Kvantmekanik: En introduktion

Du har nog hört att kvantfysik är konstig och konstig och inte följer de fysiklagar som du är van vid. Detta stämmer verkligen till stor del. Det finns en anledning till att fysiker var tvungna att utveckla en ny teori och inte förlita sig på de gamla för att förklara vad som händer i de extremt lilla världarna.

I denna introduktion till kvantmekanik lär du dig hur forskare närmar sig kvantbeteende och kvantfenomen samt varifrån dessa idéer kom.

Det finns verkligen mycket konstighet i kvantvärlden. Kvantmekanik är den fysikgren som försöker förklara den konstigheten och tillhandahålla en ram som möjliggör förutsägelser och förklaringar av observerade fenomen.

Grundläggande aspekter av kvantmekanik inkluderar begreppet kvantisering. Det vill säga det finns en minsta enhet av något som inte går att bryta ner ytterligare. Energi kvantiseras, vilket innebär att den kommer i diskreta enheter.

Storleken på kvantiserade enheter skrivs vanligtvis i termer av Plancks konstant, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 m²kg / s.

En annan aspekt av kvantmekaniken är uppfattningen att alla partiklar faktiskt har partikelvågsdualitet, vilket innebär att de ibland fungerar som partiklar och andra gånger fungerar som vågor. I själva verket beskrivs de av en så kallad vågfunktion.

Kvantlig konstighet inkluderar tanken att huruvida en partikel fungerar som en våg eller inte på något sätt beror på hur du bestämmer dig för att titta på den. Dessutom verkar vissa egenskaper hos en partikel - som riktningen för dess snurrning - inte ha ett väldefinierat värde förrän du mäter dem.

Det stämmer, det är inte bara att du inte vet förrän mätningen, men det faktiska distinkta värdet existerar inte förrän mätningen.

Kvantmekanik kan förstås bäst genom att jämföra den med klassisk fysik, vilket är fysiken i vardagliga föremål som du sannolikt är mer bekant med.

Den första stora skillnaden är vilka områden varje gren gäller. Klassisk fysik gäller mycket bra för föremål av vardagliga storlekar, såsom en kastad boll. Kvantmekanik gäller föremål som är mycket små, såsom protoner, elektroner och så vidare.

Inom klassisk fysik har partiklar och föremål en tydlig position och fart vid varje given tidpunkt, och båda kan alltid vara kända exakt. I kvantmekanik, ju mer exakt du känner till ett objekts position, desto mindre exakt känner du dess momentum. Partiklar har inte alltid väldefinierad position och fart. Detta kallas Heisenbergs osäkerhetsprincip.

Klassisk fysik förutsätter att energivärdena något kan ha är kontinuerliga. I kvantmekanik finns dock energi i diskreta bitar. Subatomära partiklar som elektroner i atomer kan till exempel bara uppta distinkta energinivåer och inte några värden däremellan.

Hur kausalitet fungerar är också annorlunda. Klassisk fysik är helt kausal, vilket innebär att kunskap om initialtillstånd gör att du kan förutsäga exakt vad som kommer att hända.

Kvantmekanik har en annan version av kausalitet. Partiklar beskrivs med kvantmekanik vågfunktion, vilket ger relativa sannolikheter för vad det kan göra när det mäts. Den vågfunktionen följer vissa fysiklagar i hur den "utvecklas" med tiden och lämnar dig med förutsägbara "sannolikhetsmoln" om vad mätning kan ge.

Många kända forskare bidrog till kvantteorin genom åren, och många vann Nobelpriser för sina bidrag. Faktum är att upptäckten och utvecklingen av kvantmekanik var revolutionerande. Kvantteoriens början kan spåras tillbaka till 1800-talet.

• Fysikern Max Planck kunde förklara fenomenet svart kroppsstrålning genom kvantisering av energi.
• Senare utvecklade Albert Einstein en förklaring av fotoelektrisk effekt genom att behandla ljus som en partikel istället för en våg och ge det kvantiserade energivärden.
• Neils Bohr är känd för sitt arbete med väteatomen, där han kunde förklara spektrala linjer i termer av kvantmekaniska principer.
• Louis de Broglie presenterade idén att partiklar som är tillräckligt små - såsom elektroner - också visar partikelvågsdualitet.
• Erwin Schrodinger utvecklade sin berömda Schrodinger ekvation, som beskriver hur vågfunktioner utvecklas i tiden.
• Werner Heisenberg utvecklade osäkerhetsprincip, vilket bevisade att varken position eller momentum för en kvantpartikel kan kännas med säkerhet.
• Paul Dirac förutspådde förekomsten av antimateria och gjorde steg mot att förena allmän relativitetsteori med kvantteori.
• John Bell är känd för Bells teorem, vilket bevisade att det inte fanns några dolda variabler. (Med andra ord är det inte bara att du inte känner till kvantpartiklar snurra eller annan egendom före mätningen, men den har faktiskt inte ett väldefinierat värde före mätningen.)
• Richard Feynman utvecklade teorin om kvantelektrodynamik.

Eftersom kvantmekanik är så konstig och så kontraintuitiv har olika forskare utvecklat olika tolkningar av den. Ekvationerna som förutsäger vad som händer är en sak - vi vet att de fungerar eftersom de överensstämmer med observationer - men att förstå vad de egentligen menar är en mer filosofisk fråga och har varit föremål för mycket debatt.

Einstein karaktäriserade de olika tolkningarna baserat på fyra egenskaper:

• Realism, som avser om egenskaper verkligen finns före mätningen.
• Fullständighet, som behandlar huruvida aktuell kvantteori är fullständig eller inte.
• Lokal realism, en underkategori av realism som avser om realism existerar på en lokal, omedelbar nivå.
• Determinism, som avser hur väl kvantmekanik tros vara deterministisk.

Standardtolkningen av kvantmekanik kallas Köpenhamntolkningen. Det formulerades av Bohr och Heisenberg medan de var i Köpenhamn 1927. I huvudsak säger denna tolkning att allt som en kvantpartikel är och allt som kan vara känt om det beskrivs av vågfunktionen. Med andra ord är all konstighet i kvantmekanik verkligen så konstig och så är det faktiskt.

En alternativ synvinkel är tolkningen av många världar, som tar bort kvanternas sannolika resultat observationer genom att säga att alla möjliga resultat faktiskt inträffar, men i olika världar som är grenar av vår nuvarande verklighet.

Dolda variabla teorier säger att det finns mer i kvantvärlden som skulle tillåta oss att förutsäga det är inte baserade på sannolikheter, men vi måste avslöja vissa dolda variabler som skulle ge oss dessa förutsägelser. Med andra ord är kvantmekanik inte komplett. Bells teorem bevisade dock att dolda variabler inte finns på lokal nivå.

De Broglie-Bohm-teorin, även känd som pilotvågsteori, behandlar begreppet dolda variabler med en global strategi som inte motsägs av Bells teorem.

Det är inte förvånande att många, många andra tolkningar finns eftersom forskare har haft över ett sekel att försöka förstå kvantvärldens verkligt bisarra natur.

Många kända experiment har utförts på vägen som både ledde till och bevisade olika aspekter av kvantteorin.

Ett mycket känt experiment är EPR-experimentet, uppkallat efter forskarna Einstein, Podolsky och Rosen. Detta experiment behandlade idén om intrassling i ett kvantesystem. Tänk på två elektroner, som båda har en egenskap som kallas spin. Deras centrifugering, när den mäts, är antingen i upp-eller ned-position.

När man mäter centrifugeringen av en enda elektron har den 50 procents chans att vara uppe och 50 procents chans att vara nere. Resultaten kan inte förutsägas i förväg per kvantmekanik. I detta experiment är emellertid två elektroner intrasslade så att deras kombinerade snurr är 0. Men per kvantmekanik kan vi fortfarande inte veta vilken som snurrar upp och vilken som snurrar ner, och faktiskt ingen av dem är i någon position och sägs i stället vara i en "superposition" för båda stater.

Dessa två intrasslade elektroner skickas i motsatta riktningar till olika enheter som mäter sina snurr samtidigt. De är tillräckligt långt ifrån varandra under mätningen att det inte finns någon tid för någon elektron att skicka någon osynlig “signal” till den andra för att låta den veta hur dess snurrning mäts. Och ändå, när mätning sker, mäts båda för att ha motsatt snurrning.

Schrodingers katt är ett berömt tankeexperiment som är tänkt att både illustrera det konstiga i kvantbeteende och utgöra fråga om vad som verkligen menas med mätning och om stora föremål - som en katt - kan visa kvantitet beteende.

I detta experiment sägs en katt vara i en låda så att den inte kan ses av observatören. Kattens liv görs beroende av en kvantehändelse - till exempel kanske orienteringen för en elektron. Om det snurrar upp dör katten. Om det snurrar ner, lever katten.

Men elektronens tillstånd är dolt för observatören liksom katten i rutan. Så frågan blir, tills du öppnar lådan, är katten levande, död eller också i någon konstig överlägsenhet av tillstånd som elektronen är fram till mätning?

Var dock säker, ingen har utfört ett sådant experiment och inga katter skadades i strävan efter kvantkunskap!

1900-talet var en tid då fysiken verkligen tog fart. Klassisk mekanik kunde inte längre förklara världen för de mycket små, de mycket stora eller de snabbaste. Många nya grenar av fysik föddes. Bland dessa är:

• ​Kvantfältsteori:En teori som kombinerar idén om fält med kvantmekanik och speciell relativitet.
• ​Partikelfysik:Ett fysikfält som beskriver alla grundläggande partiklar och hur de kan interagera med varandra.
• ​Kvantberäkning:Ett fält som försöker skapa kvantdatorer som möjliggör snabbare bearbetning och bättre kryptering på grund av hur en sådan dators funktion skulle baseras på kvantmekanik principer.
• ​Särskild relativitet:Teorin som beskriver beteendet hos föremål som rör sig nära ljusets hastighet och bygger på tanken att ingenting kan färdas snabbare än ljusets hastighet.
• ​Allmän relativitet:Teorin som beskriver tyngdkraften som rymd-tid-krökning.