Квантова механика: Въведение

Сигурно сте чували, че квантовата физика е странна и странна и не се подчинява на законите на физиката, с които сте свикнали. Това със сигурност е вярно до голяма степен. Има причина физиците да трябва да разработят нова теория, а не да разчитат на старите, за да обяснят какво се случва в света на изключително малките.

В това въведение в квантовата механика ще научите как учените подхождат към квантовото поведение и квантовите явления, както и откъде идват тези идеи.

Наистина има много странности в квантовия свят. Квантовата механика е клонът на физиката, който се опитва да обясни тази странност и да осигури рамка, която позволява прогнози и обяснения на наблюдаваните явления.

Основните аспекти на квантовата механика включват понятието квантуване. Тоест, съществува най-малката единица от нещо, което не може да се раздели допълнително. Енергията се квантува, което означава, че тя идва в отделни единици.

Размерът на квантуваните единици обикновено се записва в Константа на Планк, ​з​ = 6.62607004 × 10^-34 м²kg / s.

Друг аспект на квантовата механика е схващането, че всички частици всъщност имат двойственост частици-вълни, което означава, че те понякога действат като частици, а друг път действат като вълни. Всъщност те са описани чрез така наречената вълнова функция.

Квантовата странност включва идеята, че дали частицата действа като вълна или не, зависи по някакъв начин от начина, по който решите да я погледнете. Също така, някои свойства на частицата - като ориентацията на нейното завъртане - изглежда нямат добре дефинирана стойност, докато не ги измерите.

Точно така, не е просто да не знаете до измерването, но действителната различна стойност не съществува до измерването.

Квантовата механика може да се разбере най-добре, като я сравните с класическата физика, която е физиката на ежедневните предмети, с която вероятно сте по-запознати.

Първата голяма разлика е за кои области се отнася всеки клон. Класическата физика се прилага много добре за обекти с ежедневни размери, като хвърлена топка. Квантовата механика се отнася за обекти, които са много малки, като протони, електрони и т.н.

В класическата физика частиците и предметите имат различно положение и импулс във всеки даден момент от времето и и двете винаги могат да бъдат познати точно. В квантовата механика, колкото по-точно познавате положението на даден обект, толкова по-малко точно знаете неговия импулс. Частиците не винаги имат добре дефинирано положение и инерция. Това се нарича принцип на несигурността на Хайзенберг.

Класическата физика предполага, че енергийните стойности, които нещо може да има, са непрекъснати. В квантовата механика обаче енергията съществува в отделни парчета. Субатомните частици, като електроните в атомите, например, могат да заемат само различни енергийни нива, а не някакви стойности между тях.

Начинът на действие на причинно-следствената връзка също е различен. Класическата физика е напълно причинно-следствена, което означава, че познаването на началните състояния ви позволява да предскажете точно какво ще се случи.

Квантовата механика има различна версия на причинно-следствената връзка. Частиците са описани чрез квантово механично вълнова функция, което дава относителни вероятности за това какво може да направи, когато се измерва. Тази вълнова функция следва определени закони на физиката в начина, по който тя „еволюира“ във времето и ви оставя предсказуеми „вероятностни облаци“ за това, което може да даде измерването.

Много известни учени допринесоха за квантовата теория през годините и много спечелиха Нобелови награди за своя принос. Всъщност откритието и развитието на квантовата механика бяха революционни. Началото на квантовата теория може да бъде проследено до 1800-те години.

• Физикът Макс Планк успя да обясни феномена на излъчване на черното тяло чрез квантуване на енергията.
• По-късно Алберт Айнщайн разработва обяснение на фотоелектричен ефект като третира светлината като частица вместо вълна и й дава квантовани енергийни стойности.
• Нийлс Бор е известен с работата си върху водородния атом, където успя да обясни спектралните линии по отношение на квантово-механичните принципи.
• Луи дьо Бройл представи идеята, че частиците, които са достатъчно малки - като електроните - също показват двойственост частици-вълни.
• Ервин Шрьодингер развива своя известен Уравнение на Шрьодингер, който описва как вълновите функции се развиват във времето.
• Вернер Хайзенберг разработи принцип на несигурност, което доказа, че нито позиция, нито импулс на квантова частица не могат да бъдат известни със сигурност.
• Пол Дирак предсказа съществуването на антиматерия и направи стъпки към съгласуване на общата теория на относителността с квантовата теория.
• Джон Бел е известен с теоремата на Бел, която доказа, че няма скрити променливи. (С други думи, не е само, че не познавате квантови частици въртене или друго свойство преди измерването, но всъщност няма добре дефинирана стойност преди измерването.)
• Ричард Файнман разработи теорията на квантовата електродинамика.

Тъй като квантовата механика е толкова странна и толкова противоинтуитивна, различни учени са разработили различни нейни интерпретации. Уравненията, които предсказват какво ще се случи, са едно - знаем, че работят, защото са в съответствие наблюдения - но разбирането на това, което всъщност означават, е по-философски въпрос и е обект на много неща дебат.

Айнщайн характеризира различните интерпретации въз основа на четири свойства:

• Реализъм, който се отнася до това дали свойствата наистина съществуват преди измерването.
• Пълнота, която разглежда дали настоящата квантова теория е пълна или не.
• Местен реализъм, подкатегория на реализма, която се отнася до това дали реализмът съществува на местно, непосредствено ниво.
• Детерминизъм, който се отнася до това колко добре се смята, че квантовата механика е детерминирана.

Стандартната интерпретация на квантовата механика се нарича интерпретация на Копенхаген. Той е формулиран от Бор и Хайзенберг, докато е бил в Копенхаген през 1927 г. По същество тази интерпретация гласи, че всичко, което е квантова частица и всичко, което може да се знае за нея, се описва от вълновата функция. С други думи, цялата странност на квантовата механика е наистина толкова странна и ето как стоят нещата всъщност.

Алтернативна гледна точка е Интерпретацията на много светове, която премахва вероятностните резултати от кванта наблюдения, като се посочва, че всички възможни резултати действително се случват, но в различни светове, които са клонове на нашето течение реалност.

Скритите теории на променливите твърдят, че в квантовия свят има още нещо, което би ни позволило да правим прогнози не се основават на вероятности, но трябва да разкрием определени скрити променливи, които биха ни дали тези прогнози. С други думи, квантовата механика не е завършена. Теоремата на Бел обаче доказа, че скритите променливи не съществуват на локално ниво.

Теорията на Де Бройл-Бом, известна още като теория на пилотните вълни, се отнася към понятието скрити променливи с глобален подход, който не противоречи на теоремата на Бел.

Не е изненадващо, че съществуват много, много други интерпретации, защото учените са имали повече от век опит да разберат наистина странната природа на квантовия свят.

По пътя са проведени много известни експерименти, които едновременно са довели и доказали различни аспекти на квантовата теория.

Един много известен експеримент е експериментът EPR, кръстен на учените Айнщайн, Подолски и Росен. Този експеримент се занимава с идеята за заплитане в квантова система. Да разгледаме два електрона, и двата от които имат свойство, наречено спин. Тяхното завъртане, когато се измерва, е или в горно положение, или в долно положение.

Когато измерва спина на един електрон, той има 50% шанс да бъде нагоре и 50% шанс да бъде надолу. Резултатите не могат да се предвидят предварително по квантова механика. В този експеримент обаче два електрона са заплетени така, че комбинираният им спин е 0. Въпреки това, според квантовата механика, ние все още не можем да разберем кой се върти нагоре и кой се върти надолу, и всъщност нито едното, нито другото не е в нито една позиция и вместо това се казва, че е в „суперпозиция“ и на двете държави.

Тези два заплетени електрона се изпращат в противоположни посоки към различни устройства, които ще измерват техните завъртания едновременно. Те са достатъчно отдалечени по време на измерване, че няма време нито един от електроните да изпрати някакъв невидим “сигнал” към другия, за да му даде информация как се измерва неговото въртене. И все пак, когато настъпи измерването, и двете се измерват, за да имат противоположно завъртане.

Котката на Шрьодингер е известен мисловен експеримент, предназначен едновременно да илюстрира странността на квантовото поведение и да постави въпросът какво наистина се разбира под измерване и дали големи обекти - като котка - могат да покажат квант поведение.

В този експеримент се казва, че котката е в кутия, така че да не може да бъде видяна от наблюдателя. Животът на котката зависи от квантово събитие - например, може би ориентацията на спина на електрона. Ако се завърти, котката умира. Ако се върти надолу, котката живее.

Но състоянието на електрона е скрито от наблюдателя, както и котката в кутията. Така че въпросът става, докато не отворите кутията, жива ли е котката, мъртва ли е или също е в някаква странна суперпозиция на състояния като електрона до измерването?

Бъдете сигурни обаче, никой не е правил такъв експеримент и нито една котка не е била ощетена в преследване на квантовите знания!

1900-те години са период, в който физиката наистина е излетяла. Класическата механика вече не можеше да обясни света на много малките, света на много големите или света на много бързите. Раждат се много нови клонове на физиката. Сред тях са:

• ​Квантова теория на полето:Теория, която съчетава идеята за полетата с квантовата механика и специалната теория на относителността.
• ​Физика на частиците:Област на физиката, която описва всички основни частици и начините, по които те могат да взаимодействат помежду си.
• ​Квантови изчисления:Поле, което се опитва да създаде квантови компютри, които биха позволили по-бърза обработка и по-добра криптиране, тъй като работата на такъв компютър ще се основава на квантово механично принципи.
• ​Специална теория на относителността:Теорията, която описва поведението на обекти, които се движат близо до скоростта на светлината и се основава на идеята, че нищо не може да пътува по-бързо от скоростта на светлината.
• ​Обща теория на относителността:Теорията, която описва гравитацията като кривина на пространство-времето.