Podstawy fizyki kwantowej w skrócie. Fizyka kwantowa dla manekinów! Najlepsze eksperymenty. Kwantowa teoria pola

Słowo „fizyka” pochodzi od greckiego „fusis”. Oznacza „naturę”. Jako pierwszy wprowadził tę koncepcję Arystoteles żyjący w IV wieku p.n.e.

Fizyka stała się „rosyjska” za namową M.V. Łomonosowa, kiedy przetłumaczył pierwszy podręcznik z języka niemieckiego.

Fizyka naukowa

Fizyka to jedna z głównych rzeczy w otaczającym nas świecie, różne procesy, zmiany, czyli zjawiska ciągle się dzieją.

Na przykład kawałek lodu w ciepłym miejscu zacznie się topić. A woda w czajniku wrze na ogniu. Prąd elektryczny przepływający przez drut nagrzeje go, a nawet podgrzeje. Każdy z tych procesów jest fenomenem. W fizyce są to zmiany mechaniczne, magnetyczne, elektryczne, dźwiękowe, termiczne i świetlne badane przez naukę. Nazywa się je także zjawiskami fizycznymi. Badając je, naukowcy wyprowadzają prawa.

Zadaniem nauki jest odkrycie tych praw i zbadanie ich. Przyrodę badają takie nauki jak biologia, geografia, chemia i astronomia. Wszyscy stosują prawa fizyczne.

Warunki

Oprócz zwykłych, fizyka używa również specjalnych słów zwanych terminami. To „energia” (w fizyce jest to miara różnych form interakcji i ruchu materii, a także przejścia od jednego do drugiego), „siła” (miara intensywności wpływu innych ciał i pól na dowolnym ciele) i wiele innych. Część z nich stopniowo weszła w mowę potoczną.

Na przykład, gdy w życiu codziennym używamy słowa „energia” w odniesieniu do osoby, możemy ocenić konsekwencje jej działań, ale energia w fizyce jest miarą badaną na wiele różnych sposobów.

Wszystkie ciała w fizyce nazywane są fizycznymi. Mają objętość i kształt. Składają się z substancji, które z kolei są jednym z rodzajów materii - to wszystko, co istnieje we Wszechświecie.

Eksperymenty

Wiele z tego, co ludzie wiedzą, nauczyli się poprzez obserwację. Aby badać zjawiska, są one stale obserwowane.

Weźmy na przykład upadek różnych ciał na ziemię. Należy sprawdzić, czy zjawisko to różni się w przypadku spadania ciał o nierównej masie, różnej wysokości i tak dalej. Oczekiwanie i obserwowanie różnych ciał byłoby bardzo długie i nie zawsze kończyło się sukcesem. Dlatego eksperymenty przeprowadza się w podobnych celach. Różnią się od obserwacji tym, że są konkretnie realizowane według wcześniej opracowanego planu i z określonymi celami. Zwykle w planie z góry domyślają się, czyli stawiają hipotezy. Zatem podczas eksperymentów zostaną one obalone lub potwierdzone. Po przemyśleniu i wyjaśnieniu wyników eksperymentów wyciąga się wnioski. W ten sposób zdobywa się wiedzę naukową.

Wielkości i jednostki miary

Często, studiując coś, wykonują różne pomiary. Kiedy ciało spada, mierzony jest na przykład wzrost, masa, prędkość i czas. To wszystko jest czymś, co można zmierzyć.

Mierzenie wielkości oznacza porównywanie jej z tą samą wielkością, która jest przyjmowana jako jednostka (długość stołu porównuje się z jednostką długości - metrem lub inną). Każda taka wielkość ma swoje własne jednostki.

Wszystkie kraje starają się używać wspólnych jednostek. W Rosji, podobnie jak w innych krajach, stosuje się Międzynarodowy Układ Jednostek SI (co oznacza „układ międzynarodowy”). Wykorzystuje następujące jednostki:

• długość (charakterystyka długości linii w ujęciu liczbowym) - metr;
• czas (przebieg procesów, warunek ewentualnej zmiany) - sekunda;
• masa (w fizyce jest to cecha określająca bezwładne i grawitacyjne właściwości materii) - kilogram.

Często konieczne jest stosowanie jednostek znacznie większych od ogólnie przyjętych - wielokrotności. Nazywa się je odpowiednimi przedrostkami z języka greckiego: „deca”, „hecto”, „kilo” i tak dalej.

Jednostki mniejsze od przyjętych nazywane są podwielokrotnościami. Używane są w nich przedrostki z języka łacińskiego: „deci”, „santi”, „milli” i tak dalej.

Urządzenia pomiarowe

Do przeprowadzania eksperymentów potrzebne są instrumenty. Najprostsze z nich to linijka, cylinder, taśma miernicza i inne. Wraz z rozwojem nauki ulepszane są, stają się coraz bardziej złożone i pojawiają się nowe instrumenty: woltomierze, termometry, stopery i inne.

Zasadniczo urządzenia mają skalę, czyli podziały linii, na których zapisywane są wartości. Przed pomiarem określ wartość podziału:

• weź dwie linie skali z wartościami;
• mniejsza jest odejmowana od większej, a otrzymana liczba jest dzielona przez liczbę podziałów znajdujących się pomiędzy nimi.

Na przykład dwie kreski o wartościach „dwadzieścia” i „trzydzieści”, których odległość jest podzielona na dziesięć spacji. W takim przypadku cena podziału będzie równa jeden.

Dokładne pomiary i błędy

Pomiary wykonywane są z mniejszą lub większą dokładnością. Dopuszczalna niedokładność nazywana jest błędem. Podczas pomiaru nie może być większa niż wartość podziału urządzenia pomiarowego.

Dokładność zależy od wartości podziału i prawidłowego użytkowania urządzenia. Ale ostatecznie w każdym pomiarze uzyskuje się tylko wartości przybliżone.

Fizyka teoretyczna i eksperymentalna

Są to główne gałęzie nauki. Może się wydawać, że są od siebie bardzo oddaleni, zwłaszcza że większość ludzi to albo teoretycy, albo eksperymentatorzy. Jednak stale rozwijają się obok siebie. Każdy problem jest rozważany zarówno przez teoretyków, jak i eksperymentatorów. Zadaniem pierwszego jest opisywanie danych i stawianie hipotez, drugie zaś sprawdzanie teorii w praktyce, przeprowadzanie eksperymentów i pozyskiwanie nowych danych. Czasami osiągnięcia wynikają wyłącznie z eksperymentów, bez opisanych teorii. W innych przypadkach, wręcz przeciwnie, możliwe jest uzyskanie wyników, które zostaną sprawdzone później.

Fizyka kwantowa

Kierunek ten narodził się pod koniec 1900 roku, kiedy odkryto nową podstawową stałą fizyczną, zwaną stałą Plancka na cześć niemieckiego fizyka, który ją odkrył, Maxa Plancka. Rozwiązał problem rozkładu widmowego światła emitowanego przez nagrzane ciała, czego nie potrafiła klasyczna fizyka ogólna. Planck zaproponował hipotezę dotyczącą energii kwantowej oscylatora, która była niezgodna z fizyką klasyczną. Dzięki niej wielu fizyków zaczęło rewidować i zmieniać stare koncepcje, w wyniku czego powstała fizyka kwantowa. To zupełnie nowe wyobrażenie o świecie.

i świadomość

Zjawisko ludzkiej świadomości nie jest z punktu widzenia całkowicie nowe. Jej fundamenty położyli Jung i Pauli. Jednak dopiero teraz, wraz z pojawieniem się tego nowego kierunku nauki, zaczęto rozważać i badać to zjawisko na szerszą skalę.

Świat kwantowy jest wieloaspektowy i wielowymiarowy, istnieje w nim wiele klasycznych twarzy i projekcji.

Dwie główne właściwości w ramach proponowanej koncepcji to superintuicja (czyli otrzymywanie informacji jakby znikąd) i kontrola subiektywnej rzeczywistości. W zwykłej świadomości człowiek widzi tylko jeden obraz świata i nie jest w stanie rozważać dwóch na raz. Podczas gdy w rzeczywistości jest ich ogromna liczba. Wszystko to razem stanowi świat kwantowy i światło.

To fizyka kwantowa uczy nas widzieć nową rzeczywistość dla ludzi (chociaż wiele wschodnich religii, a także magów, od dawna posiada tę technikę). Konieczna jest jedynie zmiana ludzkiej świadomości. Teraz człowiek jest nierozerwalnie związany z całym światem, ale brane są pod uwagę interesy wszystkich żywych istot.

To wtedy, pogrążając się w stanie, w którym jest w stanie dostrzec wszystkie alternatywy, przychodzi do niego wgląd, który jest prawdą absolutną.

Zasadą życia z punktu widzenia fizyki kwantowej jest to, aby człowiek między innymi przyczyniał się do lepszego porządku świata.

Zwrot samochodu na gwarancji czy fizyka kwantowa dla manekinów.

Załóżmy, że jest rok 3006. Idziesz do „podłączonego” i kupujesz budżetowy chiński wehikuł czasu na raty na 600 lat. Chcesz przekraść się na tydzień do przodu i oszukać biuro bukmacherskie? W oczekiwaniu na dużą wygraną gorączkowo wpisujesz datę przyjazdu na niebieskim plastikowym pudełku...

I tu jest śmiech: W nim konwerter Nikadim-chronon wypala się od razu. Maszyna, wydając umierający pisk, wrzuca Cię do roku 62342. Ludzkość została podzielona na tępych, ogolonych i rozproszonych do odległych galaktyk. Słońce zostało sprzedane kosmitom, Ziemią rządzą gigantyczne radioaktywne robaki krzemowe. Atmosfera jest mieszaniną fluoru i chloru. Temperatura minus 180 stopni. Ziemia uległa erozji, a ty także spadasz na klif z kryształów fluorytu z odległości około piętnastu metrów. Na ostatnim wydechu korzystasz ze swojego cywilnego galaktycznego prawa do jednego międzyczasowego połączenia na swoim breloku. Zadzwoń do centrum pomocy technicznej „posłańca”, gdzie grzeczny robot poinformuje Cię, że gwarancja na wehikuł czasu wynosi 100 lat i jak na swoje czasy jest całkowicie sprawna, a w numerze 62342 otrzymałeś niewypowiedzianą kwotę milionów groszy przez mechanizm ludzkiej mowy, która nigdy nie jest płacona jednorazowo w ratach.

Błogosław i ratuj! Panie, dziękujemy, że żyjemy w tej zdziesiątkowanej niedźwiedziej przeszłości, gdzie takie zdarzenia są niemożliwe!
...Chociaż nie! Tyle że większość najważniejszych odkryć naukowych nie daje tak spektakularnych rezultatów, jak sobie wyobrażają różni autorzy science fiction.

Lasery nie palą miast i planet - rejestrują i przekazują informacje oraz bawią uczniów. Nanotechnologia nie zmienia wszechświata w samoreplikującą się hordę nanobotów. Sprawiają, że płaszcz przeciwdeszczowy jest bardziej wodoodporny, a beton trwalszy. Bomba atomowa eksplodująca w morzu nigdy nie zapoczątkowała reakcji łańcuchowej termojądrowej syntezy jąder wodoru i nie zamieniła nas w inne słońce. Zderzacz Hadronów nie wywrócił planety na lewą stronę ani nie wciągnął całego świata w czarną dziurę. Sztuczna inteligencja już powstała, ale ona tylko naśmiewa się z idei zniszczenia ludzkości.
Wehikuł czasu nie jest wyjątkiem. Faktem jest, że powstał w połowie ubiegłego wieku. Został zbudowany nie jako cel sam w sobie, a jedynie jako narzędzie do stworzenia jednego małego, niczym nie wyróżniającego się, ale niezwykle niezwykłego urządzenia.

Kiedyś profesor Dmitrij Nikołajewicz Grachev był bardzo zaintrygowany kwestią stworzenia skutecznych środków ochrony przed promieniowaniem radiowym. Na pierwszy rzut oka zadanie wydawało się niemożliwe – urządzenie musiało odpowiadać na każdą falę radiową własną, a jednocześnie nie być w żaden sposób powiązane ze źródłem sygnału (bo było to źródło wroga). Dmitrij Nikołajewicz obserwował kiedyś dzieci bawiące się na podwórku w „zbijaka”. Grę wygrywa najszybszy gracz, który najskuteczniej uniknie piłki. Wymaga to koordynacji, a co najważniejsze, umiejętności przewidywania trajektorii piłki.

Zdolność przewidywania zależy od zasobów obliczeniowych. Ale w naszym przypadku zwiększenie zasobów obliczeniowych nie doprowadzi do niczego. Nawet najnowocześniejsze superkomputery nie będą miały do ​​tego wystarczającej szybkości i dokładności. Mówiliśmy o przewidywaniu procesu spontanicznego z prędkością półcyklu mikrofalowej fali radiowej.

Profesor podniósł piłkę, która poleciała w krzaki i rzucił ją z powrotem dzieciom. Po co przewidywać, dokąd poleci piłka, skoro już nadeszła? Znaleziono rozwiązanie: charakterystyki nieznanego wejściowego sygnału radiowego będą już w najbliższej przyszłości dobrze znane i po prostu nie będzie potrzeby ich obliczania. Wystarczy zmierzyć je bezpośrednio tam. Ale tu pojawia się problem: nie da się podróżować w czasie nawet przez nanosekundę. Nie było to jednak wymagane w przypadku danego zadania. Konieczne jest jedynie, aby czuły element urządzenia - tranzystor - był przynajmniej częściowo w najbliższej przyszłości. I tu z pomocą przyszło niedawno odkryte zjawisko superpozycji kwantowej. Oznacza to, że ta sama cząstka może znajdować się w tym samym czasie w różnych miejscach i czasie.

W rezultacie profesor Grachev stworzył kwantową pułapkę elektronów zorientowanych na masę – maszynę czasu rzeczywistego, w której po raz pierwszy stworzono chip półprzewodnikowy, którego część elektronów znajduje się w przyszłości, a jednocześnie w teraźniejszości . Prototyp tego samego TMA - chip sterujący rezonatorem Gracheva. Można powiedzieć, że ta rzecz zawsze będzie miała jedną nogę w przyszłości.

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

Termin ten ma inne znaczenia, patrz Stan ustalony. Stan stacjonarny (od łacińskiego statarius stojący, nieruchomy) to stan układu kwantowego, w którym jego energia i inna dynamika… Wikipedia

- ... Wikipedii

Posiada następujące podrozdziały (lista jest niekompletna): Mechanika kwantowa Algebraiczna teoria kwantów Kwantowa teoria pola Elektrodynamika kwantowa Chromodynamika kwantowa Termodynamika kwantowa Grawitacja kwantowa Teoria superstrun Zobacz także... ... Wikipedia

Mechanika kwantowa Zasada nieoznaczoności Wprowadzenie... Sformułowanie matematyczne... Podstawa... Wikipedia

FIZYKA. 1. Przedmiot i struktura fizyki Fizyka jest nauką badającą najprostsze i jednocześnie najważniejsze. ogólne właściwości i prawa ruchu obiektów otaczającego nas świata materialnego. W wyniku tej powszechności nie ma zjawisk naturalnych, które nie miałyby właściwości fizycznych. nieruchomości... Encyklopedia fizyczna

Fizyka hiperjądrowa to dziedzina fizyki na przecięciu fizyki jądrowej i fizyki cząstek elementarnych, w której przedmiotem badań są układy jądrowe zawierające oprócz protonów i neutronów inne cząstki elementarne, hiperony. Także... ...Wikipedia

Dział fizyki zajmujący się badaniem dynamiki cząstek w akceleratorach, a także licznymi problemami technicznymi związanymi z budową i działaniem akceleratorów cząstek. Fizyka akceleratorów obejmuje zagadnienia związane z produkcją i akumulacją cząstek... Wikipedia

Fizyka kryształów Krystalografia kryształów Sieć krystaliczna Rodzaje sieci krystalicznych Dyfrakcja w kryształach Sieć wzajemna Komórka Wignera Seitza Strefa Brillouina Podstawowy współczynnik struktury Współczynnik rozpraszania atomowego Rodzaje wiązań w ... ... Wikipedia

Logika kwantowa to gałąź logiki niezbędna do rozumowania na temat twierdzeń uwzględniających zasady teorii kwantowej. Ten obszar badań został założony w 1936 roku dzięki pracom Garitha Bierkhoffa i Johna von Neumanna, którzy próbowali... ... Wikipedia

Książki

• Fizyka kwantowa, Martinson Leonid Karlovich. Szczegółowo przedstawiono materiał teoretyczny i eksperymentalny leżący u podstaw fizyki kwantowej. Wiele uwagi poświęca się fizycznej zawartości podstawowych pojęć kwantowych i matematycznych...
• Fizyka kwantowa, Sheddad Caid-Sala Ferron. Cały nasz świat i wszystko, co się w nim znajduje - domy, drzewa, a nawet ludzie! - składa się z drobnych cząstek. Książka „Fizyka kwantowa” z serii „Pierwsze książki o nauce” opowie o tym, co niewidzialne dla naszych…

Witamy na blogu! Bardzo się cieszę, że cię widzę!

Prawdopodobnie słyszeliście to wiele razy o niewytłumaczalnych tajemnicach fizyki kwantowej i mechaniki kwantowej. Jej prawa fascynują mistycyzmem, a nawet sami fizycy przyznają, że nie do końca je rozumieją. Z jednej strony zrozumienie tych praw jest interesujące, ale z drugiej strony nie ma czasu na czytanie wielotomowych i skomplikowanych książek o fizyce. Rozumiem Cię bardzo, bo też kocham wiedzę i poszukiwanie prawdy, ale na wszystkie książki brakuje czasu. Nie jesteś sam, wiele ciekawskich osób wpisuje w wyszukiwarkę: „fizyka kwantowa dla manekinów, mechanika kwantowa dla manekinów, fizyka kwantowa dla początkujących, mechanika kwantowa dla początkujących, podstawy fizyki kwantowej, podstawy mechaniki kwantowej, fizyka kwantowa dla dzieci, czym jest mechanika kwantowa”. Ta publikacja jest właśnie dla Ciebie.

Zrozumiesz podstawowe pojęcia i paradoksy fizyki kwantowej. Z artykułu dowiesz się:

• Co to jest interferencja?
• Co to jest spin i superpozycja?
• Co to jest „pomiar” lub „załamanie funkcji falowej”?
• Co to jest splątanie kwantowe (lub teleportacja kwantowa dla opornych)? (zobacz artykuł)
• Na czym polega eksperyment myślowy Kot Schrödingera? (zobacz artykuł)

Co to jest fizyka kwantowa i mechanika kwantowa?

Mechanika kwantowa jest częścią fizyki kwantowej.

Dlaczego tak trudno zrozumieć te nauki? Odpowiedź jest prosta: fizyka kwantowa i mechanika kwantowa (część fizyki kwantowej) badają prawa mikroświata. A prawa te są zupełnie odmienne od praw naszego makrokosmosu. Dlatego trudno nam sobie wyobrazić, co dzieje się z elektronami i fotonami w mikrokosmosie.

Przykład różnicy pomiędzy prawami makro- i mikroświata: w naszym makroświecie, jeśli włożysz piłkę do jednego z 2 pudełek, to jedno z nich będzie puste, a drugie będzie zawierało kulkę. Ale w mikrokosmosie (jeśli zamiast kuli jest atom) atom może znajdować się w dwóch pudełkach jednocześnie. Zostało to wielokrotnie potwierdzone eksperymentalnie. Czy nie jest trudno sobie z tym poradzić? Ale z faktami nie można polemizować.

Jeszcze jeden przykład. Zrobiłeś zdjęcie szybkiego, wyścigowego czerwonego samochodu sportowego i na zdjęciu widziałeś rozmazany poziomy pasek, jakby w momencie robienia zdjęcia samochód znajdował się w kilku punktach przestrzeni. Pomimo tego, co widzisz na zdjęciu, nadal masz pewność, że samochód znajdował się w chwili, gdy go fotografowałeś. w jednym konkretnym miejscu w przestrzeni. W mikroświecie wszystko jest inne. Elektron obracający się wokół jądra atomu w rzeczywistości się nie obraca, ale znajduje się jednocześnie we wszystkich punktach kuli wokół jądra atomu. Jak luźno zwinięty kłębek puszystej wełny. To pojęcie w fizyce nazywa się „chmura elektroniczna” .

Krótka wycieczka do historii. Naukowcy po raz pierwszy pomyśleli o świecie kwantowym, gdy w 1900 roku niemiecki fizyk Max Planck próbował dowiedzieć się, dlaczego metale zmieniają kolor pod wpływem ciepła. To on wprowadził pojęcie kwantu. Do tego czasu naukowcy sądzili, że światło przemieszcza się w sposób ciągły. Pierwszą osobą, która poważnie potraktowała odkrycie Plancka, był nieznany wówczas Albert Einstein. Uświadomił sobie, że światło to nie tylko fala. Czasem zachowuje się jak cząsteczka. Einstein otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycie, że światło emitowane jest porcjami, kwantami. Kwant światła nazywany jest fotonem ( foton, Wikipedia) .

Aby ułatwić zrozumienie praw kwantowych fizycy I mechanika (Wikipedia), musimy w pewnym sensie abstrahować od znanych nam praw fizyki klasycznej. I wyobraź sobie, że zanurzyłeś się niczym Alicja w króliczej norze, w Krainie Czarów.

A oto kreskówka dla dzieci i dorosłych. Opisuje podstawowy eksperyment mechaniki kwantowej z 2 szczelinami i obserwatorem. Trwa tylko 5 minut. Obejrzyj, zanim zagłębimy się w podstawowe pytania i koncepcje fizyki kwantowej.

Fizyka kwantowa dla manekinów wideo. W kreskówce zwróć uwagę na „oko” obserwatora. Stało się to poważną zagadką dla fizyków.

Co to jest interferencja?

Na początku kreskówki, na przykładzie cieczy, pokazano, jak zachowują się fale - na ekranie za płytką ze szczelinami pojawiają się naprzemiennie ciemne i jasne pionowe paski. Natomiast w przypadku, gdy dyskretne cząstki (np. kamyki) zostaną „wystrzelone” w płytkę, przelatują one przez 2 szczeliny i lądują na ekranie dokładnie naprzeciwko szczelin. I „rysują” na ekranie tylko 2 pionowe paski.

Zakłócenia światła- Jest to „falowe” zachowanie światła, gdy na ekranie pojawia się wiele naprzemiennie jasnych i ciemnych pionowych pasków. Do tego te pionowe paski zwany wzorcem interferencyjnym.

W naszym makrokosmosie często obserwujemy, że światło zachowuje się jak fala. Jeśli położysz rękę przed świecą, to na ścianie nie będzie wyraźnego cienia twojej dłoni, ale z rozmytymi konturami.

Więc to wcale nie jest takie skomplikowane! Jest już dla nas całkiem jasne, że światło ma naturę falową i jeśli oświetlimy światłem 2 szczeliny, to na ekranie za nimi zobaczymy wzór interferencyjny. Przyjrzyjmy się teraz drugiemu doświadczeniu. To słynny eksperyment Sterna-Gerlacha (przeprowadzony w latach 20. ubiegłego wieku).

Instalacja opisana w kreskówce nie została oświetlona światłem, ale „wystrzelona” elektronami (jako pojedynczymi cząsteczkami). Następnie, na początku ubiegłego wieku, fizycy na całym świecie wierzyli, że elektrony są elementarnymi cząstkami materii i nie powinny mieć natury falowej, ale takiej samej jak kamyki. W końcu elektrony to elementarne cząstki materii, prawda? Oznacza to, że jeśli „wrzucimy” je w 2 szczeliny niczym kamyki, to na ekranie za szczelinami powinniśmy zobaczyć 2 pionowe paski.

Ale... Rezultat był oszałamiający. Naukowcy zaobserwowali wzór interferencyjny – wiele pionowych pasków. Oznacza to, że elektrony, podobnie jak światło, również mogą mieć charakter falowy i mogą zakłócać. Z drugiej strony stało się jasne, że światło to nie tylko fala, ale także odrobina cząstki – foton (z tła historycznego na początku artykułu dowiedzieliśmy się, że Einstein otrzymał za to odkrycie Nagrodę Nobla) .

Może pamiętacie, w szkole mówiono nam o tym na fizyce „dwoistość falowo-cząsteczkowa”? Oznacza to, że jeśli mówimy o bardzo małych cząsteczkach (atomach, elektronach) mikrokosmosu, to wtedy Są to zarówno fale, jak i cząstki

Dzisiaj ty i ja jesteśmy tacy mądrzy i rozumiemy, że dwa eksperymenty opisane powyżej – strzelanie elektronami i oświetlanie szczelin światłem – to to samo. Ponieważ strzelamy cząstkami kwantowymi w szczeliny. Wiemy teraz, że zarówno światło, jak i elektrony mają naturę kwantową, że są jednocześnie falami i cząsteczkami. A na początku XX wieku wyniki tego eksperymentu były sensacją.

Uwaga! Przejdźmy teraz do bardziej subtelnej kwestii.

Świecimy strumieniem fotonów (elektronów) na nasze szczeliny i widzimy wzór interferencyjny (pionowe paski) za szczelinami na ekranie. To zrozumiałe. Ale nas interesuje, jak każdy z elektronów przepływa przez szczelinę.

Prawdopodobnie jeden elektron wlatuje w lewą szczelinę, drugi w prawą. Ale wtedy na ekranie powinny pojawić się 2 pionowe paski bezpośrednio naprzeciw szczelin. Dlaczego pojawia się wzór interferencyjny? Być może elektrony w jakiś sposób oddziałują ze sobą już na ekranie po przelocie przez szczeliny. Rezultatem jest taki wzór fal. Jak możemy to śledzić?

Elektrony będziemy rzucać nie w wiązkę, ale pojedynczo. Wrzućmy, poczekajmy, wrzućmy następny. Teraz, gdy elektron leci sam, nie będzie już w stanie oddziaływać z innymi elektronami na ekranie. Po rzucie zarejestrujemy każdy elektron na ekranie. Jeden czy dwa oczywiście nie „namalują” dla nas jasnego obrazu. Ale kiedy wyślemy ich wiele do szczelin pojedynczo, zauważymy… och, znowu „narysowali” wzór fali interferencyjnej!

Powoli zaczynamy szaleć. W końcu spodziewaliśmy się, że naprzeciw szczelin będą 2 pionowe paski! Okazuje się, że gdy rzucaliśmy fotony pojedynczo, każdy z nich przeszedł niejako przez 2 szczeliny jednocześnie i interferował ze sobą. Fantastyczny! Powróćmy do wyjaśnienia tego zjawiska w następnej sekcji.

Co to jest spin i superpozycja?

Wiemy już, czym jest ingerencja. Tak wygląda falowe zachowanie mikrocząstek – fotonów, elektronów, innych mikrocząstek (dla uproszczenia będziemy je odtąd nazywać fotonami).

W wyniku eksperymentu, kiedy wrzuciliśmy 1 foton do 2 szczelin, zdaliśmy sobie sprawę, że wydawało się, że przelatuje on przez dwie szczeliny jednocześnie. W przeciwnym razie jak możemy wyjaśnić wzór zakłóceń na ekranie?

Ale jak możemy sobie wyobrazić foton przelatujący przez dwie szczeliny jednocześnie? Dostępne są 2 opcje.

• Pierwsza opcja: foton, niczym fala (jak woda) „unosi się” przez 2 szczeliny jednocześnie
• druga opcja: foton, podobnie jak cząstka, leci jednocześnie po 2 trajektoriach (nawet nie dwóch, ale wszystkie na raz)

W zasadzie stwierdzenia te są równoważne. Dotarliśmy do „całki po drodze”. To jest sformułowanie mechaniki kwantowej Richarda Feynmana.

Swoją drogą, dokładnie Richarda Feynmana jest takie znane powiedzenie Można śmiało powiedzieć, że nikt nie rozumie mechaniki kwantowej

Ale ten wyraz jego zadziałał na początku stulecia. Ale teraz jesteśmy mądrzy i wiemy, że foton może zachowywać się zarówno jak cząstka, jak i fala. Że potrafi w jakiś dla nas niezrozumiały sposób przelecieć przez 2 szczeliny jednocześnie. Dlatego łatwo będzie nam zrozumieć następujące ważne stwierdzenie mechaniki kwantowej:

Ściśle mówiąc, mechanika kwantowa mówi nam, że takie zachowanie fotonów jest regułą, a nie wyjątkiem. Każda cząstka kwantowa z reguły znajduje się w kilku stanach lub w kilku punktach przestrzeni jednocześnie.

Obiekty makroświata mogą znajdować się tylko w jednym określonym miejscu i w jednym określonym stanie. Ale cząstka kwantowa istnieje według własnych praw. I nie przejmuje się tym, że ich nie rozumiemy. O to chodzi.

Musimy tylko przyjąć jako aksjomat, że „superpozycja” obiektu kwantowego oznacza, że ​​może on znajdować się jednocześnie na 2 lub więcej trajektoriach, w 2 lub więcej punktach jednocześnie

To samo dotyczy innego parametru fotonu – spinu (własnego momentu pędu). Spin jest wektorem. Obiekt kwantowy można uważać za mikroskopijny magnes. Przyzwyczailiśmy się, że wektor magnesu (spin) jest skierowany w górę lub w dół. Ale elektron lub foton znowu mówi nam: „Chłopaki, nie obchodzi nas, do czego jesteście przyzwyczajeni, możemy znajdować się w obu stanach spinu jednocześnie (wektor w górę, wektor w dół), tak samo jak możemy być na 2 trajektoriach w w tym samym czasie lub w 2 punktach jednocześnie!

Co to jest „pomiar” lub „załamanie funkcji falowej”?

Niewiele pozostało nam do zrozumienia, czym jest „pomiar” i czym jest „załamanie funkcji falowej”.

Funkcja falowa jest opisem stanu obiektu kwantowego (naszego fotonu lub elektronu).

Załóżmy, że mamy elektron, leci on do siebie w stanie nieokreślonym jego obrót jest skierowany jednocześnie w górę i w dół. Musimy ocenić jego stan.

Zmierzmy za pomocą pola magnetycznego: elektrony, których spin był skierowany w stronę pola, będą odchylać się w jedną stronę, a elektrony, których spin jest skierowany w stronę pola - w drugą. Więcej fotonów można skierować do filtra polaryzacyjnego. Jeżeli spin (polaryzacja) fotonu wynosi +1, foton przechodzi przez filtr, natomiast jeśli wynosi -1, to nie.

Zatrzymywać się! Tutaj nieuchronnie będziesz mieć pytanie: Przed pomiarem elektron nie miał żadnego określonego kierunku spinu, prawda? Był we wszystkich stanach w tym samym czasie, prawda?

Na tym polega trik i sensacja mechaniki kwantowej. Dopóki nie mierzy się stanu obiektu kwantowego, może on obracać się w dowolnym kierunku (posiadać dowolny kierunek wektora własnego momentu pędu – spin). Ale w chwili, gdy mierzyłeś jego stan, wydaje się, że podejmuje on decyzję, który wektor spinowy przyjąć.

Ten obiekt kwantowy jest taki fajny - podejmuje decyzje o swoim stanie. Nie możemy też z góry przewidzieć, jaką decyzję podejmie, wlatując w pole magnetyczne, w którym go mierzymy. Prawdopodobieństwo, że zdecyduje się na wektor spinu „w górę” lub „w dół”, wynosi 50 do 50%. Ale gdy tylko podejmie decyzję, znajduje się w pewnym stanie z określonym kierunkiem wirowania. Powodem jego decyzji jest nasz „wymiar”!

To się nazywa " załamanie się funkcji falowej”. Funkcja falowa przed pomiarem była niepewna, tj. wektor spinu elektronu znajdował się jednocześnie we wszystkich kierunkach; po pomiarze elektron zarejestrował określony kierunek swojego wektora spinu.

Uwaga! Doskonałym przykładem zrozumienia jest skojarzenie z naszego makrokosmosu:

Zakręć monetą na stole jak bączkiem. Podczas gdy moneta się kręci, nie ma ona żadnego konkretnego znaczenia – orła czy reszki. Ale gdy tylko zdecydujesz się „zmierzyć” tę wartość i trzasniesz monetą ręką, wtedy poznasz konkretny stan monety – orzeł lub reszka. Teraz wyobraź sobie, że ta moneta decyduje, jaką wartość Ci „pokażesz” – orła czy reszkę. Elektron zachowuje się mniej więcej w ten sam sposób.

Przypomnij sobie teraz eksperyment pokazany na końcu kreskówki. Kiedy fotony przepuszczano przez szczeliny, zachowywały się jak fale i pokazywały na ekranie wzór interferencyjny. A kiedy naukowcy chcieli zarejestrować (zmierzyć) moment fotonów przelatujących przez szczelinę i umieścili „obserwatora” za ekranem, fotony zaczęły zachowywać się nie jak fale, ale jak cząstki. I „narysowali” na ekranie 2 pionowe paski. Te. W momencie pomiaru lub obserwacji obiekty kwantowe same wybierają, w jakim stanie powinny się znajdować.

Fantastyczny! Czyż nie?

Ale to nie wszystko. Wreszcie my Dotarliśmy do najciekawszej części.

Ale... wydaje mi się, że informacji będzie nadmiar, dlatego te 2 koncepcje rozważymy w osobnych postach:

• Co się stało ?
• Co to jest eksperyment myślowy.

Czy chcesz, aby informacje zostały uporządkowane? Obejrzyj dokument wyprodukowany przez Kanadyjski Instytut Fizyki Teoretycznej. W ciągu 20 minut zostaną w nim bardzo krótko i chronologicznie omówione wszystkie odkrycia fizyki kwantowej, począwszy od odkrycia Plancka w 1900 roku. A potem powiedzą ci, jakie praktyczne zmiany są obecnie przeprowadzane w oparciu o wiedzę z fizyki kwantowej: od najdokładniejszych zegarów atomowych po superszybkie obliczenia komputera kwantowego. Gorąco polecam obejrzenie tego filmu.

Do zobaczenia!

Życzę wszystkim inspiracji do realizacji wszelkich planów i projektów!

P.S.2 Napisz swoje pytania i przemyślenia w komentarzach. Napisz, jakie jeszcze pytania z fizyki kwantowej Cię interesują?

P.S.3 Subskrybuj bloga - formularz subskrypcji znajduje się pod artykułem.

Jeśli nagle zdałeś sobie sprawę, że zapomniałeś o podstawach i postulatach mechaniki kwantowej lub nawet nie wiesz, jaki to rodzaj mechaniki, to czas odświeżyć pamięć o tych informacjach. W końcu nikt nie wie, kiedy mechanika kwantowa może się przydać w życiu.

Na próżno uśmiechasz się i drwisz, myśląc, że nigdy w życiu nie będziesz musiał zajmować się tym tematem. Przecież mechanika kwantowa może przydać się niemal każdemu człowiekowi, nawet temu nieskończenie daleko od niej. Na przykład cierpisz na bezsenność. Dla mechaniki kwantowej nie stanowi to problemu! Przeczytaj podręcznik przed pójściem spać - a na trzeciej stronie zapadniesz w głęboki sen. Możesz też tak nazwać swój fajny zespół rockowy. Dlaczego nie?

Żarty na bok, zacznijmy poważną rozmowę kwantową.

Gdzie zacząć? Oczywiście zaczynając od tego, czym jest kwant.

Kwant

Kwant (od łacińskiego kwantu - „ile”) jest niepodzielną częścią jakiejś wielkości fizycznej. Mówią na przykład - kwant światła, kwant energii lub kwant pola.

Co to znaczy? Oznacza to, że po prostu nie może być mniej. Kiedy mówią, że pewna wielkość jest skwantowana, rozumieją, że wielkość ta przyjmuje pewną liczbę konkretnych, dyskretnych wartości. W ten sposób energia elektronu w atomie jest kwantyzowana, światło rozkłada się na „porcje”, czyli kwanty.

Sam termin „kwantowy” ma wiele zastosowań. Kwant światła (pole elektromagnetyczne) to foton. Przez analogię kwanty to cząstki lub kwazicząstki odpowiadające innym polom interakcji. Tutaj możemy przypomnieć sobie słynny bozon Higgsa, który jest kwantem pola Higgsa. Ale jeszcze nie wchodzimy do tych dżungli.

Jak mechanika może być kwantowa?

Jak już zauważyłeś, w naszej rozmowie wielokrotnie wspominaliśmy o cząstkach. Być może jesteś przyzwyczajony do faktu, że światło jest falą, która po prostu rozchodzi się z dużą prędkością Z . Ale jeśli spojrzeć na wszystko z punktu widzenia świata kwantowego, czyli świata cząstek, wszystko zmienia się nie do poznania.

Mechanika kwantowa to dział fizyki teoretycznej, składnik teorii kwantowej opisujący zjawiska fizyczne na najbardziej elementarnym poziomie – poziomie cząstek.

Efekt takich zjawisk jest wielkością porównywalną ze stałą Plancka, a klasyczna mechanika i elektrodynamika Newtona okazały się zupełnie nieodpowiednie do ich opisu. Na przykład, zgodnie z teorią klasyczną, elektron obracający się z dużą prędkością wokół jądra powinien wypromieniowywać energię i ostatecznie spaść na jądro. To, jak wiemy, tak się nie dzieje. Dlatego wymyślono mechanikę kwantową – odkryte zjawiska trzeba było jakoś wytłumaczyć, a okazała się właśnie teorią, w ramach której wyjaśnienie było jak najbardziej akceptowalne, a wszystkie dane eksperymentalne „zbiegały się”.

Przy okazji! Dla naszych czytelników mamy teraz 10% zniżki na

Trochę historii

Narodziny teorii kwantowej miały miejsce w 1900 roku, kiedy Max Planck przemawiał na posiedzeniu Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego. Co wtedy powiedział Planck? I fakt, że promieniowanie atomów jest dyskretne, a najmniejsza część energii tego promieniowania jest równa

Gdzie h jest stałą Plancka, nu jest częstotliwością.

Następnie Albert Einstein, wprowadzając pojęcie „kwantu światła”, wykorzystał hipotezę Plancka do wyjaśnienia efektu fotoelektrycznego. Niels Bohr postulował istnienie stacjonarnych poziomów energii w atomie, a Louis de Broglie rozwinął ideę dualności falowo-cząsteczkowej, to znaczy, że cząstka (korpuskuła) ma również właściwości falowe. Schrödinger i Heisenberg przyłączyli się do sprawy i w 1925 roku opublikowano pierwsze sformułowanie mechaniki kwantowej. W rzeczywistości mechanika kwantowa nie jest teorią kompletną; obecnie aktywnie się rozwija. Należy także uznać, że mechanika kwantowa wraz ze swoimi założeniami nie jest w stanie wyjaśnić wszystkich pytań, jakie przed nią stoją. Całkiem możliwe, że zostanie ona zastąpiona przez bardziej zaawansowaną teorię.

Podczas przejścia ze świata kwantowego do świata znanych nam rzeczy, prawa mechaniki kwantowej w naturalny sposób przekształcają się w prawa mechaniki klasycznej. Można powiedzieć, że mechanika klasyczna jest szczególnym przypadkiem mechaniki kwantowej, gdy akcja rozgrywa się w naszym znajomym i znajomym makroświecie. Tutaj ciała poruszają się spokojnie w nieinercyjnych układach odniesienia z prędkością znacznie mniejszą niż prędkość światła i ogólnie wszystko wokół jest spokojne i przejrzyste. Jeśli chcesz poznać położenie ciała w układzie współrzędnych, nie ma problemu; jeśli chcesz zmierzyć impuls, nie ma problemu.

Mechanika kwantowa ma zupełnie inne podejście do zagadnienia. W nim wyniki pomiarów wielkości fizycznych mają charakter probabilistyczny. Oznacza to, że gdy zmieni się określona wartość, możliwych jest kilka wyników, z których każdy ma określone prawdopodobieństwo. Podajmy przykład: moneta wiruje na stole. Kiedy się kręci, nie znajduje się w żadnym konkretnym stanie (reszka-reszka), a jedynie istnieje prawdopodobieństwo, że znajdzie się w jednym z tych stanów.

Tutaj stopniowo się zbliżamy Równanie Schrödingera I Zasada nieoznaczoności Heisenberga.

Według legendy Erwin Schrödinger w 1926 roku, przemawiając na seminarium naukowym na temat dualizmu falowo-cząsteczkowego, został skrytykowany przez pewnego starszego naukowca. Odmawiając słuchania starszych, po tym incydencie Schrödinger aktywnie zaczął opracowywać równanie falowe do opisu cząstek w ramach mechaniki kwantowej. I zrobił to znakomicie! Równanie Schrödingera (podstawowe równanie mechaniki kwantowej) to:

Ten typ równania, jednowymiarowe stacjonarne równanie Schrödingera, jest najprostszy.

Tutaj x to odległość lub współrzędna cząstki, m to masa cząstki, E i U to odpowiednio jej energia całkowita i potencjalna. Rozwiązaniem tego równania jest funkcja falowa (psi)

Funkcja falowa to kolejne podstawowe pojęcie w mechanice kwantowej. Zatem każdy układ kwantowy będący w pewnym stanie ma funkcję falową opisującą ten stan.

Na przykład, przy rozwiązywaniu jednowymiarowego stacjonarnego równania Schrödingera funkcja falowa opisuje położenie cząstki w przestrzeni. Dokładniej, prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w określonym punkcie przestrzeni. Innymi słowy, Schrödinger pokazał, że prawdopodobieństwo można opisać równaniem falowym! Zgadzam się, powinniśmy byli o tym pomyśleć wcześniej!

Ale dlaczego? Po co mamy zajmować się tymi niezrozumiałymi prawdopodobieństwami i funkcjami falowymi, skoro wydawałoby się, że nie ma nic prostszego niż po prostu zmierzyć odległość do cząstki lub jej prędkość.

Wszystko jest bardzo proste! I rzeczywiście, w makrokosmosie rzeczywiście tak jest – odległości mierzymy z pewną dokładnością za pomocą miarki, a o błędzie pomiaru decyduje charakterystyka urządzenia. Z drugiej strony możemy niemal dokładnie określić naocznie odległość do przedmiotu, na przykład do stołu. W każdym razie dokładnie różnicujemy jego położenie w pomieszczeniu względem nas i innych obiektów. W świecie cząstek sytuacja jest zasadniczo odmienna – po prostu fizycznie nie mamy narzędzi pomiarowych, które pozwalałyby na dokładne zmierzenie wymaganych ilości. W końcu przyrząd pomiarowy ma bezpośredni kontakt z mierzonym przedmiotem, a w naszym przypadku zarówno przedmiot, jak i przyrząd są cząstkami. To właśnie ta niedoskonałość, zasadnicza niemożność uwzględnienia wszystkich czynników działających na cząstkę, a także sam fakt zmian stanu układu pod wpływem pomiaru, leżą u podstaw zasady nieoznaczoności Heisenberga.

Podajmy jego najprostsze sformułowanie. Wyobraźmy sobie, że istnieje pewna cząstka i chcemy poznać jej prędkość i współrzędne.

W tym kontekście zasada nieoznaczoności Heisenberga stwierdza, że ​​nie da się jednocześnie dokładnie zmierzyć położenia i prędkości cząstki. . Matematycznie jest to zapisane w ten sposób:

Tutaj delta x jest błędem w określeniu współrzędnej, delta v jest błędem w określeniu prędkości. Podkreślmy, że zasada ta mówi, że im dokładniej określimy współrzędną, tym mniej dokładnie poznamy prędkość. A jeśli określimy prędkość, nie będziemy mieli zielonego pojęcia, gdzie znajduje się cząstka.

Istnieje wiele dowcipów i anegdot na temat zasady nieoznaczoności. Oto jeden z nich:

Policjant zatrzymuje fizyka kwantowego.
- Sir, czy wiesz, jak szybko się poruszałeś?
- Nie, ale wiem dokładnie gdzie jestem.

I oczywiście przypominamy! Jeśli nagle z jakiegoś powodu rozwiązanie równania Schrödingera dla cząstki w studni potencjału nie pozwala ci zasnąć, zwróć się do profesjonalistów, którzy wychowali się z mechaniką kwantową na ustach!