양자 역학: 소개

양자 물리학이 이상하고 이상하며 익숙한 물리 법칙을 따르지 않는다고 들었을 것입니다. 이것은 확실히 대부분 사실입니다. 물리학 자들이 극히 작은 세계에서 일어나는 일을 설명하기 위해 오래된 이론에 의존하지 않고 새로운 이론을 개발해야하는 이유가 있습니다.

이 양자 역학 입문에서는 과학자들이 양자 행동과 양자 현상에 접근하는 방법과 이러한 아이디어의 출처를 배웁니다.

양자 세계에는 참으로 많은 기이함이 있습니다. 양자 역학은 그 이상 함을 설명하고 관찰 된 현상을 예측하고 설명 할 수있는 프레임 워크를 제공하려는 물리학의 한 분야입니다.

양자 역학의 기본 측면에는 양자화 개념이 포함됩니다. 즉, 더 이상 나눌 수없는 가장 작은 단위가 존재합니다. 에너지는 양자화되어 개별 단위로 제공됩니다.

양자화 된 단위의 크기는 일반적으로 다음과 같이 작성됩니다. 플랑크 상수, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 미디엄²kg / s.

양자 역학의 또 다른 측면은 모든 입자가 실제로 입자 파동 이중성을 가지고 있다는 개념입니다. 즉, 때때로 입자로 작용하고 다른 시간에는 파동으로 작용합니다. 사실, 그들은 소위 파동 함수로 설명됩니다.

양자 기이함은 입자가 파동처럼 작용하는지 여부는 여러분이보기로 결정한 방식에 따라 달라진다는 개념을 포함합니다. 또한 입자의 특정 속성 (예: 스핀 방향)은 측정 할 때까지 잘 정의 된 값을 갖지 않는 것 같습니다.

맞습니다. 측정 할 때까지 모르는 것이 아니라 측정 할 때까지 실제 고유 한 값이 존재하지 않습니다.

양자 역학은 당신이 더 익숙한 일상적인 물체의 물리학 인 고전 물리학과 비교함으로써 가장 잘 이해할 수 있습니다.

첫 번째 주요 차이점은 각 분기가 적용되는 영역입니다. 고전 물리학은 던진 공과 같은 일상적인 크기의 물체에 매우 잘 적용됩니다. 양자 역학은 양성자, 전자 등과 같이 매우 작은 물체에 적용됩니다.

고전 물리학에서 입자와 물체는 특정 시점에서 뚜렷한 위치와 운동량을 가지며 둘 다 항상 정확하게 알 수 있습니다. 양자 역학에서는 물체의 위치를 ​​더 정확하게 알수록 그 운동량을 덜 정확하게 알 수 있습니다. 입자가 항상 잘 정의 된 위치와 운동량을 갖는 것은 아닙니다. 이것을 하이젠 베르크 불확실성 원리라고합니다.

고전 물리학은 어떤 것이 가질 수있는 에너지 값이 연속적이라고 가정합니다. 그러나 양자 역학에서 에너지는 개별적인 덩어리로 존재합니다. 예를 들어 원자의 전자와 같은 아 원자 입자는 뚜렷한 에너지 수준 만 차지할 수 있으며 그 사이의 값은 차지하지 않습니다.

인과 관계가 작동하는 방식도 다릅니다. 고전 물리학은 완전히 인과 적입니다. 즉, 초기 상태에 대한 지식을 통해 일어날 일을 정확히 예측할 수 있습니다.

양자 역학은 다른 버전의 인과 관계를 가지고 있습니다. 입자는 양자 역학으로 설명됩니다. 파동 기능, 측정시 수행 할 수있는 작업의 상대 확률을 제공합니다. 이 파동 함수는 시간이 지남에 따라 "진화"하는 방식에서 특정 물리 법칙을 따르고 측정 값에 대한 예측 가능한 "확률 구름"을 남깁니다.

많은 유명한 과학자들이 수년 동안 양자 이론에 기여했으며 많은 사람들이 그들의 공로로 노벨상을 수상했습니다. 사실 양자 역학의 발견과 발전은 혁명적이었습니다. 양자 이론의 시작은 1800 년대로 거슬러 올라갑니다.

• 물리학 자 막스 플랑크는 에너지의 양자화를 통해 흑체 복사 현상을 설명 할 수있었습니다.
• 나중에 알버트 아인슈타인은 광전 효과 빛을 파동이 아닌 입자로 취급하고 양자화 된 에너지 값을 부여합니다.
• Neils Bohr는 수소 원자에 대한 그의 연구로 유명합니다. 여기서 그는 양자 역학 원리의 관점에서 스펙트럼 선을 설명 할 수있었습니다.
• Louis de Broglie는 전자와 같이 충분히 작은 입자도 입자-파 이중성을 나타낸다는 아이디어를 제시했습니다.
• Erwin Schrodinger는 그의 유명한 슈뢰딩거 방정식, 파동 함수가 시간에 따라 어떻게 진화하는지 설명합니다.
• Werner Heisenberg는 불확실성 원리이는 양자 입자의 위치 나 운동량을 확실하게 알 수 없음을 증명했습니다.
• Paul Dirac은 반물질의 존재를 예측하고 일반 상대성 이론과 양자 이론을 조화시키기위한 조치를 취했습니다.
• John Bell은 숨겨진 변수가 없다는 것을 증명 한 Bell의 정리로 유명합니다. (즉, 당신이 양자 입자의 회전 또는 측정 전에 다른 속성이 있지만 실제로는 측정 전에 잘 정의 된 값이 없습니다.)
• Richard Feynman은 양자 전기 역학 이론을 개발했습니다.

양자 역학은 너무 이상하고 직관에 반하기 때문에 다른 과학자들은 그것에 대해 다른 해석을 개발했습니다. 무슨 일이 일어날 지 예측하는 방정식은 한 가지입니다. 관찰 – 그러나 그것이 실제로 의미하는 바를 이해하는 것은 더 철학적 인 문제이며 많은 영향을 받았습니다. 토론.

아인슈타인은 다음과 같은 네 가지 속성에 따라 서로 다른 해석을 특징으로합니다.

• 측정 전에 속성이 실제로 존재하는지 여부와 관련된 사실성.
• 현재 양자 이론이 완전한지 여부를 나타내는 완전성.
• 리얼리즘이 지역적이고 즉각적인 수준에 존재하는지 여부와 관련된 리얼리즘의 하위 범주 인 로컬 리얼리즘.
• 결정론은 양자 역학이 결정 론적이라고 믿고있는 정도와 관련이 있습니다.

양자 역학의 표준 해석을 코펜하겐 해석이라고합니다. 1927 년 코펜하겐에있는 동안 보어와 하이젠 베르크가 공식화했습니다. 본질적으로, 이 해석은 양자 입자가있는 모든 것과 그것에 대해 알 수있는 모든 것이 파동 함수에 의해 설명된다는 것을 말합니다. 다시 말해, 양자 역학의 모든 기이함은 정말 이상하고 그것이 실제 상황입니다.

다른 관점은 양자의 확률 론적 결과를 없애는 다 세계 해석이다. 가능한 모든 결과가 실제로 발생하지만 현재의 분기 인 다른 세계에서 현실.

숨겨진 변수 이론은 우리가 다음과 같은 예측을 할 수 있도록 양자 세계에 더 많은 것이 있다고 말합니다. 확률을 기반으로하지 않지만 이러한 예측을 제공 할 숨겨진 특정 변수를 찾아 내야합니다. 즉, 양자 역학은 완전하지 않습니다. 그러나 Bell의 정리는 숨겨진 변수가 지역 수준에 존재하지 않음을 증명했습니다.

파일럿 파동 이론으로도 알려진 De Broglie-Bohm 이론은 Bell의 정리와 모순되지 않는 글로벌 접근 방식으로 숨겨진 변수의 개념을 다룹니다.

당연히 과학자들이 양자 세계의 진정으로 기괴한 본질을 이해하기 위해 한 세기가 넘게 노력해 왔기 때문에 많은 다른 해석이 존재합니다.

양자 이론의 다른 측면을 이끌어 내고 증명 한 많은 유명한 실험이 수행되었습니다.

매우 유명한 실험 중 하나는 과학자 Einstein, Podolsky 및 Rosen의 이름을 딴 EPR 실험입니다. 이 실험은 양자 시스템의 얽힘에 대한 아이디어를 다루었습니다. 두 전자가 모두 스핀이라는 특성을 가지고 있다고 생각해보십시오. 그들의 스핀은 측정했을 때 위쪽 위치 또는 아래쪽 위치에 있습니다.

단일 전자의 스핀을 측정 할 때 50 %의 상승 확률과 50 %의 하락 확률이 있습니다. 결과는 양자 역학별로 미리 예측할 수 없습니다. 그러나이 실험에서 두 전자는 결합 된 스핀이 0이되도록 얽혀 있습니다. 그러나 양자 역학에 따르면 어떤 것이 스핀 업되고 어떤 것이 스핀 다운되는지 여전히 알 수 없습니다. 그리고 실제로 어느 쪽도 두 위치 모두에 있지 않고 대신 둘 다의 "중첩"에 있다고합니다. 상태.

이 두 개의 얽힌 전자는 동시에 스핀을 측정하는 다른 장치로 반대 방향으로 보내집니다. 그들은 측정하는 동안 충분히 멀리 떨어져있어서 어느 전자가 다른 전자에게 보이지 않는 "신호"를 보내 스핀이 무엇으로 측정되는지 알 수있는 시간이 없습니다. 그러나 측정이 발생하면 둘 다 반대 스핀을 갖는 것으로 측정됩니다.

슈뢰딩거의 고양이 양자 행동의 이상 함을 설명하고 포즈를 취하는 유명한 사고 실험입니다. 측정이 진정으로 의미하는 것이 무엇인지, 고양이와 같은 큰 물체가 양자를 표시 할 수 있는지에 대한 질문 행동.

이 실험에서 고양이는 관찰자가 볼 수 없도록 상자 안에 있다고합니다. 고양이의 생명은 전자의 회전 방향과 같은 양자 사건에 따라 달라집니다. 회전하면 고양이가 죽습니다. 스핀 다운하면 고양이가 산다.

그러나 전자의 상태는 상자 안의 고양이처럼 관찰자에게 숨겨져 있습니다. 그래서 질문은 상자를 열 때까지 고양이가 살아 있었는지, 죽 었는가, 아니면 측정 할 때까지 전자와 같은 상태의 이상한 중첩 상태에 있습니까?

그러나 아무도 그러한 실험을 수행하지 않았으며 양자 지식을 추구하는 데 고양이가 해를 입지 않았습니다!

1900 년대는 물리학이 실제로 시작된시기였습니다. 고전 역학은 더 이상 매우 작은 세계, 매우 큰 세계 또는 매우 빠른 세계를 설명 할 수 없습니다. 많은 새로운 물리학 분야가 탄생했습니다. 이들 중 :

• ​양자 장 이론 :필드의 개념과 양자 역학 및 특수 상대성 이론을 결합한 이론입니다.
• ​입자 물리학 :모든 기본 입자와 이들이 서로 상호 작용할 수있는 방법을 설명하는 물리학 분야입니다.
• ​양자 컴퓨팅 :더 빠르고 더 나은 처리를 가능하게하는 양자 컴퓨터를 만들려고하는 분야 이러한 컴퓨터의 작동 방식이 양자 역학에 기반을두고 있기 때문입니다. 원칙.
• ​특수 상대성 이론 :빛의 속도에 가깝게 움직이는 물체의 행동을 설명하는 이론은 빛의 속도보다 더 빨리 이동할 수 없다는 개념에 기초합니다.
• ​일반 상대성 이론 :중력을 시공간 곡률로 설명하는 이론.