Kvantna mehanika: Uvod

Vjerojatno ste čuli da je kvantna fizika čudna i čudna i da se ne pokorava zakonima fizike na koje ste navikli. To je u velikoj mjeri točno. Postoji razlog zbog kojeg su fizičari morali razviti novu teoriju i ne oslanjati se na stare kako bi objasnili što se događa u svijetu izuzetno malih.

U ovom uvodu u kvantnu mehaniku naučit ćete kako znanstvenici pristupaju kvantnom ponašanju i kvantnim pojavama, kao i odakle su te ideje došle.

U kvantnom svijetu doista postoji mnogo neobičnosti. Kvantna mehanika je grana fizike koja pokušava objasniti tu neobičnost i pružiti okvir koji omogućuje predviđanja i objašnjenja opaženih pojava.

Temeljni aspekti kvantne mehanike uključuju pojam kvantizacije. Odnosno, postoji najmanja jedinica nečega što se ne može dalje raščlaniti. Energija se kvantizira, što znači da dolazi u diskretnim jedinicama.

Veličina kvantiziranih jedinica obično se zapisuje u Planckova konstanta, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 m²kg / s.

Sljedeći aspekt kvantne mehanike je predodžba da sve čestice zapravo imaju dualnost čestica-val, što znači da one ponekad djeluju kao čestice, a drugi put kao valovi. Zapravo ih opisuje takozvana valna funkcija.

Kvantna neobičnost uključuje shvaćanje da djeluje li čestica poput vala ili ne, nekako ovisi o načinu na koji je odlučite gledati. Također, čini se da određena svojstva čestice - poput orijentacije njezina okretanja - nemaju dobro definiranu vrijednost dok ih ne izmjerite.

Točno, nije samo da ne znate do mjerenja, već stvarna različita vrijednost postoji do mjerenja.

Kvantnu mehaniku najbolje možete razumjeti uspoređujući je s klasičnom fizikom, koja je fizika svakodnevnih predmeta koja vam je vjerojatno poznatija.

Prva glavna razlika je na koja se područja odnosi svaka grana. Klasična fizika vrlo se dobro primjenjuje na predmete svakodnevnih veličina, poput bačene lopte. Kvantna mehanika odnosi se na objekte koji su vrlo mali, poput protona, elektrona i tako dalje.

U klasičnoj fizici čestice i predmeti imaju različit položaj i zamah u bilo kojem trenutku vremena, i oboje se uvijek mogu točno znati. U kvantnoj mehanici, što preciznije znate položaj objekta, to je manje točno poznavanje njegovog zamaha. Čestice nemaju uvijek dobro definiran položaj i zamah. To se naziva Heisenbergovim principom nesigurnosti.

Klasična fizika pretpostavlja da su energetske vrijednosti koje nešto može imati kontinuirane. Međutim, u kvantnoj mehanici energija postoji u diskretnim komadima. Subatomske čestice, poput elektrona u atomima, na primjer, mogu zauzimati samo različite razine energije, a ne nikakve vrijednosti između.

Različito je i kako djeluje kauzalnost. Klasična fizika potpuno je uzročna, što znači da vam znanje o početnim stanjima omogućuje točno predviđanje što će se dogoditi.

Kvantna mehanika ima drugačiju verziju kauzalnosti. Čestice su opisane kvantno-mehaničkim valna funkcija, što daje relativnu vjerojatnost onoga što bi moglo učiniti kad se mjeri. Ta valna funkcija slijedi određene zakone fizike u načinu na koji se "razvija" u vremenu i ostavlja vam predvidljive "oblake vjerojatnosti" onoga što mjerenje može dati.

Mnogi su poznati znanstvenici tijekom godina doprinosili kvantnoj teoriji, a mnogi su za svoj doprinos osvajali Nobelove nagrade. Doista, otkriće i razvoj kvantne mehanike bili su revolucionarni. Počeci kvantne teorije mogu se pratiti od 1800-ih.

• Fizičar Max Planck bio je u stanju objasniti fenomen zračenja crnog tijela kvantizacijom energije.
• Kasnije je Albert Einstein razvio objašnjenje fotoelektrični efekt tretirajući svjetlost kao česticu umjesto vala i dajući joj kvantizirane energetske vrijednosti.
• Neils Bohr poznat je po svom radu na atomu vodika, gdje je mogao objasniti spektralne linije u smislu kvantno-mehaničkih principa.
• Louis de Broglie iznio je ideju da čestice koje su dovoljno male - poput elektrona - također pokazuju dualnost čestica-val.
• Erwin Schrodinger razvio je svoj poznati Schrodingerova jednadžba, koji opisuje kako se valne funkcije razvijaju u vremenu.
• Werner Heisenberg razvio je princip nesigurnosti, koji je dokazao da se ni položaj ni zamah kvantne čestice ne mogu sa sigurnošću znati.
• Paul Dirac je predvidio postojanje antimaterije i poduzeo korake ka pomirenju opće teorije relativnosti s kvantnom teorijom.
• John Bell poznat je po Bellovom teoremu, koji je dokazao da nije bilo skrivenih varijabli. (Drugim riječima, nije samo da ne znate kvantne čestice vrtjeti se ili neko drugo svojstvo prije mjerenja, ali ono zapravo nema dobro definiranu vrijednost prije mjerenja.)
• Richard Feynman razvio je teoriju kvantne elektrodinamike.

Budući da je kvantna mehanika tako čudna i tako kontra-intuitivna, različiti su je znanstvenici razvili različita tumačenja. Jednadžbe koje predviđaju što će se dogoditi su jedno - znamo da djeluju jer su u skladu s njima opažanja - ali razumijevanje onoga što stvarno znače više je filozofsko pitanje i tome je bilo podložno mnogo rasprava.

Einstein je okarakterizirao različita tumačenja na temelju četiri svojstva:

• Realizam, koji se odnosi na to postoje li svojstva prije mjerenja.
• Cjelovitost koja govori o tome je li trenutna kvantna teorija cjelovita ili nije.
• Lokalni realizam, potkategorija realizma koja se odnosi na to postoji li realizam na lokalnoj, neposrednoj razini.
• Determinizam, koji se odnosi na to koliko se vjeruje da je kvantna mehanika deterministička.

Standardna interpretacija kvantne mehanike naziva se Kopenhagenska interpretacija. To su formulirali Bohr i Heisenberg dok su bili u Kopenhagenu 1927. godine. U osnovi, ovo tumačenje kaže da je sve što je kvantna čestica i sve što se o njoj može znati opisano valnom funkcijom. Drugim riječima, sva neobičnost kvantne mehanike zaista je toliko čudna i takve stvari zapravo stoje.

Alternativno gledište je Interpretacija mnogih svjetova koja ukida vjerojatnosne ishode kvanta promatranja navodeći da se svi mogući ishodi stvarno događaju, ali u različitim svjetovima koji su grane naše struje stvarnost.

Skrivene varijabilne teorije navode da u kvantnom svijetu postoji još mnogo toga što bi nam omogućilo da to predvidimo se ne temelje na vjerojatnostima, ali moramo otkriti određene skrivene varijable koje bi nam dale ova predviđanja. Drugim riječima, kvantna mehanika nije cjelovita. Bellov je teorem, međutim, dokazao da skrivene varijable ne postoje na lokalnoj razini.

De Broglie-Bohmova teorija, poznata i kao teorija pilot valova, obraća se pojmu skrivenih varijabli globalnim pristupom kojem ne proturječi Bellov teorem.

Nije iznenađujuće što postoje mnoga, mnoga druga tumačenja jer su znanstvenici imali više od jednog stoljeća da pokušaju razumjeti doista bizarnu prirodu kvantnog svijeta.

Putem su izvedeni mnogi poznati eksperimenti koji su i doveli i dokazali različite aspekte kvantne teorije.

Jedan vrlo poznati eksperiment je EPR eksperiment, nazvan po znanstvenicima Einsteinu, Podolskom i Rosenu. Ovaj eksperiment bavio se idejom zapletenosti u kvantnom sustavu. Razmotrimo dva elektrona, od kojih oba imaju svojstvo koje se naziva spin. Njihovo okretanje, kad se mjeri, bilo je u položaju gore ili dolje.

Kada mjeri spin jednog elektrona, on ima 50 posto šanse da bude gore i 50 posto šanse da padne. Rezultati se ne mogu predvidjeti unaprijed po kvantnoj mehanici. Međutim, u ovom su eksperimentu dva elektrona zapletena tako da je njihov kombinirani spin 0. Međutim, po kvantnoj mehanici još uvijek ne možemo znati koja se okreće prema gore, a koja prema dolje, i doista nijedno nije ni u jednom položaju, već se umjesto toga kaže da je u "superpoziciji" oboje Države.

Ova dva zapletena elektrona šalju se u suprotnim smjerovima do različitih uređaja koji će istodobno mjeriti njihova okretanja. Tijekom mjerenja su dovoljno udaljeni da nema vremena ni za jedan elektron da pošalje neki nevidljivi "signal" onom drugom kako bi mu dao do znanja kako se mjeri njegov spin. Pa ipak, kad se dogodi mjerenje, oba se mjere tako da imaju suprotan spin.

Schrodingerova mačka je poznati misaoni eksperiment namijenjen kako ilustriranju neobičnosti kvantnog ponašanja tako i postavljanju pitanje što se uistinu podrazumijeva pod mjerenjem i mogu li veliki objekti - poput mačke - prikazati kvantum ponašanje.

U ovom se eksperimentu kaže da je mačka u boksu tako da je promatrač ne može vidjeti. Život mačke ovisi o kvantnom događaju - na primjer, možda o orijentaciji vrtnje elektrona. Ako se zavrti, mačka umire. Ako se zavrti, mačka živi.

Ali stanje elektrona skriveno je od promatrača kao i mačka u kutiji. Dakle, pitanje postaje, dok ne otvorite kutiju, je li mačka živa, mrtva ili je također u nekoj neobičnoj superpoziciji stanja poput elektrona do mjerenja?

Budite uvjereni, međutim, nitko nije izveo takav eksperiment i niti jedna mačka nije oštećena u potrazi za kvantnim znanjem!

1900-te bile su vrijeme kad je fizika zbilja uzela maha. Klasična mehanika više nije mogla objasniti svijet vrlo malog, svijet vrlo velikog ili svijet vrlo brzog. Rođene su mnoge nove grane fizike. Među njima su:

• ​Kvantna teorija polja:Teorija koja kombinira ideju polja s kvantnom mehanikom i posebnom relativnošću.
• ​Fizika čestica:Područje fizike koje opisuje sve temeljne čestice i načine međusobne interakcije.
• ​Kvantno računanje:Polje koje pokušava stvoriti kvantna računala koja bi omogućila bržu obradu i bolju šifriranje zbog toga kako bi se rad takvog računala temeljio na kvantno-mehaničkom principi.
• ​Posebna relativnost:Teorija koja opisuje ponašanje objekata koji se kreću blizu brzine svjetlosti i temelji se na pojmu da ništa ne može putovati brže od brzine svjetlosti.
• ​Opća relativnost:Teorija koja gravitaciju opisuje kao zakrivljenost prostora i vremena.