Kvantmehaanika: sissejuhatus

Ilmselt olete kuulnud, et kvantfüüsika on kummaline ja imelik ega allu füüsikaseadustele, millega olete harjunud. See on kindlasti suures osas tõsi. On põhjust, miks füüsikud pidid välja töötama uue teooria ja mitte tuginema vanadele, et selgitada, mis toimub üliväikeste maailmas.

Selles kvantmehaanika sissejuhatuses saate teada, kuidas teadlased lähenevad kvantkäitumisele ja kvantnähtustele ning sellest, kust need ideed pärinevad.

Kvantmaailmas on tõepoolest palju veidrusi. Kvantmehaanika on füüsika haru, mis üritab seda veidrust seletada ja luua raamistiku, mis võimaldab ennustada ja selgitada vaadeldud nähtusi.

Kvantmehaanika põhiaspektide hulka kuulub kvantimise mõiste. See tähendab, et eksisteerib kõige väiksem üksus millestki, mida ei saa edasi jagada. Energia on kvantiseeritud, see tähendab, et see tuleb eraldi üksustena.

Kvantiseeritud ühikute suurus kirjutatakse tavaliselt väljendites Plancki konstant, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 m²kg / s.

Kvantmehaanika teine ​​aspekt on arusaam, et kõigil osakestel on tegelikult osakeste-lainete duaalsus, see tähendab, et nad toimivad mõnikord osakestena ja teinekord lainetena. Tegelikult kirjeldab neid nn lainefunktsioon.

Kvantide imelikkus sisaldab arusaama, et see, kas osake käitub lainena või mitte, sõltub kuidagi sellest, kuidas otsustate seda vaadata. Samuti näib, et osakese teatud omadustel - näiteks selle pöörlemise orientatsioonil - pole täpselt määratletud väärtust enne, kui olete neid mõõtnud.

See on õige, see pole mitte ainult see, et te ei tea enne mõõtmist, vaid tegelikku eristatavat väärtust ei eksisteeri enne mõõtmist.

Kvantmehaanikat saab kõige paremini mõista, kui võrrelda seda klassikalise füüsikaga, mis on teie jaoks tõenäoliselt tuttavam igapäevaste esemete füüsika.

Esimene suurem erinevus on see, milliste valdkondade puhul iga haru kehtib. Klassikaline füüsika kehtib väga hästi igapäevase suurusega objektide, näiteks visatud palli kohta. Kvantmehaanika kehtib objektide kohta, mis on väga väikesed, näiteks prootonid, elektronid ja nii edasi.

Klassikalises füüsikas on osakestel ja objektidel igal ajahetkel selge positsioon ja impulss ning mõlemat saab alati täpselt teada. Kvantmehaanikas on nii, et mida täpsemini tunnete objekti asendit, seda vähem täpselt teate selle hoogu. Osakestel pole alati täpselt määratletud asendit ja hoogu. Seda nimetatakse Heisenbergi määramatuse printsiibiks.

Klassikaline füüsika eeldab, et millegi energiaväärtused võivad olla pidevad. Kvantmehaanikas eksisteerib energia siiski diskreetsete tükkidena. Näiteks võivad aatomiaatomiosakesed, näiteks elektronid aatomites, hõivata ainult erinevad energiatasemed ja mitte mingid väärtused nende vahel.

Ka põhjuslikkuse põhjus on erinev. Klassikaline füüsika on täiesti põhjuslik, see tähendab, et algseisundite tundmine võimaldab täpselt ennustada, mis juhtuma hakkab.

Kvantmehaanikal on põhjuslikkusest erinev versioon. Osakesi kirjeldab mehaaniline kvant lainefunktsioon, mis annab suhtelise tõenäosuse, mida see võiks mõõdetuna teha. See lainefunktsioon järgib teatud füüsikaseadusi, kuidas see ajas "areneb" ja jätab teile prognoositavad "tõenäosuspilved", mida mõõtmine võib anda.

Paljud kuulsad teadlased panustasid aastate jooksul kvantteooriasse ja paljud võitsid oma panuse eest Nobeli preemiad. Kvantmehaanika avastamine ja arendamine oli tõepoolest revolutsiooniline. Kvantteooria algused on pärit 1800-ndatest aastatest.

• Füüsik Max Planck suutis musta keha kiirguse nähtust seletada energia kvantimise abil.
• Hiljem töötas Albert Einstein välja selgituse fotoelektriline efekt käsitledes valgust laine asemel osakesena ja andes talle kvantiseeritud energiaväärtused.
• Neils Bohr on kuulus vesinikuaatomi teemalise töö poolest, kus ta suutis spektrijooneid seletada kvantmehaaniliste põhimõtetega.
• Louis de Broglie esitas idee, et piisavalt väikesed osakesed - näiteks elektronid - näitavad ka osakeste-lainete duaalsust.
• Erwin Schrodinger arendas oma kuulsat Schrodingeri võrrand, mis kirjeldab, kuidas lainefunktsioonid ajas arenevad.
• Werner Heisenberg töötas välja määramatuse põhimõte, mis tõestas, et kvantosakese positsiooni ega impulssi ei saa kindlalt teada.
• Paul Dirac ennustas antiaine olemasolu ja tegi samme üldrelatiivsusteooria ja kvantteooria ühitamise suunas.
• John Bell on tuntud Belli teoreemi poolest, mis tõestas, et varjatud muutujaid ei olnud. (Teisisõnu, see pole mitte ainult see, et te ei tunne kvantosakesi keerutama või mõni muu omadus enne mõõtmist, kuid sellel pole enne mõõtmist täpselt määratletud väärtust.)
• Richard Feynman töötas välja kvantelektrodünaamika teooria.

Kuna kvantmehaanika on nii imelik ja nii intuitiivne, on erinevad teadlased selle jaoks erinevaid tõlgendusi välja töötanud. Juhtumisi ennustavad võrrandid on üks asi - me teame, et need töötavad, kuna need on kooskõlas tähelepanekud - kuid mõistmine, mida need tegelikult tähendavad, on filosoofilisem küsimus ja on palju allutatud arutelu.

Einstein iseloomustas erinevaid tõlgendusi nelja omaduse põhjal:

• Realism, mis puudutab seda, kas omadused on enne mõõtmist tõesti olemas.
• Täielikkus, mis käsitleb seda, kas praegune kvantteooria on täielik või mitte.
• Lokaalne realism, realismi alamkategooria, mis on seotud sellega, kas realism eksisteerib kohalikul, vahetul tasandil.
• Determinism, mis puudutab seda, kui hästi arvatakse, et kvantmehaanika on deterministlik.

Kvantmehaanika standardtõlgendust nimetatakse Kopenhaageni tõlgenduseks. Selle sõnastasid Bohr ja Heisenberg 1927. aastal Kopenhaagenis viibides. Sisuliselt ütleb see tõlgendus, et kõike seda, mis kvantosake on, ja kõike, mida selle kohta teada saab, kirjeldab lainefunktsioon. Teisisõnu, kõik kvantmehaanika veidrused on tegelikult nii imelikud ja nii asjad tegelikult on.

Alternatiivne vaatenurk on paljude maailmade tõlgendus, mis kaotab kvandi tõenäosuslikud tulemused vaatlusi väites, et kõik võimalikud tulemused tõesti toimuvad, kuid erinevates maailmades, mis on meie praeguse haru reaalsus.

Varjatud muutujateooriad väidavad, et kvantmaailmas on veel midagi, mis võimaldaks meil seda ennustada ei põhine tõenäosustel, kuid peame avastama teatud varjatud muutujad, mis annaksid meile need ennustused. Teisisõnu, kvantmehaanika pole täielik. Belli teoreem aga tõestas, et varjatud muutujaid kohalikul tasandil ei eksisteeri.

De Broglie-Bohmi teooria, tuntud ka kui pilootlaine teooria, käsitleb varjatud muutujate mõistet globaalse lähenemisega, millele Belli teoreem pole vastu vaielnud.

Pole üllatav, et eksisteerib palju-palju muid tõlgendusi, sest teadlastel on üle sajandi olnud aega proovida ja mõista kvantmaailma tõeliselt veidrat olemust.

Sel teel on tehtud palju kuulsaid katseid, mis viisid kvantteooria erinevate aspektideni ja tõestasid neid.

Üks väga kuulus katse on EPR-i eksperiment, mille on nimetanud teadlased Einstein, Podolsky ja Rosen. See katse käsitles kvantide süsteemi takerdumise ideed. Vaatleme kahte elektroni, millel mõlemal on omadus, mida nimetatakse pöörlemiseks. Nende pöörlemine on mõõdetuna kas üles- või allasendis.

Kui mõõta ühe elektroni pöörlemist, on sellel 50-protsendiline tõenäosus olla üleval ja 50-protsendiline võimalus langeda. Tulemusi ei saa kvantmehaanika kohta ette ennustada. Selles katses on kaks elektroni aga kokku segatud nii, et nende kombineeritud spin on 0. Kvantmehaanika kohta ei saa me siiski teada, kumb pöörleb üles ja kumb alla, ja tõepoolest ei ole kumbki kummaski positsioonis ja väidetavalt on nad mõlema “superpositsioonis” osutab.

Need kaks takerdunud elektroni saadetakse vastassuunas erinevatele seadmetele, mis mõõdavad nende pöörlemist samaaegselt. Mõõtmise ajal on nad üksteisest piisavalt kaugel, et kummalgi elektronil pole aega teisele nähtamatut “signaali” saata, et anda teada, millisena tema spinn mõõdetakse. Ja mõõtmise ajal mõõdetakse mõlemal vastupidist pöörlemist.

Schrodingeri kass on kuulus mõttekatse, mis on mõeldud nii kvantkäitumise kummalisuse illustreerimiseks kui ka kujutamiseks küsimus, mida mõõtmise all tegelikult mõeldakse ja kas suured objektid - näiteks kass - suudavad kvanti kuvada käitumine.

Selles katses öeldakse, et kass on kastis, nii et vaatleja ei saa seda vaadata. Kassi elu pannakse sõltuvusse kvantsündmusest - näiteks võib-olla elektroni pöörlemise orientatsioonist. Kui see üles keeratakse, sureb kass. Kui seda keerutatakse, elab kass.

Kuid elektroni olek on vaatleja eest varjatud nagu ka kastis olev kass. Nii et kas kass on elus, surnud või ka mõnes kummalises seisundite superpositsioonis nagu elektron on mõõtmiseni, tekib küsimus?

Võite olla kindel, et keegi pole sellist eksperimenti teinud ja ühtegi kassi kvantteadmiste otsimisel vigastada ei saanud!

1900. aastad olid aeg, mil füüsika tõeliselt lendu tõusis. Klassikaline mehaanika ei suutnud enam seletada väga väikeste, väga suurte ega väga kiirete maailma. Sündis palju uusi füüsika harusid. Nende hulgas on:

• ​Kvantvälja teooria:Teooria, mis ühendab väljade idee kvantmehaanika ja erirelatiivsusteooriaga.
• ​Osakeste füüsika:Füüsikavaldkond, mis kirjeldab kõiki põhiosakesi ja nende omavahelist suhtlemisviisi.
• ​Kvantarvutus:Väli, mis püüab luua kvantarvuteid, mis võimaldaksid kiiremat töötlemist ja paremat krüpteerimine, kuna sellise arvuti töö põhineb kvantmehaanikal põhimõtteid.
• ​Erirelatiivsusteooria:Teooria, mis kirjeldab valguse kiiruse lähedal liikuvate objektide käitumist ja põhineb arusaamal, et miski ei saa liikuda kiiremini kui valguskiirus.
• ​Üldrelatiivsusteooria:Teooria, mis kirjeldab gravitatsiooni kui aegruumi kõverust.