Mechanika kwantowa: wprowadzenie

Prawdopodobnie słyszałeś, że fizyka kwantowa jest dziwna i dziwna i nie przestrzega praw fizyki, do których jesteś przyzwyczajony. Jest to z pewnością w dużej mierze prawdziwe. Nie bez powodu fizycy musieli opracować nową teorię i nie polegać na starych, aby wyjaśnić, co dzieje się w świecie bardzo małych.

W tym wprowadzeniu do mechaniki kwantowej dowiesz się, jak naukowcy podchodzą do zachowań kwantowych i zjawisk kwantowych, a także skąd wzięły się te pomysły.

Rzeczywiście, w świecie kwantowym jest wiele dziwności. Mechanika kwantowa jest gałęzią fizyki, która próbuje wyjaśnić tę dziwność i zapewnić ramy umożliwiające przewidywanie i wyjaśnianie obserwowanych zjawisk.

Podstawowe aspekty mechaniki kwantowej obejmują pojęcie kwantyzacji. Oznacza to, że istnieje najmniejsza jednostka czegoś, czego nie można dalej rozbić. Energia jest skwantowana, co oznacza, że ​​pochodzi z jednostek dyskretnych.

Wielkość jednostek skwantowanych jest zwykle zapisywana jako stała Planckack, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 m²kg/s.

Innym aspektem mechaniki kwantowej jest przekonanie, że wszystkie cząstki faktycznie mają dualizm cząsteczkowo-falowy, co oznacza, że ​​czasami działają jak cząstki, a innym razem działają jak fale. W rzeczywistości są one opisane przez tak zwaną funkcję falową.

Dziwność kwantowa obejmuje pogląd, że to, czy cząsteczka zachowuje się jak fala, czy nie, zależy w jakiś sposób od tego, jak zdecydujesz się na nią spojrzeć. Ponadto niektóre właściwości cząstki – takie jak orientacja jej spinu – nie wydają się mieć dobrze określonej wartości, dopóki ich nie zmierzysz.

Zgadza się, nie chodzi tylko o to, że nie wiadomo przed pomiarem, ale faktyczna odrębna wartość nie istnieje przed pomiarem.

Mechanikę kwantową można najlepiej zrozumieć, porównując ją z fizyką klasyczną, czyli fizyką przedmiotów codziennego użytku, z którą prawdopodobnie jesteś bardziej zaznajomiony.

Pierwszą zasadniczą różnicą jest to, do których sfer odnosi się każda gałąź. Fizyka klasyczna bardzo dobrze sprawdza się w przypadku przedmiotów o rozmiarach codziennych, takich jak rzucona piłka. Mechanika kwantowa dotyczy bardzo małych obiektów, takich jak protony, elektrony i tak dalej.

W fizyce klasycznej cząstki i obiekty mają różne położenie i pęd w dowolnym momencie i oba mogą być zawsze dokładnie poznane. W mechanice kwantowej im dokładniej znasz położenie obiektu, tym mniej dokładnie znasz jego pęd. Cząsteczki nie zawsze mają dobrze określoną pozycję i pęd. Nazywa się to zasadą nieoznaczoności Heisenberga.

Fizyka klasyczna zakłada, że ​​wartości energetyczne, które coś może mieć, są ciągłe. Jednak w mechanice kwantowej energia istnieje w dyskretnych kawałkach. Cząstki subatomowe, takie jak elektrony w atomach, na przykład, mogą zajmować tylko różne poziomy energii, a nie wartości pomiędzy nimi.

Sposób działania przyczynowości też jest inny. Fizyka klasyczna jest całkowicie przyczynowa, co oznacza, że ​​znajomość stanów początkowych pozwala dokładnie przewidzieć, co się stanie.

Mechanika kwantowa ma inną wersję przyczynowości. Cząstki są opisywane przez mechanikę kwantową funkcja falowa, co daje względne prawdopodobieństwo tego, co może zrobić podczas pomiaru. Ta funkcja falowa jest zgodna z pewnymi prawami fizyki dotyczącymi tego, jak „ewoluuje” w czasie i pozostawia przewidywalne „chmury prawdopodobieństwa” tego, co może dać pomiar.

Wielu znanych naukowców przez lata wniosło wkład w teorię kwantową, a wielu z nich zdobyło za swój wkład Nagrody Nobla. Rzeczywiście, odkrycie i rozwój mechaniki kwantowej było rewolucyjne. Początki teorii kwantowej sięgają XIX wieku.

• Fizyk Max Planck był w stanie wyjaśnić zjawisko promieniowania ciała doskonale czarnego za pomocą kwantyzacji energii.
• Później Albert Einstein opracował wyjaśnienie efekt fotoelektryczny traktując światło jako cząstkę zamiast fali i nadając mu skwantowane wartości energii.
• Neils Bohr słynie z pracy nad atomem wodoru, w której potrafił wyjaśnić linie widmowe w kategoriach zasad mechaniki kwantowej.
• Louis de Broglie przedstawił ideę, że cząstki, które są wystarczająco małe – takie jak elektrony – również wykazują dualizm fal cząsteczkowych.
• Erwin Schrodinger opracował swój słynny Równanie Schrödingera, który opisuje, jak funkcje fal ewoluują w czasie.
• Werner Heisenberg opracował zasada niepewności, który dowiódł, że ani położenie, ani pęd cząstki kwantowej nie mogą być znane z całą pewnością.
• Paul Dirac przewidział istnienie antymaterii i poczynił kroki w kierunku pogodzenia ogólnej teorii względności z teorią kwantową.
• John Bell jest znany z twierdzenia Bella, które udowodniło, że nie ma ukrytych zmiennych. (Innymi słowy, nie chodzi tylko o to, że nie znasz cząstek kwantowych obracać lub inną właściwość przed pomiarem, ale w rzeczywistości nie ma dobrze określonej wartości przed pomiarem).
• Richard Feynman opracował teorię elektrodynamiki kwantowej.

Ponieważ mechanika kwantowa jest tak dziwna i sprzeczna z intuicją, różni naukowcy opracowali różne jej interpretacje. Równania, które przewidują, co się stanie, to jedno – wiemy, że działają, ponieważ są zgodne z obserwacje – ale zrozumienie, co tak naprawdę oznaczają, jest kwestią bardziej filozoficzną i wiele podlegało debata.

Einstein scharakteryzował różne interpretacje na podstawie czterech właściwości:

• Realizm, który dotyczy tego, czy właściwości rzeczywiście istnieją przed pomiarem.
• Kompletność, która dotyczy tego, czy aktualna teoria kwantowa jest kompletna.
• Realizm lokalny, podkategoria realizmu odnosząca się do tego, czy realizm istnieje na lokalnym, bezpośrednim poziomie.
• Determinizm, który odnosi się do tego, jak dobrze uważa się, że mechanika kwantowa jest deterministyczna.

Standardowa interpretacja mechaniki kwantowej nazywa się interpretacją kopenhaską. Został on sformułowany przez Bohra i Heisenberga podczas pobytu w Kopenhadze w 1927 roku. W istocie ta interpretacja stwierdza, że ​​wszystko, czym jest cząstka kwantowa i wszystko, co można o niej wiedzieć, jest opisane przez funkcję falową. Innymi słowy, cała dziwność mechaniki kwantowej jest naprawdę dziwna i tak właśnie jest.

Alternatywnym punktem widzenia jest Interpretacja wielu światów, która usuwa probabilistyczne wyniki kwantowej obserwacje, stwierdzając, że wszystkie możliwe wyniki rzeczywiście występują, ale w różnych światach, które są gałęziami naszego prądu rzeczywistość.

Teorie ukrytych zmiennych stwierdzają, że w świecie kwantowym jest coś więcej, co pozwoliłoby nam przewidywać, że nie są oparte na prawdopodobieństwach, ale musimy odkryć pewne ukryte zmienne, które dałyby nam te przewidywania. Innymi słowy, mechanika kwantowa nie jest kompletna. Twierdzenie Bella dowiodło jednak, że ukryte zmienne nie istnieją na poziomie lokalnym.

Teoria de Broglie-Bohma, znana również jako teoria fal pilotujących, zajmuje się pojęciem ukrytych zmiennych z globalnym podejściem, któremu nie zaprzecza twierdzenie Bella.

Nic dziwnego, że istnieje wiele, wiele innych interpretacji, ponieważ naukowcy mieli ponad stulecie, aby spróbować zrozumieć naprawdę dziwaczną naturę świata kwantowego.

Po drodze przeprowadzono wiele słynnych eksperymentów, które doprowadziły do ​​powstania różnych aspektów teorii kwantowej i dowiodły ich istnienia.

Jednym z bardzo znanych eksperymentów jest eksperyment EPR, nazwany na cześć naukowców Einsteina, Podolskiego i Rosena. Ten eksperyment dotyczył idei splątania w systemie kwantowym. Rozważmy dwa elektrony, z których oba mają właściwość zwaną spinem. Ich rotacja, mierzona, znajduje się albo w pozycji górnej, albo w pozycji dolnej.

Mierząc spin pojedynczego elektronu, ma 50 procent szans na wzrost i 50 procent na spadek. Wyników nie można przewidzieć z góry na podstawie mechaniki kwantowej. Jednak w tym eksperymencie dwa elektrony są splątane tak, że ich łączny spin wynosi 0. Jednak według mechaniki kwantowej nadal nie możemy wiedzieć, która z nich się rozkręca, a która spada, i rzeczywiście żaden z nich nie znajduje się w żadnej z tych pozycji, a zamiast tego mówi się, że znajduje się w „superpozycji” obu państw.

Te dwa splątane elektrony są wysyłane w przeciwnych kierunkach do różnych urządzeń, które jednocześnie mierzą ich spiny. Podczas pomiaru są na tyle daleko od siebie, że żaden elektron nie ma czasu na wysłanie niewidzialnego „sygnału” do drugiego, aby wiedział, jaki jest jego spin. A jednak, gdy następuje pomiar, oba są mierzone tak, aby miały przeciwny spin.

Kot Schrödingera to słynny eksperyment myślowy, który ma zarówno zilustrować dziwaczność zachowania kwantowego, jak i pozować pose pytanie, co tak naprawdę oznacza pomiar i czy duże obiekty – takie jak kot – mogą wyświetlać kwanty zachowanie.

W tym eksperymencie mówi się, że kot znajduje się w pudełku, aby obserwator nie mógł go zobaczyć. Życie kota jest uzależnione od zdarzenia kwantowego – na przykład od orientacji spinu elektronu. Jeśli się rozkręci, kot umrze. Jeśli się kręci, kot żyje.

Ale stan elektronu jest ukryty przed obserwatorem, podobnie jak kot w pudełku. Powstaje więc pytanie, dopóki nie otworzysz pudełka, czy kot jest żywy, martwy, czy też w jakiejś dziwnej superpozycji stanów, jak elektron przed pomiarem?

Zapewniamy jednak, że nikt nie przeprowadził takiego eksperymentu i żaden kot nie został skrzywdzony w pogoni za wiedzą kwantową!

1900 to czas, kiedy fizyka naprawdę wystartowała. Mechanika klasyczna nie mogła już wyjaśniać świata bardzo małych, świata bardzo dużych czy świata bardzo szybkich. Narodziło się wiele nowych gałęzi fizyki. Wśród nich są:

• ​Kwantowa teoria pola:Teoria łącząca ideę pól z mechaniką kwantową i szczególną teorią względności.
• ​Fizyka cząsteczek:Dziedzina fizyki, która opisuje wszystkie fundamentalne cząstki i sposoby, w jakie mogą ze sobą oddziaływać.
• ​Obliczenia kwantowe:Dziedzina, która stara się tworzyć komputery kwantowe, które pozwoliłyby na szybsze i lepsze przetwarzanie szyfrowanie ze względu na to, jak działanie takiego komputera byłoby oparte na mechanice kwantowej zasady.
• ​Szczególna teoria względności:Teoria opisująca zachowanie obiektów poruszających się z prędkością bliską prędkości światła i opiera się na założeniu, że nic nie może poruszać się szybciej niż prędkość światła.
• ​Ogólna teoria względności:Teoria opisująca grawitację jako zakrzywienie czasoprzestrzeni.