Kvanttimekaniikka: Johdanto

Olet todennäköisesti kuullut, että kvanttifysiikka on outoa ja outoa eikä tottele fysiikan lakeja, joihin olet tottunut. Tämä on varmasti totta suuressa määrin. On syytä, että fyysikkojen oli kehitettävä uusi teoria eikä luotettava vanhoihin selittämään, mitä tapahtuu erittäin pienten maailmassa.

Tässä kvanttimekaniikan johdannossa opit, kuinka tutkijat lähestyvät kvanttikäyttäytymistä ja kvantti-ilmiöitä sekä mistä nämä ideat ovat peräisin.

Kvanttimaailmassa on todellakin paljon outoa. Kvanttimekaniikka on fysiikan haara, joka yrittää selittää kyseisen oudon ja tarjota puitteet, jotka mahdollistavat havaittujen ilmiöiden ennustamisen ja selittämisen.

Kvanttimekaniikan perusnäkökohtiin sisältyy kvantisoinnin käsite. Eli on olemassa pienin yksikkö jostakin, jota ei voida hajottaa edelleen. Energia kvantisoidaan, mikä tarkoittaa, että se tulee erillisinä yksikköinä.

Kvantisoitujen yksiköiden koko kirjoitetaan yleensä Planckin vakio, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 m²kg / s.

Kvanttimekaniikan toinen näkökohta on käsitys, että kaikilla hiukkasilla on tosiasiallisesti hiukkasaaltojen kaksinaisuus, mikä tarkoittaa, että ne toimivat joskus hiukkasina ja toisinaan aaltoina. Itse asiassa niitä kuvaa ns. Aaltofunktio.

Kvantti-outoisuus sisältää käsityksen siitä, toimiiko hiukkanen aallon tavoin vai ei, riippuu jotenkin siitä, miten päätät tarkastella sitä. Myös hiukkasen tietyillä ominaisuuksilla - kuten sen pyörimisen suuntauksella - ei näytä olevan tarkkaan määriteltyä arvoa, ennen kuin mitat ne.

Aivan oikein, ei ole vain, että et tiedä ennen mittausta, mutta todellista erillistä arvoa ei ole olemassa ennen mittaamista.

Kvanttimekaniikka voidaan parhaiten ymmärtää vertaamalla sitä klassiseen fysiikkaan, joka on jokapäiväisten esineiden fysiikka, jonka olet todennäköisesti paremmin perehtynyt.

Ensimmäinen suuri ero on se, mihin alueisiin kukin haara koskee. Klassinen fysiikka soveltuu erittäin hyvin jokapäiväisiin esineisiin, kuten heitettyyn palloon. Kvanttimekaniikka koskee esineitä, jotka ovat hyvin pieniä, kuten protoneja, elektroneja ja niin edelleen.

Klassisessa fysiikassa hiukkasilla ja esineillä on erillinen sijainti ja liikemäärä tietyllä ajanhetkellä, ja molemmat voidaan aina tunnistaa tarkasti. Kvanttimekaniikassa mitä tarkemmin tunnet kohteen sijainnin, sitä vähemmän tarkasti tunnet sen liikemäärän. Hiukkasilla ei ole aina tarkkaan määriteltyä sijaintia ja liikemäärää. Tätä kutsutaan Heisenbergin epävarmuusperiaatteeksi.

Klassinen fysiikka olettaa, että millä tahansa energia-arvolla voi olla jatkuvaa. Kvanttimekaniikassa energia on kuitenkin erillisissä paloissa. Esimerkiksi subatomiset hiukkaset, kuten atomien elektronit, voivat käyttää vain erillisiä energiatasoja eivätkä välissä olevia arvoja.

Syy-yhteyden toiminta on myös erilaista. Klassinen fysiikka on täysin kausaalinen, mikä tarkoittaa, että alkutilojen tuntemus antaa sinun ennustaa tarkalleen mitä tapahtuu.

Kvanttimekaniikalla on eri syy-yhteys. Hiukkaset kuvataan kvanttimekaanisesti aaltotoiminto, joka antaa suhteelliset todennäköisyydet sille, mitä se voisi tehdä mitattaessa. Tuo aaltofunktio noudattaa tiettyjä fysiikan lakeja siinä, kuinka se "kehittyy" ajassa ja jättää sinulle ennustettavissa olevat "todennäköisyyspilvet" siitä, mitä mittaus voi antaa.

Monet tunnetut tutkijat ovat osallistuneet kvanttiteoriaan vuosien varrella, ja monet voittivat Nobelin palkinnot panoksestaan. Kvanttimekaniikan löytäminen ja kehittäminen oli todellakin vallankumouksellista. Kvanttiteorian alku voidaan jäljittää 1800-luvulle.

• Fyysikko Max Planck pystyi selittämään mustan ruumiin säteilyn ilmiön energian kvantisoinnilla.
• Myöhemmin Albert Einstein kehitti selityksen valosähköinen ilmiö käsittelemällä valoa hiukkasena aallon sijasta ja antamalla sille kvantisoidut energia-arvot.
• Neils Bohr on kuuluisa työstään vetyatomissa, jossa hän pystyi selittämään spektriviivat kvanttimekaanisilla periaatteilla.
• Louis de Broglie esitteli ajatuksen, että riittävän pienet hiukkaset - kuten elektronit - näyttävät myös hiukkasaaltoja.
• Erwin Schrodinger kehitti kuuluisansa Schrodingerin yhtälö, joka kuvaa kuinka aaltofunktiot kehittyvät ajassa.
• Werner Heisenberg kehitti epävarmuuden periaate, joka osoitti, ettei kvanttihiukkasen sijaintia eikä liikettä voida tuntea varmasti.
• Paul Dirac ennusti antiaineen olemassaolon ja ryhtyi toimiin kohti yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttiteorian sovittamista yhteen.
• John Bell tunnetaan Bellin lauseesta, joka osoitti, ettei piilotettuja muuttujia ollut. (Toisin sanoen, ei ole vain, että et tunne kvanttihiukkasia pyöritä tai muu ominaisuus ennen mittausta, mutta sillä ei itse asiassa ole tarkkaan määriteltyä arvoa ennen mittausta.)
• Richard Feynman kehitti kvanttielektrodynamiikan teorian.

Koska kvanttimekaniikka on niin outoa ja niin intuitiivista, eri tutkijat ovat kehittäneet siihen erilaisia ​​tulkintoja. Yhtälöt, jotka ennustavat mitä tapahtuu, ovat yksi asia - tiedämme, että ne toimivat, koska ne ovat yhdenmukaisia havainnot - mutta ymmärtäminen, mitä ne todella tarkoittavat, on filosofisempi asia ja siihen on kohdistunut paljon keskustelu.

Einstein luonnehti erilaisia ​​tulkintoja neljän ominaisuuden perusteella:

• Realismi, joka liittyy siihen, onko ominaisuuksia todella olemassa ennen mittaamista.
• Täydellisyys, joka osoittaa, onko nykyinen kvanttiteoria täydellinen.
• Paikallinen realismi, realismin alaluokka, joka liittyy siihen, onko realismi olemassa paikallisella, välittömällä tasolla.
• Determinismi, joka liittyy siihen, kuinka hyvin kvanttimekaniikan uskotaan olevan deterministinen.

Kvanttimekaniikan standarditulkintaa kutsutaan Kööpenhaminan tulkinnaksi. Sen muotoilivat Bohr ja Heisenberg ollessaan Kööpenhaminassa vuonna 1927. Pohjimmiltaan tämä tulkinta toteaa, että aaltofunktio kuvaa kaiken kvanttihiukkasen ja kaiken, mikä siitä voidaan tietää. Toisin sanoen, kaikki kvanttimekaniikan oudot ovat todella outoja ja näin asiat todella ovat.

Vaihtoehtoinen näkökulma on Many Worlds Interpretation, joka poistaa kvantin todennäköisyystulokset havaintoja toteamalla, että kaikki mahdolliset tulokset todella tapahtuvat, mutta eri maailmoissa, jotka ovat nykyisen haaramme todellisuus.

Piilotettujen muuttuvien teorioiden mukaan kvanttimaailmassa on enemmän, mikä antaisi meille mahdollisuuden ennustaa sitä eivät perustu todennäköisyyksiin, mutta meidän on paljastettava tietyt piilotetut muuttujat, jotka antavat meille nämä ennusteet. Toisin sanoen, kvanttimekaniikka ei ole täydellinen. Bellin lause osoitti kuitenkin, että piilotettuja muuttujia ei ole olemassa paikallisella tasolla.

De Broglie-Bohmin teoria, joka tunnetaan myös nimellä pilottiaaltoteoria, käsittelee piilotettujen muuttujien käsitettä globaalilla lähestymistavalla, jota Bellin lause ei ole ristiriidassa.

Ei ole yllättävää, että monia, monia muita tulkintoja on olemassa, koska tutkijoilla on ollut yli vuosisadan aikaa yrittää ymmärtää kvanttimaailman todella outoa luonnetta.

Monia kuuluisia kokeita on tehty matkan varrella, jotka sekä johtivat että todistivat kvanttiteorian eri näkökohtia.

Yksi erittäin kuuluisa kokeilu on EPR-koe, joka on nimetty tutkijoille Einsteinille, Podolskylle ja Rosenille. Tämä koe käsitteli kietoutumista kvanttijärjestelmään. Tarkastellaan kahta elektronia, joilla molemmilla on ominaisuus, jota kutsutaan pyörimiseksi. Niiden spin on mitattuna joko ylä- tai ala-asennossa.

Mitattaessa yhden elektronin pyörimistä sillä on 50 prosentin mahdollisuus olla ylöspäin ja 50 prosenttia mahdollisuus olla alas. Tuloksia ei voida ennustaa etukäteen kvanttimekaniikkaa kohti. Tässä kokeessa kaksi elektronia on kuitenkin kietoutunut siten, että niiden yhdistetty spin on 0. Kvanttimekaniikkaa kohden emme kuitenkaan edelleenkään tiedä kumpi pyörii ylöspäin ja mikä alaspäin, ja todellakaan kumpikaan ei ole kummassakaan asemassa ja sen sijaan sanotaan olevan molempien "päällekkäisyydessä" toteaa.

Nämä kaksi takertunutta elektronia lähetetään vastakkaisiin suuntiin eri laitteille, jotka mittaavat pyöriensä samanaikaisesti. Ne ovat riittävän kaukana toisistaan ​​mittauksen aikana, joten kummallakaan elektronilla ei ole aikaa lähettää näkymättömän “signaalin” toiselle, jotta se tietäisi, mikä sen spin on mitattu. Ja kuitenkin, kun mittaus tapahtuu, molemmilla mitataan vastakkaiset pyörimisnopeudet.

Schrodingerin kissa on kuuluisa ajatuskokeilu, joka on tarkoitettu sekä havainnollistamaan kvanttikäyttäytymisen oudot että aiheuttaa kysymys siitä, mitä todella tarkoitetaan mittauksella ja voivatko suuret esineet - kuten kissa - näyttää kvanttia käyttäytymistä.

Tässä kokeessa kissan sanotaan olevan laatikossa, joten tarkkailija ei voi nähdä sitä. Kissan elämä on riippuvainen kvanttitapahtumasta - esimerkiksi elektronin pyörimisen suunnasta. Jos se käännetään ylös, kissa kuolee. Jos se pyörii alas, kissa elää.

Elektronin tila on piilotettu tarkkailijalta, samoin kuin kissa laatikossa. Joten kysymys on, kunnes kotelo avataan, onko kissa elossa, kuollut vai myös jostain omituisesta tilojen päällekkäisyydestä, kuten elektroni on mittaukseen asti?

Voit kuitenkin olla varma, että kukaan ei ole suorittanut tällaista koketta, eikä kissaa vahingoitettu pyrittäessäsi kvanttitietoon!

1900-luku oli aika, jolloin fysiikka todella lähti liikkeelle. Klassinen mekaniikka ei enää kyennyt selittämään hyvin pienten, erittäin suurten tai erittäin nopeiden maailmaa. Monia uusia fysiikan aloja syntyi. Näitä ovat:

• ​Kvanttikenttäteoria:Teoria, joka yhdistää ajatuksen kentistä kvanttimekaniikkaan ja erityiseen suhteellisuusteoriaan.
• ​Hiukkasten fysiikka:Fysiikan ala, joka kuvaa kaikkia perushiukkasia ja tapoja, joilla ne voivat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa.
• ​Kvanttilaskenta:Kenttä, joka yrittää luoda kvanttitietokoneita, jotka mahdollistavat nopeamman käsittelyn ja paremman salaus, koska tällaisen tietokoneen toiminta perustuisi kvanttimekaaniseen periaatteita.
• ​Erityinen suhteellisuusteoria:Teoria, joka kuvaa lähellä valon nopeutta liikkuvien kohteiden käyttäytymistä ja perustuu ajatukseen, että mikään ei voi kulkea valon nopeutta nopeammin.
• ​Yleinen suhteellisuusteoria:Teoria, joka kuvaa painovoimaa avaruus-ajan kaarevuutena.