Mecanica cuantică: o introducere

Probabil ați auzit că fizica cuantică este ciudată și ciudată și nu respectă legile fizicii cu care sunteți obișnuiți. Acest lucru este cu siguranță adevărat într-o mare măsură. Există un motiv pentru care fizicienii au trebuit să dezvolte o nouă teorie și să nu se bazeze pe cele vechi pentru a explica ce se întâmplă în lumea celor mici.

În această introducere a mecanicii cuantice, veți învăța cum oamenii de știință abordează comportamentul cuantic și fenomenele cuantice, precum și de unde au venit aceste idei.

Există într-adevăr o mulțime de ciudățenii în lumea cuantică. Mecanica cuantică este ramura fizicii care încearcă să explice această ciudățenie și să ofere un cadru care să permită predicții și explicații ale fenomenelor observate.

Aspectele fundamentale ale mecanicii cuantice includ noțiunea de cuantizare. Adică, există o unitate mai mică a ceva care nu poate fi defalcat în continuare. Energia este cuantificată, ceea ce înseamnă că vine în unități discrete.

Mărimea unităților cuantificate sunt de obicei scrise în termeni de Constanta lui Planck, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 m²kg / s.

Un alt aspect al mecanicii cuantice este noțiunea că toate particulele au de fapt dualitatea particule-undă, ceea ce înseamnă că uneori acționează ca particule și alteori acționează ca unde. De fapt, ele sunt descrise printr-o așa-numită funcție de undă.

Ciudățenia cuantică include noțiunea că dacă o particulă acționează ca o undă sau nu depinde cumva de modul în care decideți să o priviți. De asemenea, anumite proprietăți ale unei particule - cum ar fi orientarea rotirii sale - nu par să aibă o valoare bine definită până când nu le măsurați.

Așa este, nu doar că nu știți până la măsurare, dar valoarea distinctă reală nu există până la măsurare.

Mecanica cuantică ar putea fi înțeleasă cel mai bine comparând-o cu fizica clasică, care este fizica obiectelor cotidiene cu care probabil sunteți mai familiarizați.

Prima diferență majoră este la care domenii se aplică fiecare ramură. Fizica clasică se aplică foarte bine obiectelor de dimensiuni cotidiene, cum ar fi o minge aruncată. Mecanica cuantică se aplică obiectelor care sunt foarte mici, cum ar fi protoni, electroni și așa mai departe.

În fizica clasică, particulele și obiectele au o poziție și un impuls distinct în orice moment dat și ambele pot fi întotdeauna cunoscute cu precizie. În mecanica cuantică, cu cât cunoașteți mai exact poziția unui obiect, cu atât veți cunoaște mai puțin cu exactitate impulsul acestuia. Particulele nu au întotdeauna poziția și impulsul bine definite. Aceasta se numește principiul incertitudinii Heisenberg.

Fizica clasică presupune că valorile energetice pe care le poate avea ceva sunt continue. Cu toate acestea, în mecanica cuantică, energia există în bucăți discrete. Particulele subatomice, cum ar fi electronii din atomi, de exemplu, pot ocupa doar niveluri de energie distincte și nu valori între ele.

Modul de funcționare a cauzalității este, de asemenea, diferit. Fizica clasică este complet cauzală, ceea ce înseamnă că cunoașterea stărilor inițiale vă permite să preziceți exact ce se va întâmpla.

Mecanica cuantică are o versiune diferită a cauzalității. Particulele sunt descrise printr-o mecanică cuantică funcția de undă, care oferă probabilități relative de ceea ce ar putea face atunci când este măsurat. Această funcție de undă urmează anumite legi ale fizicii în modul în care „evoluează” în timp și vă lasă cu „nori de probabilitate” previzibili despre ceea ce ar putea da măsurarea.

Mulți oameni de știință celebri au contribuit la teoria cuantică de-a lungul anilor și mulți au câștigat premiile Nobel pentru contribuțiile lor. Într-adevăr, descoperirea și dezvoltarea mecanicii cuantice au fost revoluționare. Începuturile teoriei cuantice pot fi urmărite până în anii 1800.

• Fizicianul Max Planck a putut explica fenomenul radiației corpului negru prin cuantificarea energiei.
• Mai târziu, Albert Einstein a dezvoltat o explicație a efect fotoelectric tratând lumina ca o particulă în loc de undă și oferindu-i valori cuantificate ale energiei.
• Neils Bohr este renumit pentru munca sa asupra atomului de hidrogen, unde a putut explica liniile spectrale în termeni de principii mecanice cuantice.
• Louis de Broglie a prezentat ideea că particulele suficient de mici - cum ar fi electronii - prezintă, de asemenea, dualitatea particule-unde.
• Erwin Schrodinger și-a dezvoltat faimosul său Ecuația Schrodinger, care descrie modul în care funcțiile undelor evoluează în timp.
• Werner Heisenberg a dezvoltat principiul incertitudinii, care a dovedit că nici poziția, nici impulsul unei particule cuantice nu pot fi cunoscute cu certitudine.
• Paul Dirac a prezis existența antimateriei și a făcut pași către reconcilierea teoriei relativității generale cu teoria cuantică.
• John Bell este cunoscut pentru teorema lui Bell, care a dovedit că nu există variabile ascunse. (Cu alte cuvinte, nu este doar faptul că nu cunoașteți o particulă cuantică a învârti sau altă proprietate înainte de măsurare, dar de fapt nu are o valoare bine definită înainte de măsurare.)
• Richard Feynman a dezvoltat teoria electrodinamicii cuantice.

Deoarece mecanica cuantică este atât de ciudată și atât de contra-intuitivă, diferiți oameni de știință au dezvoltat diferite interpretări ale acesteia. Ecuațiile care prezic ceea ce se întâmplă sunt un lucru - știm că funcționează pentru că sunt în concordanță cu acestea observații - dar înțelegerea a ceea ce înseamnă cu adevărat este o chestiune mai filosofică și a fost supusă multor lucruri dezbate.

Einstein a caracterizat diferitele interpretări bazate pe patru proprietăți:

• Realism, care se referă la dacă proprietățile există cu adevărat înainte de măsurare.
• Completitudine, care abordează dacă teoria cuantică actuală este sau nu completă.
• Realismul local, o subcategorie a realismului care se referă la existența realismului la nivel local, imediat.
• Determinismul, care se referă la cât de bine se crede că mecanica cuantică este deterministă.

Interpretarea standard a mecanicii cuantice se numește interpretarea de la Copenhaga. A fost formulată de Bohr și Heisenberg în timp ce se afla la Copenhaga în 1927. În esență, această interpretare afirmă că tot ceea ce este o particulă cuantică și tot ce se poate cunoaște despre ea este descris de funcția de undă. Cu alte cuvinte, toată ciudățenia mecanicii cuantice este chiar atât de ciudată și așa stau lucrurile de fapt.

Un punct de vedere alternativ este Interpretarea Many Worlds, care elimină rezultatele probabilistice ale cuantice observații afirmând că toate rezultatele posibile apar de fapt, dar în diferite lumi care sunt ramuri ale curentului nostru realitate.

Teoriile variabilelor ascunse afirmă că există mai mult în lumea cuantică care ne-ar permite să facem predicții care nu se bazează pe probabilități, dar trebuie să descoperim anumite variabile ascunse care ne-ar oferi aceste predicții. Cu alte cuvinte, mecanica cuantică nu este completă. Totuși, teorema lui Bell a dovedit că variabilele ascunse nu există la nivel local.

Teoria lui De Broglie-Bohm, cunoscută și sub numele de teoria undelor pilot, abordează noțiunea de variabile ascunse cu o abordare globală care nu este contrazisă de teorema lui Bell.

În mod surprinzător, există multe, multe alte interpretări, deoarece oamenii de știință au avut peste un secol să încerce să înțeleagă natura cu adevărat bizară a lumii cuantice.

Multe experimente celebre au fost efectuate pe parcurs, care au condus și au dovedit diferite aspecte ale teoriei cuantice.

Un experiment foarte faimos este experimentul EPR, numit după oamenii de știință Einstein, Podolsky și Rosen. Acest experiment s-a ocupat de ideea de încurcare într-un sistem cuantic. Luați în considerare doi electroni, ambii având o proprietate numită spin. Rotația lor, atunci când este măsurată, este fie în poziția sus sau în jos.

Când măsoară rotația unui singur electron, acesta are o șansă de 50 la sută să fie ridicat și o șansă de 50 la sută să fie în jos. Rezultatele nu pot fi prezise în prealabil în funcție de mecanica cuantică. Cu toate acestea, în acest experiment, doi electroni sunt încurcați astfel încât rotirea lor combinată este 0. Cu toate acestea, pe mecanica cuantică, încă nu putem ști care dintre ele se învârte și care se învârte, și într-adevăr, niciuna dintre ele nu se află în ambele poziții și se spune că se află într-o „suprapunere” a ambelor stări.

Acești doi electroni încurcați sunt trimiși în direcții opuse către diferite dispozitive care le vor măsura rotirile simultan. În timpul măsurării sunt suficient de distanți încât să nu existe timp pentru ca niciun electron să trimită un „semnal” invizibil către celălalt pentru a-i anunța cum se măsoară spinul său. Și totuși, atunci când are loc măsurarea, ambele sunt măsurate pentru a avea rotire opusă.

Pisica lui Schrodinger este un experiment de gândire celebru menit atât să ilustreze ciudățenia comportamentului cuantic, cât și să pună întrebarea a ceea ce se înțelege cu adevărat prin măsurare și dacă obiectele mari - cum ar fi o pisică - pot afișa cuantică comportament.

În acest experiment, se spune că o pisică se află într-o cutie, astfel încât să nu poată fi văzută de observator. Viața pisicii este dependentă de un eveniment cuantic - de exemplu, poate de orientarea spinului unui electron. Dacă se învârte, pisica moare. Dacă este rotit, pisica trăiește.

Dar starea electronului este ascunsă de observator la fel ca pisica din cutie. Deci, întrebarea devine, până când deschideți cutia, pisica este vie, moartă sau, de asemenea, într-o suprapunere ciudată de stări, cum este electronul până la măsurare?

Fii sigur, însă, nimeni nu a efectuat un astfel de experiment și nici o pisică nu a fost rănită în căutarea cunoștințelor cuantice!

Anii 1900 a fost o perioadă în care fizica a decolat cu adevărat. Mecanica clasică nu mai putea explica lumea celor mici, lumea celor foarte mari sau lumea celor foarte rapizi. S-au născut multe ramuri noi ale fizicii. Printre acestea se numără:

• ​Teoria câmpului cuantic:O teorie care combină ideea câmpurilor cu mecanica cuantică și relativitatea specială.
• ​Fizica particulelor:Un domeniu al fizicii care descrie toate particulele fundamentale și modalitățile prin care acestea pot interacționa între ele.
• ​Calcul cuantic:Un câmp care încearcă să creeze computere cuantice care să permită o procesare mai rapidă și mai bună criptare din cauza modului în care funcționarea unui astfel de computer ar fi bazată pe mecanica cuantică principii.
• ​Relativitate specială:Teoria care descrie comportamentul obiectelor care se mișcă lângă viteza luminii și se bazează pe noțiunea că nimic nu poate călători mai repede decât viteza luminii.
• ​Relativitatea generală:Teoria care descrie gravitația ca o curbură spațiu-timp.