Квантовая механика: введение

Вы, наверное, слышали, что квантовая физика странная и странная и не подчиняется законам физики, к которым вы привыкли. Это, безусловно, верно в значительной степени. Есть причина, по которой физикам пришлось разработать новую теорию, а не полагаться на старые, чтобы объяснить, что происходит в мире чрезвычайно малых.

Из этого введения в квантовую механику вы узнаете, как ученые подходят к квантовому поведению и квантовым явлениям, а также откуда пришли эти идеи.

В квантовом мире действительно много странностей. Квантовая механика - это раздел физики, который пытается объяснить эту странность и предоставляет основу для предсказаний и объяснений наблюдаемых явлений.

Фундаментальные аспекты квантовой механики включают понятие квантования. То есть существует мельчайшая единица чего-то, что невозможно разбить дальше. Энергия квантуется, что означает, что она поступает в дискретных единицах.

Размер квантованных единиц обычно записывается в терминах Постоянная Планка, ​час​ = 6.62607004 × 10^-34 м²кг / с.

Другой аспект квантовой механики - это представление о том, что все частицы на самом деле обладают корпускулярно-волновым дуализмом, что означает, что они иногда действуют как частицы, а иногда как волны. Фактически они описываются так называемой волновой функцией.

Квантовая странность включает представление о том, действует ли частица как волна или нет, так или иначе, зависит от того, как вы решите на нее смотреть. Кроме того, некоторые свойства частицы, такие как ориентация ее спина, не имеют четко определенного значения, пока вы их не измеряете.

Правильно, дело не только в том, что вы не знаете до измерения, но и в том, что фактическое отличное значение не существует до измерения.

Квантовая механика может быть лучше всего понята, сравнив ее с классической физикой, которая представляет собой физику повседневных объектов, с которой вы, вероятно, более знакомы.

Первое существенное различие заключается в том, к каким областям относится каждая ветвь. Классическая физика очень хорошо применима к объектам повседневных размеров, таким как брошенный мяч. Квантовая механика применяется к очень маленьким объектам, таким как протоны, электроны и так далее.

В классической физике частицы и объекты имеют определенное положение и импульс в любой данный момент времени, и то и другое всегда можно точно знать. В квантовой механике, чем точнее вы знаете положение объекта, тем менее точно вы знаете его импульс. Частицы не всегда имеют четко определенное положение и импульс. Это называется принципом неопределенности Гейзенберга.

Классическая физика предполагает, что значения энергии чего-либо могут быть непрерывными. Однако в квантовой механике энергия существует дискретными порциями. Субатомные частицы, такие как электроны в атомах, например, могут занимать только определенные энергетические уровни, а не какие-либо значения между ними.

Принцип действия причинности также отличается. Классическая физика полностью причинна, а это означает, что знание начальных состояний позволяет точно предсказать, что произойдет.

В квантовой механике есть другая версия причинности. Частицы описываются квантово-механическим волновая функция, который дает относительные вероятности того, что он может сделать при измерении. Эта волновая функция следует определенным законам физики в том, как она «развивается» во времени и оставляет вас с предсказуемыми «облаками вероятности» того, что может дать измерение.

Многие известные ученые внесли свой вклад в квантовую теорию на протяжении многих лет, и многие из них получили Нобелевские премии за свой вклад. Действительно, открытие и развитие квантовой механики было революционным. Истоки квантовой теории восходят к 1800-м годам.

• Физик Макс Планк смог объяснить явление излучения черного тела квантованием энергии.
• Позже Альберт Эйнштейн разработал объяснение фотоэлектрический эффект рассматривая свет как частицу вместо волны и давая ей квантованные значения энергии.
• Нилс Бор известен своей работой над атомом водорода, в которой он смог объяснить спектральные линии с точки зрения принципов квантовой механики.
• Луи де Бройль представил идею о том, что достаточно маленькие частицы, такие как электроны, также проявляют дуальность частицы-волны.
• Эрвин Шредингер разработал свой знаменитый Уравнение Шредингера, который описывает эволюцию волновых функций во времени.
• Вернер Гейзенберг разработал принцип неопределенности, который доказал, что ни положение, ни импульс квантовой частицы нельзя знать с уверенностью.
• Поль Дирак предсказал существование антивещества и сделал шаги в направлении согласования общей теории относительности с квантовой теорией.
• Джон Белл известен теоремой Белла, которая доказала отсутствие скрытых переменных. (Другими словами, дело не только в том, что вы не знаете вращение или другое свойство до измерения, но на самом деле оно не имеет четко определенного значения до измерения.)
• Ричард Фейнман разработал теорию квантовой электродинамики.

Поскольку квантовая механика настолько странна и противоречит интуиции, разные ученые разработали разные ее интерпретации. Уравнения, которые предсказывают, что происходит, - это одно - мы знаем, что они работают, потому что они согласуются с наблюдения - но понимание того, что они на самом деле означают, - это более философский вопрос, и дебаты.

Эйнштейн охарактеризовал различные интерпретации на основе четырех свойств:

• Реализм, который относится к тому, действительно ли свойства существуют до измерения.
• Полнота, которая определяет, является ли текущая квантовая теория законченной.
• Локальный реализм, подкатегория реализма, которая относится к тому, существует ли реализм на локальном, непосредственном уровне.
• Детерминизм, который относится к тому, насколько квантовая механика считается детерминированной.

Стандартная интерпретация квантовой механики называется копенгагенской интерпретацией. Он был сформулирован Бором и Гейзенбергом в Копенгагене в 1927 году. По сути, эта интерпретация утверждает, что все, что представляет собой квантовая частица, и все, что о ней можно знать, описывается волновой функцией. Другими словами, все странности квантовой механики действительно настолько странны, и именно так все обстоит на самом деле.

Альтернативной точкой зрения является Интерпретация многих миров, которая устраняет вероятностные результаты квантовых вычислений. наблюдения, заявив, что все возможные результаты действительно происходят, но в разных мирах, которые являются ветвями нашего текущего реальность.

Теории скрытых переменных утверждают, что в квантовом мире есть нечто большее, что позволило бы нам делать предсказания, которые не основаны на вероятностях, но нам нужно раскрыть определенные скрытые переменные, которые дадут нам эти прогнозы. Другими словами, квантовая механика не завершена. Однако теорема Белла доказала, что скрытые переменные не существуют на локальном уровне.

Теория де Бройля-Бома, также известная как теория пилотных волн, обращается к понятию скрытых переменных с помощью глобального подхода, не противоречащего теореме Белла.

Неудивительно, что существует много-много других интерпретаций, потому что у ученых было более века, чтобы попытаться понять поистине причудливую природу квантового мира.

На этом пути было проведено множество известных экспериментов, которые привели и подтвердили различные аспекты квантовой теории.

Один очень известный эксперимент - эксперимент ЭПР, названный в честь ученых Эйнштейна, Подольского и Розена. Этот эксперимент касался идеи запутанности в квантовой системе. Рассмотрим два электрона, оба из которых обладают свойством, называемым спином. Их вращение при измерении находится либо в верхнем, либо в нижнем положении.

При измерении спина отдельного электрона вероятность того, что он окажется вверху, составляет 50 процентов, а вероятность падения - 50 процентов. Согласно квантовой механике, результаты нельзя предсказать заранее. Однако в этом эксперименте два электрона запутаны так, что их общий спин равен 0. Однако согласно квантовой механике мы до сих пор не можем знать, какой из них вращается вверх, а какой - вниз, и действительно, ни один из них не находится ни в одной из позиций, а вместо этого, как говорят, находится в «суперпозиции» обоих состояния.

Эти два запутанных электрона отправляются в противоположных направлениях к разным устройствам, которые будут измерять их спины одновременно. Во время измерения они находятся достаточно далеко друг от друга, так что у одного из электронов нет времени послать какой-то невидимый «сигнал» другому, чтобы сообщить ему, как измеряется его спин. И все же, когда происходит измерение, оба имеют противоположное вращение.

Кот Шредингера - знаменитый мысленный эксперимент, призванный продемонстрировать странность квантового поведения и показать вопрос о том, что на самом деле подразумевается под измерением, и могут ли большие объекты, такие как кошка, отображать квантовые поведение.

В этом эксперименте говорится, что кошка находится в коробке, поэтому наблюдатель не может ее увидеть. Жизнь кошки зависит от квантового события - например, ориентации спина электрона. Если он будет раскручиваться, кошка погибнет. Если он замедляется, кошка живет.

Но состояние электрона скрыто от наблюдателя, как и кот в ящике. Итак, до тех пор, пока вы не откроете коробку, возникает вопрос, жив ли кошка, мертва или же находится в какой-то странной суперпозиции состояний, как у электрона до измерения?

Но будьте уверены, никто не проводил такого эксперимента, и ни одна кошка не пострадала в погоне за квантовыми знаниями!

1900-е были временем, когда физика действительно взлетела. Классическая механика больше не могла объяснить мир очень маленьких, мир очень больших или мир очень быстрых. Родилось много новых разделов физики. Среди них:

• ​Квантовая теория поля:Теория, сочетающая идею полей с квантовой механикой и специальной теорией относительности.
• ​Физика частиц:Область физики, которая описывает все фундаментальные частицы и способы их взаимодействия друг с другом.
• ​Квантовые вычисления:Область, которая пытается создать квантовые компьютеры, которые позволят ускорить обработку и улучшить шифрование из-за того, как работа такого компьютера будет основана на квантовой механике принципы.
• ​Специальная теория относительности:Теория, описывающая поведение объектов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, основана на представлении о том, что ничто не может двигаться быстрее скорости света.
• ​Общая теория относительности:Теория, описывающая гравитацию как искривление пространства-времени.