Kvantemekanik: En introduktion

Du har sikkert hørt, at kvantefysik er mærkelig og underlig og ikke overholder de fysiklove, som du er vant til. Dette er bestemt sandt i vid udstrækning. Der er en grund til, at fysikere var nødt til at udvikle en ny teori og ikke stole på de gamle for at forklare, hvad der sker i den ekstremt lille verden.

I denne introduktion til kvantemekanik lærer du, hvordan forskere nærmer sig kvanteopførsel og kvantefænomener samt hvor disse ideer kom fra.

Der er faktisk meget underligt i kvanteverdenen. Kvantemekanik er den gren af ​​fysikken, der forsøger at forklare den underlighed og give en ramme, der giver mulighed for forudsigelser og forklaringer af observerede fænomener.

Grundlæggende aspekter af kvantemekanik inkluderer begrebet kvantisering. Det vil sige, at der findes en mindste enhed af noget, der ikke kan nedbrydes yderligere. Energi kvantiseres, hvilket betyder at den kommer i diskrete enheder.

Størrelsen på kvantiserede enheder er normalt skrevet i form af Plancks konstant, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 m²kg / s.

Et andet aspekt af kvantemekanik er forestillingen om, at alle partikler faktisk har partikelbølgedualitet, hvilket betyder, at de undertiden fungerer som partikler, og andre gange fungerer som bølger. Faktisk er de beskrevet af en såkaldt bølgefunktion.

Kvantligt underligt indbefatter forestillingen om, at om en partikel fungerer som en bølge eller ikke på en eller anden måde afhænger af den måde, du beslutter at se på den. Visse egenskaber ved en partikel - såsom orienteringen af ​​dens spin - ser ikke ud til at have en veldefineret værdi, før du måler dem.

Det er rigtigt, det er ikke kun, at du ikke ved indtil måling, men den faktiske distinkte værdi findes ikke før måling.

Kvantemekanik kan forstås bedst ved at sammenligne den med klassisk fysik, som er fysikken i hverdagsgenstande, som du sandsynligvis er mere fortrolig med.

Den første store forskel er, hvilke områder hver gren gælder for. Klassisk fysik gælder meget godt for genstande i hverdagsstørrelser, såsom en kastet bold. Kvantemekanik gælder for objekter, der er meget små, såsom protoner, elektroner og så videre.

I klassisk fysik har partikler og objekter en tydelig position og momentum på et givet tidspunkt, og begge kan altid kendes præcist. I kvantemekanik, jo mere nøjagtigt du kender et objekts position, jo mindre nøjagtigt kender du dets momentum. Partikler har ikke altid veldefineret position og momentum. Dette kaldes Heisenberg usikkerhedsprincippet.

Klassisk fysik antager, at energiværdierne noget kan have er kontinuerlige. I kvantemekanik findes der imidlertid energi i diskrete klumper. Subatomære partikler, såsom elektroner i atomer, kan for eksempel kun optage forskellige energiniveauer og ikke nogen værdier imellem.

Hvordan kausalitet fungerer er også anderledes. Klassisk fysik er fuldstændig årsagssammenhængende, hvilket betyder, at viden om starttilstande giver dig mulighed for at forudsige nøjagtigt, hvad der vil ske.

Kvantemekanik har en anden version af kausalitet. Partikler er beskrevet med kvantemekanik bølgefunktion, som giver relative sandsynligheder for, hvad det kan gøre, når det måles. Denne bølgefunktion følger visse fysiske love i, hvordan den "udvikler sig" med tiden og efterlader dig med forudsigelige "sandsynlighedsskyer" for, hvad måling kan give.

Mange berømte forskere bidrog til kvanteteorien gennem årene, og mange vandt nobelpriser for deres bidrag. Faktisk var opdagelsen og udviklingen af ​​kvantemekanik revolutionerende. Begyndelsen af ​​kvanteteori kan spores tilbage til 1800'erne.

• Fysiker Max Planck var i stand til at forklare fænomenet sort kropsstråling ved kvantisering af energi.
• Senere udviklede Albert Einstein en forklaring på fotoelektrisk effekt ved at behandle lys som en partikel i stedet for en bølge og give det kvantificerede energiværdier.
• Neils Bohr er berømt for sit arbejde med brintatomet, hvor han var i stand til at forklare spektrale linjer med kvantemekaniske principper.
• Louis de Broglie præsenterede ideen om, at partikler, der er små nok - såsom elektroner - også viser partikelbølge-dualitet.
• Erwin Schrodinger udviklede sin berømte Schrodinger ligning, som beskriver, hvordan bølgefunktioner udvikler sig i tid.
• Werner Heisenberg udviklede usikkerhedsprincip, som beviste, at hverken position eller momentum af en kvantepartikel kan kendes med sikkerhed.
• Paul Dirac forudsagde eksistensen af ​​antimateriale og tog skridt mod at forene generel relativitetsteori med kvanteteori.
• John Bell er kendt for Bells sætning, som beviste, at der ikke var nogen skjulte variabler. (Med andre ord er det ikke kun, at du ikke kender kvantepartikler spin eller anden ejendom før måling, men den har faktisk ikke en veldefineret værdi før måling.)
• Richard Feynman udviklede teorien om kvanteelektrodynamik.

Fordi kvantemekanik er så mærkelig og så kontraintuitiv, har forskellige forskere udviklet forskellige fortolkninger af den. Ligningerne, der forudsiger hvad der sker, er én ting - vi ved, at de fungerer, fordi de er i overensstemmelse med observationer - men at forstå, hvad de virkelig betyder, er en mere filosofisk sag og har været genstand for meget debat.

Einstein karakteriserede de forskellige fortolkninger baseret på fire egenskaber:

• Realisme, der vedrører, om egenskaber virkelig eksisterer før måling.
• Fuldstændighed, der behandler, hvorvidt den aktuelle kvanteteori er komplet.
• Lokal realisme, en underkategori af realisme, der vedrører, om der eksisterer realisme på et lokalt, øjeblikkeligt niveau.
• Determinisme, der vedrører hvor godt kvantemekanik menes at være deterministisk.

Standardfortolkningen af ​​kvantemekanik kaldes Københavns fortolkning. Det blev formuleret af Bohr og Heisenberg, mens de var i København i 1927. I det væsentlige siger denne fortolkning, at alt, hvad en kvantepartikel er, og alt, hvad der kan være kendt om det, er beskrevet af bølgefunktionen. Med andre ord er alt det underlige ved kvantemekanik virkelig så underligt, og sådan er tingene faktisk.

Et alternativt synspunkt er fortolkningen af ​​mange verdener, der fjerner kvantes sandsynlige resultater observationer ved at sige, at alle mulige resultater faktisk forekommer, men i forskellige verdener, der er grene af vores nuværende virkelighed.

Skjulte variable teorier siger, at der er mere i kvanteverdenen, der giver os mulighed for at forudsige det er ikke baseret på sandsynligheder, men vi skal afdække visse skjulte variabler, der giver os disse forudsigelser. Med andre ord er kvantemekanik ikke komplet. Bells sætning viste imidlertid, at skjulte variabler ikke findes på lokalt niveau.

De Broglie-Bohm-teorien, også kendt som pilotbølgeteori, behandler forestillingen om skjulte variabler med en global tilgang, der ikke modsiges af Bells sætning.

Ikke overraskende findes der mange, mange andre fortolkninger, fordi forskere har haft over et århundrede til at forsøge at forstå den virkelig bizarre natur i kvanteverdenen.

Mange berømte eksperimenter er blevet udført undervejs, der både førte til og beviste forskellige aspekter af kvanteteori.

Et meget berømt eksperiment er EPR-eksperimentet, opkaldt efter forskerne Einstein, Podolsky og Rosen. Dette eksperiment beskæftigede sig med ideen om sammenfiltring i et kvantesystem. Overvej to elektroner, som begge har en egenskab kaldet spin. Deres spin er målt, enten i op-position eller ned-position.

Når man måler centrifugeringen af ​​en enkelt elektron, har den en 50 procent chance for at være op og en 50 procent chance for at være nede. Resultaterne kan ikke forudsiges på forhånd pr. Kvantemekanik. I dette eksperiment er to elektroner imidlertid viklet ind således, at deres samlede spin er 0. Men pr. Kvantemekanik kan vi stadig ikke vide, hvilken der er spin op, og hvilken der er spin ned, og faktisk er ingen af ​​dem i begge positioner og siges i stedet at være i en "superposition" af begge stater.

Disse to sammenfiltrede elektroner sendes i modsatte retninger til forskellige enheder, der måler deres spins samtidigt. De er langt nok fra hinanden under målingen, at der ikke er tid for nogen elektron til at sende noget usynligt “signal” til det andet for at fortælle det, hvad dets spin måles som. Og alligevel, når måling opstår, måles begge til at have modsat spin.

Schrodingers kat er et berømt tankeeksperiment, der både skal illustrere den underlige kvanteopførsel og udgøre spørgsmål om, hvad der virkelig menes med måling, og om store genstande - såsom en kat - kan vise kvante opførsel.

I dette eksperiment siges en kat at være i en kasse, så den ikke kan ses af observatøren. Kattens liv gøres afhængig af en kvantebegivenhed - for eksempel måske orienteringen af ​​en elektrons spin. Hvis det drejes op, dør katten. Hvis det drejes ned, lever katten.

Men elektronens tilstand er skjult for observatøren, ligesom katten i kassen. Så spørgsmålet bliver, indtil du åbner kassen, er katten i live, død eller også i en eller anden underlig superposition af tilstande som elektronen er indtil måling?

Vær dog sikker på, at ingen har udført et sådant eksperiment, og ingen katte blev skadet i jagten på kvanteviden!

1900'erne var en tid, hvor fysikken virkelig startede. Klassisk mekanik kunne ikke længere forklare de meget små, de meget store eller de hurtiges verden. Mange nye grene af fysik blev født. Blandt disse er:

• ​Kvantefeltsteori:En teori, der kombinerer idéen om felter med kvantemekanik og speciel relativitet.
• ​Partikelfysik:Et fysikfelt, der beskriver alle grundlæggende partikler og måder, de kan interagere med hinanden på.
• ​Kvanteberegning:Et felt, der forsøger at skabe kvantecomputere, der giver mulighed for hurtigere behandling og bedre kryptering på grund af, hvordan funktionen af ​​en sådan computer ville være baseret på kvantemekanisk principper.
• ​Speciel relativitet:Teorien, der beskriver opførelsen af ​​objekter, der bevæger sig nær lysets hastighed, og er baseret på forestillingen om, at intet kan rejse hurtigere end lysets hastighed.
• ​Generel relativitet:Teorien, der beskriver tyngdekraften som rum-tid-krumning.