Podstawy fizyki kwantowej: pojęcia, prawa, związek ze świadomością. Fizyka kwantowa dla manekinów. Czym jest fizyka kwantowa: istota w prostych słowach

Jeśli nagle zorientujesz się, że zapomniałeś o podstawach i postulatach mechanika kwantowa lub nawet nie wiesz, co to za mechanika, 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 zaśniesz najspokojniejszy sen Jest już na trzeciej stronie. 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 kwantowana, światło rozkłada się na „porcje”, czyli kwanty.

Sam termin „kwantowy” ma wiele zastosowań. Kwant światła ( elektro pole magnetyczne) jest fotonem. 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 jest gałęzią fizyki teoretycznej, składnikiem teoria kwantowa, 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 według teoria klasyczna Elektron obracający się z dużą prędkością wokół jądra musi 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 dualizmu falowo-cząsteczkowego, to znaczy, że cząstka (korpuskuła) również ma właściwości fal. 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 szczególny przypadek mechanika kwantowa, gdy akcja rozgrywa się w naszym znajomym i znajomym makroświecie. Tutaj ciała poruszają się spokojnie w nieinercjalnych 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 - najprostsze.

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

Funkcja falowa– 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! 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 zmiany stanu układu pod wpływem pomiaru, leży 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 następujący 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 spać, skontaktuj się z profesjonalistami, którzy wychowywali się w takich sytuacjach mechanika kwantowa na ustach!

Witajcie drodzy czytelnicy. Jeśli nie chcesz zostać w tyle za życiem, być naprawdę szczęśliwym i zdrowym człowiekiem, powinieneś poznać tajniki kwantowości współczesna fizyka, przynajmniej mieć choć małe pojęcie, w jakie głębiny wszechświata kopali dziś naukowcy. Nie masz czasu na wnikanie w głębokie naukowe szczegóły, chcesz zrozumieć tylko istotę, ale dostrzec piękno nieznanego świata, to ten artykuł: Fizyka kwantowa dla zwykłe czajniki lub możesz powiedzieć dla gospodyń domowych tylko dla ciebie. Spróbuję wyjaśnić, czym jest fizyka kwantowa, ale prostymi słowami, aby pokazać to jasno.

„Jaki jest związek między szczęściem, zdrowiem i fizyką kwantową?”, pytacie.

Faktem jest, że pomaga odpowiedzieć na wiele niejasnych pytań związanych ze świadomością człowieka i wpływem świadomości na organizm. Niestety medycyna, oparta na fizyce klasycznej, nie zawsze pomaga nam zachować zdrowie. Ale psychologia nie jest w stanie właściwie powiedzieć, jak znaleźć szczęście.

Tylko głębsza wiedza o świecie pomoże nam zrozumieć, jak naprawdę radzić sobie z chorobą i gdzie kryje się szczęście. Wiedzę tę można znaleźć w głębokich warstwach Wszechświata. Z pomocą przychodzi nam fizyka kwantowa. Wkrótce będziesz wiedział wszystko.

Co bada fizyka kwantowa w prostych słowach

Tak, fizyka kwantowa jest rzeczywiście bardzo trudna do zrozumienia, ponieważ bada prawa mikroświata. Oznacza to, że świat znajduje się w głębszych warstwach, w bardzo małych odległościach, gdzie człowiekowi bardzo trudno jest zobaczyć.

A świat, jak się okazuje, zachowuje się tam bardzo dziwnie, tajemniczo i niezrozumiałie, inaczej niż do tego jesteśmy przyzwyczajeni.

Stąd cała złożoność i nieporozumienia Fizyka kwantowa.

Ale po przeczytaniu tego artykułu poszerzysz horyzonty swojej wiedzy i spojrzysz na świat w zupełnie inny sposób.

Krótka historia fizyki kwantowej

Wszystko zaczęło się na początku XX wieku, kiedy fizyka newtonowska nie potrafiła wyjaśnić wielu rzeczy, a naukowcy znaleźli się w ślepym zaułku. Następnie Max Planck wprowadził pojęcie kwantu. Albert Einstein podchwycił ten pomysł i udowodnił, że światło nie przemieszcza się w sposób ciągły, ale porcjami – kwantami (fotonami). Wcześniej uważano, że światło ma naturę falową.

Ale jak się później okazało, każda cząstka elementarna jest nie tylko kwantem, czyli cząstką stałą, ale także falą. Tak pojawił się dualizm korpuskularno-falowy w fizyce kwantowej, pierwszy paradoks i początek odkryć tajemnicze zjawiska mikroświat.

Najciekawsze paradoksy zaczęły się kiedy słynny eksperyment z dwoma rozcięciami, po których było jeszcze wiele tajemnic. Można powiedzieć, że fizyka kwantowa zaczęła się od niego. Spójrzmy na to.

Eksperyment z podwójną szczeliną w fizyce kwantowej

Wyobraź sobie talerz z dwoma nacięciami w formie pionowych pasków. Za tą płytą umieścimy ekran. Jeśli skierujemy światło na płytkę, na ekranie zobaczymy wzór interferencyjny. Oznacza to, że naprzemienne ciemne i jasne pionowe paski. Interferencja jest wynikiem zachowania falowego czegoś, w naszym przypadku światła.

Jeśli przepuścisz falę wody przez dwa znajdujące się obok siebie otwory, zrozumiesz, czym jest interferencja. Oznacza to, że światło ma charakter falowy. Ale jak udowodniła fizyka, a raczej Einstein, rozprzestrzenia się ona za pomocą cząstek fotonów. Już paradoks. Ale to nic, dualizm korpuskularno-falowy nie będzie już dla nas zaskoczeniem. Fizyka kwantowa mówi nam, że światło zachowuje się jak fala, ale składa się z fotonów. Ale cuda dopiero się zaczynają.

Umieśćmy pistolet przed płytką z dwiema szczelinami, które będą emitować elektrony, a nie światło. Zacznijmy strzelać elektronami. Co zobaczymy na ekranie za talerzem?

Elektrony są cząstkami, co oznacza, że ​​przepływ elektronów przechodzących przez dwie szczeliny powinien pozostawić na ekranie tylko dwa paski, dwa ślady naprzeciw szczelin. Wyobraź sobie kamyki przelatujące przez dwie szczeliny i uderzające w ekran?

Ale co tak naprawdę widzimy? Ten sam wzór interferencji. Jaki jest wniosek: elektrony poruszają się falami. Zatem elektrony są falami. Ale to jest cząstka elementarna. Znowu dualizm korpuskularno-falowy w fizyce.

Możemy jednak założyć, że na głębszym poziomie elektron jest cząstką i kiedy te cząstki spotykają się, zaczynają zachowywać się jak fale. Na przykład fala morska jest falą, ale składa się z kropel wody, a na mniejszym poziomie cząsteczek, a następnie atomów. OK, logika jest solidna.

Następnie strzelajmy z pistoletu nie strumieniem elektronów, ale wypuszczajmy elektrony osobno, po pewnym czasie. To tak, jakbyśmy nie przepuszczali fali morskiej przez szczeliny, ale wypluwali pojedyncze krople z dziecięcego pistoletu na wodę.

Jest całkiem logiczne, że w tym przypadku różne krople wody wpadną do różnych pęknięć. Na ekranie za płytą nie widać było wzoru interferencyjnego fali, ale dwa wyraźne paski powstałe w wyniku uderzenia naprzeciw każdej szczeliny. Zobaczymy to samo: jeśli rzucisz małe kamienie, przelatując przez dwie szczeliny, pozostawią ślad, jak cień z dwóch dziur. Wystrzelmy teraz pojedyncze elektrony, aby zobaczyć te dwie smugi na ekranie powstałe po uderzeniach elektronów. Wypuścili jednego, czekali, drugiego, czekali i tak dalej. Naukowcy zajmujący się fizyką kwantową byli w stanie przeprowadzić taki eksperyment.

Ale horror. Zamiast tych dwóch pasm uzyskuje się te same naprzemienności interferencyjne kilku pasm. Jak to? Mogłoby się to zdarzyć, gdyby elektron przeleciał przez dwie szczeliny jednocześnie, a za płytką niczym fala zderzył się sam ze sobą i interferował. Ale to nie może się zdarzyć, ponieważ cząstka nie może znajdować się w dwóch miejscach jednocześnie. Przelatuje albo przez pierwszą szczelinę, albo przez drugą.

Tutaj zaczynają się naprawdę fantastyczne rzeczy w fizyce kwantowej.

Superpozycja w fizyce kwantowej

Po głębszej analizie naukowcy dowiadują się, że każdy elementarny cząstka kwantowa lub to samo światło (foton) może w rzeczywistości znajdować się w kilku miejscach jednocześnie. I to nie są cuda, ale prawdziwe fakty mikroświat. Fizyka kwantowa tak mówi. Dlatego też, kiedy wystrzeliwujemy pojedynczą cząstkę z armaty, widzimy efekt interferencji. Za płytką elektron zderza się ze sobą i tworzy wzór interferencyjny.

Wspólne nam obiekty makrokosmosu znajdują się zawsze w jednym miejscu i mają jeden stan. Na przykład siedzisz teraz na krześle, ważysz powiedzmy 50 kg i masz tętno 60 uderzeń na minutę. Oczywiście te odczyty będą się zmieniać, ale po pewnym czasie się zmienią. Przecież nie można być jednocześnie w domu i w pracy, ważyć 50 i 100 kg. Wszystko to jest zrozumiałe, jest to zdrowy rozsądek.

W fizyce mikroświata wszystko jest inne.

Mechanika kwantowa stwierdza, co zostało już potwierdzone eksperymentalnie, że każda cząstka elementarna może jednocześnie znajdować się nie tylko w kilku punktach przestrzeni, ale także posiadać jednocześnie kilka stanów, np. spin.

Wszystko to kręci umysł, podważa zwykłe rozumienie świata, stare prawa fizyki, wywraca myślenie do góry nogami, można śmiało powiedzieć, doprowadza do szaleństwa.

W ten sposób rozumiemy termin „superpozycja” w mechanice kwantowej.

Superpozycja oznacza, że ​​obiekt mikroświata może jednocześnie znajdować się w różnych punktach przestrzeni, a także posiadać kilka stanów jednocześnie. A to jest normalne dla cząstek elementarnych. Takie jest prawo mikroświata, niezależnie od tego, jak dziwne i fantastyczne może się to wydawać.

Jesteś zaskoczony, ale to dopiero początki, najbardziej niewytłumaczalne cuda, tajemnice i paradoksy fizyki kwantowej dopiero nadejdą.

Załamanie funkcji falowej w fizyce w prostych słowach

Następnie naukowcy postanowili dowiedzieć się i dokładniej sprawdzić, czy elektron faktycznie przechodzi przez obie szczeliny. Nagle przechodzi przez jedną szczelinę, a potem w jakiś sposób rozdziela się i podczas przechodzenia przez nią tworzy wzór interferencyjny. Cóż, nigdy nie wiadomo. Oznacza to, że w pobliżu szczeliny należy umieścić jakieś urządzenie, które dokładnie rejestruje przejście elektronu przez nią. Nie wcześniej powiedziane, niż zrobione. Oczywiście jest to trudne; nie potrzebujesz urządzenia, ale czegoś innego, aby zobaczyć przejście elektronu. Ale naukowcy to zrobili.

Ale ostatecznie wynik zaskoczył wszystkich.

Gdy tylko zaczniemy patrzeć, przez którą szczelinę przechodzi elektron, zaczyna on zachowywać się nie jak fala, nie jak dziwna substancja, która jednocześnie znajduje się w różnych punktach przestrzeni, ale jak zwykła cząstka. Oznacza to, że kwant zaczyna wykazywać określone właściwości: znajduje się tylko w jednym miejscu, przechodzi przez jedną szczelinę i ma jedną wartość spinu. Na ekranie nie pojawia się wzór interferencyjny, ale prosty ślad naprzeciw szczeliny.

Ale jak to możliwe? To tak, jakby elektron żartował, bawiąc się z nami. Na początku zachowuje się jak fala, a potem, gdy postanowiliśmy przyjrzeć się jej przejściu przez szczelinę, wykazuje właściwości cząstki stałej i przechodzi tylko przez jedną szczelinę. Ale tak to jest w mikrokosmosie. Takie są prawa fizyki kwantowej.

Naukowcy zaobserwowali kolejną tajemniczą właściwość cząstek elementarnych. W ten sposób w fizyce kwantowej pojawiły się pojęcia niepewności i załamania funkcji falowej.

Kiedy elektron leci do szczeliny, znajduje się w stanie nieokreślonym lub, jak powiedzieliśmy powyżej, w superpozycji. Oznacza to, że zachowuje się jak fala, znajduje się jednocześnie w różnych punktach przestrzeni i ma jednocześnie dwie wartości spinu (spin ma tylko dwie wartości). Gdybyśmy go nie dotknęli, gdybyśmy nie próbowali mu się przyjrzeć, gdybyśmy nie dowiedzieli się dokładnie, gdzie się znajduje, gdybyśmy nie zmierzyli wartości jego spinu, przepłynąłby jak fala przez dwie szczeliny jednocześnie , co oznacza, że ​​utworzyłby wzór interferencyjny. Fizyka kwantowa opisuje jego trajektorię i parametry za pomocą funkcji falowej.

Kiedy już dokonamy pomiaru (a cząstkę mikroświata można zmierzyć jedynie wchodząc z nią w interakcję, np. zderzając z nią inną cząstkę), wówczas następuje załamanie funkcji falowej.

Oznacza to, że teraz elektron znajduje się dokładnie w jednym miejscu w przestrzeni i ma jedną wartość spinu.

Można powiedzieć, że cząstka elementarna jest jak duch, wydaje się, że istnieje, ale jednocześnie nie jest w jednym miejscu i może z pewnym prawdopodobieństwem trafić w dowolne miejsce w obrębie opisu funkcji falowej. Ale gdy tylko zaczniemy się z nim kontaktować, zmienia się z upiornego obiektu w prawdziwą namacalną substancję, która zachowuje się jak zwykłe, znane nam przedmioty klasycznego świata.

„To fantastyczne” – powiesz. Oczywiście, ale cuda fizyki kwantowej dopiero się zaczynają. Najbardziej niesamowite dopiero przed nami. Ale odpocznijmy trochę od natłoku informacji i wróćmy do przygód kwantowych innym razem, w innym artykule. W międzyczasie zastanów się nad tym, czego się dzisiaj nauczyłeś. Do czego mogą prowadzić takie cuda? Przecież nas otaczają, jest to własność naszego świata, choć na głębszym poziomie. I wciąż myślimy, że w nim żyjemy nudny świat? Ale wnioski wyciągniemy później.

Starałem się krótko i jasno opowiedzieć o podstawach fizyki kwantowej.

Ale jeśli czegoś nie rozumiesz, to obejrzyj tę kreskówkę o fizyce kwantowej, o eksperymencie z podwójną szczeliną, tam też wszystko jest wyjaśnione jasnym, prostym językiem.

Animacja o fizyce kwantowej:

Możesz też obejrzeć ten film, wszystko się ułoży, fizyka kwantowa jest bardzo interesująca.

Film o fizyce kwantowej:

I jak to możliwe, że nie wiedziałeś o tym wcześniej?

Współczesne odkrycia w fizyce kwantowej zmieniają nasz znany świat materialny.

W tym artykule podamy przydatne porady na studiach fizyka kwantowa dla manekinów. Odpowiedzmy sobie, jakie powinno być podejście nauka fizyki kwantowej dla początkujących.

Fizyka kwantowa- To dość złożona dyscyplina, której opanowanie nie jest łatwe dla każdego. Niemniej jednak fizyka jako przedmiot jest interesująca i przydatna, dlatego fizyka kwantowa (http://www.cyberforum.ru/quantum-physics/) znajduje swoich fanów, którzy są gotowi ją studiować i ostatecznie uzyskać praktyczne korzyści. Aby ułatwić naukę materiału, trzeba zacząć od samego początku, czyli od najprostszych podręczników do fizyki kwantowej dla początkujących. Dzięki temu uzyskasz dobrą podstawę do wiedzy, a jednocześnie dobrze ustrukturyzujesz swoją wiedzę w głowie.

Wyruszać samokształcenie potrzebujesz dobrej literatury. To właśnie literatura decyduje o procesie zdobywania wiedzy i zapewnia jej jakość. Mechanika kwantowa jest szczególnie interesująca i wielu rozpoczyna od niej swoje studia. Fizykę powinien znać każdy, bo jest to nauka o życiu, która wyjaśnia wiele procesów i czyni je zrozumiałymi dla innych.

Pamiętaj, że rozpoczynając naukę fizyki kwantowej, musisz posiadać wiedzę z zakresu matematyki i fizyki, bo bez nich po prostu sobie nie poradzisz. Dobrze będzie, jeśli będziesz mieć możliwość skontaktowania się ze swoim nauczycielem, aby znaleźć odpowiedzi na swoje pytania. Jeśli nie jest to możliwe, możesz spróbować wyjaśnić sytuację na specjalistycznych forach. Fora mogą być również bardzo przydatne w nauce.

Decydując się na wybór podręcznika, musisz być przygotowany na to, że jest on dość skomplikowany i będziesz musiał go nie tylko przeczytać, ale zagłębić się we wszystko, co jest w nim napisane. Aby na koniec szkolenia nie mieć wrażenia, że ​​to wszystko jest dla kogokolwiek niepotrzebną wiedzą, staraj się za każdym razem łączyć teorię z praktyką. Ważne jest również, aby z góry określić cel, dla którego zacząłeś uczyć się fizyki kwantowej, aby zapobiec pojawieniu się myśli o bezużyteczności zdobytej wiedzy. Ludzie dzielą się na dwie kategorie: ludzi, którzy uważają fizykę kwantową za interesujący i przydatny przedmiot, oraz tych, którzy tak nie uważają. Wybierz sam, do której kategorii należysz i na tej podstawie określ, czy fizyka kwantowa ma miejsce w Twoim życiu, czy nie. Zawsze możesz pozostać na poziomie początkującym w studiowaniu fizyki kwantowej lub możesz osiągnąć prawdziwy sukces, wszystko jest w twoich rękach.

Przede wszystkim wybierz naprawdę interesujące i wysokiej jakości materiały w fizyce. Niektóre z nich można znaleźć, korzystając z poniższych linków.
I to wszystko na teraz! Studiuj fizykę kwantową w ciekawy sposób i nie bądź głupcem!

Prawdopodobnie słyszeliście to wiele razy O niewyjaśnione tajemnice fizyka kwantowa i mechanika kwantowa. 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 fizyka kwantowa i mechanika kwantowa?
• Co to jest interferencja?
• Co się stało splątanie kwantowe(lub teleportacja kwantowa dla manekinów)? (zobacz artykuł)
• Co się stało eksperyment myślowy„Kot Shroedingera”? (zobacz artykuł)

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 rozmyty 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 był 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 nagroda Nobla za odkrycie, że światło jest emitowane 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 cząsteczki (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 cząstki elementarne materii i nie powinien mieć charakteru falowego, ale taki sam 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 mała cząstka - foton (z informacje historyczne 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”? To znaczy, kiedy mówimy o o bardzo małych cząsteczkach (atomach, elektronach) mikroświata 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) „pływa” jednocześnie przez 2 szczeliny
• 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?

Oto 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 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. Za 20 minut jest bardzo krótki i porządek chronologiczny Opowiedzą ci o wszystkich odkryciach 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 komputer kwantowy. 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.

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 pomoc techniczna„połączony”, gdzie grzeczny robot informuje Cię, że gwarancja na wehikuł czasu wynosi 100 lat i za ich czasów jest on w pełni sprawny, a w 62342 otrzymałeś kwotę milionów groszy, których nie da się wymówić przez mechanizm ludzkiej mowy, za plan ratalny, który nigdy nie został spłacony.

Błogosław i ratuj! Panie, dziękujemy, że żyjemy w tej zdziesiątkowanej niedźwiedziej przeszłości, gdzie takie zdarzenia są niemożliwe!
...Chociaż nie! Tylko większość tych dużych odkrycia naukowe nie dają tak epickich 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, eksplodował na morzu i nigdy nie wywołał reakcji łańcuchowej fuzja termojądrowa jądra wodoru i nie zamieniły nas w kolejne słońce. Zderzacz Hadronów nie wywrócił planety na lewą stronę ani nie wciągnął całego świata w czarną dziurę. Sztuczna inteligencja już powstał, ale on tylko drwi z idei zagłady 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 tworzenia Skuteczne środki ochrona 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 wrażliwy element urządzenia - tranzystor - był przynajmniej częściowo w najbliższej przyszłości. I wtedy z pomocą przyszło niedawno zjawisko otwarte superpozycja kwantowa. Znaczenie tego jest takie, że w środku może znajdować się ta sama cząstka różne miejsca i razy jednocześnie.

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.