Квантова механіка: вступ

Ви, напевно, чули, що квантова фізика дивна і дивна і не підкоряється законам фізики, до яких ви звикли. Це, безумовно, відповідає значній мірі. Є причина, чому фізикам довелося розробляти нову теорію, а не покладатися на стару, щоб пояснити, що відбувається у світі надзвичайно малих.

У цьому вступі до квантової механіки ви дізнаєтесь, як вчені підходять до квантової поведінки та квантових явищ, а також звідки ці ідеї.

У квантовому світі справді багато дивацтва. Квантова механіка - це розділ фізики, який намагається пояснити цю дивина і забезпечити структуру, яка дозволяє передбачати та пояснювати спостережувані явища.

Фундаментальні аспекти квантової механіки включають поняття квантування. Тобто існує найменша одиниця чогось, що неможливо розбити далі. Енергія квантується, це означає, що вона надходить у дискретних одиницях.

Розмір одиниць, що квантуються, зазвичай записують через Константа Планка, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 м²кг / с.

Іншим аспектом квантової механіки є уявлення про те, що всі частинки насправді мають подвійність між частинками та хвилями, що означає, що вони іноді діють як частинки, а інші - як хвилі. Насправді вони описуються так званою хвильовою функцією.

Квантова дивина включає уявлення про те, що чи діє частинка як хвиля чи ні, якимось чином залежить від того, як ви вирішите на неї подивитися. Крім того, певні властивості частинки - наприклад, орієнтація її спіна - здається, не мають чітко визначеного значення, поки ви не виміряєте їх.

Правильно, це не просто те, що ви не знаєте до вимірювання, але фактичне чітке значення не існує до вимірювання.

Квантову механіку можна найкраще зрозуміти, порівнявши її з класичною фізикою, яка є фізикою повсякденних предметів, з якою ви, мабуть, більш знайомі.

Перша велика різниця полягає в тому, до яких сфер стосується кожна галузь. Класична фізика дуже добре застосовується до предметів повсякденних розмірів, таких як кинутий куля. Квантова механіка застосовується до дуже малих об'єктів, таких як протони, електрони тощо.

У класичній фізиці частинки та предмети мають різне положення та імпульс у будь-який даний момент часу, і обидва вони завжди можуть бути точно відомі. У квантовій механіці, чим точніше ви знаєте положення об’єкта, тим менш точно ви знаєте його імпульс. Частинки не завжди мають чітко визначене положення та імпульс. Це називається принципом невизначеності Гейзенберга.

Класична фізика припускає, що енергетичні значення, які може мати щось, є безперервними. Однак у квантовій механіці енергія існує окремими шматками. Наприклад, субатомні частинки, такі як електрони в атомах, можуть займати лише різний рівень енергії, а не будь-які значення між ними.

Те, як працює причинно-наслідковий зв'язок, також відрізняється. Класична фізика повністю причинно-наслідкова, тобто знання початкових станів дозволяє точно передбачити, що буде.

Квантова механіка має іншу версію причинності. Частинки описуються квантово-механічно хвильова функція, що дає відносні ймовірності того, що він може зробити при вимірюванні. Ця хвильова функція слідує певним законам фізики у тому, як вона «еволюціонує» у часі, і залишає перед вами передбачувані «хмари ймовірності» того, що може дати вимірювання.

Багато відомих вчених протягом багатьох років сприяли квантовій теорії, і багато хто вигравав Нобелівські премії за свій внесок. Дійсно, відкриття та розвиток квантової механіки були революційними. Початки квантової теорії можна віднести до 1800-х років.

• Фізик Макс Планк зумів пояснити явище випромінювання чорного тіла квантуванням енергії.
• Пізніше Альберт Ейнштейн розробив пояснення фотоелектричний ефект обробляючи світло як частинку замість хвилі і надаючи йому квантовані енергетичні значення.
• Нілс Бор відомий своєю роботою над атомом водню, де він зміг пояснити спектральні лінії з точки зору квантово-механічних принципів.
• Луї де Бройль представив ідею, згідно з якою досить малі частинки, такі як електрони, також демонструють подвійність частинок і хвиль.
• Ервін Шредінгер розробив свій знаменитий Рівняння Шредінгера, що описує, як хвильові функції еволюціонують у часі.
• Вернер Гейзенберг розробив принцип невизначеності, який довів, що ані положення, ані імпульс квантової частинки не можна точно знати.
• Пол Дірак передбачив існування антиречовини і зробив кроки до узгодження загальної теорії відносності з квантовою теорією.
• Джон Белл відомий теоремою Белла, яка доводила, що не було прихованих змінних. (Іншими словами, справа не тільки в тому, що ви не знаєте квантових частинок обертатися або інше властивість до вимірювання, але воно насправді не має чітко визначеного значення до вимірювання.)
• Річард Фейнман розробив теорію квантової електродинаміки.

Оскільки квантова механіка така дивна і настільки протиінтуїтивна, різні вчені розробили її різні інтерпретації. Рівняння, які передбачають, що станеться, - це одне - ми знаємо, що вони працюють, тому що відповідають спостереження - але розуміння того, що вони насправді означають, є більш філософським питанням, і йому було піддано багато дебати.

Ейнштейн характеризував різні інтерпретації на основі чотирьох властивостей:

• Реалізм, який стосується того, чи існують властивості насправді до вимірювання.
• Повнота, що стосується того, чи повна поточна квантова теорія.
• Місцевий реалізм, підкатегорія реалізму, яка стосується того, чи існує реалізм на місцевому, безпосередньому рівні.
• Детермінізм, який стосується того, наскільки добре квантова механіка вважається детермінованою.

Стандартна інтерпретація квантової механіки називається інтерпретацією Копенгагена. Він був сформульований Бором і Гейзенбергом, перебуваючи в Копенгагені в 1927 році. По суті, це тлумачення стверджує, що все, що є квантовою частинкою, і все, що про неї можна знати, описується хвильовою функцією. Іншими словами, вся дивина квантової механіки насправді така дивна, і ось як це насправді.

Альтернативною точкою зору є Інтерпретація багатьох світів, яка позбавляє імовірнісних результатів кванту спостереження, заявляючи, що всі можливі результати насправді мають місце, але в різних світах, які є галузями нашого потоку реальність.

Приховані теорії змінних стверджують, що квантовий світ має більше можливостей, які дозволять нам робити такі прогнози не засновані на ймовірностях, але нам потрібно виявити певні приховані змінні, які могли б дати нам ці прогнози. Іншими словами, квантова механіка не є повною. Проте теорема Белла доводила, що прихованих змінних не існує на локальному рівні.

Теорія Де Бройля-Бома, також відома як теорія пілотних хвиль, звертається до поняття прихованих змінних за допомогою глобального підходу, що не суперечить теоремі Белла.

Не дивно, що існує багато-багато інших інтерпретацій, оскільки вчені мали протягом століття спробувати зрозуміти справді химерну природу квантового світу.

По ходу було проведено багато відомих експериментів, які як призвели, так і довели різні аспекти квантової теорії.

Одним з дуже відомих експериментів є експеримент EPR, названий на честь вчених Ейнштейна, Подольського та Розена. Цей експеримент мав справу з ідеєю заплутування в квантовій системі. Розглянемо два електрони, обидва з яких мають властивість, що називається спіном. Їх обертання, коли вимірюється, знаходиться або у верхньому, або в нижньому положенні.

Вимірюючи спін одиничного електрона, він має 50 відсотків шансів бути вгору і 50 відсотків шансів бути вниз. Результати не можна передбачити заздалегідь за квантовою механікою. Однак у цьому експерименті два електрони заплутані так, що їхній комбінований спін дорівнює 0. Однак, згідно з квантовою механікою, ми все ще не можемо знати, який з них обертається, а який - спином вниз, і насправді жоден з них не перебуває в жодному з положень, і натомість, як кажуть, знаходиться в “суперпозиції” обох штатів.

Ці два заплутані електрони відправляються в протилежних напрямках до різних пристроїв, які одночасно вимірюватимуть їх спіни. Під час вимірювання вони знаходяться досить далеко один від одного, і немає часу, щоб будь-який електрон посилав якийсь невидимий “сигнал” другому, щоб повідомити, як вимірюється його спін. І все ж, коли відбувається вимірювання, обидва вимірюються з протилежним спіном.

Кішка Шредінгера - це відомий мислительський експеримент, призначений як проілюструвати дивність квантової поведінки, так і поставити питання про те, що насправді мається на увазі під вимірами, і чи можуть великі об'єкти - наприклад, кішка - відображати кванти поведінки.

У цьому експерименті кажуть, що кішка знаходиться в ящику, щоб спостерігач не міг її розглянути. Життя кота залежить від квантової події - наприклад, можливо, орієнтації спіна електрона. Якщо воно обертається, кішка гине. Якщо це спін вниз, кішка живе.

Але стан електрона прихований від спостерігача, як і кіт у скриньці. Отже, запитання виникає, поки ви не відкриєте коробку, чи живий кіт, мертвий чи також перебуває в якійсь дивній суперпозиції станів, як електрон, до вимірювання?

Будьте впевнені, однак, ніхто не проводив такого експерименту, і жодна кішка не зазнала шкоди в пошуках квантових знань!

1900-ті роки були часом, коли фізика справді зросла. Класична механіка вже не могла пояснити світ дуже малого, світ дуже великого чи світ дуже швидкого. Народилося багато нових галузей фізики. Серед них:

• ​Квантова теорія поля:Теорія, що поєднує ідею полів з квантовою механікою та спеціальною теорією відносності.
• ​Фізика частинок:Область фізики, яка описує всі основні частинки та способи їх взаємодії між собою.
• ​Квантові обчислення:Поле, яке намагається створити квантові комп’ютери, які дозволять швидше обробляти та покращувати шифрування через те, як робота такого комп'ютера буде базуватися на квантово-механічній принципи.
• ​Спеціальна теорія відносності:Теорія, яка описує поведінку об'єктів, що рухаються поблизу швидкості світла, і заснована на уявленні, що ніщо не може рухатися швидше, ніж швидкість світла.
• ​Загальна теорія відносності:Теорія, яка описує гравітацію як кривизну простору і часу.