Kvantummechanika: Bevezetés

Valószínűleg hallottad már, hogy a kvantumfizika furcsa és furcsa, és nem tartja be a megszokott fizikai törvényeket. Ez minden bizonnyal nagy mértékben igaz. Ennek oka, hogy a fizikusoknak új elméletet kellett kidolgozniuk, és nem a régiekre kellett hagyatkozniuk, hogy elmagyarázzák, mi történik a rendkívül kicsi világban.

A kvantummechanika e bevezetőjében megtudhatja, hogy a tudósok hogyan viszonyulnak a kvantum viselkedéséhez és a kvantumjelenségekhez, valamint hogy ezek az ötletek honnan erednek.

Valóban sok furcsaság van a kvantumvilágban. A kvantummechanika a fizika azon ága, amely megpróbálja megmagyarázni ezt a furcsaságot, és olyan keretet nyújt, amely lehetővé teszi a megfigyelt jelenségek előrejelzését és magyarázatát.

A kvantummechanika alapvető aspektusai közé tartozik a kvantálás fogalma. Vagyis létezik valaminek a legkisebb egysége, amely nem bontható tovább. Az energia kvantált, vagyis diszkrét egységekben érkezik.

A kvantált egységek nagyságát általában kifejezéssel írják Planck állandója, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 m²kg / s.

A kvantummechanika egy másik aspektusa az a felfogás, hogy minden részecskének valójában részecske-hullám kettőssége van, vagyis néha részecskeként, máskor pedig hullámként hat. Valójában egy úgynevezett hullámfüggvény írja le őket.

A kvantum furcsaság magában foglalja azt a gondolatot, hogy az, hogy egy részecske hullámként viselkedik-e vagy sem, valahogy attól függ, hogyan döntesz ránézésre. Továbbá úgy tűnik, hogy egy részecske bizonyos tulajdonságai - például a spin iránya - nem rendelkeznek pontosan definiált értékkel, amíg meg nem mérik őket.

Így van, nem csak az, hogy a mérésig nem tudja, de a tényleges különálló érték nem létezik a mérésig.

A kvantummechanikát leginkább úgy lehet megérteni, ha összehasonlítjuk a klasszikus fizikával, amely a mindennapi tárgyak fizikája, amelyet valószínűleg jobban ismer.

Az első fő különbség az, hogy az egyes ágak mely tartományokra vonatkoznak. A klasszikus fizika nagyon jól alkalmazható mindennapi méretű tárgyakra, például egy dobott labdára. A kvantummechanika nagyon kicsi tárgyakra vonatkozik, például protonokra, elektronokra és így tovább.

A klasszikus fizikában a részecskéknek és a tárgyaknak az adott pillanatban különálló helyzetük és lendületük van, és mindkettő mindig pontosan ismerhető. A kvantummechanikában minél pontosabban ismeri az objektum helyzetét, annál kevésbé pontosan ismeri annak lendületét. A részecskéknek nem mindig van pontosan meghatározott pozíciója és lendülete. Ezt Heisenberg-bizonytalansági elvnek nevezzük.

A klasszikus fizika feltételezi, hogy valaminek az energiaértékei folyamatosak lehetnek. A kvantummechanikában azonban az energia diszkrét darabokban létezik. A szubatomi részecskék, például az atomokban lévő elektronok, csak különböző energiaszinteket foglalhatnak el, és nem lehetnek közöttük értékek.

Az okság működése is más. A klasszikus fizika teljesen kauzális, vagyis a kezdeti állapotok ismerete lehetővé teszi, hogy pontosan megjósolja, mi fog történni.

A kvantummechanikának az okság más változata van. A részecskéket kvantummechanika írja le hullámfüggvény, amely relatív valószínűségeket ad arra vonatkozóan, hogy mit tehet méréskor. Ez a hullámfüggvény követi a fizika bizonyos törvényeit abban, hogy hogyan „fejlődik” az időben, és kiszámítható „valószínűségi felhőket” hagy maga után arra, hogy mit adhat a mérés.

Sok híres tudós hozzájárult a kvantumelmélethez az évek során, és sokan Nobel-díjat nyertek hozzájárulásukért. A kvantummechanika felfedezése és fejlesztése valóban forradalmi volt. A kvantumelmélet kezdetei az 1800-as évekre tehetők.

• Max Planck fizikus az energia kvantálásával meg tudta magyarázni a fekete test sugárzásának jelenségét.
• Később Albert Einstein kifejlesztette a fotoelektromos hatás a fény hullám helyett részecskeként történő kezelésével és kvantált energiaértékek megadásával.
• Neils Bohr híres a hidrogénatomon végzett munkájáról, ahol kvantummechanikai alapelvekkel tudta elmagyarázni a spektrális vonalakat.
• Louis de Broglie bemutatta azt az elképzelést, hogy az elég kicsi részecskék - például az elektronok - szintén részecske-hullám kettősséget mutatnak.
• Erwin Schrodinger fejlesztette híressé Schrodinger-egyenlet, amely leírja, hogyan alakulnak a hullámfüggvények az időben.
• Werner Heisenberg fejlesztette ki bizonytalansági elv, amely bebizonyította, hogy egy kvantumrészecske sem helyzete, sem lendülete nem ismerhető meg biztosan.
• Paul Dirac megjósolta az antianyag létezését, és lépéseket tett az általános relativitáselmélet és a kvantumelmélet összeegyeztetése felé.
• John Bell ismert Bell tételéről, amely bebizonyította, hogy nincsenek rejtett változók. (Más szavakkal, nem csak arról van szó, hogy nem ismersz egy kvantumrészecskét forogni vagy más tulajdonság a mérés előtt, de valójában nincs pontosan meghatározott értéke a mérés előtt.)
• Richard Feynman kidolgozta a kvantumelektrodinamika elméletét.

Mivel a kvantummechanika annyira furcsa és annyira intuitív, a különböző tudósok különböző értelmezéseket dolgoztak ki belőle. A történéseket előrejelző egyenletek egy dolog - tudjuk, hogy működnek, mert összhangban vannak megfigyelések - de annak megértése, hogy valójában mit jelentenek, filozofikusabb kérdés, és sok minden alá esett vita.

Einstein négy tulajdonság alapján jellemezte a különböző értelmezéseket:

• Realizmus, amely arra vonatkozik, hogy a mérés előtt valóban léteznek-e tulajdonságok.
• Teljesség, amely arra vonatkozik, hogy a jelenlegi kvantumelmélet teljes-e vagy sem.
• A lokális realizmus, a realizmus egyik alkategóriája, amely arra vonatkozik, hogy a realizmus lokális, közvetlen szinten létezik-e.
• Determinizmus, amely arra vonatkozik, hogy a kvantummechanikát mennyire tartják determinisztikusnak.

A kvantummechanika standard értelmezését koppenhágai értelmezésnek nevezzük. Bohr és Heisenberg fogalmazta meg, miközben Koppenhágában volt 1927-ben. Lényegében ez az értelmezés azt állítja, hogy mindazt, ami egy kvantumrészecske, és mindent, amit róla tudni lehet, a hullámfüggvény írja le. Más szavakkal, a kvantummechanika minden furcsasága valóban olyan furcsa, és a dolgok valójában így is vannak.

Alternatív nézőpont a Many Worlds Interpretation, amely megszünteti a kvantum valószínűségi eredményeit megfigyeléseket, kijelentve, hogy minden lehetséges kimenetel valóban előfordul, de különböző világokban, amelyek a jelenlegi áramlatunk ágai valóság.

A rejtett változó elméletek azt állítják, hogy a kvantumvilágban több is van, ami lehetővé tenné számunkra, hogy ezt jósoljuk nem valószínűségeken alapulnak, de fel kell fedeznünk bizonyos rejtett változásokat, amelyek megadják nekünk ezeket az előrejelzéseket. Más szavakkal, a kvantummechanika nem teljes. Bell tétele azonban bebizonyította, hogy rejtett változók nem léteznek helyi szinten.

A De Broglie-Bohm-elmélet, más néven pilot hullámelmélet, a rejtett változók fogalmát globális megközelítéssel tárgyalja, amelyet Bell tétele nem mond ellent.

Nem meglepő, hogy sok-sok más értelmezés létezik, mert a tudósoknak több mint egy évszázadon át megpróbálták megérteni a kvantumvilág valóban furcsa természetét.

Számos híres kísérletet hajtottak végre ezen az úton, amelyek a kvantumelmélet különböző aspektusaihoz vezettek és bizonyítottak.

Az egyik nagyon híres kísérlet az EPR-kísérlet, amelyet Einstein, Podolsky és Rosen tudósok neveztek el. Ez a kísérlet a kvantumrendszerbe való összefonódás gondolatával foglalkozott. Tekintsünk két elektronot, amelyeknek mindkét tulajdonsága spin. Pörgésük, ha mérjük, vagy felfelé, vagy lefelé áll.

Egyetlen elektron spinjének mérésekor 50 százalékos esélye van arra, hogy fent legyen, és 50 százalékos esélye legyen lent lenni. Az eredményeket nem lehet előre megjósolni kvantummechanikánként. Ebben a kísérletben azonban két elektron összefonódik úgy, hogy együttes spinjük 0 legyen. Kvantummechanikánként azonban még mindig nem tudjuk, melyik forog fel és melyik forog lefelé, és valóban egyik sem áll egyik helyzetben sem, és azt állítják, hogy mindkettő „szuperpozíciójában” áll Államok.

Ez a két összefonódott elektron ellentétes irányba kerül a különböző eszközökhöz, amelyek egyidejűleg mérik a pörgésüket. Elég messze vannak egymástól a mérés során, így egyik elektronnak sincs ideje valami láthatatlan „jelet” küldenie a másiknak, hogy tudassa vele, mi a spinje. És mégis, amikor a mérés megtörténik, akkor mindkettő mérése ellentétes spinű.

Schrodinger macskája egy híres gondolatkísérlet, amelynek célja a kvantum-viselkedés furcsaságainak bemutatása és a kérdés, hogy mit is jelent valójában a mérés, és képesek-e nagy tárgyak - például egy macska - megjeleníteni kvantumot viselkedés.

Ebben a kísérletben egy macskáról azt mondják, hogy egy dobozban van, így a megfigyelő nem láthatja. A macska élete egy kvantum eseménytől függ - például az elektron forgásának orientációjától. Ha felpörgetik, a macska meghal. Ha lefelé forog, a macska él.

De az elektron állapota rejtve van a megfigyelő elől, akárcsak a dobozban lévő macska. Tehát kérdéssé válik, amíg ki nem nyitja a dobozt, a macska él-e, halt-e, vagy olyan furcsa állapotok szuperpozíciójában is, mint az elektron, amíg a mérés meg nem történik?

Nyugodjon meg, azonban senki nem végzett ilyen kísérletet, és egyetlen macskának sem esett bántódása a kvantumtudás nyomán!

Az 1900-as évek egy olyan időszakban voltak, amikor a fizika valóban fellendült. A klasszikus mechanika már nem tudta megmagyarázni a nagyon kicsi, a nagyon nagy vagy a nagyon gyors világát. A fizika számos új ága született. Ezek között vannak:

• ​Kvantum mező elmélet:Egy elmélet, amely ötvözi a mezők gondolatát a kvantummechanikával és a speciális relativitáselmélettel.
• ​Részecskefizika:A fizika olyan területe, amely leírja az összes alapvető részecskét és azt, ahogyan kölcsönhatásba léphetnek egymással.
• ​Kvantumszámítás:Egy olyan mező, amely olyan kvantumszámítógépeket próbál létrehozni, amelyek gyorsabb és jobb feldolgozást tesznek lehetővé titkosítás, mivel egy ilyen számítógép működése miként alapulna kvantummechanikán elveket.
• ​Különleges relativitáselmélet:A fénysebesség közelében mozgó tárgyak viselkedését leíró elmélet, amely azon a felfogáson alapszik, hogy semmi sem haladhat gyorsabban, mint a fénysebesség.
• ​Általános relativitáselmélet:Az elmélet, amely a gravitációt tér-idő görbületként írja le.