Kvantu mehānika: ievads

Jūs droši vien esat dzirdējis, ka kvantu fizika ir dīvaina un dīvaina un nepakļaujas fizikas likumiem, pie kuriem esat pieradis. Tas noteikti lielā mērā ir taisnība. Ir iemesls, kāpēc fiziķiem bija jāizstrādā jauna teorija, nevis jāpaļaujas uz vecajām, lai izskaidrotu, kas notiek ārkārtīgi mazo cilvēku pasaulē.

Šajā kvantu mehānikas ievadā jūs uzzināsiet, kā zinātnieki tuvojas kvantu uzvedībai un kvantu parādībām, kā arī no kurienes radušās šīs idejas.

Kvantu pasaulē patiešām ir daudz dīvainību. Kvantu mehānika ir fizikas nozare, kas mēģina izskaidrot šo dīvainību un nodrošina sistēmu, kas ļauj prognozēt un izskaidrot novērotās parādības.

Kvantu mehānikas pamataspekti ietver kvantēšanas jēdzienu. Tas nozīmē, ka pastāv kaut kāda mazākā vienība, ko nevar sīkāk sadalīt. Enerģija tiek kvantificēta, tas nozīmē, ka tā nāk atsevišķās vienībās.

Kvantizēto vienību lielums parasti tiek rakstīts izteiksmē Plancka konstante, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 m²kg / s.

Vēl viens kvantu mehānikas aspekts ir priekšstats, ka visām daļiņām faktiski ir daļiņu-viļņu dualitāte, kas nozīmē, ka tās dažkārt darbojas kā daļiņas, bet citreiz - kā viļņi. Patiesībā tos raksturo tā sauktā viļņu funkcija.

Kvantu dīvainības ietver priekšstatu, ka tas, vai daļiņa darbojas kā vilnis vai nē, kaut kā ir atkarīgs no tā, kā jūs nolemjat uz to paskatīties. Arī dažām daļiņas īpašībām, piemēram, tās griešanās orientācijai, šķiet, ka nav precīzi definētas vērtības, kamēr tās nenomērāt.

Pareizi, ne tikai jūs nezināt līdz mērīšanai, bet faktiskā atšķirīgā vērtība nepastāv līdz mērīšanai.

Kvantu mehāniku vislabāk var saprast, salīdzinot to ar klasisko fiziku, kas ir ikdienas priekšmetu fizika, kas, visticamāk, jums ir labāk pazīstama.

Pirmā lielā atšķirība ir tā, uz kuru sfēru katrs filiāle attiecas. Klasiskā fizika ļoti labi attiecas uz ikdienas izmēra priekšmetiem, piemēram, izmestu bumbu. Kvantu mehānika attiecas uz objektiem, kas ir ļoti mazi, piemēram, protoni, elektroni un tā tālāk.

Klasiskajā fizikā daļiņām un priekšmetiem jebkurā laika posmā ir atšķirīga pozīcija un impulss, un abus vienmēr var precīzi zināt. Kvantu mehānikā, jo precīzāk jūs zināt objekta stāvokli, jo mazāk precīzi zināt tā impulsu. Daļiņām ne vienmēr ir precīzi noteikta pozīcija un impulss. To sauc par Heizenberga nenoteiktības principu.

Klasiskajā fizikā tiek pieņemts, ka enerģijas vērtības, kas kaut kam var būt, ir nepārtrauktas. Kvantu mehānikā enerģija tomēr pastāv atsevišķos gabalos. Piemēram, subatomiskās daļiņas, piemēram, elektroni atomos, var aizņemt tikai atšķirīgus enerģijas līmeņus, nevis vērtības starp tām.

Arī cēloņsakarības darbība ir atšķirīga. Klasiskā fizika ir pilnīgi cēloņsakarība, kas nozīmē, ka zināšanas par sākotnējiem stāvokļiem ļauj precīzi paredzēt, kas notiks.

Kvantu mehānikai ir atšķirīga cēloņsakarības versija. Daļiņas apraksta ar kvantu mehānisko viļņu funkcija, kas dod relatīvu varbūtību, ko tā varētu darīt, ja to mēra. Šī viļņu funkcija ievēro noteiktus fizikas likumus, kā tā "attīstās" laikā un atstāj jums paredzamus "varbūtības mākoņus" par to, ko mērījums varētu dot.

Gadu gaitā kvantu teorijā piedalījās daudzi slaveni zinātnieki, un daudzi par savu ieguldījumu ieguva Nobela prēmijas. Patiešām, kvantu mehānikas atklāšana un attīstība bija revolucionāra. Kvantu teorijas pirmsākumi meklējami 1800. gados.

• Fiziķis Makss Planks varēja izskaidrot melnā ķermeņa starojuma parādību ar enerģijas kvantēšanu.
• Vēlāk Alberts Einšteins izstrādāja fotoelektriskais efekts traktējot gaismu kā daļiņu viļņa vietā un piešķirot tai kvantificētas enerģijas vērtības.
• Neils Bohrs ir slavens ar darbu pie ūdeņraža atoma, kur viņš spēja izskaidrot spektra līnijas kvantu mehānisko principu izteiksmē.
• Louis de Broglie iepazīstināja ar ideju, ka daļiņas, kas ir pietiekami mazas, piemēram, elektroni, arī parāda daļiņu-viļņu dualitāti.
• Ervīns Šrodingers attīstīja savu slaveno Šrodingera vienādojums, kurā aprakstīts, kā viļņu funkcijas attīstās laikā.
• Verners Heizenbergs izstrādāja nenoteiktības princips, kas pierādīja, ka ne kvantu daļiņas stāvokli, ne impulsu nevar droši zināt.
• Pols Diraks pareģoja antimatērijas esamību un spēra soļus, lai saskaņotu vispārējās relativitātes teoriju ar kvantu teoriju.
• Džons Bels ir pazīstams ar Bella teorēmu, kas pierādīja, ka nav slēptu mainīgo. (Citiem vārdiem sakot, ne tikai jūs nezināt kvantu daļiņu griezties vai citu īpašību pirms mērīšanas, bet tai faktiski nav precīzi definētas vērtības pirms mērīšanas.)
• Ričards Fainmans izstrādāja kvantu elektrodinamikas teoriju.

Tā kā kvantu mehānika ir tik dīvaina un tik pretin intuitīva, dažādi zinātnieki to ir izstrādājuši atšķirīgi. Vienādojumi, kas paredz to, kas notiek, ir viena lieta - mēs zinām, ka tie darbojas, jo tie saskan ar novērojumi - bet izpratne par to, ko tie patiesībā nozīmē, ir filozofiskāks jautājums, un tas ir daudz pakļauts debates.

Einšteins raksturoja dažādas interpretācijas, pamatojoties uz četrām īpašībām:

• Reālisms, kas attiecas uz to, vai īpašības patiešām pastāv pirms mērīšanas.
• Pilnīgums, kas attiecas uz to, vai pašreizējā kvantu teorija ir pabeigta.
• Vietējais reālisms, reālisma apakškategorija, kas attiecas uz to, vai reālisms pastāv vietējā, tūlītējā līmenī.
• Determinisms, kas attiecas uz to, cik kvantu mehānika tiek uzskatīta par deterministisku.

Kvantu mehānikas standarta interpretāciju sauc par Kopenhāgenas interpretāciju. To formulēja Bohr un Heisenberg, atrodoties Kopenhāgenā 1927. gadā. Būtībā šī interpretācija nosaka, ka visu, kas ir kvantu daļiņa, un visu, ko par to var zināt, raksturo viļņu funkcija. Citiem vārdiem sakot, visas kvantu mehānikas dīvainības patiešām ir tik dīvainas, un tā patiesībā ir lietas.

Alternatīvs viedoklis ir daudzu pasaules interpretācija, kas atceļ kvantu varbūtības rezultātus novērojumus, norādot, ka visi iespējamie rezultāti patiešām notiek, bet dažādās pasaulēs, kas ir mūsu pašreizējās atzari realitāte.

Slēptās mainīgo teorijas apgalvo, ka kvantu pasaulē ir kas vairāk, kas ļautu mums to prognozēt nav balstīti uz varbūtībām, taču mums jāatklāj noteikti slēptie mainīgie, kas mums dotu šīs prognozes. Citiem vārdiem sakot, kvantu mehānika nav pilnīga. Bella teorēma tomēr pierādīja, ka slēptie mainīgie nepastāv vietējā līmenī.

De Broglie-Bohm teorija, kas pazīstama arī kā pilotviļņu teorija, pievērš uzmanību slēpto mainīgo jēdzienam ar globālu pieeju, kurai nav pretrunā Bella teorēma.

Nav pārsteidzoši, ka pastāv daudzas, daudzas citas interpretācijas, jo zinātniekiem vairāk nekā gadsimtu ir bijis laiks izmēģināt un saprast kvantu pasaules patiesi dīvaino dabu.

Ir veikti daudzi slaveni eksperimenti, kas gan noveda, gan pierādīja dažādus kvantu teorijas aspektus.

Viens ļoti slavens eksperiments ir EPR eksperiments, kuru nosaukuši zinātnieki Einšteins, Podoļskis un Rozens. Šajā eksperimentā tika aplūkota sapīšanās ideja kvantu sistēmā. Apsveriet divus elektronus, kuriem abiem ir īpašība, ko sauc par spin. Viņu griešanās, mērot, ir vai nu augšējā, vai lejā.

Mērot viena elektrona griezienu, tam ir 50 procentu iespēja būt augšā un 50% iespējamībai tikt lejā. Rezultātus nevar iepriekš paredzēt attiecībā uz kvantu mehāniku. Šajā eksperimentā tomēr ir sapinušies divi elektroni tā, lai to kombinētais grieziens būtu 0. Tomēr, balstoties uz kvantu mehāniku, mēs joprojām nevaram zināt, kurš no tiem ir vērsts uz augšu un kurš uz leju, un patiešām neviens no viņiem nav nevienā pozīcijā, un tā vietā tiek teikts, ka viņi atrodas abu “superpozīcijā” norāda.

Šie divi sapinušies elektroni tiek raidīti pretējos virzienos dažādām ierīcēm, kuras vienlaikus mērīs to griezienus. Mērīšanas laikā tie atrodas pietiekami tālu viens no otra, lai nevienam elektronam nebūtu laika nosūtīt otram kādu neredzamu “signālu”, lai tas zinātu, kāds ir tā spins. Un tomēr, kad notiek mērīšana, abiem mēra pretēju griešanos.

Šrodingera kaķis ir slavens domu eksperiments, kas paredzēts, lai gan ilustrētu kvantu uzvedības dīvainības, gan radītu jautājums, ko patiesi nozīmē mērīšana un vai lieli objekti, piemēram, kaķis, var parādīt kvantu uzvedība.

Šajā eksperimentā tiek teikts, ka kaķis atrodas kastē, lai novērotājs to nevarētu apskatīt. Kaķa dzīvi padara atkarīgu no kvantu notikuma - piemēram, varbūt elektrona griešanās orientācijas. Ja tas tiek izgriezts, kaķis nomirst. Ja tas ir vērsts uz leju, kaķis dzīvo.

Bet elektrona stāvoklis tiek novērots no novērotāja, tāpat kā kastē esošais kaķis. Tātad, līdz brīdim, kad atverat kastīti, rodas jautājums, vai kaķis ir dzīvs, miris vai arī kaut kādā dīvainā tādu stāvokļu superpozīcijā kā elektrons ir līdz mērīšanai?

Esiet drošs, ka neviens šādu eksperimentu nav veicis, un, meklējot kvantu zināšanas, neviens kaķis nav cietis!

1900. gadi bija laiks, kad fizika patiešām pacēlās. Klasiskā mehānika vairs nespēja izskaidrot ne ļoti mazu, ne ļoti lielu, ne ļoti ātru pasauli. Dzima daudz jaunu fizikas nozaru. Starp tiem ir:

• ​Kvantu lauka teorija:Teorija, kas apvieno lauku ideju ar kvantu mehāniku un īpašu relativitāti.
• ​Daļiņu fizika:Fizikas lauks, kas apraksta visas fundamentālās daļiņas un veidus, kā tās var mijiedarboties savā starpā.
• ​Kvantu skaitļošana:Lauks, kas mēģina izveidot kvantu datorus, kas ļautu ātrāk un labāk apstrādāt šifrēšana, jo šāda datora darbība balstīsies uz kvantu mehānisko principi.
• ​Īpaša relativitāte:Teorija, kas apraksta to objektu uzvedību, kuri pārvietojas tuvu gaismas ātrumam, un ir balstīta uz uzskatu, ka nekas nevar pārvietoties ātrāk par gaismas ātrumu.
• ​Vispārējā relativitāte:Teorija, kas gravitāciju raksturo kā telpas-laika izliekumu.