Квантна механика: Увод

Вероватно сте чули да је квантна физика чудна и чудна и да се не покорава законима физике на које сте навикли. Ово је сигурно тачно у великој мери. Постоји разлог због којег су физичари морали развити нову теорију и не ослањати се на старе да би објаснили шта се догађа у свету изузетно малих.

У овом уводу у квантну механику научићете како научници приступају квантном понашању и квантним појавама, као и одакле потичу ове идеје.

У квантном свету заиста постоји много необичности. Квантна механика је грана физике која покушава да објасни ту необичност и пружи оквир који омогућава предвиђања и објашњења посматраних појава.

Основни аспекти квантне механике укључују појам квантизације. Односно, постоји најмања јединица нечега што се не може даље рашчланити. Енергија се квантизује, што значи да долази у дискретним јединицама.

Величина квантизованих јединица обично се записује у Планцкова константа, ​х​ = 6.62607004 × 10^-34 м²кг / с.

Други аспект квантне механике је идеја да све честице заправо имају дуалност честица-талас, што значи да оне понекад делују као честице, а други пут као таласи. У ствари, описани су такозваном таласном функцијом.

Квантна необичност укључује идеју да то да ли се честица понаша попут таласа или не зависи некако од начина на који сте одлучили да је погледате. Такође, изгледа да одређена својства честице - попут оријентације њеног окретања - немају добро дефинисану вредност док их не измерите.

Тачно, није само то да не знате до мерења, већ стварна различита вредност не постоји до мерења.

Квантну механику можете најбоље разумети упоређивањем са класичном физиком, која је физика свакодневних предмета која вам је вероватно познатија.

Прва главна разлика је на која се подручја односи свака грана. Класична физика се врло добро примењује на предмете свакодневних величина, попут бачене лопте. Квантна механика се односи на објекте који су врло мали, попут протона, електрона и тако даље.

У класичној физици, честице и предмети имају различит положај и импулс у било ком тренутку времена и обоје се увек могу тачно знати. У квантној механици, што тачније знате положај објекта, то је мање тачно да знате његов замах. Честице немају увек добро дефинисан положај и замах. То се назива Хајзенберговим принципом неизвесности.

Класична физика претпоставља да су енергетске вредности које нешто може имати непрекидне. У квантној механици, међутим, енергија постоји у дискретним комадима. Субатомске честице, попут електрона у атомима, на пример, могу заузимати само различите нивое енергије, а не и било које вредности између.

Различито је и како делује узрочност. Класична физика је потпуно узрочна, што значи да вам познавање почетних стања омогућава тачно предвиђање шта ће се догодити.

Квантна механика има другачију верзију каузалности. Честице су описане квантно механичким таласна функција, што даје релативну вероватноћу онога што би могло учинити када се мери. Та таласна функција следи одређене законе физике у начину на који се „развија“ у времену и оставља вам предвидљиве „облаке вероватноће“ онога што мере могу дати.

Многи познати научници допринели су квантној теорији током година, а многи су за свој допринос добили Нобелове награде. Заиста, откриће и развој квантне механике били су револуционарни. Почеци квантне теорије могу се пратити од 1800-их.

• Физичар Мак Планцк био је у стању да објасни феномен зрачења црног тела квантизацијом енергије.
• Касније је Алберт Ајнштајн развио објашњење фотоелектрични ефекат третирајући светлост као честицу уместо таласа и дајући јој квантизоване вредности енергије.
• Нилс Бор је познат по свом раду на атому водоника, где је могао да објасни спектралне линије у смислу квантно-механичких принципа.
• Лоуис де Броглие је представио идеју да честице које су довољно мале - попут електрона - такође показују дуалност честица-талас.
• Ервин Сцхродингер је развио свој познати Сцхродингерова једначина, који описује како се таласне функције временом развијају.
• Вернер Хеисенберг је развио принцип неизвесности, који је доказао да ни положај ни импулс квантне честице не могу бити са сигурношћу познати.
• Паул Дирац је предвидео постојање антиматерије и предузео кораке ка помирењу опште теорије релативности са квантном теоријом.
• Џон Бел је познат по Белловој теореми, која је доказала да није било скривених променљивих. (Другим речима, није само то што не знате квантне честице завртети или неко друго својство пре мерења, али оно заправо нема добро дефинисану вредност пре мерења.)
• Рицхард Феинман је развио теорију квантне електродинамике.

Будући да је квантна механика тако чудна и тако контра-интуитивна, различити научници су је развили различита тумачења. Једначине које предвиђају шта ће се догодити су једно - знамо да функционишу јер су у складу са њима запажања - али разумевање шта они заиста значе више је филозофско питање и томе је било подложно много расправа.

Ајнштајн је окарактерисао различита тумачења на основу четири својства:

• Реализам, који се односи на то да ли својства заиста постоје пре мерења.
• Комплетност, која говори о томе да ли је тренутна квантна теорија комплетна или није.
• Локални реализам, поткатегорија реализма која се односи на то да ли реализам постоји на локалном, непосредном нивоу.
• Детерминизам, који се односи на то колико се верује да је квантна механика детерминистичка.

Стандардно тумачење квантне механике назива се Копенхагенска интерпретација. То су формулисали Бохр и Хеисенберг док су били у Копенхагену 1927. У суштини, ово тумачење наводи да је све што је квантна честица и све што се о њој може знати описано таласном функцијом. Другим речима, сва необичност квантне механике је заиста толико чудна и такве ствари заправо стоје.

Алтернативно гледиште је Интерпретација многих светова, која укида вероватноћне исходе кванта запажања наводећи да се сви могући исходи заиста дешавају, али у различитим световима који су огранци наше струје стварност.

Скривене теорије променљивих наводе да у квантном свету постоји још много тога што би нам омогућило да то предвиђамо нису засноване на вероватноћи, али морамо да откријемо одређене скривене променљиве које би нам дале ова предвиђања. Другим речима, квантна механика није комплетна. Беллова теорема је, међутим, доказала да скривене променљиве не постоје на локалном нивоу.

Де Броглие-Бохм теорија, такође позната као теорија пилот таласа, обраћа се појму скривених променљивих глобалним приступом који није у супротности са Белловом теоремом.

Није изненађујуће што постоје многа, многа друга тумачења јер су научници имали више од једног века да покушају да разумеју заиста бизарну природу квантног света.

Путем су изведени многи познати експерименти који су довели и доказали различите аспекте квантне теорије.

Један врло познат експеримент је ЕПР експеримент, назван по научницима Ајнштајну, Подолском и Росену. Овај експеримент бавио се идејом преплитања у квантном систему. Размотримо два електрона, од којих оба имају својство које се назива спин. Њихово окретање, када се мери, је или у горњем положају или у доњем положају.

Приликом мерења спина једног електрона, он има 50 посто шансе да буде горе и 50 посто шансе да падне. Резултати се не могу унапред предвидети по квантној механици. У овом експерименту, међутим, два електрона су заплетена тако да је њихов комбиновани спин 0. Међутим, по квантној механици још увек не можемо знати која се окреће према горе, а која према доле, и заиста ниједно није ни у једном положају, већ се уместо тога каже да је у „суперпозицији“ и једног и другог државе.

Ова два заплетена електрона шаљу се у супротним смеровима до различитих уређаја који ће истовремено мерити њихове спинове. Током мерења су довољно удаљени да нема времена ни за један електрон да пошаље неки невидљиви „сигнал“ оном другом да би му рекао како се мери његов спин. Па ипак, када се догоди мерење, оба мере да имају супротан спин.

Сцхродингерова мачка је чувени мисаони експеримент који има за циљ да илуструје необичност квантног понашања и да постави питање шта се заиста подразумева под мерењем и да ли велики објекти - попут мачке - могу приказати квантум понашање.

У овом експерименту се каже да је мачка у боксу тако да је посматрач не може видети. Живот мачке зависи од квантног догађаја - на пример, можда оријентације спинова електрона. Ако се заврти, мачка умире. Ако се заврти, мачка живи.

Али стање електрона је скривено од посматрача као и мачка у кутији. Дакле, поставља се питање, док не отворите кутију, да ли је мачка жива, мртва или је такође у некој чудној суперпозицији стања попут електрона до мерења?

Будите сигурни, међутим, нико није извео такав експеримент и ниједна мачка није оштећена у потрази за квантним знањем!

1900-те биле су време када је физика заиста узела маха. Класична механика више није могла да објасни свет врло малог, свет веома великог или свет врло брзог. Рођене су многе нове гране физике. Међу њима су:

• ​Квантна теорија поља:Теорија која комбинује идеју поља са квантном механиком и посебном релативношћу.
• ​Физика честица:Област физике која описује све основне честице и начине на које могу међусобно да комуницирају.
• ​Квантно рачунање:Поље које покушава да створи квантне рачунаре који би омогућили бржу обраду и бољи шифровање због тога како би се рад таквог рачунара заснивао на квантно-механичком принципи.
• ​Посебна релативност:Теорија која описује понашање објеката који се крећу близу брзине светлости и заснива се на идеји да ништа не може путовати брже од брзине светлости.
• ​Општа релативност:Теорија која гравитацију описује као закривљеност простора и времена.