Kvantová mechanika: Úvod

Pravděpodobně jste slyšeli, že kvantová fyzika je podivná a divná a neřídí se fyzikálními zákony, na které jste zvyklí. To je do značné míry jistě pravda. Existuje důvod, proč fyzici museli vyvinout novou teorii a nespoléhat se na staré, aby vysvětlili, co se děje ve světě extrémně malých.

V tomto úvodu do kvantové mechaniky se dozvíte, jak vědci přistupují ke kvantovému chování a kvantovým jevům a odkud tyto myšlenky pocházejí.

V kvantovém světě je opravdu spousta divů. Kvantová mechanika je odvětví fyziky, které se pokouší vysvětlit tuto podivnost a poskytuje rámec umožňující předpovědi a vysvětlení pozorovaných jevů.

Mezi základní aspekty kvantové mechaniky patří pojem kvantizace. To znamená, že existuje nejmenší jednotka něčeho, co nelze dále rozložit. Energie je kvantována, což znamená, že přichází v diskrétních jednotkách.

Velikost kvantovaných jednotek se obvykle zapisuje pomocí Planckova konstanta, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 m²kg / s.

Dalším aspektem kvantové mechaniky je představa, že všechny částice mají ve skutečnosti dualitu vln částic, což znamená, že někdy fungují jako částice a jindy jako vlny. Ve skutečnosti jsou popsány takzvanou vlnovou funkcí.

Kvantová podivnost zahrnuje představu, že to, zda se částice chová jako vlna nebo ne, nějak závisí na tom, jak se na ni rozhodnete podívat. Také se nezdá, že by určité vlastnosti částice - například orientace jejího rotace - měly dobře definovanou hodnotu, dokud je nezměříte.

To je pravda, nejde jen o to, že nevíte až do měření, ale skutečná odlišná hodnota neexistuje až do měření.

Kvantovou mechaniku lze nejlépe pochopit jejím porovnáním s klasickou fyzikou, což je fyzika předmětů každodenní potřeby, které znáte pravděpodobněji.

První hlavní rozdíl je v tom, na které říše se každá pobočka vztahuje. Klasická fyzika se velmi dobře aplikuje na předměty každodenních velikostí, jako je hodený míč. Kvantová mechanika platí pro objekty, které jsou velmi malé, jako jsou protony, elektrony atd.

V klasické fyzice mají částice a objekty v kterémkoli daném okamžiku odlišnou polohu a hybnost a oba je lze vždy přesně znát. V kvantové mechanice platí, že čím přesněji znáte polohu objektu, tím méně přesně znáte jeho hybnost. Částice nemají vždy přesně definovanou polohu a hybnost. Tomu se říká Heisenbergův princip nejistoty.

Klasická fyzika předpokládá, že energetické hodnoty, které může něco mít, jsou spojité. V kvantové mechanice však energie existuje v diskrétních částech. Například subatomární částice, jako jsou elektrony v atomech, mohou zabírat pouze odlišné energetické úrovně a mezitím žádné hodnoty.

Způsob příčinné souvislosti je také odlišný. Klasická fyzika je zcela kauzální, což znamená, že znalost počátečních stavů vám umožňuje přesně předpovědět, co se stane.

Kvantová mechanika má jinou verzi kauzality. Částice jsou popsány kvantovou mechanikou vlnová funkce, což dává relativní pravděpodobnosti toho, co by mohlo při měření udělat. Tato vlnová funkce se řídí určitými zákony fyziky v tom, jak se „vyvíjí“ v čase, a ponechává vám předvídatelné „mraky pravděpodobnosti“ toho, co by měření mohlo dát.

Mnoho slavných vědců přispělo v průběhu let k kvantové teorii a mnozí za jejich příspěvky získali Nobelovu cenu. Objev a vývoj kvantové mechaniky byl skutečně revoluční. Počátky kvantové teorie lze vysledovat až do 19. století.

• Fyzik Max Planck dokázal vysvětlit jev záření černého tělesa kvantizací energie.
• Později Albert Einstein vyvinul vysvětlení fotoelektrický efekt zpracováním světla jako částice místo vlny a dáváním kvantovaných energetických hodnot.
• Neils Bohr je známý svou prací na atomu vodíku, kde dokázal vysvětlit spektrální čáry z hlediska kvantově mechanických principů.
• Louis de Broglie představil myšlenku, že částice, které jsou dostatečně malé - například elektrony - také vykazují dualitu částicových vln.
• Erwin Schrodinger vyvinul svůj slavný Schrodingerova rovnice, který popisuje, jak se vlnové funkce vyvíjejí v čase.
• Werner Heisenberg vyvinul princip nejistoty, který dokázal, že ani poloha, ani hybnost kvantové částice nelze s jistotou znát.
• Paul Dirac předpověděl existenci antihmoty a učinil kroky k sladění obecné teorie relativity s kvantovou teorií.
• John Bell je známý pro Bellovu větu, která dokázala, že neexistují žádné skryté proměnné. (Jinými slovy, nejde jen o to, že neznáte kvantovou částici roztočit nebo jiná vlastnost před měřením, ale ve skutečnosti nemá před měřením přesně definovanou hodnotu.)
• Richard Feynman vyvinul teorii kvantové elektrodynamiky.

Protože kvantová mechanika je tak podivná a tak protiintuitivní, vyvinuli různí vědci její různé interpretace. Rovnice, které předpovídají, co se stane, jsou jedna věc - víme, že fungují, protože jsou v souladu pozorování - ale pochopení toho, co ve skutečnosti znamenají, je více filozofickou záležitostí a bylo předmětem mnoha věcí rozprava.

Einstein charakterizoval různé interpretace na základě čtyř vlastností:

• Realismus, který se týká toho, zda vlastnosti skutečně existují před měřením.
• Úplnost, která řeší, zda je současná kvantová teorie úplná či nikoli.
• Místní realismus, podkategorie realismu, která se týká toho, zda realismus existuje na místní, okamžité úrovni.
• Determinismus, který se týká toho, jak dobře je kvantová mechanika považována za deterministickou.

Standardní interpretace kvantové mechaniky se nazývá kodaňská interpretace. Byl formulován Bohrem a Heisenbergem v Kodani v roce 1927. V podstatě tato interpretace uvádí, že vše, co je kvantová částice a vše, co o ní lze vědět, je popsáno vlnovou funkcí. Jinými slovy, veškerá podivnost kvantové mechaniky je opravdu tak divná a tak to ve skutečnosti je.

Alternativním hlediskem je interpretace mnoha světů, která odstraňuje pravděpodobnostní výsledky kvantové pozorování konstatováním, že ke všem možným výsledkům skutečně dochází, ale v různých světech, které jsou větvemi našeho proudu realita.

Skryté teorie proměnných uvádějí, že v kvantovém světě existuje více, co by nám umožnilo dělat takové předpovědi nejsou založeny na pravděpodobnostech, ale musíme odhalit určité skryté proměnné, které by nám tyto předpovědi poskytly. Jinými slovy, kvantová mechanika není úplná. Bellova věta však dokázala, že skryté proměnné na místní úrovni neexistují.

Teorie De Broglie-Bohm, známá také jako teorie pilotních vln, se zabývá pojmem skrytých proměnných pomocí globálního přístupu, který není v rozporu s Bellovou teorémou.

Není překvapením, že existuje mnoho a mnoho dalších interpretací, protože vědci měli více než sto let na to, aby se pokusili porozumět skutečně bizarní povaze kvantového světa.

Na cestě bylo provedeno mnoho slavných experimentů, které vedly a prokázaly různé aspekty kvantové teorie.

Jedním z velmi slavných experimentů je experiment EPR, pojmenovaný pro vědce Einsteina, Podolského a Rosena. Tento experiment se zabýval myšlenkou zapletení do kvantového systému. Uvažujme dva elektrony, z nichž oba mají vlastnost zvanou spin. Jejich rotace, je-li měřena, je buď v poloze nahoře nebo dole.

Při měření rotace jediného elektronu má 50% šanci, že bude nahoře a 50%, že bude dole. Výsledky nelze předem předpovědět na kvantovou mechaniku. V tomto experimentu jsou však dva elektrony zapleteny tak, že jejich kombinovaná rotace je 0. Podle kvantové mechaniky však stále nemůžeme vědět, který z nich se otáčí a který se otáčí dolů, a opravdu žádný z nich není v žádné pozici a místo toho se o nich říká, že jsou v „superpozici“ obou státy.

Tyto dva zapletené elektrony jsou vysílány v opačných směrech do různých zařízení, která budou měřit jejich otáčky současně. Během měření jsou dostatečně daleko od sebe, že není čas, aby jeden z elektronů vyslal druhému neviditelný „signál“, aby mu sdělil, jak je měřena jeho rotace. A přesto, když dojde k měření, je u obou měřeno, že mají opačnou rotaci.

Schrodingerova kočka je slavný myšlenkový experiment, který má jak ilustrovat podivnost kvantového chování, tak představovat otázka, co se skutečně rozumí měřením a zda velké objekty - například kočka - mohou zobrazit kvantum chování.

V tomto experimentu se říká, že kočka je v krabici, takže ji pozorovatel nemůže vidět. Život kočky závisí na kvantové události - například na orientaci rotace elektronu. Pokud se roztočí, kočka zemře. Pokud se točí dolů, kočka žije.

Ale stav elektronu je před pozorovatelem skrytý, stejně jako kočka v krabici. Otázka tedy zní, dokud neotevřete krabici, je kočka živá, mrtvá nebo také v nějaké podivné superpozici stavů, jako je elektron, až do měření?

Ujistěte se však, že nikdo neprovedl takový experiment a žádné kočky nebyly poškozeny při hledání kvantových znalostí!

20. léta 20. století byla dobou, kdy fyzika skutečně vzlétla. Klasická mechanika už nedokázala vysvětlit svět velmi malých, svět velmi velkých nebo svět velmi rychlých. Narodilo se mnoho nových odvětví fyziky. Mezi ně patří:

• ​Teorie kvantového pole:Teorie, která kombinuje myšlenku polí s kvantovou mechanikou a speciální relativitou.
• ​Částicová fyzika:Fyzikální pole, které popisuje všechny základní částice a způsoby jejich vzájemné interakce.
• ​Kvantové výpočty:Pole, které se pokouší vytvořit kvantové počítače, které by umožnily rychlejší zpracování a lepší šifrování kvůli tomu, jak by fungování takového počítače bylo založeno na kvantové mechanice zásady.
• ​Speciální relativita:Teorie, která popisuje chování objektů, které se pohybují blízko rychlosti světla, a je založena na představě, že nic nemůže cestovat rychleji než rychlost světla.
• ​Obecná relativita:Teorie, která popisuje gravitaci jako zakřivení časoprostoru.