Κβαντομηχανική: Μια εισαγωγή

Ίσως έχετε ακούσει ότι η κβαντική φυσική είναι παράξενη και περίεργη και δεν συμμορφώνεστε με τους νόμους της φυσικής που έχετε συνηθίσει. Αυτό ισχύει σίγουρα σε μεγάλο βαθμό. Υπάρχει ένας λόγος που οι φυσικοί έπρεπε να αναπτύξουν μια νέα θεωρία και να μην βασίζονται στις παλιές για να εξηγήσουν τι συμβαίνει στον κόσμο του εξαιρετικά μικρού.

Σε αυτήν την εισαγωγή στην κβαντική μηχανική θα μάθετε πώς οι επιστήμονες προσεγγίζουν την κβαντική συμπεριφορά και τα κβαντικά φαινόμενα καθώς και από πού προέρχονται αυτές οι ιδέες.

Υπάρχει πράγματι μεγάλη περιέργεια στον κβαντικό κόσμο. Η κβαντική μηχανική είναι ο κλάδος της φυσικής που προσπαθεί να εξηγήσει αυτήν την περίεργη κατάσταση και να παρέχει ένα πλαίσιο που επιτρέπει προβλέψεις και εξηγήσεις των παρατηρούμενων φαινομένων.

Οι θεμελιώδεις πτυχές της κβαντικής μηχανικής περιλαμβάνουν την έννοια της κβαντοποίησης. Δηλαδή, υπάρχει μια μικρότερη μονάδα κάτι που δεν μπορεί να αναλυθεί περαιτέρω. Η ενέργεια ποσοτικοποιείται, που σημαίνει ότι έρχεται σε διακριτές μονάδες.

Το μέγεθος των κβαντοποιημένων μονάδων είναι συνήθως γραμμένο σε όρους Η σταθερά του Planck, ​η​ = 6.62607004 × 10^-34 Μ²kg / δευτ.

Μια άλλη πτυχή της κβαντικής μηχανικής είναι η ιδέα ότι όλα τα σωματίδια έχουν πραγματικά διττότητα σωματιδίων-κυμάτων, που σημαίνει ότι μερικές φορές ενεργούν ως σωματίδια και άλλες φορές ενεργούν ως κύματα. Στην πραγματικότητα, περιγράφονται από τη λεγόμενη συνάρτηση κυμάτων.

Η κβαντική περιέργεια περιλαμβάνει την ιδέα ότι αν ένα σωματίδιο ενεργεί σαν κύμα ή όχι εξαρτάται με κάποιον τρόπο από τον τρόπο που αποφασίζετε να το κοιτάξετε. Επίσης, ορισμένες ιδιότητες ενός σωματιδίου - όπως ο προσανατολισμός της περιστροφής του - δεν φαίνεται να έχουν σαφώς καθορισμένη τιμή μέχρι να τις μετρήσετε.

Αυτό είναι σωστό, δεν είναι μόνο ότι δεν γνωρίζετε μέχρι τη μέτρηση, αλλά η πραγματική διακριτή τιμή δεν υπάρχει μέχρι τη μέτρηση.

Η κβαντική μηχανική μπορεί να γίνει καλύτερα κατανοητή συγκρίνοντάς την με την κλασική φυσική, που είναι η φυσική των καθημερινών αντικειμένων με τα οποία πιθανότατα γνωρίζετε περισσότερο.

Η πρώτη μεγάλη διαφορά είναι σε ποια βασικά πεδία εφαρμόζεται κάθε κλάδος. Η κλασική φυσική εφαρμόζεται πολύ καλά σε αντικείμενα καθημερινών μεγεθών, όπως μια πεταμένη μπάλα. Η κβαντική μηχανική ισχύει για αντικείμενα που είναι πολύ μικρά, όπως πρωτόνια, ηλεκτρόνια και ούτω καθεξής.

Στην κλασική φυσική, τα σωματίδια και τα αντικείμενα έχουν ξεχωριστή θέση και ορμή σε οποιαδήποτε δεδομένη χρονική στιγμή, και τα δύο μπορούν πάντα να είναι γνωστά με ακρίβεια. Στην κβαντική μηχανική, όσο πιο ακριβή γνωρίζετε τη θέση ενός αντικειμένου, τόσο λιγότερο ακριβή γνωρίζετε τη δυναμική του. Τα σωματίδια δεν έχουν πάντα καλά καθορισμένη θέση και ορμή. Αυτό ονομάζεται αρχή της αβεβαιότητας Heisenberg.

Η κλασική φυσική υποθέτει ότι οι ενεργειακές αξίες που μπορεί να έχει κάτι είναι συνεχείς. Στην κβαντική μηχανική, ωστόσο, η ενέργεια υπάρχει σε διακριτά κομμάτια. Τα υποατομικά σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια στα άτομα, για παράδειγμα, μπορούν να καταλάβουν μόνο διαφορετικά επίπεδα ενέργειας και όχι μεταξύ τους τιμές.

Ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί η αιτιότητα είναι επίσης διαφορετικός. Η κλασική φυσική είναι εντελώς αιτιώδης, πράγμα που σημαίνει ότι η γνώση των αρχικών καταστάσεων σας επιτρέπει να προβλέψετε ακριβώς τι θα συμβεί.

Η κβαντομηχανική έχει διαφορετική εκδοχή αιτιότητας. Τα σωματίδια περιγράφονται από ένα κβαντικό μηχανικό λειτουργία κυμάτων, το οποίο δίνει σχετικές πιθανότητες για το τι μπορεί να κάνει κατά τη μέτρηση. Αυτή η λειτουργία κύματος ακολουθεί ορισμένους νόμους της φυσικής στο πώς «εξελίσσεται» στο χρόνο και σας αφήνει με προβλέψιμα «σύννεφα πιθανότητας» για το τι μπορεί να δώσει η μέτρηση.

Πολλοί διάσημοι επιστήμονες συνέβαλαν στην κβαντική θεωρία όλα αυτά τα χρόνια, και πολλοί κέρδισαν βραβεία Νόμπελ για τις συνεισφορές τους. Πράγματι, η ανακάλυψη και η ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής ήταν επαναστατική. Οι αρχές της κβαντικής θεωρίας μπορούν να εντοπιστούν από το 1800.

• Ο φυσικός Max Planck μπόρεσε να εξηγήσει το φαινόμενο της ακτινοβολίας του μαύρου σώματος με την κβαντοποίηση της ενέργειας.
• Αργότερα, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν ανέπτυξε μια εξήγηση του φωτοηλεκτρικό φαινόμενο αντιμετωπίζοντας το φως ως σωματίδιο αντί για κύμα και δίνοντάς του ποσοτικές τιμές ενέργειας.
• Ο Neils Bohr είναι διάσημος για το έργο του στο άτομο υδρογόνου, όπου κατάφερε να εξηγήσει φασματικές γραμμές από την άποψη των κβαντικών μηχανικών αρχών.
• Ο Louis de Broglie παρουσίασε την ιδέα ότι σωματίδια που είναι αρκετά μικρά - όπως ηλεκτρόνια - εμφανίζουν επίσης διττότητα κύματος σωματιδίων.
• Ο Erwin Schrodinger ανέπτυξε το διάσημο Εξίσωση Schrodinger, που περιγράφει πώς εξελίσσονται οι λειτουργίες κυμάτων στο χρόνο.
• Ο Werner Heisenberg ανέπτυξε το αρχή της αβεβαιότητας, η οποία απέδειξε ότι ούτε η θέση ούτε η ορμή ενός κβαντικού σωματιδίου μπορεί να είναι γνωστή με βεβαιότητα.
• Ο Paul Dirac προέβλεψε την ύπαρξη αντιύλης και έκανε βήματα προς τον συνδυασμό της γενικής θεωρίας της σχετικότητας με την κβαντική θεωρία.
• Ο John Bell είναι γνωστός για το θεώρημα του Bell, το οποίο απέδειξε ότι δεν υπήρχαν κρυφές μεταβλητές. (Με άλλα λόγια, δεν είναι απλώς ότι δεν γνωρίζετε κβαντικά σωματίδια γνέθω ή άλλη ιδιότητα πριν από τη μέτρηση, αλλά στην πραγματικότητα δεν έχει καλά καθορισμένη τιμή πριν από τη μέτρηση.)
• Ο Richard Feynman ανέπτυξε τη θεωρία της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής.

Επειδή η κβαντική μηχανική είναι τόσο παράξενη και τόσο διαισθητική, διαφορετικοί επιστήμονες έχουν αναπτύξει διαφορετικές ερμηνείες για αυτό. Οι εξισώσεις που προβλέπουν τι συμβαίνει είναι ένα πράγμα - ξέρουμε ότι λειτουργούν επειδή είναι συνεπείς παρατηρήσεις - αλλά η κατανόηση του τι εννοούν πραγματικά είναι ένα πιο φιλοσοφικό θέμα και έχει υποστεί πολλά δημόσια συζήτηση.

Ο Αϊνστάιν χαρακτήρισε τις διαφορετικές ερμηνείες με βάση τέσσερις ιδιότητες:

• Ρεαλισμός, που σχετίζεται με το αν οι ιδιότητες υπάρχουν πραγματικά πριν από τη μέτρηση.
• Πληρότητα, η οποία εξετάζει εάν η τρέχουσα κβαντική θεωρία είναι πλήρης.
• Τοπικός ρεαλισμός, μια υποκατηγορία του ρεαλισμού που σχετίζεται με το αν ο ρεαλισμός υπάρχει σε τοπικό, άμεσο επίπεδο.
• Ντετερμινισμός, που σχετίζεται με το πόσο καλά πιστεύεται ότι η κβαντική μηχανική είναι ντετερμινιστική.

Η τυπική ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής ονομάζεται ερμηνεία της Κοπεγχάγης. Διατυπώθηκε από τους Bohr και Heisenberg ενώ στην Κοπεγχάγη το 1927. Στην ουσία, αυτή η ερμηνεία δηλώνει ότι όλα αυτά είναι ένα κβαντικό σωματίδιο και όλα όσα μπορεί να είναι γνωστά γι 'αυτό περιγράφονται από τη λειτουργία κύματος. Με άλλα λόγια, όλο το παράξενο της κβαντικής μηχανικής είναι πραγματικά τόσο περίεργο και έτσι είναι τα πράγματα στην πραγματικότητα.

Μια εναλλακτική άποψη είναι η ερμηνεία πολλών κόσμων, η οποία καταργεί τα πιθανά αποτελέσματα του κβαντικού παρατηρήσεις δηλώνοντας ότι όλα τα πιθανά αποτελέσματα πράγματι συμβαίνουν, αλλά σε διαφορετικούς κόσμους που είναι κλάδοι του σημερινού μας πραγματικότητα.

Οι κρυφές θεωρίες μεταβλητών δηλώνουν ότι υπάρχουν περισσότερα στον κβαντικό κόσμο που θα μας επέτρεπε να κάνουμε προβλέψεις δεν βασίζονται σε πιθανότητες, αλλά πρέπει να αποκαλύψουμε ορισμένες κρυφές μεταβλητές που θα μας έδιναν αυτές τις προβλέψεις. Με άλλα λόγια, η κβαντική μηχανική δεν είναι πλήρης. Ωστόσο, το θεώρημα του Bell απέδειξε ότι δεν υπάρχουν κρυφές μεταβλητές σε τοπικό επίπεδο.

Η θεωρία De Broglie-Bohm, επίσης γνωστή ως θεωρία πιλοτικών κυμάτων, αντιμετωπίζει την έννοια των κρυφών μεταβλητών με μια παγκόσμια προσέγγιση που δεν έρχεται σε αντίθεση με το θεώρημα του Bell.

Δεν προκαλεί έκπληξη, πολλές, πολλές άλλες ερμηνείες υπάρχουν επειδή οι επιστήμονες είχαν πάνω από έναν αιώνα να δοκιμάσουν και να κατανοήσουν την πραγματικά παράξενη φύση του κβαντικού κόσμου.

Πολλά διάσημα πειράματα έχουν πραγματοποιηθεί στο δρόμο που οδήγησαν και απέδειξαν διαφορετικές πτυχές της κβαντικής θεωρίας.

Ένα πολύ διάσημο πείραμα είναι το πείραμα EPR, που ονομάζεται για τους επιστήμονες Einstein, Podolsky και Rosen. Αυτό το πείραμα ασχολήθηκε με την ιδέα της εμπλοκής σε ένα κβαντικό σύστημα. Εξετάστε δύο ηλεκτρόνια, και τα δύο έχουν μια ιδιότητα που ονομάζεται περιστροφή. Η περιστροφή τους, όταν μετριέται, είναι είτε στην άνω ή στην κάτω θέση.

Κατά τη μέτρηση της περιστροφής ενός απλού ηλεκτρονίου, έχει 50% πιθανότητα να ανέβει και 50% πιθανότητα να πέσει. Τα αποτελέσματα δεν μπορούν να προβλεφθούν εκ των προτέρων ανά κβαντική μηχανική. Σε αυτό το πείραμα, ωστόσο, δύο ηλεκτρόνια μπλέκονται έτσι ώστε η συνδυασμένη περιστροφή τους να είναι 0. Ωστόσο, ανά κβαντική μηχανική, δεν μπορούμε ακόμα να γνωρίζουμε ποια είναι περιστρεφόμενη και ποια περιστρέφεται προς τα κάτω, Και πράγματι κανένα δεν βρίσκεται σε καμία θέση και αντ 'αυτού λέγεται ότι βρίσκεται σε «υπέρθεση» και των δύο πολιτείες.

Αυτά τα δύο μπλεγμένα ηλεκτρόνια αποστέλλονται σε αντίθετες κατευθύνσεις σε διαφορετικές συσκευές που θα μετρήσουν τις περιστροφές τους ταυτόχρονα. Είναι αρκετά μακριά μεταξύ τους κατά τη διάρκεια της μέτρησης ότι δεν υπάρχει χρόνος για κανένα ηλεκτρόνιο να στείλει κάποιο αόρατο «σήμα» στο άλλο για να το ενημερώσει για τη μέτρηση της περιστροφής του. Και όμως, όταν συμβαίνει η μέτρηση, και οι δύο μετράται για να έχουν αντίθετη περιστροφή.

Η γάτα του Schrodinger είναι ένα διάσημο πείραμα σκέψης που προορίζεται τόσο για την απεικόνιση της παράξενης κβαντικής συμπεριφοράς όσο και για τη στάση του ερώτηση για το τι σημαίνει πραγματικά η μέτρηση και εάν μεγάλα αντικείμενα - όπως μια γάτα - μπορούν να εμφανίσουν κβαντικά η ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ.

Σε αυτό το πείραμα, μια γάτα λέγεται ότι βρίσκεται σε ένα κουτί έτσι ώστε να μην μπορεί να προβληθεί από τον παρατηρητή. Η ζωή της γάτας εξαρτάται από ένα κβαντικό συμβάν - για παράδειγμα, ίσως από τον προσανατολισμό της περιστροφής ενός ηλεκτρονίου. Εάν περιστραφεί, η γάτα πεθαίνει. Εάν περιστραφεί προς τα κάτω, η γάτα ζει.

Αλλά η κατάσταση του ηλεκτρονίου είναι κρυμμένη από τον παρατηρητή, όπως και η γάτα στο κουτί. Έτσι, η ερώτηση γίνεται, μέχρι να ανοίξετε το κουτί, είναι η γάτα ζωντανή, νεκρή ή επίσης σε κάποια περίεργη υπέρθεση καταστάσεων όπως το ηλεκτρόνιο μέχρι τη μέτρηση;

Να είστε βέβαιοι, ωστόσο, κανείς δεν έχει πραγματοποιήσει ένα τέτοιο πείραμα και καμία γάτα δεν τραυματίστηκε κατά την αναζήτηση της κβαντικής γνώσης!

Το 1900 ήταν μια εποχή που η φυσική απογειώθηκε πραγματικά. Η κλασική μηχανική δεν μπορούσε πλέον να εξηγήσει τον κόσμο του πολύ μικρού, του κόσμου του πολύ μεγάλου ή του κόσμου του πολύ γρήγορου. Πολλοί νέοι κλάδοι της φυσικής γεννήθηκαν. Μεταξύ αυτών είναι:

• ​Κβαντική θεωρία πεδίου:Μια θεωρία που συνδυάζει την ιδέα των πεδίων με την κβαντική μηχανική και την ειδική σχετικότητα.
• ​Φυσική σωματιδίων:Ένα πεδίο φυσικής που περιγράφει όλα τα θεμελιώδη σωματίδια και τους τρόπους αλληλεπίδρασης μεταξύ τους.
• ​Κβαντικός υπολογισμός:Ένα πεδίο που προσπαθεί να δημιουργήσει κβαντικούς υπολογιστές που θα επιτρέπουν ταχύτερη επεξεργασία και καλύτερη κρυπτογράφηση λόγω του τρόπου με τον οποίο η λειτουργία ενός τέτοιου υπολογιστή θα βασίζεται σε κβαντική μηχανική αρχές.
• ​Ειδική σχετικότητα:Η θεωρία που περιγράφει τη συμπεριφορά των αντικειμένων που κινούνται κοντά στην ταχύτητα του φωτός και βασίζεται στην ιδέα ότι τίποτα δεν μπορεί να ταξιδέψει γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός.
• ​Γενική σχετικότητα:Η θεωρία που περιγράφει τη βαρύτητα ως καμπυλότητα χωροχρόνου.