Ninguém no mundo entende a mecânica quântica - esta é a principal coisa que você precisa saber sobre ela. Sim, muitos físicos aprenderam a usar suas leis e até a prever fenômenos por meio de cálculos quânticos. Mas ainda não está claro por que a presença de um observador determina o destino do sistema e o obriga a fazer uma escolha em favor de um Estado. “Teorias e Práticas” selecionou exemplos de experimentos cujo resultado é inevitavelmente influenciado pelo observador, e tentou descobrir o que a mecânica quântica fará com tal interferência da consciência na realidade material.

O gato de Shroedinger

Hoje existem muitas interpretações da mecânica quântica, a mais popular das quais continua sendo a de Copenhague. Seus princípios básicos foram formulados na década de 1920 por Niels Bohr e Werner Heisenberg. E o termo central da interpretação de Copenhague foi a função de onda - uma função matemática que contém informações sobre todos os estados possíveis de um sistema quântico no qual reside simultaneamente.

De acordo com a interpretação de Copenhaga, apenas a observação pode determinar com segurança o estado de um sistema e distingui-lo do resto (a função de onda apenas ajuda a calcular matematicamente a probabilidade de detectar um sistema num determinado estado). Podemos dizer que após a observação, um sistema quântico torna-se clássico: deixa instantaneamente de coexistir em muitos estados ao mesmo tempo em favor de um deles.

Esta abordagem sempre teve os seus oponentes (lembre-se, por exemplo, de “Deus não joga dados”, de Albert Einstein), mas a precisão dos cálculos e previsões cobrou o seu preço. No entanto, recentemente tem havido cada vez menos apoiantes da interpretação de Copenhaga, e não a menor razão para isso é o misterioso colapso instantâneo da função de onda durante a medição. A famosa experiência mental de Erwin Schrödinger com o pobre gato pretendia precisamente mostrar o absurdo deste fenómeno.

Então, vamos relembrar o conteúdo do experimento. Um gato vivo, uma ampola com veneno e um certo mecanismo que pode colocar o veneno em ação aleatoriamente são colocados em uma caixa preta. Por exemplo, um átomo radioativo, cuja decomposição quebrará a ampola. O tempo exato da decadência atômica é desconhecido. Apenas a meia-vida é conhecida: o tempo durante o qual ocorrerá o decaimento com 50% de probabilidade.

Acontece que para um observador externo, o gato dentro da caixa existe em dois estados ao mesmo tempo: ou está vivo, se tudo correr bem, ou morto, se ocorreu cárie e a ampola quebrou. Ambos os estados são descritos pela função de onda do gato, que muda com o tempo: quanto mais longe, maior a probabilidade de já ter ocorrido decaimento radioativo. Mas assim que a caixa é aberta, a função de onda entra em colapso e vemos imediatamente o resultado da experiência do destruidor.

Acontece que até que o observador abra a caixa, o gato ficará para sempre em equilíbrio na fronteira entre a vida e a morte, e somente a ação do observador determinará seu destino. Este é o absurdo que Schrödinger apontou.

Difração de elétrons

De acordo com uma pesquisa realizada pelo The New York Times com importantes físicos, o experimento com difração de elétrons, realizado em 1961 por Klaus Jenson, tornou-se um dos mais belos da história da ciência. Qual é a sua essência?

Existe uma fonte que emite um fluxo de elétrons em direção a uma tela de placa fotográfica. E há um obstáculo no caminho desses elétrons - uma placa de cobre com duas fendas. Que tipo de imagem você pode esperar na tela se pensar nos elétrons como apenas pequenas bolas carregadas? Duas listras iluminadas opostas às fendas.

Na realidade, um padrão muito mais complexo de listras pretas e brancas alternadas aparece na tela. O fato é que, ao passar pelas fendas, os elétrons passam a se comportar não como partículas, mas como ondas (assim como os fótons, partículas de luz, podem ser simultaneamente ondas). Então essas ondas interagem no espaço, enfraquecendo-se e fortalecendo-se em alguns lugares e, como resultado, uma imagem complexa de listras claras e escuras alternadas aparece na tela.

Nesse caso, o resultado do experimento não muda, e se os elétrons forem enviados pela fenda não em fluxo contínuo, mas individualmente, até mesmo uma partícula pode ser simultaneamente uma onda. Mesmo um elétron pode passar simultaneamente por duas fendas (e esta é outra posição importante da interpretação de Copenhague da mecânica quântica - os objetos podem exibir simultaneamente suas propriedades materiais “usuais” e propriedades de ondas exóticas).

Mas o que o observador tem a ver com isso? Apesar de sua já complicada história ter se tornado ainda mais complicada. Quando, em experimentos semelhantes, os físicos tentaram detectar com a ajuda de instrumentos por onde o elétron realmente passava, a imagem na tela mudou drasticamente e tornou-se “clássica”: duas áreas iluminadas opostas às fendas e sem listras alternadas.

Era como se os elétrons não quisessem mostrar sua natureza ondulatória sob o olhar atento do observador. Nós nos adaptamos ao seu desejo instintivo de ver uma imagem simples e compreensível. Místico? A explicação é muito mais simples: nenhuma observação do sistema pode ser realizada sem influência física sobre ele. Mas voltaremos a isso um pouco mais tarde.

Fulereno aquecido

Experimentos sobre difração de partículas foram realizados não apenas em elétrons, mas também em objetos muito maiores. Por exemplo, os fulerenos são moléculas grandes e fechadas compostas por dezenas de átomos de carbono (por exemplo, um fulereno de sessenta átomos de carbono tem uma forma muito semelhante a uma bola de futebol: uma esfera oca costurada a partir de pentágonos e hexágonos).

Recentemente, um grupo da Universidade de Viena, liderado pelo professor Zeilinger, tentou introduzir um elemento de observação em tais experiências. Para fazer isso, eles irradiaram moléculas de fulereno em movimento com um feixe de laser. Depois, aquecidas por influência externa, as moléculas começaram a brilhar e, assim, revelaram inevitavelmente ao observador o seu lugar no espaço.

Junto com essa inovação, o comportamento das moléculas também mudou. Antes do início da vigilância total, os fulerenos contornaram obstáculos com bastante sucesso (exibiram propriedades de onda) como os elétrons do exemplo anterior passando por uma tela opaca. Mais tarde, porém, com o aparecimento de um observador, os fulerenos se acalmaram e começaram a se comportar como partículas de matéria completamente obedientes à lei.

Dimensão de resfriamento

Uma das leis mais famosas do mundo quântico é o princípio da incerteza de Heisenberg: é impossível determinar simultaneamente a posição e a velocidade de um objeto quântico. Quanto mais precisamente medirmos o momento de uma partícula, menos precisamente sua posição poderá ser medida. Mas os efeitos das leis quânticas que operam ao nível das partículas minúsculas são geralmente imperceptíveis no nosso mundo de grandes macroobjetos.

Portanto, mais valiosos são os experimentos recentes do grupo do professor Schwab dos EUA, nos quais os efeitos quânticos foram demonstrados não ao nível dos mesmos elétrons ou moléculas de fulereno (seu diâmetro característico é de cerca de 1 nm), mas em um nível um pouco mais tangível. objeto - uma pequena tira de alumínio.

Esta tira foi fixada em ambos os lados para que seu meio ficasse suspenso e pudesse vibrar sob influências externas. Além disso, próximo à tira havia um dispositivo capaz de registrar sua posição com alta precisão.

Como resultado, os experimentadores descobriram dois efeitos interessantes. Em primeiro lugar, qualquer medição da posição do objeto ou observação da tira não passava sem deixar rastro para ela - após cada medição a posição da tira mudava. Grosso modo, os experimentadores determinaram as coordenadas da faixa com grande precisão e, assim, de acordo com o princípio de Heisenberg, alteraram sua velocidade e, portanto, sua posição subsequente.

Em segundo lugar, e de forma bastante inesperada, algumas medições também levaram ao arrefecimento da tira. Acontece que um observador pode alterar as características físicas dos objetos apenas pela sua presença. Parece completamente incrível, mas para crédito dos físicos, digamos que eles não ficaram perplexos - agora o grupo do professor Schwab está pensando em como aplicar o efeito descoberto a chips eletrônicos legais.

Partículas congeladas

Como você sabe, partículas radioativas instáveis ​​decaem no mundo não apenas para experimentos em gatos, mas também por conta própria. Além disso, cada partícula é caracterizada por uma vida útil média, que pode aumentar sob o olhar atento do observador.

Este efeito quântico foi previsto pela primeira vez na década de 1960, e a sua brilhante confirmação experimental apareceu num artigo publicado em 2006 pelo grupo do físico Wolfgang Ketterle, galardoado com o Nobel, no Instituto de Tecnologia de Massachusetts.

Neste trabalho, estudamos o decaimento de átomos de rubídio excitados instáveis ​​(decaimento em átomos de rubídio no estado fundamental e fótons). Imediatamente após a preparação do sistema e a excitação dos átomos, eles começaram a ser observados - foram iluminados com um feixe de laser. Neste caso, a observação foi realizada em dois modos: contínuo (pequenos pulsos de luz são constantemente fornecidos ao sistema) e pulsado (o sistema é irradiado de vez em quando com pulsos mais potentes).

Os resultados obtidos estavam em excelente concordância com as previsões teóricas. As influências externas da luz, na verdade, retardam a decomposição das partículas, como se as devolvessem ao seu estado original, longe da decomposição. Além disso, a magnitude do efeito para os dois regimes estudados também coincide com as previsões. E a vida máxima dos átomos de rubídio excitados instáveis ​​foi estendida em 30 vezes.

Mecânica quântica e consciência

Os elétrons e os fulerenos deixam de exibir suas propriedades ondulatórias, as placas de alumínio esfriam e as partículas instáveis ​​congelam durante sua decadência: sob o olhar onipotente do observador, o mundo está mudando. O que não é evidência do envolvimento de nossa mente no trabalho do mundo que nos rodeia? Então, talvez Carl Jung e Wolfgang Pauli (físico austríaco, ganhador do Prêmio Nobel, um dos pioneiros da mecânica quântica) estivessem certos quando disseram que as leis da física e da consciência deveriam ser consideradas complementares?

Mas isto está apenas a um passo do reconhecimento rotineiro: todo o mundo que nos rodeia é a essência da nossa mente. Repugnante? (“Você realmente acha que a Lua só existe quando você olha para ela?” Einstein comentou sobre os princípios da mecânica quântica). Então, vamos tentar recorrer aos físicos novamente. Além disso, nos últimos anos, eles têm gostado cada vez menos da interpretação de Copenhague da mecânica quântica com seu misterioso colapso de uma onda funcional, que está sendo substituída por outro termo bastante realista e confiável - decoerência.

A questão é esta: em todos os experimentos observacionais descritos, os experimentadores influenciaram inevitavelmente o sistema. Eles o iluminaram com laser e instalaram instrumentos de medição. E este é um princípio geral e muito importante: não se pode observar um sistema, medir suas propriedades sem interagir com ele. E onde há interação, há mudança de propriedades. Além disso, quando o colosso de objetos quânticos interage com um minúsculo sistema quântico. Portanto, a neutralidade budista eterna do observador é impossível.

É exatamente isso que explica o termo “decoerência” - um processo irreversível de violação das propriedades quânticas de um sistema durante sua interação com outro sistema maior. Durante essa interação, o sistema quântico perde suas características originais e torna-se clássico, “submetendo-se” ao grande sistema. Isto explica o paradoxo do gato de Schrödinger: o gato é um sistema tão grande que simplesmente não pode ser isolado do mundo. O experimento mental em si não está totalmente correto.

De qualquer forma, comparada à realidade como ato de criação de consciência, a decoerência parece muito mais calma. Talvez até muito calmo. Afinal, com esta abordagem, todo o mundo clássico se torna um grande efeito de decoerência. E de acordo com os autores de um dos livros mais sérios neste campo, declarações como “não há partículas no mundo” ou “não há tempo a um nível fundamental” também decorrem logicamente de tais abordagens.

Observador criativo ou decoerência todo-poderosa? Você tem que escolher entre dois males. Mas lembre-se: agora os cientistas estão cada vez mais convencidos de que a base dos nossos processos de pensamento são os mesmos efeitos quânticos notórios. Portanto, onde termina a observação e começa a realidade - cada um de nós tem que escolher.

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Quando partículas de alta energia interagem em um colisor, um grande número de partículas diferentes é formado

Esse processo é chamado de produção múltipla, e suas diversas características são previstas pela teoria das interações fortes - cromodinâmica quântica (QCD). No entanto, os resultados de recentes experiências semelhantes no LHC (Large Hadron Collider) não coincidem com as previsões de modelos construídos a partir dos resultados de experiências anteriores em outros aceleradores. Nick Brooke, professor da Universidade de Bristol e um dos maiores especialistas na área de estudo da produção de múltiplas partículas, falou na Conferência de Ginzburg sobre as possíveis razões para esta discrepância e a abertura de horizontes para uma nova física experimental de alta energia.

A técnica de dois projetos experimentais realizados no LHC é ideal para identificar partículas nascidas. Estes são o projeto ALICE (A Large Ion Collider Experiment), otimizado para estudar colisões de íons pesados, e LHCb, projetado para estudar mésons B - partículas contendo um quark “bonito”. E a própria informação sobre o nascimento das partículas é uma base necessária para o desenvolvimento adicional da QCD. Nick Brooke comenta: “As distribuições de partículas observadas caracterizam o estado hadrônico da matéria e são sensíveis à cromodinâmica quântica subjacente das interações próton-próton. ALICE, ATLAS e CMS já mediram distribuições de partículas na região central de interação, e a geometria do LHCb nos permite rastrear a dinâmica de colisão na região distante. Isso nos dá as informações necessárias para desenvolver modelos e melhorar os geradores de eventos de Monte Carlo.”

A cromodinâmica quântica surgiu na década de 70 do século passado como uma teoria microscópica que descreve a forte interação em escalas subhádrons, que envolve quarks, glúons e partículas compostas por eles - hádrons, incluindo prótons e nêutrons do núcleo atômico ligados por forte interação. O postulado básico da cromodinâmica quântica atribui a todos os quarks um número quântico especial, chamado carga colorida ou cor. Uma palavra tão familiar não tem nada a ver com características ópticas comuns, mas enfatiza sucintamente o fato de que na natureza os quarks são encontrados apenas na forma de combinações incolores - hádrons, compostos de três quarks (lembre-se da analogia: vermelho, verde e azul somam branco), ou glúons de um quark e um antiquark com uma anticor.

As previsões da QCD sobre os parâmetros de produção de múltiplas partículas são fornecidas na forma analítica ou na forma de cálculos numéricos de computador usando modelos de Monte Carlo, que podem ser comparados em detalhes com dados experimentais. Esses modelos são chamados de geradores de eventos no sentido de que a probabilidade de ocorrência de determinados fenômenos nesses cálculos computacionais é considerada proporcional à probabilidade do evento correspondente no mundo real. Todos esses modelos funcionaram bem de acordo com experimentos anteriores em outros aceleradores e até tiveram algum poder preditivo, mas ainda não coincidem com os novos resultados obtidos no LHC.

Andrei Leonidov, professor da FIAN e pesquisador líder no setor de física de altas energias, comenta: “O estudo da produção múltipla em altas energias é um dos problemas físicos fundamentais, e o relatório de Brook foi dedicado ao conjunto de informações experimentais que foram acumuladas no LHC colisor. Surgiu aí uma situação muito interessante: os modelos existentes não descrevem muitas propriedades essenciais dos eventos. Seu projeto típico combina de alguma forma a física dos jatos hadrônicos suaves e da radiação hadrônica dura, e eles próprios foram calibrados para descrever com sucesso o FNAL, o acelerador anterior. Como resultado, não houve literalmente um único gráfico neste relatório em que a teoria coincidisse com o novo experimento. Isto é, muitas propriedades de nascimentos múltiplos não são descritas pelos modelos modernos.”

Assim, o professor Brook falou sobre discrepâncias entre previsões e dados reais sobre o surgimento de partículas com quarks “estranhos” em sua composição ou violações na proporção de matéria bariônica e antibárion. Mas todas essas inconsistências, como enfatizou Brook, apenas dão liberdade aos pesquisadores e mostram mais uma vez a estrutura complexa da QCD. Afinal, novos dados podem ajudar a melhorar modelos de geradores de eventos, produção de partículas macias, colisões multipartículas e muitos outros fenômenos.

Andrei Leonidov também concorda com o otimismo do físico inglês: “Todos os modelos anteriores em novos experimentos mostraram-se malsucedidos em graus variados, e isso cria um campo interessante de estudo. Mas estes mesmos modelos foram montados por uma razão: isto é o melhor que a humanidade pode oferecer sobre este tema. Não é como se algumas pessoas da província tivessem escrito algo lá e isso fosse acidentalmente usado no LHC. O LHC utiliza o melhor que está disponível, e esse melhor ainda não está funcionando bem. E este tópico é muito importante, porque múltiplos processos de nascimento ocorrem constantemente no colisor. Estes são processos dominantes com uma grande secção transversal e influenciam potencialmente todos os outros processos e determinam o seu contexto. Além disso, é fundamental e interessante. Então não há nada de triste, estamos aguardando novos resultados!”

Quando partículas de alta energia colidem, observa-se a criação múltipla de novas partículas

“Qualquer pessoa que não ficou chocada quando encontrou pela primeira vez a teoria quântica provavelmente simplesmente não entendeu.” Niels Bohr

As premissas da teoria quântica são tão impressionantes que mais parecem ficção científica.

Uma partícula do micromundo pode estar em dois ou mais lugares ao mesmo tempo!

(Uma experiência muito recente mostrou que uma destas partículas pode estar em 3.000 lugares ao mesmo tempo!)

O mesmo “objeto” pode ser uma partícula localizada e uma onda de energia que se propaga no espaço.

Einstein postulou que nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz. Mas a física quântica provou: partículas subatômicas podem trocar informações instantaneamente - localizadas a qualquer distância umas das outras.

A física clássica era determinística: dadas as condições iniciais, como a localização e a velocidade de um objeto, podemos calcular para onde ele irá. A física quântica é probabilística: nunca podemos dizer com certeza absoluta como o objeto em estudo se comportará.

A física clássica era mecanicista. Baseia-se na premissa de que somente conhecendo as partes individuais de um objeto poderemos compreender o que ele é.

A física quântica é holística: ela pinta uma imagem do Universo como um todo único, cujas partes estão interligadas e influenciam umas às outras.

E talvez o mais importante, a física quântica destruiu a ideia de uma diferença fundamental entre sujeito ou objeto, observador e observado - que dominou as mentes científicas durante 400 anos!

Na física quart, o observador influencia o objeto observado. Não existem observadores isolados do Universo mecânico - tudo participa da sua existência.

CHOQUE #1 – ESPAÇO VAZIO

Uma das primeiras fissuras na estrutura sólida da física newtoniana foi feita pela seguinte descoberta: os átomos são os blocos sólidos de construção do Universo físico! - consistem principalmente em espaço vazio. Quão vazio? Se aumentarmos o núcleo de um átomo de hidrogénio até ao tamanho de uma bola de basquetebol, o único eletrão que o orbita estaria a trinta quilómetros de distância, sem nada entre o núcleo e o eletrão. Então, ao olhar ao redor, lembre-se: a realidade são os menores pontos de matéria cercados pelo vazio.

No entanto, isso não é inteiramente verdade. Este suposto “vazio” não é realmente vazio: ele contém uma quantidade colossal de energia incrivelmente poderosa. Sabemos que a energia se torna mais densa à medida que se move para um nível inferior de matéria (por exemplo, a energia nuclear é um milhão de vezes mais poderosa que a energia química). Os cientistas dizem agora que há mais energia num centímetro cúbico de espaço vazio do que em toda a matéria do universo conhecido. Embora os cientistas não tenham conseguido medi-lo, estão vendo os resultados desse mar de energia.

CHOQUE #2 - PARTÍCULA, ONDA OU ONDAPARTÍCULA?

Não só o átomo é quase inteiramente constituído por “espaço”, mas quando os cientistas o exploraram mais profundamente, descobriram que as partículas subatómicas (que constituem o átomo) também não são sólidas. E eles parecem ter uma natureza dupla. Dependendo de como os observamos, eles podem se comportar como microcorpos sólidos ou como ondas.

Partículas são objetos sólidos individuais que ocupam uma determinada posição no espaço. Mas as ondas não têm “corpo”; não estão localizadas e não se propagam no espaço.

Como onda, um elétron ou fóton (partícula de luz) não tem uma localização precisa, mas existe como um “campo de probabilidades”. No estado de partícula, o campo de probabilidade “colapsa” (colapsa) em um objeto sólido. Suas coordenadas no espaço-tempo quadridimensional já podem ser determinadas.

Isto é surpreendente, mas o estado de uma partícula (onda ou objeto sólido) é determinado por atos de observação e medição. Elétrons não medidos e não observáveis ​​se comportam como ondas. Assim que os submetemos à observação durante o experimento, eles “colapsam” em partículas sólidas e podem ser registrados no espaço.

Mas como pode algo ser uma partícula sólida e uma onda fluida ao mesmo tempo? Talvez o paradoxo seja resolvido se nos lembrarmos do que dissemos recentemente: as partículas comportam-se como ondas ou como objetos sólidos. Mas os conceitos de “onda” e “partícula” são apenas analogias tiradas do nosso mundo cotidiano. O conceito de onda foi introduzido na teoria quântica por Erwin Schrödinger. Ele é o autor da famosa “equação de onda”, que fundamenta matematicamente a existência de propriedades de onda em uma partícula sólida antes do ato de observação. Alguns físicos - na tentativa de explicar algo que nunca encontraram e não conseguem compreender completamente - chamam as partículas subatômicas de "partículas de onda".

CHOQUE #3 – SALTOS QUÂNTICOS E PROBABILIDADE

Ao estudar o átomo, os cientistas descobriram que quando os elétrons, girando em torno do núcleo, se movem de uma órbita para outra, eles não se movem pelo espaço como os objetos comuns. Não, eles cobrem a distância instantaneamente. Ou seja, eles desaparecem em um lugar e aparecem em outro. Este fenômeno foi chamado de salto quântico.

Além disso, os cientistas perceberam que não poderiam determinar exatamente onde, na nova órbita, o elétron perdido apareceria ou em que momento ele daria um salto. O máximo que puderam fazer foi calcular a probabilidade (com base na equação de onda de Schrödinger) da nova localização do elétron.

“A realidade, tal como a vivenciamos, é criada a cada momento na totalidade de inúmeras possibilidades”, diz o Dr. “Mas o verdadeiro segredo é que não há nada no Universo físico que determine qual possibilidade desta totalidade se tornará realidade. Não existe nenhum processo que estabeleça isso.”

Assim, os saltos quânticos são os únicos eventos verdadeiramente aleatórios no Universo.

CHOQUE #4 – O PRINCÍPIO DA INCERTEZA

Na física clássica, todos os parâmetros de um objeto, incluindo suas coordenadas espaciais e velocidade, podem ser medidos com precisão limitada apenas pelas capacidades das tecnologias experimentais. Mas no nível quântico, sempre que você determina uma característica quantitativa de um objeto, como a velocidade, não consegue obter valores precisos para seus outros parâmetros, como as coordenadas. Em outras palavras: se você sabe a que velocidade um objeto está se movendo, não poderá saber onde ele está. E vice-versa: se você sabe onde ele está, não pode saber com que rapidez ele está se movendo.

Não importa quão sofisticados sejam os experimentadores, não importa quão avançadas sejam as tecnologias de medição que utilizem, eles são incapazes de olhar por trás deste véu.

Werner Heisenberg, um dos pioneiros da física quântica, formulou o princípio da incerteza. Sua essência é a seguinte: por mais que você tente, é simultaneamente impossível obter valores exatos das coordenadas e da velocidade de um objeto quântico. Quanto mais precisão alcançamos na medição de um parâmetro, mais incerto se torna o outro.

CHOQUE #5 - NÃO LOCALIDADE, PARADOXO EPR E TEOREMA DE BELL

Albert Einstein não gostava de física quântica. Avaliando a natureza probabilística dos processos subatômicos delineados na física quântica, ele disse: “Deus não joga dados com o Universo”. Mas Niels Bohr respondeu-lhe: “Pare de ensinar a Deus o que fazer!”

Em 1935, Einstein e seus colegas Podolsky e Rosen (EPR) tentaram derrotar a teoria quântica. Os cientistas, baseados nos princípios da mecânica quântica, conduziram um experimento mental e chegaram a uma conclusão paradoxal. (Ele deveria mostrar a inferioridade da teoria quântica). A essência de seus pensamentos é esta. Se tivermos duas partículas surgindo simultaneamente, isso significa que elas estão interligadas ou em estado de superposição. Vamos enviá-los para diferentes confins do Universo. Então mudamos o estado de uma das partículas. Então, de acordo com a teoria quântica, outra partícula chega instantaneamente ao mesmo estado. Imediatamente! Do outro lado do universo!

Tal ideia era tão ridícula que Einstein sarcasticamente se referiu a ela como “ação sobrenatural à distância”. De acordo com a sua teoria da relatividade, nada pode viajar mais rápido que a luz. E no experimento EPR descobriu-se que a velocidade de troca de informações entre as partículas é infinita! Além disso, a própria ideia de que um elétron poderia “rastrear” o estado de outro elétron na extremidade oposta do Universo contradizia completamente as ideias geralmente aceitas sobre a realidade e, na verdade, o bom senso em geral.

Mas em 1964, o físico teórico irlandês John Bell formulou e provou um teorema do qual se seguiu: as conclusões “ridículas” da experiência mental EPR são verdadeiras!

As partículas estão intimamente conectadas em um nível que transcende o tempo e o espaço. Portanto, eles são capazes de trocar informações instantaneamente.

A ideia de que qualquer objeto no Universo é local - ou seja, existe em um lugar (ponto) no espaço - não é verdade. Tudo neste mundo não é local.

No entanto, este fenômeno é uma lei válida do Universo. Schrödinger disse que a relação entre objetos não é o único aspecto interessante da teoria quântica, mas é o mais importante. Em 1975, o físico teórico Henry Stapp chamou o teorema de Bell de "a descoberta mais significativa da ciência". Observe que ele estava falando sobre ciência, não apenas sobre física.

(O artigo foi elaborado com base nos materiais do livro de W. Arntz, B. Chace, M. Vicente “A Toca do Coelho, ou o que sabemos sobre nós mesmos e o Universo?”, capítulo “Física Quântica”.)

O nascimento da teoria quântica. Efeito fotográfico.

Lições objetivas:

1. Considere o fenômeno do efeito fotoelétrico e estude suas leis

2. Desenvolver a lógica, a capacidade de trabalhar em pares; aprenda a simular processos em um computador.

3. Desenvolver a atividade cognitiva de escolares com auxílio de material histórico.

Equipamento para a aula: quadro interativo, computadores nas carteiras dos alunos, projetor, alto-falantes, kit central digital choo l - coleção . edu. ru

Durante as aulas:

1. Pré-requisitos para a criação da teoria quântica. (História do professor)

No final do século XIX. Muitos cientistas acreditaram que o desenvolvimento da física foi concluído pelas seguintes razões:

1. As leis da mecânica e a teoria da gravitação universal existem há mais de 200 anos.

2. Desenvolvido pela MKT.

3. Podve fornece uma base sólida para a termodinâmica.

4. A teoria do eletromagnetismo de Maxwell está concluída.

5. Leis fundamentais de conservação (energia, momento, momento angular, massa e carga elétrica) foram descobertas.

No final do século XIX - início do século 20 descoberto por V. Roentgen - X- raios (raios X), A. Becquerel - o fenômeno da radioatividade, J. Thomson - elétron. No entanto, a física clássica não foi capaz de explicar esses fenômenos.

A. A teoria da relatividade de Einstein exigiu uma revisão radical do conceito de espaço e tempo. Experimentos especiais confirmaram a validade da hipótese de J. Maxwell sobre a natureza eletromagnética da luz. Pode-se supor que a emissão de ondas eletromagnéticas por corpos aquecidos se deva ao movimento oscilatório dos elétrons. Mas esta suposição teve que ser confirmada pela comparação de dados teóricos e experimentais.

Para consideração teórica das leis da radiação, usamos modelo de corpo negro , ou seja, um corpo que absorve completamente ondas eletromagnéticas de qualquer comprimento e, consequentemente, emite ondas eletromagnéticas de todos os comprimentos.

Um exemplo de corpo completamente negro em termos de emissividade seria o Sol em termos de absorção, uma cavidade com paredes espelhadas com um pequeno orifício;

O físico inglês J. Rayleigh tentou uma derivação teórica mais rigorosa da lei da distribuição de energia. A lei levou a um bom acordo com experimentos na área de baixas frequências. De acordo com esta lei, a intensidade da radiação deve aumentar proporcionalmente ao quadrado da frequência. Conseqüentemente, a radiação térmica deveria conter muitos raios ultravioleta e raios X, o que não foi observado experimentalmente. As dificuldades em conciliar a teoria com os resultados experimentais são chamadas desastre ultravioleta.

As leis do eletromagnetismo obtidas por Maxwell não conseguiram explicar a forma da curva de distribuição de intensidade no espectro de um corpo absolutamente negro. À medida que você se afasta desse valor, a intensidade da radiação eletromagnética diminui gradualmente.

Tentando superar as dificuldades da teoria clássica na explicação da radiação do corpo negro, M. Planck em 1900 O Sr. fez uma hipótese: átomos emitem energia eletromagnética em porções separadas — quanto . Energia E cada porção é diretamente proporcional à frequência de radiação:

Assim, M. Planck mostrou uma saída para as dificuldades encontradas pela teoria da radiação térmica, após a qual a teoria física moderna chamou física quântica .

2 . Conceito de efeito fotoelétrico

No desenvolvimento da teoria quântica, um passo importante foi dado no estudo de um fenômeno notável descoberto por G. Hertz e cuidadosamente estudado pelo físico russo A.G. Este fenômeno é chamado de efeito fotoelétrico.

É assistido um vídeo, após o qual os alunos definem o efeito fotoelétrico.

Como resultado da pesquisa, foram estabelecidas três leis do efeito fotoelétrico.

1. A intensidade da corrente de saturação é diretamente proporcional à intensidade da radiação luminosa incidente na superfície do corpo.

2. A energia cinética máxima dos fotoelétrons aumenta linearmente com a frequência da luz e depende de sua intensidade.

3. Se a frequência da luz for inferior a uma determinada frequência mínima determinada para uma determinada substância, o efeito fotoelétrico não ocorre.

A dependência da fotocorrente com a tensão é mostrada na figura.

3. Teoria do efeito fotoelétrico.

A teoria do efeito fotoelétrico foi criada pelo cientista alemão A. Einstein em 1905. A teoria de Einstein é baseada no conceito da função trabalho dos elétrons de um metal e no conceito de radiação quântica de luz. Segundo a teoria de Einstein, o efeito fotoelétrico tem a seguinte explicação: ao absorver um quantum de luz, um elétron adquire energia. Essa energia é usada para realizar a função de trabalho e transmitir energia cinética ao elétron.

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hν - energia do fóton, que vai para a função de trabalho A do elétron do metal e lhe transmite energia cinética.

Função trabalho é o trabalho mínimo que deve ser realizado para remover um elétron de uma substância.

Einstein recebeu o Prêmio Nobel por sua equação do efeito fotoelétrico em 1921.

A teoria quântica fornece as seguintes explicações para as leis do efeito fotoelétrico.

À medida que aumenta a intensidade da radiação monocromática, aumenta o número de quanta absorvidos pelo metal e, consequentemente, o número de elétrons emitidos por ele, portanto a fotocorrente é diretamente proporcional à intensidade da radiação (1ª lei).

Ministério da Educação e Ciência da Federação Russa

Instituição Educacional Estadual Federal de Educação Profissional Secundária "Alekseevsky College of Economics and Information Technologies"

"O surgimento e desenvolvimento da física quântica"

Concluído por: aluno do grupo 22

especialidades: 080110

Economia e Contabilidade

(por indústria)

Rysikov Artem.

Verificado por: professor de educação geral

Koryaka Lyudmila Mikhailovna

Alekseyevka 2010

Introdução..……………………………………………………………………3

Capítulo I O surgimento e desenvolvimento da física quântica………………………4

1.1 Hipótese quântica …………………………………………………... 8

1.2 A teoria do átomo de I. Bohr. Princípio da correspondência……………………...11

Capítulo II Problemas de mecânica quântica………………………………….13

1.4 O problema de interpretação da mecânica quântica............ .16

Conclusão………………………………………………………………19

Lista de referências…………………………………………………………...2 0

Introdução

De acordo com a imagem eletromagnética do mundo, o mundo ao redor de uma pessoa é um meio contínuo - um campo que pode ter diferentes temperaturas em diferentes pontos, concentrar diferentes potenciais de energia, mover-se de maneira diferente, etc. Um meio contínuo pode ocupar grandes áreas de espaço, suas propriedades mudam continuamente e não possui limites nítidos. Essas propriedades distinguem o campo dos corpos físicos que possuem limites definidos e claros. A divisão do mundo em corpos e partículas de campo, em campo e espaço, é evidência da existência de duas propriedades extremas do mundo - discrição e continuidade. A divisibilidade (descontinuidade) do mundo significa a divisibilidade final de toda a estrutura espaço-temporal em objetos, propriedades e formas de movimento limitadas e separadas, enquanto a continuidade (continuidade) expressa a unidade, integridade e indivisibilidade do objeto.

No quadro da física clássica, a discrição e a continuidade do mundo aparecem inicialmente como opostas entre si, separadas e independentes, embora em geral propriedades complementares. Na física moderna, esta unidade de opostos, discreta e contínua, encontrou a sua justificação no conceito de dualidade onda-partícula.

A imagem moderna do campo quântico do mundo é baseada em uma nova teoria física - a mecânica quântica, que descreve o estado e o movimento dos microobjetos do mundo material.

Capítulo I. O surgimento e desenvolvimento da física quântica

A mecânica quântica é uma teoria que estabelece o método de descrição e leis de movimento de micropartículas (partículas elementares, átomos, moléculas, núcleos atômicos) e seus sistemas, bem como a conexão entre grandezas que caracterizam partículas e sistemas com grandezas físicas medidas diretamente experimentalmente.

As leis da mecânica quântica constituem a base para o estudo da estrutura da matéria. Eles permitem esclarecer a estrutura dos átomos, estabelecer a natureza das ligações químicas, explicar o sistema periódico dos elementos e estudar as propriedades das partículas elementares.

Como as propriedades dos corpos macroscópicos são determinadas pelo movimento e pela interação das partículas que os compõem, as leis da mecânica quântica fundamentam a compreensão da maioria dos fenômenos macroscópicos. Por exemplo, a mecânica quântica tornou possível determinar a estrutura e compreender muitas propriedades dos sólidos, explicar consistentemente os fenômenos do ferromagnetismo, superfluidez, supercondutividade, compreender a natureza dos objetos astrofísicos - anãs brancas, estrelas de nêutrons, e esclarecer o mecanismo de reações termonucleares no Sol e nas estrelas.

O desenvolvimento da mecânica quântica remonta ao início do século XX, quando foram descobertos fenômenos físicos que indicavam a inaplicabilidade da mecânica newtoniana e da eletrodinâmica clássica aos processos de interação da luz com a matéria e aos processos que ocorrem no átomo. O estabelecimento de conexões entre esses grupos de fenômenos e as tentativas de explicá-los com base na teoria levaram à descoberta das leis da mecânica quântica.

Pela primeira vez na ciência, as ideias sobre o quantum foram expressas em 1900 por M. Planck no processo de estudo da radiação térmica dos corpos. Por meio de suas pesquisas, ele demonstrou que a emissão de energia ocorre de forma discreta, em determinadas porções - quanta, cuja energia depende da frequência da onda de luz. Os experimentos de Planck levaram ao reconhecimento da natureza dual da luz, que possui propriedades corpusculares e ondulatórias, representando assim uma unidade dialética desses opostos. A dialética, em particular, se expressa no fato de que quanto menor o comprimento de onda da radiação, mais claramente aparecem as propriedades quânticas; Quanto maior o comprimento de onda, mais brilhantes aparecem as propriedades ondulatórias da luz.

Em 1924, o físico francês L. de Broglie apresentou a hipótese de que a dualidade onda-partícula é de natureza universal, ou seja, Todas as partículas de matéria têm propriedades ondulatórias. Mais tarde, esta ideia foi confirmada experimentalmente, e o princípio da dualidade onda-partícula foi estendido a todos os processos de movimento e interação no micromundo.

Em particular, N. Bohr aplicou a ideia de quantização de energia à teoria da estrutura atômica. Segundo suas ideias, no centro do átomo existe um núcleo carregado positivamente, no qual está concentrada quase toda a massa do átomo, e os elétrons carregados negativamente giram em órbitas ao redor do núcleo. Os elétrons em rotação devem perder parte de sua energia, o que acarreta a existência instável dos átomos. Contudo, na prática, os átomos não só existem, mas também são muito estáveis. Explicando esta questão, Bohr sugeriu que um elétron, movendo-se ao longo de sua órbita, não emite quanta. A radiação ocorre apenas quando um elétron se move de uma órbita para outra, ou seja, de um nível de energia para outro, com menos energia. No momento da transição, nasce um quantum de radiação.

De acordo com a imagem do campo quântico do mundo, qualquer microobjeto, possuindo propriedades ondulatórias e corpusculares, não possui uma trajetória de movimento específica e não pode ter certas coordenadas e velocidade (momento). Isto só pode ser feito determinando a função de onda num determinado momento e, em seguida, encontrando a sua função de onda em qualquer outro momento. O quadrado do módulo dá a probabilidade de encontrar uma partícula em um determinado ponto do espaço.

Além disso, a relatividade do espaço-tempo nesta imagem do mundo leva à incerteza das coordenadas e da velocidade em um determinado momento, à ausência de uma trajetória de movimento de um microobjeto. E se na física clássica o comportamento de um grande número de partículas estava sujeito a leis probabilísticas, então na mecânica quântica o comportamento de cada micropartícula está sujeito não a leis dinâmicas, mas a leis estatísticas.

Assim, a matéria tem duas faces: possui propriedades corpusculares e ondulatórias, que se manifestam dependendo das condições. Conseqüentemente, a imagem geral da realidade na imagem do campo quântico do mundo torna-se, por assim dizer, bidimensional: por um lado, inclui as características do objeto em estudo e, por outro, as condições de observação nas quais a certeza dessas características depende. Isso significa que a imagem da realidade na física moderna não é apenas uma imagem de um objeto, mas também uma imagem do processo de seu conhecimento.

A ideia de movimento muda radicalmente, tornando-se apenas um caso especial de interações físicas fundamentais. Existem quatro tipos de interações físicas fundamentais: gravitacional, eletromagnética, forte e fraca. Todos eles são descritos com base no princípio moderno de ação de curto alcance. De acordo com ele, a interação de cada tipo é transmitida pelo campo correspondente de ponto a ponto. Neste caso, a velocidade de transmissão da interação é sempre finita e não pode ultrapassar a velocidade da luz no vácuo (300.000 km/s).

A especificidade dos conceitos de campo quântico de regularidade e causalidade é que eles sempre aparecem de forma probabilística, na forma das chamadas leis estatísticas. Correspondem a um nível mais profundo de conhecimento das leis naturais. Assim, descobriu-se que nosso mundo é baseado no acaso, na probabilidade.

Além disso, a nova imagem do mundo incluiu pela primeira vez um observador, de cuja presença dependiam os resultados da pesquisa obtidos. Além disso, foi formulado o chamado princípio antrópico, que afirma que nosso mundo só é o que é graças à existência do homem. A partir de agora, o surgimento do homem é considerado um resultado natural da evolução do Universo.

O EMERGÊNCIA E O DESENVOLVIMENTO DA FÍSICA QUÂNTICA

1.1 Hipótese quântica

As origens da física quântica podem ser encontradas nos estudos dos processos de radiação dos corpos. Em 1809, P. Prevost concluiu que todo corpo irradia independentemente do ambiente. Desenvolvimento da espectroscopia no século XIX. levou ao fato de que, ao estudar os espectros de emissão, começa-se a prestar atenção também aos espectros de absorção. Acontece que existe uma conexão simples entre a radiação e a absorção de um corpo: nos espectros de absorção, as partes do espectro emitidas por um determinado corpo estão ausentes ou enfraquecidas. Esta lei foi explicada apenas na teoria quântica.

G. Kirchhoff em 1860 formulou uma nova lei, que afirma que para radiação do mesmo comprimento de onda na mesma temperatura, a proporção entre emissividade e capacidade de absorção é a mesma para todos os corpos. Em outras palavras, se EλT e AλT são as capacidades de emissão e absorção de um corpo, respectivamente, dependendo do comprimento de onda λ e da temperatura T, então

onde φ(λ, T) é alguma função universal de λ e T, a mesma para todos os corpos.

Kirchhoff introduziu o conceito de corpo absolutamente negro como um corpo que absorve todos os raios que incidem sobre ele. Para tal corpo, obviamente, AλT = 1; então a função universal φ(λ, T) é igual à emissividade de um corpo absolutamente negro. O próprio Kirchhoff não determinou a forma da função φ(λ, T), mas apenas observou algumas de suas propriedades.

Ao determinar a forma da função universal φ(λ, T), era natural supor que se pudesse usar considerações teóricas, principalmente as leis básicas da termodinâmica. L. Boltzmann mostrou que a energia total de radiação de um corpo completamente negro é proporcional à quarta potência de sua temperatura. No entanto, a tarefa de determinar concretamente a forma da função de Kirchhoff revelou-se muito difícil, e as pesquisas nesse sentido, baseadas na termodinâmica e na óptica, não levaram ao sucesso.

O experimento deu um quadro que não pode ser explicado do ponto de vista dos conceitos clássicos: no equilíbrio termodinâmico entre os átomos oscilantes da matéria e a radiação eletromagnética, quase toda a energia está concentrada nos átomos oscilantes e apenas uma parte insignificante dela é responsável por a radiação, enquanto que, segundo a teoria clássica, quase toda a energia deveria ir para o campo eletromagnético.

Nos anos 80 Século XIX Os estudos empíricos dos padrões de distribuição das linhas espectrais e o estudo da função φ(λ, T) tornaram-se mais intensivos e sistemáticos. O equipamento experimental foi melhorado. Para a energia de radiação de um corpo completamente negro, V. Wien em 1896, J. Rayleigh e J. Jeans em 1900 propuseram duas fórmulas diferentes. Como os resultados experimentais mostraram, a fórmula de Wien é assintoticamente correta na região de ondas curtas e apresenta discrepâncias acentuadas com os experimentos na região de ondas longas, e a fórmula de Rayleigh-Jeans é assintoticamente correta para ondas longas, mas não é aplicável para ondas curtas. ondas.

Em 1900, em uma reunião da Sociedade Física de Berlim, M. Planck propôs uma nova fórmula para a distribuição de energia no espectro de um corpo de enxofre. Esta fórmula deu plena concordância com o experimento, mas seu significado físico não ficou totalmente claro. Análises adicionais mostraram que isso só faz sentido se omitirmos que a radiação de energia não ocorre continuamente, mas em porções limitadas - quanta (ε). Além disso, ε não é uma quantidade qualquer, nomeadamente, ε = hν, onde h é uma certa constante ev é a frequência da luz. Isso levou ao reconhecimento, junto com o atomismo da matéria, do atomismo da energia ou da ação, a natureza quântica discreta da radiação, que não se enquadrava na estrutura dos conceitos da física clássica.

A formulação da hipótese dos quanta de energia foi o início de uma nova era no desenvolvimento da física teórica. Com grande sucesso, essa hipótese passou a ser utilizada para explicar outros fenômenos que não poderiam ser descritos com base nos conceitos da física clássica.

Um passo essencialmente novo no desenvolvimento da hipótese quântica foi a introdução do conceito de quanta de luz. Essa ideia foi desenvolvida em 1905 por Einstein e por ele utilizada para explicar o efeito fotoelétrico. Vários estudos forneceram evidências da veracidade dessa ideia. Em 1909, Einstein, continuando sua pesquisa sobre as leis da radiação, mostrou que a luz tem propriedades ondulatórias e corpusculares. Tornou-se cada vez mais óbvio que a dualidade onda-partícula da radiação luminosa não pode ser explicada do ponto de vista da física clássica. Em 1912, A. Poincaré finalmente provou a incompatibilidade entre a fórmula de Planck e a mecânica clássica. Novos conceitos, novas ideias e uma nova linguagem científica foram necessários para que os físicos pudessem compreender estes fenómenos incomuns. Tudo isso apareceu mais tarde - junto com a criação e desenvolvimento da mecânica quântica.

Capítulo II Problemas de mecânica quântica………………………………….13
1.3 Criação da mecânica quântica não relativística………………...13
1.4 O problema de interpretação da mecânica quântica..........16
Conclusão …………………………………………………………………………… 19
Lista de referências…………………………………………………………...20