Kvantová mechanika: úvod

Určite ste už počuli, že kvantová fyzika je zvláštna a zvláštna a neriadi sa fyzikálnymi zákonmi, na ktoré ste zvyknutí. To je do značnej miery určite pravda. Existuje dôvod, prečo fyzici museli vyvinúť novú teóriu a nespoliehať sa na to, že budú starí vysvetľovať, čo sa deje vo svete extrémne malých.

V tomto úvode do kvantovej mechaniky sa dozviete, ako vedci pristupujú ku kvantovému správaniu a kvantovým javom, ako aj odkiaľ tieto myšlienky pochádzajú.

V kvantovom svete je skutočne veľa podivností. Kvantová mechanika je odvetvie fyziky, ktoré sa pokúša vysvetliť túto zvláštnosť a poskytnúť rámec umožňujúci predpovede a vysvetlenia pozorovaných javov.

Medzi základné aspekty kvantovej mechaniky patrí pojem kvantovania. To znamená, že existuje najmenšia jednotka niečoho, čo sa nedá ďalej členiť. Energia je kvantovaná, čo znamená, že prichádza v diskrétnych jednotkách.

Veľkosť kvantovaných jednotiek sa zvyčajne píše ako Planckova konštanta, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 m²kg / s.

Ďalším aspektom kvantovej mechaniky je predstava, že všetky častice majú v skutočnosti dualitu vln častíc, čo znamená, že niekedy fungujú ako častice a inokedy ako vlny. V skutočnosti sú popísané takzvanou vlnovou funkciou.

Kvantová podivnosť zahŕňa predstavu, že to, či častica funguje ako vlna alebo nie, nejako závisí od toho, ako sa na ňu rozhodnete pozrieť. Tiež sa nezdá, že by určité vlastnosti častice - napríklad orientácia jej rotácie - mali presne stanovenú hodnotu, kým ich nezmeriate.

Máte pravdu, nejde iba o to, že to neviete až do merania, ale skutočná zreteľná hodnota nebude existovať, až kým nebudete merať.

Kvantovej mechanike by sa dalo najlepšie porozumieť porovnaním s klasickou fyzikou, čo je fyzika predmetov každodennej potreby, s ktorými ste pravdepodobne oboznámení.

Prvý zásadný rozdiel je v tom, pre ktoré ríše platí každá pobočka. Klasická fyzika sa veľmi dobre aplikuje na predmety každodennej veľkosti, ako je hodená lopta. Kvantová mechanika sa vzťahuje na objekty, ktoré sú veľmi malé, napríklad na protóny, elektróny a podobne.

V klasickej fyzike majú častice a objekty v danom časovom okamihu zreteľnú polohu a hybnosť a obidva môžu byť vždy presne známe. V kvantovej mechanike platí, že čím presnejšie poznáte polohu objektu, tým menej presne poznáte jeho hybnosť. Nie vždy majú častice presne stanovenú polohu a hybnosť. Tomu sa hovorí Heisenbergov princíp neurčitosti.

Klasická fyzika predpokladá, že energetické hodnoty, ktoré niečo môže mať, sú spojité. V kvantovej mechanike však energia existuje v diskrétnych častiach. Subatomárne častice, ako napríklad elektróny v atómoch, môžu napríklad zaberať iba odlišné energetické úrovne, a nie hodnoty medzi nimi.

Fungovanie kauzality je tiež odlišné. Klasická fyzika je úplne príčinná, čo znamená, že znalosť počiatočných stavov vám umožňuje presne predpovedať, čo sa stane.

Kvantová mechanika má inú verziu kauzality. Častice sú opísané pomocou kvantovej mechaniky vlnová funkcia, ktorá dáva relatívne pravdepodobnosti toho, čo by to mohlo pri meraní urobiť. Táto vlnová funkcia sleduje určité fyzikálne zákony v tom, ako sa „vyvíja“ v čase, a necháva vám predvídateľné „oblaky pravdepodobnosti“ toho, čo by meranie mohlo poskytnúť.

Mnoho známych vedcov sa v priebehu rokov podieľalo na kvantovej teórii a mnohí za ich príspevky získali Nobelovu cenu. Objav a vývoj kvantovej mechaniky bol skutočne revolučný. Počiatky kvantovej teórie sa dajú hľadať v osemdesiatych rokoch 20. storočia.

• Fyzik Max Planck dokázal vysvetliť jav žiarenia čierneho tela kvantovaním energie.
• Neskôr Albert Einstein vyvinul vysvetlenie fotoelektrický efekt spracovaním svetla ako častice namiesto vlny a poskytnutím kvantovaných energetických hodnôt.
• Neils Bohr je známy svojou prácou na atóme vodíka, kde dokázal vysvetliť spektrálne čiary z hľadiska kvantovo mechanických princípov.
• Louis de Broglie predstavil myšlienku, že častice, ktoré sú dostatočne malé - napríklad elektróny, tiež vykazujú dualitu vln častíc.
• Erwin Schrodinger vyvinul svoju slávnu Schrodingerova rovnica, ktorý popisuje, ako sa vlnové funkcie vyvíjajú v čase.
• Werner Heisenberg vyvinul princíp neistoty, ktorý dokázal, že ani poloha, ani hybnosť kvantovej častice nemôžu byť s istotou známe.
• Paul Dirac predpovedal existenciu antihmoty a urobil kroky k zosúladeniu všeobecnej teórie relativity s kvantovou teóriou.
• John Bell je známy pre Bellovu vetu, ktorá dokázala, že neexistujú žiadne skryté premenné. (Inými slovami, nejde len o to, že nepoznáte kvantovú časticu.) točiť sa alebo iný majetok pred meraním, ale v skutočnosti nemá presne stanovenú hodnotu pred meraním.)
• Richard Feynman vyvinul teóriu kvantovej elektrodynamiky.

Pretože kvantová mechanika je taká zvláštna a taká protiintuitívna, rôzni vedci vyvinuli jej rôzne interpretácie. Rovnice, ktoré predpovedajú, čo sa stane, sú jedna vec - vieme, že fungujú, pretože sú v súlade s nimi pozorovania - ale pochopenie toho, čo v skutočnosti znamenajú, je filozofickejšou záležitosťou a bolo predmetom mnohých vecí debata.

Einstein charakterizoval rôzne interpretácie na základe štyroch vlastností:

• Realizmus, ktorý sa týka toho, či vlastnosti skutočne existujú pred meraním.
• Úplnosť, ktorá sa zameriava na to, či je súčasná kvantová teória úplná alebo nie.
• Miestny realizmus, podkategória realizmu, ktorá sa týka toho, či realizmus existuje na miestnej, okamžitej úrovni.
• Determinizmus, ktorý sa týka toho, ako dobre sa kvantová mechanika považuje za deterministickú.

Štandardná interpretácia kvantovej mechaniky sa nazýva kodanská interpretácia. Bol formulovaný Bohrom a Heisenbergom v Kodani v roku 1927. Táto interpretácia v podstate tvrdí, že vlnovou funkciou je popísané všetko, čo je kvantová častica a všetko, čo o nej možno vedieť. Inými slovami, všetka čudnosť kvantovej mechaniky je skutočne taká čudná a tak to v skutočnosti je.

Alternatívnym hľadiskom je interpretácia mnohých svetov, ktorá odstraňuje pravdepodobnostné výsledky kvantovej pozorovania konštatovaním, že ku všetkým možným výsledkom skutočne dôjde, ale v rôznych svetoch, ktoré sú vetvami nášho prúdu realita.

Teórie skrytých premenných tvrdia, že v kvantovom svete existuje viac, čo by nám umožnilo robiť predpovede nie sú založené na pravdepodobnostiach, ale musíme odhaliť určité skryté premenné, ktoré by nám poskytli tieto predpovede. Inými slovami, kvantová mechanika nie je úplná. Bellova veta však dokázala, že skryté premenné na miestnej úrovni neexistujú.

Teória De Broglie-Bohm, tiež známa ako teória pilotných vĺn, sa zaoberá pojmom skryté premenné pomocou globálneho prístupu, ktorý nie je v rozpore s Bellovou vetou.

Nie je prekvapením, že existuje veľa a veľa ďalších interpretácií, pretože vedci sa museli cez storočie pokúsiť pochopiť skutočnú čudnú podstatu kvantového sveta.

Na ceste sa uskutočnilo veľa slávnych experimentov, ktoré viedli a dokázali rôzne aspekty kvantovej teórie.

Jedným z veľmi známych experimentov je experiment EPR, pomenovaný pre vedcov Einsteina, Podolského a Rosena. Tento experiment sa zaoberal myšlienkou zapletenia do kvantového systému. Uvažujme o dvoch elektrónoch, pričom oba majú vlastnosť nazývanú spin. Ich spin je pri meraní buď v hornej polohe alebo v dolnej polohe.

Pri meraní rotácie jedného elektrónu má 50-percentnú pravdepodobnosť, že bude hore, a 50-percentnú pravdepodobnosť, že bude dole. Výsledky nemožno vopred predpovedať na kvantovú mechaniku. V tomto experimente sú však dva elektróny zamotané tak, že ich kombinovaná rotácia je 0. Podľa kvantovej mechaniky však stále nemôžeme vedieť, ktorá z nich sa točí hore a ktorá sa točí dole, a skutočne ani jeden nie je v žiadnej pozícii a namiesto toho sa o ňom hovorí, že je v „superpozícii“ oboch uvádza.

Tieto dva zapletené elektróny sú vysielané opačným smerom do rôznych zariadení, ktoré budú súčasne merať ich rotácie. Počas merania sú dostatočne ďaleko od seba, takže nie je čas, aby jeden z elektrónov vyslal druhému neviditeľný „signál“, aby vedel, ako sa meria jeho spin. A napriek tomu, keď dôjde k meraniu, obidve sa merajú s opačným spinom.

Schrodingerova mačka je slávny myšlienkový experiment, ktorý má ilustrovať podivnosť kvantového správania a zároveň predstaviť otázka, čo sa skutočne myslí pod pojmom meranie, a či veľké objekty - napríklad mačka - dokážu zobraziť kvantum správanie.

V tomto experimente sa o mačke hovorí, že je v škatuli, aby ju pozorovateľ nemohol vidieť. Život mačky závisí od kvantovej udalosti - napríklad od orientácie rotácie elektrónov. Ak sa roztočí, mačka zomrie. Ak sa točí dole, mačka žije.

Ale stav elektrónu je pre pozorovateľa skrytý rovnako ako pre mačku v krabici. Otázkou teda zostáva, až kým krabičku neotvoríte, či je mačka živá, mŕtva alebo tiež v nejakej zvláštnej superpozícii stavov, ako je elektrón, až do merania?

Buďte si však istí, že nikto takýto experiment nevykonal a žiadnym mačkám sa pri hľadaní kvantových znalostí neublížilo!

20. roky 20. storočia boli obdobím, keď sa fyzika skutočne rozbehla. Klasická mechanika už nedokázala vysvetliť svet veľmi malých, svet veľmi veľkých alebo svet veľmi rýchlych. Zrodilo sa veľa nových odvetví fyziky. Medzi tieto patria:

• ​Teória kvantového poľa:Teória, ktorá kombinuje myšlienku polí s kvantovou mechanikou a špeciálnou relativitou.
• ​Časticová fyzika:Fyzikálne pole, ktoré popisuje všetky základné častice a spôsoby ich vzájomnej interakcie.
• ​Kvantové výpočty:Pole, ktoré sa snaží vytvoriť kvantové počítače, ktoré by umožnili rýchlejšie a lepšie spracovanie šifrovanie kvôli tomu, ako by fungovanie takéhoto počítača bolo založené na kvantovej mechanike princípy.
• ​Špeciálna relativita:Teória, ktorá popisuje správanie objektov, ktoré sa pohybujú blízko rýchlosti svetla, je založená na predstave, že nič nemôže cestovať rýchlejšie ako rýchlosť svetla.
• ​Všeobecná teória relativity:Teória, ktorá popisuje gravitáciu ako časopriestorové zakrivenie.