Kvantna mehanika: uvod

Verjetno ste že slišali, da je kvantna fizika čudna in čudna in da ne upošteva zakonov fizike, ki ste jih vajeni. To v veliki meri zagotovo drži. Obstaja razlog, da so morali fiziki razviti novo teorijo in se ne zanašati na stare, da bi razložili, kaj se dogaja v svetu izjemno majhnih.

V tem uvodu v kvantno mehaniko boste izvedeli, kako znanstveniki pristopajo k kvantnemu vedenju in kvantnim pojavom ter od kod te ideje.

V kvantnem svetu je res veliko čudnosti. Kvantna mehanika je veja fizike, ki skuša razložiti to nenavadnost in zagotoviti okvir, ki omogoča napovedi in razlage opaženih pojavov.

Temeljni vidiki kvantne mehanike vključujejo pojem kvantizacije. To pomeni, da obstaja najmanjša enota nečesa, česar ni mogoče razčleniti naprej. Energija je kvantizirana, kar pomeni, da prihaja v ločenih enotah.

Velikost kvantiziranih enot je običajno zapisana v obliki Planckova konstanta, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 m²kg / s.

Drug vidik kvantne mehanike je ideja, da imajo vsi delci dejansko dvojnost delcev in valov, kar pomeni, da včasih delujejo kot delci, drugič pa kot valovi. Pravzaprav jih opisuje tako imenovana valovna funkcija.

Kvantna nenavadnost vključuje idejo, da je, ali delček deluje kot val ali ne, nekako odvisno od tega, kako se ga odločite pogledati. Nekatere lastnosti delca - na primer usmeritev njegovega vrtenja - nimajo natančno določene vrednosti, dokler jih ne izmerite.

Tako je, ne gre le za to, da ne veste do merjenja, ampak dejanska ločena vrednost ne obstaja do merjenja.

Kvantno mehaniko bi lahko najbolje razumeli, če jo primerjate s klasično fiziko, to je fiziko vsakdanjih predmetov, ki jo verjetno bolj poznate.

Prva glavna razlika je v tem, za katera področja velja posamezna veja. Klasična fizika zelo dobro velja za predmete vsakodnevnih velikosti, na primer vrženo kroglo. Kvantna mehanika se nanaša na zelo majhne predmete, kot so protoni, elektroni itd.

V klasični fiziki imajo delci in predmeti v katerem koli trenutku časa ločen položaj in zagon, oba pa je vedno mogoče natančno poznati. V kvantni mehaniki, bolj natančno kot poznate položaj predmeta, manj natančno poznate njegov zagon. Delci nimajo vedno natančno določenega položaja in zagona. To se imenuje Heisenbergovo načelo negotovosti.

Klasična fizika predpostavlja, da so energijske vrednosti, ki jih ima lahko nekaj, neprekinjene. V kvantni mehaniki pa energija obstaja v diskretnih kosih. Subatomski delci, kot so na primer elektroni v atomih, lahko zavzamejo samo različne ravni energije in ne vmesnih vrednosti.

Tudi način delovanja vzročnosti je drugačen. Klasična fizika je popolnoma vzročna, kar pomeni, da poznavanje začetnih stanj omogoča natančno napovedovanje, kaj se bo zgodilo.

Kvantna mehanika ima drugačno različico vzročnosti. Delce opisuje kvantna mehanika valovna funkcija, ki daje relativne verjetnosti, kaj bi lahko naredil pri merjenju. Ta valovna funkcija sledi določenim fizikalnim zakonom, kako se "razvija" v času in vam pušča predvidljive "verjetnostne oblake", kaj lahko da meritev.

Številni znani znanstveniki so skozi leta prispevali k kvantni teoriji, mnogi pa so za svoje prispevke prejeli Nobelove nagrade. Odkritje in razvoj kvantne mehanike je bilo res revolucionarno. Začetke kvantne teorije lahko zasledimo v 19. stoletju.

• Fizik Max Planck je lahko razložil pojav sevanja črnega telesa s kvantizacijo energije.
• Kasneje je Albert Einstein razvil razlago fotoelektrični učinek tako, da svetlobo obravnavamo kot delček namesto vala in ji damo kvantizirane energijske vrednosti.
• Neils Bohr je znan po svojem delu na atomu vodika, kjer je znal pojasniti spektralne črte v smislu kvantno-mehanskih načel.
• Louis de Broglie je predstavil idejo, da delci, ki so dovolj majhni - na primer elektroni -, kažejo tudi dvojnost delcev in valov.
• Erwin Schrodinger je razvil svojega slavnega Schrodingerjeva enačba, ki opisuje, kako se valovne funkcije razvijajo v času.
• Werner Heisenberg je razvil načelo negotovosti, ki je dokazal, da ne moremo z gotovostjo poznati niti položaja niti giba kvantnega delca.
• Paul Dirac je napovedal obstoj antimaterije in naredil korake k uskladitvi splošne teorije relativnosti s kvantno teorijo.
• John Bell je znan po Bellovem izreku, ki je dokazal, da ni skritih spremenljivk. (Z drugimi besedami, ne gre le za to, da ne poznate kvantnih delcev vrtenje ali druge lastnosti pred merjenjem, vendar dejansko nima natančno določene vrednosti pred merjenjem.)
• Richard Feynman je razvil teorijo kvantne elektrodinamike.

Ker je kvantna mehanika tako čudna in tako kontra-intuitivna, so si različni znanstveniki razvili različne interpretacije le-te. Enačbe, ki napovedujejo, kaj se bo zgodilo, so eno - vemo, da delujejo, ker so skladne opažanja - toda razumevanje, kaj v resnici pomenijo, je bolj filozofsko in je bilo predmet številnih sprememb razprava.

Einstein je različne interpretacije označil na podlagi štirih lastnosti:

• Realizem, ki se nanaša na to, ali lastnosti resnično obstajajo pred merjenjem.
• Popolnost, ki obravnava, ali je trenutna kvantna teorija popolna ali ne.
• Lokalni realizem, podkategorija realizma, ki se nanaša na to, ali realizem obstaja na lokalni, neposredni ravni.
• Determinizem, ki se nanaša na to, kako dobro je, da je kvantna mehanika deterministična.

Standardna interpretacija kvantne mehanike se imenuje kopenhagenska interpretacija. Leta 1927 sta jo oblikovala Bohr in Heisenberg v Kopenhagnu. V bistvu ta razlaga navaja, da je vse, kar je kvantni delček in kar je o njem mogoče vedeti, opisano z valovno funkcijo. Z drugimi besedami, vsa čudnost kvantne mehanike je res tako čudna in takšne stvari dejansko so.

Nadomestno stališče je Interpretacija mnogih svetov, ki odpravlja verjetnostne izide kvanta opažanja z navedbo, da se vsi možni izidi dejansko zgodijo, vendar v različnih svetovih, ki so veje našega toka resničnost.

Skrite teorije spremenljivk trdijo, da je v kvantnem svetu več, kar bi nam omogočalo napovedovanje tega ne temeljijo na verjetnosti, vendar moramo odkriti nekatere skrite spremenljivke, ki bi nam dale te napovedi. Z drugimi besedami, kvantna mehanika ni popolna. Bellov izrek pa je dokazal, da skrite spremenljivke ne obstajajo na lokalni ravni.

De Broglie-Bohmova teorija, znana tudi kot teorija pilotnih valov, pojem skritih spremenljivk obravnava z globalnim pristopom, ki mu Bellov izrek ne nasprotuje.

Ni presenetljivo, da obstaja veliko, mnogo drugih interpretacij, ker so morali znanstveniki več kot stoletje poskusiti in razumeti resnično bizarno naravo kvantnega sveta.

Na tej poti je bilo izvedenih veliko znanih eksperimentov, ki so pripeljali do in dokazali različne vidike kvantne teorije.

Eden zelo znanih poskusov je eksperiment EPR, imenovan po znanstvenikih Einsteinu, Podolskyju in Rosenu. Ta poskus se je ukvarjal z idejo prepletanja v kvantnem sistemu. Razmislite o dveh elektronih, ki imata lastnost, imenovano spin. Njihov spin se pri merjenju nahaja v zgornjem ali spodnjem položaju.

Pri merjenju spina enega samega elektrona ima 50-odstotno verjetnost, da bo gor in 50-odstotno, da se spusti. Rezultatov ni mogoče predvideti vnaprej po kvantni mehaniki. V tem poskusu pa sta dva elektrona zapletena tako, da je njihov kombinirani spin 0. Vendar na kvantno mehaniko še vedno ne moremo vedeti, katera se vrti navzgor in katera se vrti navzdol, in prav nobeden ni v nobenem položaju in je rečeno, da je v "superpoziciji" obeh države.

Ta dva zapletena elektrona se v nasprotni smeri pošljeta različnim napravam, ki bodo istočasno merile svoje vrtljaje. Med merjenjem so med seboj dovolj oddaljeni, da noben elektron nima časa, da drugemu pošlje neviden "signal" in mu sporoči, kako se meri njegov spin. In vendar, ko pride do merjenja, se izmeri tako, da imata nasprotni spin.

Schrodingerjeva mačka je znan miselni eksperiment, ki naj bi ponazoril nenavadnost kvantnega vedenja in postavil vprašanje, kaj resnično pomeni merjenje in ali lahko veliki predmeti - na primer mačka - prikažejo kvantum vedenje.

V tem poskusu naj bi bila mačka v boksu, tako da je opazovalec ne more videti. Življenje mačke je odvisno od kvantnega dogodka - na primer morda od usmeritve vrtenja elektrona. Če se zavrti, mačka umre. Če se zavrti, mačka živi.

Toda stanje elektrona je opazovalcu skrito, prav tako mačka v škatli. Torej, dokler ne odprete škatle, postaja vprašanje, ali je mačka živa, mrtva ali tudi v nenavadni superpoziciji, kot je elektron, do merjenja?

Bodite prepričani, da nihče ni izvedel takšnega poskusa in nobena mačka ni bila prizadeta v iskanju kvantnega znanja!

19. stoletje je bilo čas, ko je fizika resnično vzletela. Klasična mehanika ni mogla več razložiti sveta zelo majhnega, sveta zelo velikega ali sveta zelo hitrega. Rodilo se je veliko novih vej fizike. Med temi so:

• ​Kvantna teorija polja:Teorija, ki združuje idejo polj s kvantno mehaniko in posebno relativnostjo.
• ​Fizika delcev:Področje fizike, ki opisuje vse temeljne delce in načine njihove medsebojne interakcije.
• ​Kvantno računanje:Polje, ki poskuša ustvariti kvantne računalnike, ki bi omogočali hitrejšo obdelavo in boljše šifriranje, ker bi delovanje takega računalnika temeljilo na kvantno mehanski načel.
• ​Posebna relativnost:Teorija, ki opisuje vedenje predmetov, ki se gibljejo blizu svetlobne hitrosti, temelji na pojmovanju, da nič ne more potovati hitreje od svetlobne hitrosti.
• ​Splošna relativnost:Teorija, ki gravitacijo opisuje kot ukrivljenost prostora in časa.