Noções básicas de física quântica em resumo. Física quântica para manequins! Os melhores experimentos. Teoria quântica de campos

A palavra “física” vem do grego “fusis”. Significa "natureza". Aristóteles, que viveu no século IV aC, foi o primeiro a introduzir este conceito.

A física tornou-se “russa” por instigação de M.V. Lomonosov, quando ele traduziu o primeiro livro do alemão.

Física científica

A física é uma das principais coisas do mundo que nos rodeia, vários processos, mudanças, ou seja, fenômenos acontecem constantemente.

Por exemplo, um pedaço de gelo em um local quente começará a derreter. E a água da chaleira ferve no fogo. Uma corrente elétrica que passa pelo fio irá aquecê-lo e até aquecê-lo. Cada um desses processos é um fenômeno. Na física, são mudanças mecânicas, magnéticas, elétricas, sonoras, térmicas e luminosas estudadas pela ciência. Eles também são chamados de fenômenos físicos. Ao examiná-los, os cientistas derivam leis.

A tarefa da ciência é descobrir essas leis e estudá-las. A natureza é estudada por ciências como biologia, geografia, química e astronomia. Todos eles aplicam leis físicas.

Termos

Além das usuais, a física também utiliza palavras especiais chamadas termos. Isto é “energia” (em física é uma medida das diferentes formas de interação e movimento da matéria, bem como a transição de uma para outra), “força” (uma medida da intensidade da influência de outros corpos e campos em qualquer corpo) e muitos outros. Alguns deles gradualmente entraram no discurso coloquial.

Por exemplo, quando usamos a palavra “energia” na vida cotidiana para nos referirmos a uma pessoa, podemos avaliar as consequências de suas ações, mas a energia na física é uma medida estudada de muitas maneiras diferentes.

Todos os corpos na física são chamados de físicos. Eles têm volume e forma. São constituídos por substâncias, que, por sua vez, são um dos tipos de matéria - é tudo o que existe no Universo.

Experimentos

Muito do que as pessoas sabem foi aprendido através da observação. Para estudar os fenômenos, eles são constantemente observados.

Vejamos, por exemplo, a queda de vários corpos no chão. É necessário descobrir se esse fenômeno difere quando corpos de massas desiguais, alturas diferentes e assim por diante caem. Esperar e observar diferentes organismos seria muito longo e nem sempre bem sucedido. Portanto, experimentos são realizados para tais fins. Diferem das observações, pois são implementadas especificamente de acordo com um plano pré-traçado e com objetivos específicos. Normalmente no plano eles fazem alguns palpites antecipadamente, ou seja, apresentam hipóteses. Assim, durante os experimentos eles serão refutados ou confirmados. Depois de pensar e explicar os resultados dos experimentos, são tiradas conclusões. É assim que o conhecimento científico é obtido.

Quantidades e unidades de medida

Muitas vezes, ao estudar algo, eles realizam medições diferentes. Quando um corpo cai, por exemplo, são medidos altura, massa, velocidade e tempo. Tudo isso é algo que pode ser medido.

Medir uma quantidade significa compará-la com a mesma quantidade, que é tomada como unidade (o comprimento de uma mesa é comparado com uma unidade de comprimento - um metro ou outra). Cada uma dessas quantidades tem suas próprias unidades.

Todos os países tentam usar unidades comuns. Na Rússia, como em outros países, é utilizado o Sistema Internacional de Unidades SI (que significa “sistema internacional”). Ele usa as seguintes unidades:

• comprimento (característica do comprimento das linhas em termos numéricos) - metro;
• tempo (curso dos processos, condição de possível mudança) - segundo;
• massa (na física esta é uma característica que determina as propriedades inertes e gravitacionais da matéria) - quilograma.

Muitas vezes é necessário usar unidades muito maiores do que as geralmente aceitas - múltiplos. Eles são chamados com os prefixos correspondentes do grego: “deca”, “hecto”, “quilo” e assim por diante.

Unidades menores que as aceitas são chamadas de submúltiplos. Para eles são usados ​​prefixos da língua latina: “deci”, “santi”, “milli” e assim por diante.

Instrumentos de medição

Para realizar experimentos, você precisa de instrumentos. Os mais simples deles são régua, cilindro, fita métrica e outros. Com o desenvolvimento da ciência, novos instrumentos são aprimorados, tornam-se mais complexos e surgem: voltímetros, termômetros, cronômetros e outros.

Basicamente, os dispositivos possuem uma escala, ou seja, divisões de linhas nas quais os valores são escritos. Antes da medição, determine o valor da divisão:

• pegue duas linhas da escala com valores;
• o menor é subtraído do maior e o número resultante é dividido pelo número de divisões entre eles.

Por exemplo, dois traços com os valores “vinte” e “trinta”, cuja distância é dividida em dez espaços. Neste caso, o preço da divisão será igual a um.

Medições precisas e com erro

As medições são realizadas com mais ou menos precisão. A imprecisão permitida é chamada de erro. Ao medir, não pode ser maior que o valor da divisão do dispositivo de medição.

A precisão depende do valor da divisão e do uso adequado do dispositivo. Mas no final, em qualquer medição, apenas valores aproximados são obtidos.

Física teórica e experimental

Estes são os principais ramos da ciência. Pode parecer que estão muito distantes um do outro, especialmente porque a maioria das pessoas são teóricos ou experimentalistas. No entanto, eles se desenvolvem constantemente lado a lado. Qualquer problema é considerado tanto por teóricos quanto por experimentadores. O trabalho do primeiro é descrever dados e derivar hipóteses, enquanto o segundo testa teorias na prática, conduzindo experimentos e obtendo novos dados. Às vezes, as conquistas são causadas apenas por experimentos, sem teorias descritas. Em outros casos, ao contrário, é possível obter resultados que serão verificados posteriormente.

Física quântica

Essa direção teve origem no final de 1900, quando foi descoberta uma nova constante física fundamental, chamada constante de Planck em homenagem ao físico alemão que a descobriu, Max Planck. Ele resolveu o problema da distribuição espectral da luz emitida por corpos aquecidos, enquanto a física geral clássica não conseguiu fazer isso. Planck propôs uma hipótese sobre a energia quântica do oscilador, que era incompatível com a física clássica. Graças a ela, muitos físicos começaram a revisar velhos conceitos e alterá-los, daí surgiu a física quântica. Esta é uma ideia completamente nova do mundo.

e consciência

O fenômeno da consciência humana não é inteiramente novo do ponto de vista. Sua fundação foi lançada por Jung e Pauli. Mas só agora, com o surgimento dessa nova direção da ciência, o fenômeno passou a ser considerado e estudado em maior escala.

O mundo quântico é multifacetado e multidimensional, contém muitas faces e projeções clássicas.

As duas propriedades principais no âmbito do conceito proposto são a superintuição (ou seja, receber informações como se viessem do nada) e o controle da realidade subjetiva. Na consciência comum, uma pessoa pode ver apenas uma imagem do mundo e não é capaz de considerar duas ao mesmo tempo. Embora, na realidade, haja um grande número deles. Tudo isso junto é o mundo quântico e a luz.

Esta é a física quântica que nos ensina a ver uma nova realidade para os humanos (embora muitas religiões orientais, bem como mágicos, sejam há muito proficientes nesta técnica). Só é necessário mudar a consciência humana. Agora o homem é inseparável do mundo inteiro, mas os interesses de todos os seres vivos são levados em consideração.

É então, mergulhando num estado em que ele é capaz de ver todas as alternativas, que lhe chega o insight, que é a verdade absoluta.

O princípio da vida do ponto de vista da física quântica é que uma pessoa, entre outras coisas, contribua para uma ordem mundial melhor.

Devolução de um carro na garantia ou física quântica para manequins.

Digamos que o ano seja 3006. Você vai ao “conectado” e compra uma máquina do tempo chinesa econômica em parcelas de 600 anos. Você quer fugir com uma semana de antecedência para vencer o escritório da casa de apostas? Antecipando um grande jackpot, você digita freneticamente a data de chegada na caixa de plástico azul...

E aqui está a risada: nele, o conversor Nikadim-chronon queima imediatamente. A máquina, emitindo um guincho agonizante, joga você no ano 62342. A humanidade foi dividida em costas e barbeados e espalhada por galáxias distantes. O sol foi vendido a alienígenas, a Terra é governada por gigantescos vermes de silício radioativos. A atmosfera é uma mistura de flúor e cloro. Temperatura menos 180 graus. O solo sofreu erosão e você também caiu em um penhasco de cristais de fluorita a cerca de quinze metros de distância. Em sua última expiração, você exerce seu direito galáctico civil de uma chamada intertemporal em seu chaveiro. Ligue para o centro de suporte técnico do “mensageiro”, onde um robô educado avisa que a garantia da máquina do tempo é de 100 anos e na época ela está totalmente funcionando, e em 62342 você recebeu uma quantia de milhões de centavos impronunciável pelo mecanismo de fala humana por nunca ser pago em parcelas.

Salve e economize! Senhor, obrigado por vivermos neste passado dizimado e baixista, onde tais incidentes são impossíveis!
...Embora não! Acontece que a maioria das grandes descobertas científicas não produz resultados tão épicos como imaginam vários escritores de ficção científica.

Os lasers não queimam cidades e planetas - eles registram e transmitem informações e divertem os alunos. A nanotecnologia não transforma o universo numa horda auto-replicante de nanorrobôs. Eles tornam a capa de chuva mais impermeável e o concreto mais durável. Uma bomba atômica explodida no mar nunca iniciou uma reação em cadeia de fusão termonuclear de núcleos de hidrogênio e nos transformou em outro sol. O Colisor de Hádrons não virou o planeta do avesso nem arrastou o mundo inteiro para um buraco negro. A inteligência artificial já foi criada, mas apenas zomba da ideia de destruir a humanidade.
A Máquina do Tempo não é exceção. O fato é que foi criado em meados do século passado. Ele foi construído não como um fim em si mesmo, mas apenas como uma ferramenta para criar um dispositivo pequeno, indefinido, mas notável.

Certa vez, o professor Dmitry Nikolaevich Grachev ficou muito intrigado com a questão da criação de meios eficazes de proteção contra a radiação de rádio. À primeira vista, a tarefa parecia impossível - o dispositivo deveria responder a cada onda de rádio com a sua própria e ao mesmo tempo não estar vinculado de forma alguma à fonte do sinal (já que era inimiga). Certa vez, Dmitry Nikolaevich observou crianças jogando “queima” no quintal. O jogador mais rápido que desviar da bola com mais eficácia vence o jogo. Isto requer coordenação e, mais importante ainda, a capacidade de prever a trajetória da bola.

A capacidade de prever é determinada pelo recurso computacional. Mas, no nosso caso, aumentar os recursos computacionais não levará a nada. Mesmo os supercomputadores mais modernos não terão velocidade e precisão suficientes para isso. Estávamos falando sobre prever um processo espontâneo com a velocidade de meio ciclo de uma onda de rádio de micro-ondas.

O professor pegou a bola que havia voado para o mato e jogou de volta para as crianças. Por que prever para onde a bola vai quando ela já chegou? Foi encontrada uma solução: as características do sinal de rádio de entrada desconhecido são bem conhecidas no futuro próximo e simplesmente não há necessidade de calculá-las. Basta medi-los ali mesmo. Mas aqui está o problema: é impossível avançar no tempo, mesmo que seja por um nanossegundo. No entanto, isso não era necessário para a tarefa em questão. É necessário apenas que o elemento sensível do dispositivo - o transistor - esteja pelo menos parcialmente em um futuro próximo. E aqui o fenômeno recentemente descoberto da superposição quântica veio em socorro. Seu significado é que a mesma partícula pode estar em lugares e horários diferentes ao mesmo tempo.

Como resultado, o professor Grachev criou uma armadilha quântica de elétrons orientada para massa - uma máquina em tempo real, na qual um chip semicondutor foi criado pela primeira vez, alguns dos elétrons dos quais estão no futuro e ao mesmo tempo no presente . Um protótipo do mesmo TMA - um chip que controla o ressonador Grachev. Você poderia dizer que essa coisa sempre terá um pé no futuro.

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Este termo tem outros significados, consulte Estado estacionário. Um estado estacionário (do latim stationarius parado, imóvel) é o estado de um sistema quântico no qual sua energia e outras dinâmicas ... Wikipedia

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Livros

• Física quântica, Martinson Leonid Karlovich. O material teórico e experimental subjacente à física quântica é apresentado em detalhes. Muita atenção é dada ao conteúdo físico dos conceitos quânticos básicos e matemáticos...
• Física Quântica, Sheddad Caid-Sala Ferron. Todo o nosso mundo e tudo o que nele existe - casas, árvores e até pessoas! - consiste em pequenas partículas. O livro "Física Quântica" da série "Primeiros livros sobre ciência" falará sobre o invisível aos nossos...

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Você provavelmente já ouviu isso muitas vezes sobre os mistérios inexplicáveis ​​da física quântica e da mecânica quântica. Suas leis fascinam o misticismo, e até os próprios físicos admitem que não as compreendem totalmente. Por um lado, é interessante entender essas leis, mas, por outro lado, não há tempo para ler livros complexos e de vários volumes sobre física. Entendo muito você, porque também adoro o conhecimento e a busca pela verdade, mas infelizmente não tenho tempo para todos os livros. Você não está sozinho, muitos curiosos digitam na barra de pesquisa: “física quântica para manequins, mecânica quântica para manequins, física quântica para iniciantes, mecânica quântica para iniciantes, noções básicas de física quântica, noções básicas de mecânica quântica, física quântica para crianças, o que é mecânica quântica"..

Esta publicação é exatamente para você

• Você compreenderá os conceitos básicos e paradoxos da física quântica. Com o artigo você aprenderá:
• O que é interferência?
• O que são spin e superposição?
• O que é “medição” ou “colapso da função de onda”?
• O que é Emaranhamento Quântico (ou Teletransporte Quântico para Leigos)? (ver artigo)

O que é o experimento mental do Gato de Schrödinger? (ver artigo)

O que é física quântica e mecânica quântica?

A mecânica quântica faz parte da física quântica.

Por que é tão difícil compreender essas ciências? A resposta é simples: a física quântica e a mecânica quântica (parte da física quântica) estudam as leis do micromundo. E essas leis são absolutamente diferentes das leis do nosso macrocosmo. Portanto, é difícil imaginarmos o que acontece com os elétrons e fótons no microcosmo. Um exemplo da diferença entre as leis dos macro e micromundos

: em nosso macromundo, se você colocar uma bola em uma das 2 caixas, uma delas estará vazia e a outra terá uma bola. Mas no microcosmo (se houver um átomo em vez de uma bola), um átomo pode estar em duas caixas ao mesmo tempo. Isto foi confirmado experimentalmente muitas vezes. Não é difícil entender isso? Mas você não pode contestar os fatos. Você tirou uma foto de um carro esportivo vermelho de corrida rápida e na foto viu uma faixa horizontal borrada, como se o carro estivesse localizado em vários pontos do espaço no momento da foto. Apesar do que você vê na foto, você ainda tem certeza de que o carro foi localizado naquele segundo em que você o fotografou. em um lugar específico no espaço. No micromundo tudo é diferente. Um elétron que gira em torno do núcleo de um átomo na verdade não gira, mas está localizado simultaneamente em todos os pontos da esfera em torno do núcleo de um átomo. Como uma bola de lã fofa enrolada frouxamente. Este conceito em física é chamado "nuvem eletrônica" .

Uma breve excursão pela história. Os cientistas pensaram pela primeira vez no mundo quântico quando, em 1900, o físico alemão Max Planck tentou descobrir por que os metais mudam de cor quando aquecidos. Foi ele quem introduziu o conceito de quantum. Até então, os cientistas pensavam que a luz viajava continuamente. A primeira pessoa a levar a sério a descoberta de Planck foi o então desconhecido Albert Einstein. Ele percebeu que a luz não é apenas uma onda. Às vezes ele se comporta como uma partícula. Einstein recebeu o Prêmio Nobel pela descoberta de que a luz é emitida em porções, quanta. Um quantum de luz é chamado de fóton ( fóton, Wikipédia) .

Para facilitar a compreensão das leis da quântica físicos E mecânica (Wikipédia), devemos, em certo sentido, abstrair das leis da física clássica que nos são familiares. E imagine que você mergulhou, como Alice, na toca do coelho, no País das Maravilhas.

E aqui está um desenho animado para crianças e adultos. Descreve o experimento fundamental da mecânica quântica com 2 fendas e um observador. Dura apenas 5 minutos. Assista antes de mergulharmos nas questões e conceitos fundamentais da física quântica.

Vídeo de física quântica para manequins. No cartoon, preste atenção no “olho” do observador. Tornou-se um sério mistério para os físicos.

O que é interferência?

No início do cartoon, usando o exemplo de um líquido, foi mostrado como as ondas se comportam - listras verticais claras e escuras alternadas aparecem na tela atrás de uma placa com fendas. E no caso em que partículas discretas (por exemplo, seixos) são “disparadas” na placa, elas voam através de 2 fendas e pousam na tela diretamente oposta às fendas. E eles “desenham” apenas 2 listras verticais na tela.

Interferência de luz- Este é o comportamento “ondulatório” da luz, quando a tela exibe muitas listras verticais claras e escuras alternadas. Também essas listras verticais chamado padrão de interferência.

No nosso macrocosmo, observamos frequentemente que a luz se comporta como uma onda. Se você colocar a mão na frente de uma vela, na parede não haverá uma sombra nítida da sua mão, mas com contornos borrados.

Então, não é tão complicado! Agora está bastante claro para nós que a luz tem uma natureza ondulatória e se 2 fendas forem iluminadas com luz, então na tela atrás delas veremos um padrão de interferência.

Agora vamos dar uma olhada no segundo experimento. Este é o famoso experimento Stern-Gerlach (realizado na década de 20 do século passado).

A instalação descrita no desenho animado não foi iluminada com luz, mas “alvejada” com elétrons (como partículas individuais). Então, no início do século passado, físicos de todo o mundo acreditavam que os elétrons são partículas elementares da matéria e não deveriam ter natureza ondulatória, mas iguais aos seixos. Afinal, os elétrons são partículas elementares da matéria, certo? Ou seja, se você “jogá-los” em 2 fendas, como seixos, então na tela atrás das fendas deveremos ver 2 listras verticais.

Mas... O resultado foi impressionante. Os cientistas viram um padrão de interferência - muitas listras verticais. Ou seja, os elétrons, assim como a luz, também podem ter natureza ondulatória e podem interferir. Por outro lado, ficou claro que a luz não é apenas uma onda, mas também um pedaço de partícula - um fóton (pelo histórico histórico no início do artigo, ficamos sabendo que Einstein recebeu o Prêmio Nobel por esta descoberta) . Talvez você se lembre, na escola nos disseram em física sobre"dualidade onda-partícula" ? Isso significa que quando falamos de partículas muito pequenas (átomos, elétrons) do microcosmo, então

Eles são ondas e partículas

Hoje você e eu somos muito inteligentes e entendemos que os dois experimentos descritos acima - disparar elétrons e iluminar fendas com luz - são a mesma coisa. Porque atiramos partículas quânticas nas fendas. Sabemos agora que tanto a luz como os electrões são de natureza quântica, que são ondas e partículas ao mesmo tempo. E no início do século 20, os resultados desta experiência foram uma sensação.

Atenção! Agora vamos passar para uma questão mais sutil.

Presumivelmente, um elétron voa para o slot esquerdo e o outro para o direito. Mas então 2 listras verticais devem aparecer na tela diretamente opostas aos slots. Por que ocorre um padrão de interferência? Talvez os elétrons de alguma forma interajam entre si já na tela depois de voar pelas fendas. E o resultado é um padrão de onda como este. Como podemos acompanhar isso?

Não lançaremos elétrons em um feixe, mas um de cada vez. Vamos jogar, espere, vamos jogar o próximo. Agora que o elétron está voando sozinho, ele não poderá mais interagir com outros elétrons na tela. Registraremos cada elétron na tela após o lançamento. Um ou dois, é claro, não “pintarão” um quadro claro para nós. Mas quando enviarmos muitos deles para as fendas, um de cada vez, notaremos... oh, horror - eles novamente “desenharam” um padrão de onda de interferência!

Estamos lentamente começando a enlouquecer. Afinal, esperávamos que houvesse 2 listras verticais opostas aos slots! Acontece que quando lançamos fótons um de cada vez, cada um deles passou, por assim dizer, por 2 fendas ao mesmo tempo e interferiu em si mesmo.

Fantástico! Voltaremos a explicar esse fenômeno na próxima seção.

O que são spin e superposição?

Agora sabemos o que é interferência. Este é o comportamento ondulatório das micropartículas - fótons, elétrons, outras micropartículas (para simplificar, vamos chamá-los de fótons de agora em diante).

Como resultado do experimento, quando jogamos 1 fóton em 2 fendas, percebemos que ele parecia voar através de duas fendas ao mesmo tempo. Caso contrário, como podemos explicar o padrão de interferência na tela?

• Mas como podemos imaginar um fóton voando através de duas fendas ao mesmo tempo? Existem 2 opções. 1ª opção:
• um fóton, como uma onda (como a água) “flutua” através de 2 fendas ao mesmo tempo 2ª opção:

um fóton, como uma partícula, voa simultaneamente ao longo de 2 trajetórias (nem mesmo duas, mas todas ao mesmo tempo)

Em princípio, estas declarações são equivalentes. Chegamos ao “caminho integral”. Esta é a formulação da mecânica quântica de Richard Feynman. Aliás, exatamente Richard Feynman existe uma expressão bem conhecida que

Podemos dizer com segurança que ninguém entende a mecânica quântica

A rigor, a mecânica quântica nos diz que o comportamento dos fótons é a regra, não a exceção. Qualquer partícula quântica está, via de regra, em vários estados ou em vários pontos do espaço simultaneamente.

Os objetos do macromundo só podem estar em um lugar específico e em um estado específico. Mas uma partícula quântica existe de acordo com as suas próprias leis. E ela nem se importa que não os entendamos. Esse é o ponto.

Só temos que admitir, como axioma, que a “superposição” de um objeto quântico significa que ele pode estar em 2 ou mais trajetórias ao mesmo tempo, em 2 ou mais pontos ao mesmo tempo

O mesmo se aplica a outro parâmetro do fóton – spin (seu próprio momento angular). Spin é um vetor. Um objeto quântico pode ser considerado um ímã microscópico. Estamos acostumados com o fato de que o vetor magnético (spin) está direcionado para cima ou para baixo. Mas o elétron ou fóton novamente nos diz: “Pessoal, não nos importamos com o que vocês estão acostumados, podemos estar em ambos os estados de spin ao mesmo tempo (vetor para cima, vetor para baixo), assim como podemos estar em 2 trajetórias em ao mesmo tempo ou em 2 pontos ao mesmo tempo!

O que é “medição” ou “colapso da função de onda”?

Resta pouco para entendermos o que é “medição” e o que é “colapso da função de onda”.

Função de ondaé uma descrição do estado de um objeto quântico (nosso fóton ou elétron).

Suponha que temos um elétron, ele voa para si mesmo em um estado indefinido, seu giro é direcionado para cima e para baixo ao mesmo tempo. Precisamos medir sua condição.

Vamos medir usando um campo magnético: os elétrons cujo spin foi direcionado na direção do campo se desviarão em uma direção, e os elétrons cujo spin é direcionado contra o campo - na outra. Mais fótons podem ser direcionados para um filtro polarizador. Se o spin (polarização) do fóton for +1, ele passa pelo filtro, mas se for -1, não passa.

Parar! Aqui você inevitavelmente terá uma pergunta: Antes da medição, o elétron não tinha nenhuma direção de spin específica, certo? Ele estava em todos os estados ao mesmo tempo, não estava?

Este é o truque e a sensação da mecânica quântica. Contanto que você não meça o estado de um objeto quântico, ele pode girar em qualquer direção (ter qualquer direção do vetor de seu próprio momento angular - spin). Mas no momento em que você mediu o estado dele, ele parece estar tomando uma decisão sobre qual vetor de spin aceitar.

Este objeto quântico é tão legal que toma decisões sobre seu estado. E não podemos prever antecipadamente que decisão tomará quando entrar no campo magnético em que o medimos. A probabilidade de ele decidir ter um vetor de spin “para cima” ou “para baixo” é de 50 a 50%. Mas assim que ele decide, ele fica em um determinado estado com uma direção de rotação específica. A razão da sua decisão é a nossa “dimensão”!

Isso é chamado de " colapso da função de onda". A função de onda antes da medição era incerta, ou seja, o vetor de spin do elétron estava simultaneamente em todas as direções; após a medição, o elétron registrou uma determinada direção de seu vetor de spin.

Atenção! Um excelente exemplo para compreensão é uma associação do nosso macrocosmo:

Gire uma moeda na mesa como um pião. Enquanto a moeda está girando, ela não tem um significado específico - cara ou coroa. Mas assim que você decidir “medir” esse valor e bater a moeda com a mão, é quando você obtém o estado específico da moeda – cara ou coroa. Agora imagine que esta moeda decide qual valor “mostrar” a você – cara ou coroa. O elétron se comporta aproximadamente da mesma maneira.

Agora lembre-se do experimento mostrado no final do desenho animado. Quando os fótons passaram pelas fendas, eles se comportaram como uma onda e mostraram um padrão de interferência na tela. E quando os cientistas quiseram registrar (medir) o momento dos fótons voando pela fenda e colocaram um “observador” atrás da tela, os fótons começaram a se comportar não como ondas, mas como partículas. E “desenharam” 2 listras verticais na tela. Aqueles. no momento da medição ou observação, os próprios objetos quânticos escolhem em que estado estarão.

Fantástico! Não é verdade?

Mas isso não é tudo. Finalmente nós Chegamos à parte mais interessante.

Mas... parece-me que haverá uma sobrecarga de informação, por isso consideraremos estes 2 conceitos em posts separados:

• O que aconteceu?
• O que é um experimento mental?

Agora, você quer que as informações sejam resolvidas? Assista ao documentário produzido pelo Instituto Canadense de Física Teórica. Nele, em 20 minutos, você será informado de forma muito breve e em ordem cronológica sobre todas as descobertas da física quântica, começando pela descoberta de Planck em 1900. E então eles lhe dirão quais desenvolvimentos práticos estão sendo realizados atualmente com base no conhecimento da física quântica: desde os relógios atômicos mais precisos até os cálculos super-rápidos de um computador quântico. Eu recomendo fortemente assistir esse filme.

Vê você!

Desejo a todos inspiração para todos os seus planos e projetos!

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Se de repente você percebeu que esqueceu os fundamentos e postulados da mecânica quântica ou nem sabe que tipo de mecânica é, então é hora de refrescar sua memória com essas informações. Afinal, ninguém sabe quando a mecânica quântica poderá ser útil na vida.

É em vão que você sorri e zomba, pensando que nunca terá que lidar com esse assunto em sua vida. Afinal, a mecânica quântica pode ser útil para quase todas as pessoas, mesmo aquelas que estão infinitamente distantes dela. Por exemplo, você tem insônia. Para a mecânica quântica isso não é um problema! Leia o livro antes de ir para a cama - e você cairá em um sono profundo na terceira página. Ou você pode chamar assim sua banda de rock legal. Por que não?

Brincadeiras à parte, vamos começar uma conversa quântica séria.

Por onde começar? Claro, começando pelo que é quantum.

Quântico

Quantum (do latim quantum - “quanto”) é uma porção indivisível de alguma quantidade física. Por exemplo, eles dizem - um quantum de luz, um quantum de energia ou um quantum de campo.

O que isso significa? Isso significa que simplesmente não pode ser menor. Quando dizem que alguma quantidade é quantizada, entendem que essa quantidade assume uma série de valores específicos e discretos. Assim, a energia de um elétron em um átomo é quantizada, a luz é distribuída em “porções”, ou seja, em quanta.

O próprio termo “quântico” tem muitos usos. O quantum de luz (campo eletromagnético) é um fóton. Por analogia, os quanta são partículas ou quasipartículas correspondentes a outros campos de interação. Aqui podemos recordar o famoso bóson de Higgs, que é um quantum do campo de Higgs. Mas ainda não entraremos nessas selvas.

Como a mecânica pode ser quântica?

Como você já percebeu, em nossa conversa mencionamos muitas vezes as partículas. Você pode estar acostumado com o fato de que a luz é uma onda que simplesmente se propaga em velocidade Com . Mas se você olhar tudo do ponto de vista do mundo quântico, isto é, o mundo das partículas, tudo muda irreconhecível.

A mecânica quântica é um ramo da física teórica, um componente da teoria quântica que descreve fenômenos físicos no nível mais elementar - o nível das partículas.

O efeito de tais fenômenos é comparável em magnitude à constante de Planck, e a mecânica clássica e a eletrodinâmica de Newton revelaram-se completamente inadequadas para descrevê-los. Por exemplo, de acordo com a teoria clássica, um elétron, girando em alta velocidade em torno de um núcleo, deveria irradiar energia e eventualmente cair sobre o núcleo. Isto, como sabemos, não acontece. É por isso que a mecânica quântica foi inventada - os fenômenos descobertos tinham que ser explicados de alguma forma, e acabou sendo precisamente a teoria dentro da qual a explicação era a mais aceitável, e todos os dados experimentais “convergiram”.

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Um pouco de história

O nascimento da teoria quântica ocorreu em 1900, quando Max Planck discursou numa reunião da Sociedade Alemã de Física. O que Planck disse então? E o fato de a radiação dos átomos ser discreta, e a menor porção da energia dessa radiação ser igual a

Onde h é a constante de Planck, nu é a frequência.

Então Albert Einstein, introduzindo o conceito de “quantum de luz”, utilizou a hipótese de Planck para explicar o efeito fotoelétrico. Niels Bohr postulou a existência de níveis de energia estacionários no átomo, e Louis de Broglie desenvolveu a ideia da dualidade onda-partícula, ou seja, que uma partícula (corpúsculo) também possui propriedades de onda. Schrödinger e Heisenberg juntaram-se à causa e, em 1925, foi publicada a primeira formulação da mecânica quântica. Na verdade, a mecânica quântica está longe de ser uma teoria completa e está em desenvolvimento ativo no momento. Deve-se também reconhecer que a mecânica quântica, com os seus pressupostos, não tem a capacidade de explicar todas as questões que enfrenta. É bem possível que seja substituída por uma teoria mais avançada.

Durante a transição do mundo quântico para o mundo das coisas que nos são familiares, as leis da mecânica quântica são naturalmente transformadas nas leis da mecânica clássica. Podemos dizer que a mecânica clássica é um caso especial da mecânica quântica, quando a ação ocorre em nosso macromundo familiar e familiar. Aqui os corpos se movem calmamente em referenciais não inerciais a uma velocidade muito inferior à velocidade da luz e, em geral, tudo ao redor é calmo e claro. Se você quiser saber a posição de um corpo em um sistema de coordenadas, não há problema, se quiser medir o impulso, de nada;

A mecânica quântica tem uma abordagem completamente diferente para o problema. Nele, os resultados das medições de grandezas físicas são de natureza probabilística. Isso significa que quando um determinado valor muda, vários resultados são possíveis, cada um com uma certa probabilidade. Vamos dar um exemplo: uma moeda está girando sobre a mesa. Enquanto está girando, não está em nenhum estado específico (cara-coroa), mas apenas tem a probabilidade de acabar em um desses estados.

Aqui estamos gradualmente nos aproximando Equação de Schrödinger E Princípio da incerteza de Heisenberg.

Segundo a lenda, Erwin Schrödinger, em 1926, falando em um seminário científico sobre o tema da dualidade onda-partícula, foi criticado por um certo cientista sênior. Recusando-se a ouvir os mais velhos, após este incidente, Schrödinger começou ativamente a desenvolver a equação de onda para descrever partículas no âmbito da mecânica quântica. E ele fez isso de forma brilhante! A equação de Schrödinger (a equação básica da mecânica quântica) é:

Este tipo de equação, a equação de Schrödinger estacionária unidimensional, é a mais simples.

Aqui x é a distância ou coordenada da partícula, m é a massa da partícula, E e U são suas energias total e potencial, respectivamente. A solução para esta equação é a função de onda (psi)

A função de onda é outro conceito fundamental na mecânica quântica. Portanto, qualquer sistema quântico que esteja em algum estado possui uma função de onda que descreve esse estado.

Por exemplo, ao resolver a equação de Schrödinger estacionária unidimensional, a função de onda descreve a posição da partícula no espaço. Mais precisamente, a probabilidade de encontrar uma partícula num determinado ponto do espaço. Em outras palavras, Schrödinger mostrou que a probabilidade pode ser descrita por uma equação de onda! Concordo, deveríamos ter pensado nisso antes!

Mas por que? Por que temos que lidar com essas probabilidades e funções de onda incompreensíveis, quando, ao que parece, não há nada mais simples do que apenas medir e medir a distância até a partícula ou sua velocidade.

É muito simples! Na verdade, no macrocosmo este é realmente o caso - medimos distâncias com uma certa precisão com uma fita métrica, e o erro de medição é determinado pelas características do dispositivo. Por outro lado, podemos determinar quase com precisão a olho nu a distância de um objeto, por exemplo, de uma mesa. Em qualquer caso, diferenciamos com precisão sua posição na sala em relação a nós e a outros objetos. No mundo das partículas, a situação é fundamentalmente diferente - simplesmente não temos fisicamente ferramentas de medição para medir com precisão as quantidades necessárias. Afinal, o instrumento de medição entra em contato direto com o objeto que está sendo medido e, no nosso caso, tanto o objeto quanto o instrumento são partículas. É esta imperfeição, a impossibilidade fundamental de levar em conta todos os fatores que atuam sobre a partícula, bem como o próprio fato de mudar o estado do sistema sob a influência da medição, que está na base do princípio da incerteza de Heisenberg.

Vamos dar a sua formulação mais simples. Vamos imaginar que existe uma determinada partícula e queremos saber sua velocidade e coordenadas.

Neste contexto, o Princípio da Incerteza de Heisenberg afirma que é impossível medir com precisão a posição e a velocidade de uma partícula ao mesmo tempo. . Matematicamente está escrito assim:

Aqui delta x é o erro na determinação da coordenada, delta v é o erro na determinação da velocidade. Enfatizemos que este princípio diz que quanto mais precisamente determinarmos a coordenada, menos precisamente conheceremos a velocidade. E se determinarmos a velocidade, não teremos a menor ideia de onde está a partícula.

Existem muitas piadas e anedotas sobre o tema do princípio da incerteza. Aqui está um deles:

Um policial para um físico quântico.
- Senhor, você sabe o quão rápido você estava se movendo?
- Não, mas sei exatamente onde estou.

E, claro, lembramos você! Se de repente, por algum motivo, resolver a equação de Schrödinger para uma partícula em um poço de potencial o deixar acordado, recorra a profissionais que foram criados com a mecânica quântica na boca!