Kvantinė mechanika: įvadas

Tikriausiai esate girdėję, kad kvantinė fizika yra keista ir keista ir nepaklūsta fizikos dėsniams, prie kurių esate įpratę. Tai neabejotinai teisinga didele dalimi. Yra priežastis, kodėl fizikai turėjo sukurti naują teoriją, o ne pasikliauti senomis, kad paaiškintų, kas vyksta itin mažų žmonių pasaulyje.

Šioje kvantinės mechanikos įžangoje sužinosite, kaip mokslininkai priartėja prie kvantinio elgesio ir kvantinių reiškinių, taip pat iš kur kilo šios idėjos.

Kvantiniame pasaulyje iš tiesų yra daug keistenybių. Kvantinė mechanika yra fizikos šaka, bandanti paaiškinti tą keistenybę ir pateikti sistemą, leidžiančią numatyti ir paaiškinti pastebėtus reiškinius.

Pagrindiniai kvantinės mechanikos aspektai apima kvantavimo sąvoką. Tai yra, egzistuoja mažiausias daiktas, kurio negalima suskaidyti toliau. Energija yra kiekybiškai įvertinta, tai reiškia, kad ji gaunama atskirais vienetais.

Kiekybinių vienetų dydis paprastai rašomas Plancko konstanta, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 m²kg / s.

Kitas kvantinės mechanikos aspektas yra nuostata, kad visos dalelės iš tikrųjų turi dalelių ir bangų dvilypumą, o tai reiškia, kad jos kartais veikia kaip dalelės, o kiti laikai - kaip bangos. Tiesą sakant, juos apibūdina vadinamoji bangų funkcija.

Į kvantinę keistenybę įeina mintis, kad tai, ar dalelė veikia kaip banga, ar ne, kažkaip priklauso nuo to, kaip nuspręsite į ją žiūrėti. Be to, atrodo, kad tam tikros dalelės savybės, pavyzdžiui, jos sukimosi orientacija, neturi tiksliai apibrėžtos vertės, kol jų neišmatuosi.

Teisingai, ne tik jūs nežinote iki matavimo, bet tikrosios skirtingos vertės nėra iki matavimo.

Kvantinę mechaniką galima geriausiai suprasti palyginus ją su klasikine fizika, kuri yra kasdienių daiktų fizika, kuri jums greičiausiai yra labiau pažįstama.

Pirmasis pagrindinis skirtumas yra tai, kurioms sritims taikoma kiekviena šaka. Klasikinė fizika labai gerai tinka kasdienio dydžio daiktams, pavyzdžiui, išmėtytam rutuliui. Kvantinė mechanika taikoma labai mažiems objektams, tokiems kaip protonai, elektronai ir pan.

Klasikinėje fizikoje dalelės ir daiktai bet kuriuo konkrečiu laiko momentu turi aiškią padėtį ir impulsą, ir abu juos visada galima tiksliai žinoti. Kvantinėje mechanikoje kuo tiksliau žinote objekto padėtį, tuo mažiau tiksliai žinote jo impulsą. Dalelės ne visada turi tiksliai apibrėžtą padėtį ir impulsą. Tai vadinama Heisenbergo neapibrėžtumo principu.

Klasikinė fizika daro prielaidą, kad energijos vertės, kurias kažkas gali turėti, yra tęstinės. Tačiau kvantinėje mechanikoje energija egzistuoja atskirais gabalais. Pvz., Subatominės dalelės, tokios kaip atomų elektronai, gali užimti tik skirtingus energijos lygius, o ne tarp jų esančias vertes.

Taip pat skiriasi ir priežastingumas. Klasikinė fizika yra visiškai priežastinė, tai reiškia, kad pradinių būsenų žinojimas leidžia tiksliai numatyti, kas nutiks.

Kvantinė mechanika turi kitokią priežastingumo versiją. Dalelės apibūdinamos kvantiniu mechaniniu bangos funkcija, kuri suteikia santykinę tikimybę, ką ji gali padaryti matuodama. Ta bangos funkcija laikosi tam tikrų fizikos dėsnių, kaip ji „vystosi“ laike ir palieka nuspėjamus „tikimybės debesis“, kuriuos gali duoti matavimas.

Daugelis garsių mokslininkų per daugelį metų prisidėjo prie kvantinės teorijos ir daugelis už savo indėlį pelnė Nobelio premijas. Iš tiesų, kvantinės mechanikos atradimas ir plėtojimas buvo revoliucinis. Kvantinės teorijos užuomazgos galima ieškoti 1800 m.

• Fizikas Maxas Planckas sugebėjo paaiškinti juodojo kūno spinduliavimo reiškinį energijos kiekybine verte.
• Vėliau Albertas Einšteinas sukūrė paaiškinimą fotoelektrinis efektas traktuojant šviesą kaip dalelę, o ne bangą ir suteikiant jai kiekybines energijos vertes.
• Neilsas Bohras garsėja savo darbu dėl vandenilio atomo, kur jis sugebėjo spektro linijas paaiškinti kvantinės mechanikos principais.
• Louis de Broglie pateikė idėją, kad pakankamai mažos dalelės, pavyzdžiui, elektronai, taip pat rodo dalelių bangų dvilypumą.
• Erwinas Schrodingeris sukūrė savo garsųjį Schrodingerio lygtis, kuriame aprašoma, kaip bangų funkcijos vystosi laike.
• Werneris Heisenbergas sukūrė neapibrėžtumo principas, kuris įrodė, kad nei kvantinės dalelės padėtis, nei impulsas negali būti tiksliai žinomi.
• Paulas Diracas numatė antimaterijos egzistavimą ir žengė žingsnius suderindamas bendrą reliatyvumo teoriją su kvantine teorija.
• Johnas Bellas yra žinomas dėl Bello teoremos, kuri įrodė, kad nėra paslėptų kintamųjų. (Kitaip tariant, jūs ne tik nežinote kvantinės dalelės suktis ar kitos savybės prieš matavimą, tačiau prieš matavimą ji neturi tiksliai apibrėžtos vertės.)
• Richardas Feynmanas sukūrė kvantinės elektrodinamikos teoriją.

Kadangi kvantinė mechanika yra tokia keista ir tokia intuityvi, skirtingi mokslininkai sukūrė skirtingas jos interpretacijas. Lygtys, kurios numato, kas vyksta, yra vienas dalykas - mes žinome, kad jos veikia, nes jos atitinka stebėjimai - bet suprasti, ką jie iš tikrųjų reiškia, yra labiau filosofinis klausimas ir jam buvo daug diskusijos.

Einšteinas apibūdino skirtingas interpretacijas, pagrįstas keturiomis savybėmis:

• Realizmas, susijęs su tuo, ar savybės iš tikrųjų egzistuoja prieš matavimą.
• Išsamumas, nurodantis, ar dabartinė kvantinė teorija yra išsami.
• Vietinis realizmas, realizmo pakategorė, susijusi su tuo, ar realizmas egzistuoja vietiniu, tiesioginiu lygmeniu.
• Determinizmas, susijęs su tuo, kaip manoma, kad kvantinė mechanika yra deterministinė.

Standartinė kvantinės mechanikos interpretacija vadinama Kopenhagos interpretacija. Jį suformulavo Bohras ir Heisenbergas būdami Kopenhagoje 1927 m. Iš esmės šis aiškinimas teigia, kad visa tai, kas yra kvantinė dalelė ir visa, ką apie ją galima žinoti, apibūdinama bangos funkcija. Kitaip tariant, visos kvantinės mechanikos keistenybės iš tikrųjų yra tokios keistos ir taip viskas yra iš tikrųjų.

Alternatyvus požiūris yra daugelio pasaulių interpretacija, kuri panaikina tikimybinius kvanto rezultatus stebėjimų teigdami, kad visi galimi rezultatai iš tikrųjų pasitaiko, tačiau skirtinguose pasauliuose, kurie yra mūsų srovės šakos tikrovė.

Paslėptos kintamųjų teorijos teigia, kad kvantiniame pasaulyje yra daugiau dalykų, kurie leistų mums tai prognozuoti nėra pagrįsti tikimybėmis, tačiau turime atskleisti tam tikrus paslėptus kintamuosius, kurie suteiktų mums šias prognozes. Kitaip tariant, kvantinė mechanika nėra išsami. Tačiau Bello teorema įrodė, kad paslėptų kintamųjų nėra vietos lygiu.

De Broglie-Bohmo teorija, taip pat žinoma kaip bandomųjų bangų teorija, paslepiamų kintamųjų sąvoka nagrinėjama pasauliniu požiūriu, kurio neprieštarauja Bello teorema.

Nenuostabu, kad egzistuoja daugybė kitų interpretacijų, nes mokslininkams per šimtmetį teko išbandyti ir suprasti tikrai keistą kvantinio pasaulio pobūdį.

Kelyje buvo atlikta daugybė garsių eksperimentų, kurie paskatino ir įrodė skirtingus kvantinės teorijos aspektus.

Vienas labai žinomų eksperimentų yra EPR eksperimentas, pavadintas mokslininkų Einšteino, Podolskio ir Roseno. Šis eksperimentas nagrinėjo įsipainiojimo į kvantinę sistemą idėją. Apsvarstykite du elektronus, kurie abu turi savybę, vadinamą sukimu. Jų sukimas yra matuojamas aukštyn arba žemyn.

Matuojant vieno elektrono sukimąsi, jo tikimybė būti 50 proc. Ir 50 proc. Rezultatų negalima iš anksto numatyti pagal kvantinę mechaniką. Tačiau šiame eksperimente susipina du elektronai, kad jų bendras sukimasis būtų 0. Tačiau pagal kvantinę mechaniką mes vis dar negalime žinoti, kuris iš jų sukasi, o kuris - žemyn, ir iš tikrųjų nė vienas iš jų nėra abiejose pozicijose, o sakoma, kad jie yra abiejų „superpozicijoje“ teigia.

Šie du įsipainioję elektronai siunčiami priešingomis kryptimis skirtingiems prietaisams, kurie vienu metu matuos jų sukinius. Matavimo metu jie yra pakankamai toli vienas nuo kito, todėl nėra laiko nė vienam elektronui siųsti nematomą „signalą“ kitam, kad jis žinotų, koks yra jo sukimasis. Ir vis dėlto, kai matuojama, matuojama, kad abu sukasi priešingai.

Schrodingerio katė yra garsus minties eksperimentas, skirtas iliustruoti kvantinio elgesio keistenybes ir kelti klausimas, ką iš tikrųjų reiškia matavimas ir ar dideli objektai, pavyzdžiui, katė, gali rodyti kvantą elgesys.

Šio eksperimento metu sakoma, kad katė yra dėžėje, kad stebėtojas negalėtų jos pamatyti. Katės gyvenimas yra padaromas priklausomas nuo kvantinio įvykio - pavyzdžiui, galbūt elektrono sukimosi orientacijos. Jei jis sukamas, katė miršta. Jei jis yra nugara, katė gyvena.

Tačiau elektrono būsena yra paslėpta nuo stebėtojo, kaip ir dėžėje esanti katė. Taigi, kol katė neatidarysite dėžutės, kyla klausimas, ar katė yra gyva, negyva ar taip pat kažkokioje keistoje būsenų, kaip elektronas, iki matavimo?

Būkite tikri, tačiau niekas tokio eksperimento neatliko ir jokios katės nenukentėjo siekdamos kvantinių žinių!

1900-ieji buvo laikas, kai fizika tikrai pakilo. Klasikinė mechanika nebegalėjo paaiškinti nei labai mažo, nei labai didelio, nei labai greito pasaulio. Gimė daug naujų fizikos šakų. Tarp jų yra:

• ​Kvantinio lauko teorija:Teorija, sujungianti laukų idėją su kvantine mechanika ir ypatingu reliatyvumu.
• ​Dalelių fizika:Fizikos sritis, apibūdinanti visas pagrindines daleles ir jų sąveikos būdus.
• ​Kvantinis skaičiavimas:Laukas, kuriame bandoma sukurti kvantinius kompiuterius, kurie leistų greičiau ir geriau apdoroti šifravimas dėl to, kaip tokio kompiuterio darbas būtų pagrįstas kvantiniu mechaniniu principus.
• ​Ypatingas reliatyvumas:Teorija, apibūdinanti objektų, judančių netoli šviesos greičio, elgseną ir paremta nuostata, kad niekas negali važiuoti greičiau nei šviesos greitis.
• ​Bendrasis reliatyvumas:Teorija, apibūdinanti gravitaciją kaip erdvės ir laiko kreivumą.