostavnije i ujedno najvažnije. opšta svojstva i zakoni kretanja objekata materijalnog sveta oko nas. Kao rezultat ove zajedničkosti, ne postoje prirodni fenomeni koji nemaju fizička svojstva. svojstva... Fizička enciklopedija

Hipernuklearna fizika je grana fizike na raskrsnici nuklearne fizike i fizike elementarnih čestica, u kojoj su predmet istraživanja jezgrini sistemi koji osim protona i neutrona sadrže i druge elementarne čestice, hiperone. Također... ... Wikipedia

Grana fizike koja proučava dinamiku čestica u akceleratorima, kao i brojne tehničke probleme vezane za konstrukciju i rad akceleratora čestica. Fizika akceleratora uključuje pitanja vezana za proizvodnju i akumulaciju čestica... Wikipedia

Fizika kristala Kristalna kristalografija Kristalna rešetka Vrste kristalnih rešetki Difrakcija u kristalima Recipročna rešetka Wigner Seitzova ćelija Brillouinova zona Faktor osnovne strukture Faktor atomskog raspršenja Tipovi veza u ... ... Wikipedia

Kvantna logika je grana logike neophodna za rasuđivanje o propozicijama koje uzimaju u obzir principe kvantne teorije. Ovo područje istraživanja osnovano je 1936. godine radom Garitha Bierkhoffa i Johna von Neumanna, koji su pokušali... ... Wikipedia

Knjige

• Kvantna fizika, Martinson Leonid Karlovič. Detaljno je predstavljen teorijski i eksperimentalni materijal koji leži u osnovi kvantne fizike. Mnogo pažnje se poklanja fizičkom sadržaju osnovnih kvantnih pojmova i matematičkih...
• Kvantna fizika, Sheddad Caid-Sala Ferron. Cijeli naš svijet i sve što je u njemu - kuće, drveće, pa čak i ljudi! - sastoji se od sitnih čestica. Knjiga "Kvantna fizika" iz serije "Prve knjige o nauci" govoriće vam o nevidljivom za naše...

Dobrodošli na blog! Drago mi je da te vidim!

Verovatno ste to čuli mnogo puta o neobjašnjivim misterijama kvantne fizike i kvantne mehanike. Njegovi zakoni fasciniraju misticizmom, a čak i sami fizičari priznaju da ih ne razumiju u potpunosti. S jedne strane, zanimljivo je razumjeti ove zakone, ali s druge strane, nema vremena za čitanje višetomnih i složenih knjiga o fizici. Razumijem vas jako, jer i ja volim znanje i potragu za istinom, ali za sve knjige itekako nema dovoljno vremena. Niste sami, mnogi znatiželjnici upisuju u traku za pretragu: „kvantna fizika za lutke, kvantna mehanika za lutke, kvantna fizika za početnike, kvantna mehanika za početnike, osnove kvantne fizike, osnove kvantne mehanike, kvantna fizika za djecu, šta je kvantna mehanika"..

Ova publikacija je upravo za vas

• Razumjet ćete osnovne koncepte i paradokse kvantne fizike. Iz članka ćete naučiti:
• Šta je smetnja?
• Šta je spin i superpozicija?
• Što je "mjerenje" ili "kolaps valne funkcije"?
• Šta je kvantna zapetljanost (ili kvantna teleportacija za lutke)? (vidi članak)

Šta je misaoni eksperiment Schrödingerove mačke? (vidi članak)

Šta je kvantna fizika i kvantna mehanika?

Kvantna mehanika je dio kvantne fizike.

Zašto je tako teško razumjeti ove nauke? Odgovor je jednostavan: kvantna fizika i kvantna mehanika (dio kvantne fizike) proučavaju zakone mikrosvijeta. I ovi zakoni su apsolutno drugačiji od zakona našeg makrokosmosa. Stoga nam je teško zamisliti šta se dešava sa elektronima i fotonima u mikrokosmosu. Primjer razlike između zakona makro- i mikrosvijeta

: u našem makro svijetu, ako stavite loptu u jednu od 2 kutije, onda će jedna od njih biti prazna, a druga će imati loptu. Ali u mikrokosmosu (ako postoji atom umjesto lopte), atom može biti u dvije kutije u isto vrijeme. Ovo je više puta eksperimentalno potvrđeno. Nije li teško zamotati glavu oko ovoga? Ali ne možete se raspravljati sa činjenicama. Snimili ste fotografiju brzog trkaćeg crvenog sportskog automobila i na fotografiji ste vidjeli mutnu horizontalnu prugu, kao da se automobil nalazio na nekoliko tačaka u prostoru u trenutku fotografije. Uprkos onome što vidite na fotografiji, i dalje ste sigurni da se automobil nalazio u toj sekundi kada ste ga fotografisali. na jednom određenom mestu u prostoru. U mikro svijetu je sve drugačije. Elektron koji rotira oko jezgra atoma zapravo ne rotira, već nalazi se istovremeno u svim tačkama sfere oko jezgra atoma. Kao labavo namotano klupko pahuljaste vune. Ovaj koncept u fizici se zove "elektronski oblak" .

Kratak izlet u istoriju. Naučnici su prvi razmišljali o kvantnom svijetu kada je 1900. godine njemački fizičar Max Planck pokušao otkriti zašto metali mijenjaju boju kada se zagriju. On je bio taj koji je uveo koncept kvanta. Do tada su naučnici mislili da svjetlost putuje neprekidno. Prva osoba koja je ozbiljno shvatila Planckovo otkriće bio je tada nepoznati Albert Ajnštajn. Shvatio je da svetlost nije samo talas. Ponekad se ponaša kao čestica. Ajnštajn je dobio Nobelovu nagradu za otkriće da se svetlost emituje u delovima, kvantima. Kvant svjetlosti naziva se foton ( foton, Wikipedia) .

Da bismo lakše razumjeli kvantne zakone fizičari I mehanika (Wikipedia), moramo, na neki način, apstrahovati od zakona klasične fizike koji su nam poznati. I zamislite da ste zaronili, kao Alisa, u zečju rupu, u Zemlju čuda.

A evo i crtanog filma za djecu i odrasle. Opisuje fundamentalni eksperiment kvantne mehanike sa 2 proreza i posmatračem. Traje samo 5 minuta. Pogledajte prije nego što uronimo u osnovna pitanja i koncepte kvantne fizike.

Kvantna fizika za lutke video. U crtanom filmu obratite pažnju na "oko" posmatrača. To je postala ozbiljna misterija za fizičare.

Šta je smetnja?

Na početku crtića, na primjeru tekućine, prikazano je kako se ponašaju valovi - na ekranu iza ploče s prorezima pojavljuju se naizmjenično tamne i svijetle okomite pruge. A u slučaju kada se diskretne čestice (na primjer, kamenčići) "pucaju" na ploču, one lete kroz 2 proreza i slijeću na ekran direktno nasuprot proreza. I oni "crtaju" samo 2 okomite trake na ekranu.

Interferencija svjetlosti- Ovo je "talasno" ponašanje svjetlosti, kada se na ekranu prikazuje mnogo naizmjeničnih svijetlih i tamnih vertikalnih pruga. I ove okomite pruge koji se naziva interferencijski obrazac.

U našem makrokosmosu često primjećujemo da se svjetlost ponaša kao talas. Ako stavite ruku ispred svijeće, tada na zidu neće biti jasna sjena od vaše ruke, već s mutnim konturama.

Dakle, nije sve tako komplikovano! Sada nam je sasvim jasno da svjetlost ima talasnu prirodu i ako su 2 proreza osvijetljena svjetlošću, onda ćemo na ekranu iza njih vidjeti interferencijski uzorak.

Pogledajmo sada 2. eksperiment. Ovo je poznati Stern-Gerlach eksperiment (koji je izveden 20-ih godina prošlog stoljeća).

Instalacija opisana u crtiću nije bila obasjana svjetlošću, već je “pucana” elektronima (kao pojedinačnim česticama). Tada, početkom prošlog veka, fizičari širom sveta verovali su da su elektroni elementarne čestice materije i da ne bi trebalo da imaju talasnu prirodu, već istu kao i kamenčići. Na kraju krajeva, elektroni su elementarne čestice materije, zar ne? Odnosno, ako ih "bacite" u 2 proreza, poput kamenčića, onda bi na ekranu iza proreza trebali vidjeti 2 okomite pruge.

Ali... Rezultat je bio zapanjujući. Naučnici su vidjeli interferencijski obrazac - mnogo okomitih pruga. Odnosno, elektroni, kao i svjetlost, također mogu imati talasnu prirodu i mogu interferirati. S druge strane, postalo je jasno da svjetlost nije samo val, već i dio čestice - fotona (iz istorijske pozadine na početku članka saznali smo da je Einstein za ovo otkriće dobio Nobelovu nagradu) . Možda se sjećate, u školi su nam govorili o fizici"dualitet talas-čestica" ? To znači da kada govorimo o vrlo malim česticama (atomima, elektronima) mikrokosmosa, onda

Oni su i talasi i čestice

Danas smo ti i ja tako pametni i razumijemo da su 2 gore opisana eksperimenta - pucanje elektronima i osvjetljavanje proreza svjetlom - ista stvar. Zato što ispaljujemo kvantne čestice na proreze. Sada znamo da su i svjetlost i elektroni kvantne prirode, da su i valovi i čestice u isto vrijeme. I početkom 20. veka rezultati ovog eksperimenta bili su senzacija.

Pažnja! Sada pređimo na suptilnije pitanje.

Pretpostavlja se da jedan elektron leti u lijevi prorez, drugi u desni. Ali tada bi se 2 okomite trake trebale pojaviti na ekranu direktno nasuprot utora. Zašto nastaje obrazac interferencije? Možda elektroni na neki način interaguju jedni s drugima već na ekranu nakon što prolete kroz proreze. A rezultat je ovakav talasni uzorak. Kako to možemo pratiti?

Nećemo bacati elektrone u snop, već jedan po jedan. Bacimo ga, čekajmo, bacimo sljedeći. Sada kada elektron leti sam, više neće moći komunicirati s drugim elektronima na ekranu. Svaki elektron ćemo registrirati na ekranu nakon bacanja. Jedan ili dva nam, naravno, neće „naslikati“ jasnu sliku. Ali kada ih pošaljemo jedan po jedan u proreze, primijetit ćemo... o užas - opet su "nacrtali" interferencijski talasni uzorak!

Polako počinjemo da ludujemo. Uostalom, očekivali smo da će nasuprot utora biti 2 okomite pruge! Ispostavilo se da kada smo bacali fotone jedan po jedan, svaki od njih je prošao, takoreći, kroz 2 proreza u isto vrijeme i interferirao sam sa sobom.

Fantastično! Vratimo se objašnjavanju ovog fenomena u sljedećem dijelu.

Šta je spin i superpozicija?

Sada znamo šta je smetnja. Ovo je valno ponašanje mikro čestica - fotona, elektrona, drugih mikro čestica (radi jednostavnosti, nazovimo ih od sada fotonima).

Kao rezultat eksperimenta, kada smo bacili 1 foton u 2 proreza, shvatili smo da se činilo da leti kroz dva proreza u isto vrijeme. Inače, kako možemo objasniti obrazac interferencije na ekranu?

• Ali kako možemo zamisliti foton koji leti kroz dva proreza u isto vrijeme? Postoje 2 opcije. 1. opcija:
• foton, poput talasa (kao voda) istovremeno „lebdi” kroz 2 proreza 2. opcija:

foton, poput čestice, leti istovremeno duž 2 putanje (čak ne dvije, već sve odjednom)

U principu, ove izjave su ekvivalentne. Stigli smo do “integralnog puta”. Ovo je formulacija kvantne mehanike Richarda Feynmana. Usput, tačno Richard Feynman postoji dobro poznat izraz da

Sa sigurnošću možemo reći da niko ne razumije kvantnu mehaniku

Strogo govoreći, kvantna mehanika nam govori da je ovakvo ponašanje fotona pravilo, a ne izuzetak. Bilo koja kvantna čestica je, po pravilu, istovremeno u više stanja ili u više tačaka u prostoru.

Objekti makrosvijeta mogu biti samo na jednom određenom mjestu iu jednom određenom stanju. Ali kvantna čestica postoji po sopstvenim zakonima. A nju nije ni briga što ih mi ne razumijemo. To je poenta.

Moramo samo priznati, kao aksiom, da "superpozicija" kvantnog objekta znači da on može biti na 2 ili više putanja u isto vrijeme, u 2 ili više tačaka u isto vrijeme

Isto važi i za drugi parametar fotona – spin (sopstveni ugaoni moment). Spin je vektor. Kvantni objekt se može zamisliti kao mikroskopski magnet. Navikli smo na činjenicu da je vektor magneta (spin) usmjeren ili gore ili dolje. Ali elektron ili foton nam opet govori: „Momci, nije nas briga na šta ste navikli, možemo biti u oba stanja okretanja odjednom (vektor gore, vektor dolje), baš kao što možemo biti na 2 putanje u u isto vrijeme ili na 2 točke u isto vrijeme!

Što je "mjerenje" ili "kolaps valne funkcije"?

Malo nam je ostalo da shvatimo šta je „merenje“, a šta „kolaps talasne funkcije“.

Talasna funkcija je opis stanja kvantnog objekta (naš foton ili elektron).

Pretpostavimo da imamo elektron, on leti do samog sebe u neodređenom stanju, njegov okret je usmjeren i gore i dolje u isto vrijeme. Moramo da izmerimo njegovo stanje.

Izmjerimo pomoću magnetnog polja: elektroni čiji je spin bio usmjeren u smjeru polja će odstupiti u jednom smjeru, a elektroni čiji je spin usmjeren protiv polja - u drugom. Više fotona se može usmjeriti u polarizacijski filter. Ako je spin (polarizacija) fotona +1, on prolazi kroz filter, ali ako je -1, onda ne.

Stani! Ovdje ćete neminovno imati pitanje: Prije mjerenja, elektron nije imao nikakav specifičan smjer okretanja, zar ne? Bio je u svim državama u isto vrijeme, zar ne?

Ovo je trik i senzacija kvantne mehanike. Sve dok ne mjerite stanje kvantnog objekta, on se može rotirati u bilo kojem smjeru (imati bilo koji smjer vektora vlastitog ugaonog momenta - spin). Ali u trenutku kada ste mu mjerili stanje, čini se da donosi odluku koji spin vektor da prihvati.

Ovaj kvantni objekat je tako kul - donosi odluke o svom stanju. I ne možemo unaprijed predvidjeti kakvu će odluku donijeti kada uleti u magnetsko polje u kojem ga mjerimo. Vjerovatnoća da će odlučiti da ima vektor okretanja “gore” ili “dolje” je 50 do 50%. Ali čim se odluči, nalazi se u određenom stanju s određenim smjerom okretanja. Razlog njegove odluke je naša “dimenzija”!

ovo se zove " kolaps valne funkcije". Talasna funkcija prije mjerenja bila je nesigurna, tj. vektor spina elektrona je bio istovremeno u svim pravcima nakon merenja, elektron je zabeležio određeni smer svog vektora spina.

Pažnja! Odličan primjer za razumijevanje je asocijacija iz našeg makrokosmosa:

Zavrtite novčić na stolu kao rotirajući vrh. Dok se novčić vrti, on nema određeno značenje - glava ili rep. Ali čim odlučite da "izmjerite" ovu vrijednost i udarite novčić rukom, tada ćete dobiti specifično stanje novčića - glave ili repa. Zamislite sada da ovaj novčić odlučuje koju će vam vrijednost "pokazati" - glavu ili rep. Elektron se ponaša na približno isti način.

Sada se prisjetite eksperimenta prikazanog na kraju crtića. Kada su fotoni prolazili kroz proreze, ponašali su se kao talas i pokazivali interferencijski obrazac na ekranu. A kada su naučnici hteli da snime (izmere) trenutak prolaska fotona kroz prorez i postavili „posmatrača“ iza ekrana, fotoni su počeli da se ponašaju ne kao talasi, već kao čestice. I "nacrtali" su 2 okomite pruge na ekranu. One. u trenutku mjerenja ili posmatranja, kvantni objekti sami biraju u kakvom stanju trebaju biti.

Fantastično! Zar nije istina?

Ali to nije sve. Konačno mi Stigli smo do najzanimljivijeg dijela.

Ali... čini mi se da će doći do preopterećenja informacijama, pa ćemo ova 2 koncepta razmotriti u odvojenim postovima:

• sta se desilo?
• Šta je misaoni eksperiment?

Sada, da li želite da se informacije razvrstaju? Pogledajte dokumentarni film Kanadskog instituta za teorijsku fiziku. U njemu će vam za 20 minuta vrlo kratko i hronološkim redom biti ispričana sva otkrića kvantne fizike, počevši od Planckovog otkrića 1900. godine. A onda će vam reći koji se praktični razvoj trenutno provode na osnovu znanja iz kvantne fizike: od najpreciznijih atomskih satova do superbrzih proračuna kvantnog kompjutera. Toplo preporučujem gledanje ovog filma.

Vidimo se!

Želim svima inspiraciju za sve njihove planove i projekte!

P.S.2 Napišite svoja pitanja i mišljenja u komentarima. Napišite, koja vas još pitanja o kvantnoj fizici zanimaju?

P.S.3 Pretplatite se na blog - obrazac za pretplatu je ispod članka.

Ako ste iznenada shvatili da ste zaboravili osnove i postulate kvantne mehanike ili čak ne znate o kakvoj je mehanici riječ, onda je vrijeme da osvježite sjećanje na ovu informaciju. Na kraju krajeva, niko ne zna kada bi kvantna mehanika mogla biti korisna u životu.

Uzalud se smijete i podsmjehivate, misleći da se nikada u životu nećete morati baviti ovom temom. Na kraju krajeva, kvantna mehanika može biti korisna gotovo svakoj osobi, čak i onima koji su beskrajno udaljeni od nje. Na primjer, imate nesanicu. Za kvantnu mehaniku to nije problem! Pročitajte udžbenik prije spavanja - i na trećoj stranici ćete zaspati. Ili možete tako nazvati svoj cool rock bend. Zašto ne?

Šalu na stranu, hajde da započnemo ozbiljan kvantni razgovor.

Gdje početi? Naravno, počevši od toga šta je kvant.

Quantum

Kvant (od latinskog quantum - "koliko") je nedjeljiv dio neke fizičke veličine. Na primjer, kažu - kvant svjetlosti, kvant energije ili kvant polja.

šta to znači? To znači da jednostavno ne može biti manje. Kada kažu da je neka količina kvantizirana, oni razumiju da ta količina poprima niz specifičnih, diskretnih vrijednosti. Dakle, energija elektrona u atomu je kvantizirana, svjetlost se distribuira u "porcijama", odnosno u kvantima.

Sam izraz "kvant" ima mnogo upotreba. Kvant svjetlosti (elektromagnetno polje) je foton. Po analogiji, kvanti su čestice ili kvazičestice koje odgovaraju drugim poljima interakcije. Ovdje se možemo prisjetiti poznatog Higgsovog bozona, koji je kvant Higsovog polja. Ali mi još ne idemo u ove džungle.

Kako mehanika može biti kvantna?

Kao što ste već primijetili, u našem razgovoru smo mnogo puta spominjali čestice. Možda ste navikli na činjenicu da je svjetlost val koji se jednostavno širi brzinom With . Ali ako na sve gledate sa stanovišta kvantnog svijeta, odnosno svijeta čestica, sve se mijenja do neprepoznatljivosti.

Kvantna mehanika je grana teorijske fizike, komponenta kvantne teorije koja opisuje fizičke pojave na najelementarnijem nivou - nivou čestica.

Efekat takvih pojava je po veličini uporediv sa Plankovom konstantom, a Njutnova klasična mehanika i elektrodinamika su se ispostavile potpuno neprikladne za njihovo opisivanje. Na primjer, prema klasičnoj teoriji, elektron, rotirajući velikom brzinom oko jezgre, trebao bi zračiti energiju i na kraju pasti na jezgro. To se, kao što znamo, ne dešava. Zato je izmišljena kvantna mehanika - otkrivene pojave je trebalo nekako objasniti, a pokazalo se da je upravo teorija unutar koje je objašnjenje bilo najprihvatljivije, a svi eksperimentalni podaci "konvergirali".

Usput! Za naše čitaoce sada postoji popust od 10%.

Malo istorije

Rođenje kvantne teorije dogodilo se 1900. godine, kada je Max Planck govorio na sastanku njemačkog fizičkog društva. Šta je Planck tada rekao? A činjenica da je zračenje atoma diskretno, a najmanji dio energije ovog zračenja jednak je

Gdje je h Plankova konstanta, nu je frekvencija.

Zatim je Albert Einstein, uvodeći koncept "kvanta svjetlosti", koristio Planckovu hipotezu da objasni fotoelektrični efekat. Niels Bohr je postulirao postojanje stacionarnih energetskih nivoa u atomu, a Louis de Broglie je razvio ideju o dualnosti val-čestica, odnosno da čestica (korpuskula) također ima valna svojstva. Schrödinger i Heisenberg su se pridružili tome, a 1925. objavljena je prva formulacija kvantne mehanike. U stvari, kvantna mehanika je daleko od potpune teorije, ona se trenutno aktivno razvija. Takođe treba priznati da kvantna mehanika, sa svojim pretpostavkama, nema sposobnost da objasni sva pitanja sa kojima se suočava. Sasvim je moguće da će je zamijeniti naprednija teorija.

Tokom prijelaza iz kvantnog svijeta u svijet stvari koje su nam poznate, zakoni kvantne mehanike se prirodno transformišu u zakone klasične mehanike. Možemo reći da je klasična mehanika poseban slučaj kvantne mehanike, kada se radnja odvija u našem poznatom i poznatom makro svijetu. Ovdje se tijela kreću mirno u neinercijalnim referentnim okvirima brzinom mnogo manjom od brzine svjetlosti, i općenito je sve okolo mirno i jasno. Ako želite da znate položaj tela u koordinatnom sistemu, nema problema ako želite da izmerite impuls.

Kvantna mehanika ima potpuno drugačiji pristup ovom pitanju. U njemu su rezultati mjerenja fizičkih veličina vjerovatnoće. To znači da je prilikom promjene određene vrijednosti moguće nekoliko rezultata, od kojih svaki ima određenu vjerovatnoću. Dajemo primjer: novčić se vrti na stolu. Dok se okreće, nije u nekom specifičnom stanju (glava-rep), već ima samo vjerovatnoću da završi u jednom od ovih stanja.

Ovdje se postepeno približavamo Schrödingerova jednadžba I Heisenbergov princip nesigurnosti.

Prema legendi, Erwin Schrödinger je 1926. godine, govoreći na naučnom seminaru na temu dualnosti talas-čestica, bio kritikovan od strane određenog visokog naučnika. Odbijajući da sluša svoje starije, Schrödinger je nakon ovog incidenta aktivno počeo da razvija talasnu jednačinu za opisivanje čestica u okviru kvantne mehanike. I uradio je to briljantno! Schrödingerova jednačina (osnovna jednačina kvantne mehanike) je:

Ova vrsta jednadžbe, jednodimenzionalna stacionarna Schrödingerova jednačina, je najjednostavnija.

Ovdje je x udaljenost ili koordinata čestice, m je masa čestice, E i U njena ukupna i potencijalna energija, respektivno. Rješenje ove jednadžbe je valna funkcija (psi)

Talasna funkcija je još jedan fundamentalni koncept u kvantnoj mehanici. Dakle, svaki kvantni sistem koji je u nekom stanju ima talasnu funkciju koja opisuje ovo stanje.

na primjer, pri rješavanju jednodimenzionalne stacionarne Schrödingerove jednadžbe, valna funkcija opisuje položaj čestice u prostoru. Tačnije, vjerovatnoća pronalaska čestice u određenoj tački u prostoru. Drugim riječima, Schrödinger je pokazao da se vjerovatnoća može opisati talasnom jednačinom! Slažem se, trebali smo o ovome razmišljati prije!

Ali zašto? Zašto se moramo baviti ovim neshvatljivim vjerovatnoćama i valnim funkcijama, kada, čini se, nema ništa jednostavnije nego samo uzeti i izmjeriti udaljenost do čestice ili njenu brzinu.

Vrlo je jednostavno! Zaista, u makrokosmosu je to zaista slučaj - udaljenosti mjerimo s određenom preciznošću mjernom trakom, a greška mjerenja određena je karakteristikama uređaja. S druge strane, okom možemo gotovo precizno odrediti udaljenost do objekta, na primjer, do stola. U svakom slučaju, precizno razlikujemo njen položaj u prostoriji u odnosu na nas i druge objekte. U svijetu čestica situacija je bitno drugačija - mi jednostavno fizički nemamo mjerne alate za precizno mjerenje potrebnih količina. Uostalom, mjerni instrument dolazi u direktan kontakt sa objektom koji se mjeri, a u našem slučaju i predmet i instrument su čestice. Upravo ta nesavršenost, fundamentalna nemogućnost uzimanja u obzir svih faktora koji deluju na česticu, kao i sama činjenica promene stanja sistema pod uticajem merenja, leži u osnovi Hajzenbergovog principa nesigurnosti.

Dajemo njegovu najjednostavniju formulaciju. Zamislimo da postoji određena čestica i želimo da znamo njenu brzinu i koordinatu.

U tom kontekstu, Hajzenbergov princip nesigurnosti kaže da je nemoguće precizno izmeriti položaj i brzinu čestice u isto vreme. . Matematički to piše ovako:

Ovdje je delta x greška u određivanju koordinate, delta v je greška u određivanju brzine. Naglasimo da ovaj princip kaže da što preciznije odredimo koordinatu, to ćemo manje precizno znati brzinu. A ako odredimo brzinu, nećemo imati ni najmanju predstavu o tome gdje se čestica nalazi.

Mnogo je šala i anegdota na temu principa neizvjesnosti. Evo jednog od njih:

Policajac zaustavlja kvantnog fizičara.
- Gospodine, znate li koliko ste se brzo kretali?
- Ne, ali znam tačno gde sam.

I, naravno, podsjećamo! Ako vas iznenada, iz nekog razloga, rješavanje Schrödingerove jednadžbe za česticu u potencijalnoj bušotini drži budnim, obratite se profesionalcima koji su odgajani s kvantnom mehanikom na usnama!