Что изучает квантовая физика. Квантовая физика для чайников. Что такое квантовая физика: суть простыми словами. Суперпозиция в квантовой физике
Классическая физика, существовавшая до изобретения квантовой механики, описывает природу в обычном (макроскопическом) масштабе. Большинство теорий в классической физике можно вывести, как приближение, действующее в привычных для нас масштабах. Квантовая физика (она же и квантовая механика) отличается от классической науки тем, что энергия, импульс, угловой момент и другие величины связанной системы ограничены дискретными значениями (квантованием). Объекты имеют особые характеристики как в виде частиц, так и в виде волн (дуальность волновых частиц). Также в этой науке есть пределы точности, с которой можно измерить величины (принцип неопределенности).
Можно сказать, что после возникновения квантовой физики в точных науках произошла своеобразная революция, позволившая заново пересмотреть и проанализировать все старые законы, которые ранее считались непреложными истинами. Хорошо это или плохо? Пожалуй, хорошо, ведь подлинная наука никогда не должна стоять на месте.
Однако "квантовая революция" стала своеобразным ударом для физиков старой школы, которым пришлось смириться с тем, что то, во что они верили раньше, оказалось лишь набором ошибочных и архаичных теорий, нуждающихся в срочном пересмотре и адаптации к новой реальности. Большинство физиков с восторгом приняли эти новые представления о хорошо знакомой науке, внеся свою лепту в ее изучение, развитие и воплощение в жизнь. Сегодня квантовая физика задает динамику всей науке, в целом. Передовые экспериментальные проекты (вроде Большого адронного коллайдера) возникли именно благодаря ней.
Открытие
Что можно сказать об основах квантовой физики? Она постепенно возникала из различных теорий, призванных объяснить явления, которые не могли быть согласованы с классической физикой, например, решение Макса Планка в 1900 году и его подход к проблеме излучения многих научных проблем, а также соответствие между энергией и частотой в статье 1905 Альберта Эйнштейна, в которой объяснялись фотоэлектрические эффекты. Ранняя теория квантовой физики была основательно переработана в середине 1920-х годов Вернером Гейзенбергом, Максом Борном и другими. Современная теория сформулирована в различных специально разработанных математических концепциях. В одной из них арифметическая функция (или волновая функция) дает нам исчерпывающую информацию об амплитуде вероятности расположения импульса.
Научное исследование волновой сущности света началось более 200 лет назад, когда великие и признанные ученые того времени предложили, разработали и доказали теорию света на основе своих собственных экспериментальных наблюдений. Они назвали ее волновой.
В 1803 году известный английский ученый Томас Янг провел свой знаменитый двойной эксперимент, в результате которого написал прославленную работу «О природе света и цвета», сыгравшую огромную роль в формировании современных представлений об этих знакомых нам всем явлениях. Этот эксперимент сыграл важнейшую роль в общем признании этой теории.
Подобные опыты часто описываются в различных книгах, например, "Основы квантовой физики для чайников". Современные эксперименты с разгоном элементарных частиц, например, поиск бозона Хиггса в Большом адронном коллайдере (сокращенно БАК) проводится как раз для того, чтобы найти практическое подтверждение многих сугубо теоретических квантовых теорий.
История
В 1838 году Майкл Фарадей на радость всему миру открыл катодные лучи. Вслед за этими нашумевшими исследованиями последовало заявление о проблеме излучения, так называемого, "черного тела" (1859 год), сделанное Густавом Кирхгофом, а также знаменитое предположение Людвига Больцмана о том, что энергетические состояния любой физической системы могут быть еще и дискретными (1877 год). Уже потом появилась квантовая гипотеза, разработанная Максом Планком (1900 год). Она считается одной из основ квантовой физики. Смелая о том, что энергия может как излучаться, так и поглощаться в дискретных «квантах» (или энергетических пакетах), в точности соответствует наблюдаемым закономерностям излучения черного тела.
Большой вклад в квантовую физику внес известный всему миру Альберт Эйнштейн. Находясь под впечатлением от квантовых теорий, он разработал свою. Общую теорию относительности - так она называется. Открытия в квантовой физике повлияли и на разработку специальной теории относительности. Многие ученые в первой половине прошлого века начали заниматься этой наукой с подачи Эйнштейна. Она в то время была передовой, всем нравилась, все ею интересовались. Не удивительно, ведь она закрывала столько "дыр" в классической физической науке (правда, новые тоже создавала), предлагала научное обоснование путешествий во времени, телекинеза, телепатии и параллельных миров.
Роль наблюдателя
Любое событие или состояние зависит непосредственно от наблюдателя. Обычно именно так основы квантовой физики кратко объясняются людям, далеким от точных наук. Однако в реальности все гораздо сложнее.
Это прекрасно согласуется со многими оккультными и религиозными традициями, которые испокон веков настаивали на возможности людей влиять на окружающие события. В некотором роде это еще и почва для научного объяснения экстрасенсорики, ведь теперь утверждение о том, что человек (наблюдатель) способен влиять силой мысли на физические события, не кажется абсурдной.
Каждое собственное состояние наблюдаемого события или объекта соответствует собственному вектору наблюдателя. Если спектр оператора (наблюдателя) дискретный, наблюдаемый объект может достигать только дискретных собственных значений. То есть объект наблюдения, равно как и его характеристики, полностью определяется этим самым оператором.
В отличие от общепринятой классической механики (или физики), здесь нельзя делать одновременные предсказания сопряженных переменных, таких как положение и импульс. Например, электроны могут (с определенной вероятностью) располагаться приблизительно в некой области пространства, но их математически точное положение на самом деле неизвестно.
Контуры постоянной плотности вероятности, часто называемые «облаками», могут быть проведены вокруг ядра атома, чтобы концептуализировать, где электрон может быть расположен с наибольшей вероятностью. Принцип неопределенности Гейзенберга доказывает неспособность точно выявить местонахождение частицы с учетом ее сопряженного импульса. Некоторые модели в этой теории имеют сугубо абстрактный вычислительный характер и не предполагают прикладного значения. Впрочем, часто их используют для вычисления сложных взаимодействий на уровне и прочих тонких материй. Кроме того, этот раздел физики позволил ученым предположить возможность реального существования множества миров. Возможно, в скором времени мы сможем их увидеть.
Волновые функции
Законы квантовой физики весьма объемные и разнообразные. Они пересекаются с представлением о волновых функциях. Некоторые особые создают разброс вероятностей, который по своей сути является постоянным или независимым от времени, к примеру, когда в стационарном положении энергии время как бы исчезает по отношению к волновой функции. Это один из эффектов квантовой физики, который является для нее основополагающим. Любопытный факт заключается в том, что феномен времени был кардинально пересмотрен в этой необычной науке.
Теория возмущений
Однако существует несколько надежных способов разработки решений, необходимых для работы с формулами и теориями в квантовой физике. В одном из таких методов, широко известном как "теория возмущений", используется аналитический результат для элементарной квантово-механической модели. Она была создана, чтобы добиться результатов от экспериментов для разработки еще более сложной модели, которая связана с более простой моделью. Вот такая рекурсия получается.
Этот подход особенно важен в теории квантового хаоса, которая чрезвычайно популярна для трактовки различных событий в микроскопической реальности.
Правила и законы
Правила квантовой механики фундаментальны. Они утверждают, что пространство развертывания системы является абсолютно фундаментальным (оно имеет скалярное произведение). Еще одно утверждение заключается в том, что наблюдаемые этой системой эффекты являются в то же время и своеобразными операторами, влияющими на векторы в этой самой среде. При этом они не говорят нам, какое гильбертово пространство или какие операторы существуют в данный момент. Их можно подобрать соответствующим образом, чтобы получить количественное описание квантовой системы.
Значение и влияние
С самого момента возникновения этой необычной науки многие антиинтуитивные аспекты и результаты изучения квантовой механики спровоцировали громкие философские дебаты и многие интерпретации. Даже фундаментальные вопросы, такие как правила на тему вычисления различных амплитуд и распределения вероятностей, заслуживают уважения со стороны общества и многих ведущих ученых.
Например, однажды с грустью заметил, что он совершенно не уверен в том, что кто-то из ученых вообще понимает квантовую механику. Согласно Стивену Вайнбергу, на данный момент нет той интерпретации квантовой механики, которая бы всех устраивала. Это говорит о том, что ученые создали "монстра", полностью понять и объяснить существование которого они сами не в силах. Однако это никак не вредит актуальности и популярности данной науки, а привлекает к ней молодых специалистов, желающих решать действительно сложные и непонятные задачи.
Кроме того, квантовая механика заставила полностью пересмотреть объективные физические законы Вселенной, что не может не радовать.
Копенгагенская интерпретация
Согласно этой интерпретации, стандартное определение причинности, известное нам из классической физики, больше не нужно. Согласно квантовым теориям, причинности в привычном для нас понимании не существует вообще. Все физические явления в них объясняются с точки зрения взаимодействия мельчайших элементарных частиц на субатомном уровне. Эта область, несмотря на кажущуюся невероятность, чрезвычайно перспективна.
Квантовая психология
Что можно сказать о взаимосвязи квантовой физики и сознания человека? Об этом прекрасно написано в книге, написанной Робертом Антоном Уилсоном в 1990 году, которая называется "Квантовая психология".
Согласно теории, изложенной в книге, все процессы, происходящие в нашем мозге, обусловлены законами, описанными в этой статье. То есть это своеобразная попытка адаптировать теорию квантовой физики под психологию. Эта теория считается паранаучной и не признается академическим сообществом.
Книга Уилсона примечательна тем, что он приводит в ней набор различных техник и практик, в той или иной степени доказывающих его гипотезу. Так или иначе, но читатель должен самостоятельно решить, верит он или нет состоятельность подобных попыток применить математические и физические модели к гуманитарным наукам.
Некоторые восприняли книгу Уилсона как попытку оправдать мистическое мышление и привязать его к научно доказанным новомодным физическим формулировкам. Этот весьма нетривиальный и яркий труд остается востребованным уже более 100 лет. Книгу издают, переводят и читают во всем мире. Кто знает, возможно, с развитием квантовой механики изменится и отношение научного сообщества к квантовой психологии.
Заключение
Благодаря этой замечательной теории, которая вскоре стала отдельной наукой, мы получили возможность исследовать окружающую реальность на уровне субатомных частиц. Это мельчайший уровень из всех возможных, совершенно недоступный нашему восприятию. Что физики раньше знали о нашем мире, нуждается в срочном пересмотре. С этим согласны абсолютно все. Стало очевидно, что разные частицы могут взаимодействовать друг с другом на совершенно немыслимых расстояниях, которые мы можем измерять лишь путем сложных математических формул.
Кроме того, квантовая механика (и квантовая физика) доказала возможность существования множества параллельных реальностей, путешествий во времени и прочих вещей, которые на протяжении всей истории считались лишь уделом научной фантастики. Это, несомненно, огромный вклад не только в науку, но и в будущее человечества.
Для любителей научной картины мира эта наука может быть как другом, так и врагом. Дело в том, что квантовая теория открывает широкие возможности для различных спекуляций на паранаучную тему, как это уже было показано на примере одной из альтернативных психологических теорий. Некоторые современные оккультисты, эзотерики и сторонники альтернативных религиозно-духовных течений (чаще всего - психокультов) обращаются к теоретическим построениям этой науки для того, чтобы обосновать рациональность и истинность своих мистических теорий, верований и практик.
Это беспрецедентный случай, когда простые домысли теоретиков и абстрактные математические формулы привели к самой настоящей научной революции и создали новую науку, перечеркнувшую все, что было известно ранее. В некоторой степени квантовая физика опровергла законы аристотелевской логики, поскольку показала, что при выборе "или-или" есть еще один (а, возможно, несколько) альтернативный вариант.
Наука
Квантовая физика работает с изучением поведения самых маленьких вещей в нашей Вселенной: субатомных частиц. Это относительно новая наука, лишь в начале 20 века она стала таковой после того, как физиков стал интересовать вопрос, почему они не могут объяснить некоторые эффекты радиации. Один из новаторов того времени Макс Планк (Max Planck) при исследовании крошечных частиц с энергией использовал термин "кванты", отсюда и пошло название "квантовая физика". Планк отметил, что количество энергии, содержащейся в электронах, не является произвольным, а соответствует стандартам "квантовой" энергии. Одно из первых результатов практического применения этого знания стало изобретение транзистора.
В отличие от негибких законов стандартной физики, правила квантовой физики можно нарушать. Когда ученые полагают, что имеют дело с одним из аспектов исследования материи и энергии, появляется новый поворот событий, что напоминает им о том, как непредсказуема бывает работа в этой области. Тем не менее, они, даже если не полностью понимают происходящее, могут использовать результаты своей работы для разработки новых технологий, которые порой могут быть названы не иначе, как фантастическими.
В будущем, квантовая механика сможет помочь сохранить военные секреты, а также обеспечить безопасность и защитить ваш банковский счет от кибер-воров. Ученые в настоящее время работают на квантовых компьютерах, возможности которых выходят далеко за пределы обычного ПК. Разделенные на субатомные частицы, предметы в мгновение ока легко могут быть перенесены с одного места на другое. И, возможно, квантовая физика сможет дать ответ на самый интригующий вопрос относительно того, из чего состоит вселенная и как зародилась жизнь.
Ниже представлены факты, как квантовая физика может изменить мир. Как сказал Нильс Бор (Niels Bohr): "Тот, кто не шокирован квантовой механикой, просто еще не понял принцип ее работы".
Управление турбулентностью
Вскоре, возможно, благодаря квантовой физике, можно будет устранить турбулентные зоны, из-за которых вы проливаете сок в самолете. Путем создания квантовой турбулентности в ультрахолодных атомах газа в лаборатории, бразильские ученые, возможно, поймут работу турбулентных зон, с которыми сталкиваются самолеты и лодки. На протяжении веков, турбулентность ставила в тупик ученых из-за трудности ее воссоздания в лабораторных условиях.
Турбулентность вызывается сгустками газа или жидкости, но в природе кажется будто она формируется хаотично и формируется неожиданно. Хотя турбулентные зоны могут образовываться в воде и в воздухе, ученые обнаружили, что они также могут формироваться и в условиях ультрахолодных атомов газа или в среде сверхтекучего гелия. При помощи изучения этого явления в контролируемых лабораторных условиях, ученые в один прекрасный день смогут точно предсказывать место появления турбулентных зон, и, возможно, контролировать их в природе.
Спинтроника
Новый магнитный полупроводник, разработанный в Массачусетском технологическом институте, может привести к появлению еще более быстрого энергоэффективного электронного устройства в будущем. Называемая «спинтроника», эта технология использует спиновое состояние электронов для передачи и хранения информации. В то время, как обычные электронные схемы используют только зарядовое состояние электрона, спинтроника пользуется преимуществами спинового направления электрона.
Обработка информации с помощью схем спинтроники позволит данным накапливаться сразу с двух направлений одновременно, что так же уменьшит размер электронных схем. Этот новый материал внедряет электрон в полупроводник на основе его спиновой ориентации. Электроны проходят через полупроводник и становятся готовыми быть спин-детекторами на стороне выхода. Ученые утверждают, что новые полупроводники могут работать при комнатной температуре и являются оптически прозрачными, что означает возможность работы с сенсорными экранами и солнечными батареями. Они также полагают, что это поможет изобретателям придумать еще более многофункциональные устройства.
Параллельные миры
Вы никогда не задумывались о том, какой бы была наша жизнь, если у нас была возможность путешествовать во времени? Вы бы убили Гитлера? Или присоединились бы к римским легионам для того, чтобы увидеть древний мир? Тем не менее, пока мы все фантазируем на тему, чтобы мы сделали, если бы у нас была возможность вернуться в прошлое, ученые из калифорнийского университета Санта-Барбары уже очищают путь к восстановлению обид прошлых лет.
В эксперименте 2010 года ученым удалось доказать, что объект может одновременно существовать в двух разных мирах. Они изолировали крошечных кусочек металла и в специальных условиях обнаружили, что он двигался и стоял на месте одновременно. Однако, кто-то может посчитать это наблюдение бредом, вызванным переутомлением, все же физики говорят, что наблюдения за объектом действительно показывают, что он распадается во Вселенной на две части – одну из них мы видим, а другую нет. Теории параллельных миров в один голос говорят о том, что абсолютно любой объект распадается.
Сейчас ученые пытаются выяснить, как можно "перепрыгнуть" момент распада и войти в тот мир, который нам не видим. Это путешествие в параллельные вселенные во времени теоретически должно работать, поскольку квантовые частицы движутся и вперед, и назад во времени. Теперь, все, что ученые должны сделать – это построить машину времени с помощью квантовых частиц.
Квантовые точки
В скором времени, квантовые физики смогут помочь докторам обнаруживать раковые клетки в организме и точно определять, куда они распространились. Ученые обнаружили, что некоторые мелкие полупроводниковые кристаллы, называемые квантовыми точками, могут светиться под воздействием ультрафиолетового излучения, а также их удалось сфотографировать при помощи специального микроскопа. Затем их соединили с особым, «привлекательным» для раковых клеток материалом. При попадании в организм светящиеся квантовые точки притягивались к раковым клеткам, показывая тем самым, врачам, где именно искать. Свечение продолжается достаточно длительное время, и для ученых процесс настройки точек под характеристики конкретного вида рака относительно несложен.
Хотя высокотехнологичная наука, безусловно, несет ответственность за многие медицинские достижения, человек на протяжении веков зависим от многих других средств борьбы с заболеванием.
Молитва
Трудно представить себе, что может быть общего между коренным американцем, целителем-шаманом и пионерами квантовой физике. Однако, между ними все же есть нечто общее. Нильс Бор, один из ранних исследователей этой странной области науки, полагал, что многое из того, что мы называем реальностью зависит от "эффекта наблюдателя", то есть связь между тем, что происходит, и как мы это видим. Эта тема породила развитие серьезных дебатов между специалистами квантовой физики, однако, эксперимент, проведенный Бором более полувека назад, подтвердил его предположение.
Все это означает, что наше сознание влияет на реальность и может изменить ее. Повторяющиеся слова молитвы и ритуалы церемонии шамана-целителя могут быть попытками изменить направление "волны", которая создает реальность. Большинство обрядов проводятся также в присутствии многочисленных наблюдателей, указывая на то, что чем больше "волн исцеления" исходит от наблюдателей, тем мощнее они оказывают воздействие на реальность.
Взаимосвязь объектов
Взаимосвязь объектов может в дальнейшем оказать огромное влияние на солнечную энергию. Взаимосвязь объектов подразумевает квантовую взаимозависимость атомов, разделенных в реальном физическом пространстве. Физики полагают, что взаимосвязь может образоваться в части растений, ответственных за фотосинтез, или преобразование света в энергию. Структуры, ответственные за фотосинтез, хромофоры, могут превращать 95 процентов получаемого света в энергию.
Сейчас ученые изучают, как эта взаимосвязь на квантовом уровне может повлиять на создание солнечной энергии в надежде создания эффективных естественных солнечных элементов. Специалисты также обнаружили, что водоросли могут использовать некоторые положения квантовой механики для перемещения получаемой от света энергии, а также сохранять ее в двух местах одновременно.
Квантовые вычисления
Другой не менее важный аспект квантовой физики может быть применен в компьютерной сфере, где особый тип сверхпроводящего элемента дает компьютеру беспрецедентную скорость и силу. Исследователи объясняют, что элемент ведет себя как искусственные атомы, поскольку они могут только либо получить, либо потерять энергию путем перемещения между дискретными уровнями энергии. Самый сложный по строению атом обладает пятью уровнями энергии. Эта сложная система («кудит») обладает значительными преимуществами по сравнению с работой предыдущих атомов, у которых было лишь два уровня энергии («кубит»). Кудиты и кубиты это часть битов, используемых в стандартных компьютерах. Квантовые компьютеры в своей работе будут использовать принципы квантовой механики, что позволит им выполнять вычисления гораздо быстрее и точнее по сравнению с традиционными компьютерами.
Существует, однако, проблема, которая может возникнуть, если квантовые вычисления станут реальностью – криптография, или кодирование информации.
Квантовая криптография
Вся информация, начиная от номера вашей кредитной карты и заканчивая сверхсекретными военными стратегиями, есть в сети интернета, а квалифицированный хакер с достаточным количеством знаний и мощным компьютером может опустошить ваш банковский счет или подвергнуть мировую безопасность угрозе. Специальная кодировка держит эту информацию под секретом, а компьютерные специалисты постоянно работают над созданием новых, более безопасных методов кодирования.
Кодирование информации внутри отдельной частицы света (фотон) уже давно является целью квантовой криптографии. Казалось, что ученые университета Торонто уже очень близко подошли к созданию этого метода, поскольку им удалось закодировать видео. Шифрование включает в себя строки из нулей и единиц, которые и являются «ключом». Добавление ключа один раз кодирует информацию, добавление его повторно, декодирует ее. Если постороннему человеку удается получить ключ, то информация может быть взломана. Но даже если ключи будут использованы на квантовом уровне, уже сам факт их применения будет наверняка подразумевать наличие хакера.
Телепортация
Это научная фантастика, не более. Однако, она была осуществлена, но только не с участием человека, а с участием больших молекул. Но в этом то и заключается проблема. Каждая молекула в организме человека должна быть отсканирована с двух сторон. Но это вряд ли произойдет в ближайшее время. Есть еще одна проблема: как только вы сканируете частицу, по законам квантовой физики, вы меняете ее, то есть у вас нет возможности сделать ее точную копию.
Вот где проявляется взаимосвязь объектов. Она связывает два объекта так, будто они являются единым целым. Мы сканируем одну половину частицы, а телепортируемая копия будет сделана другой половиной. Это будет точная копия, поскольку мы не измеряли саму частицу, мы измеряли ее двойника. То есть частица, которую мы измерили, будет разрушена, но ее точная копия реанимирована ее двойником.
Частицы Бога
Ученые используют очень огромное свое творение – большой адронный коллайдер – для того, чтобы исследовать нечто крайне маленькое, но очень важное – фундаментальные частицы, которые, как полагаются, лежат в основе зарождения нашей Вселенной.
Частицы Бога – это то, что, как утверждают ученые, дает массу элементарным частицам (электронам, кваркам и глюонам). Специалисты считают, что частицы Бога должны пронизывать все пространство, но до сих пор существование этих частиц не доказано.
Обнаружение этих частиц помогло бы физикам понять, как Вселенная оправилась после Большого Взрыва и превратилась в то, что нам известно о ней сегодня. Это также помогло бы объяснить, как вещество балансирует с антивеществом. Короче говоря, выделение этих частиц поможет объяснить все.
В 1803 году Томас Юнг направил пучок света на непрозрачную ширму с двумя прорезями. Вместо ожидаемых двух полосок света на проекционном экране он увидел несколько полос, как если бы произошла интерференция (наложение) двух волн света из каждой прорези. Фактически именно в этот момент зародилась квантовая физика, вернее вопросы у её основы. В XX и XXI веках было показано, что не только свет, но любая одиночная элементарная частица и даже некоторые молекулы ведут себя как волна, как кванты, будто проходя через обе щели одновременно. Однако если поставить у щелей датчик, который определяет, что именно происходит с частицей в этом месте и через какую именно щель она все-таки проходит, то на проекционном экране появляются только две полосы, словно факт наблюдения (косвенного влияния) рушит волновую функцию и объект ведет себя как материя. ( видео)
Принципа неопределенности Гейзенберга – фундамент квантовой физики!
Благодаря открытию 1927 года тысячи ученых и студентов повторяют один и тот же простой эксперимент, пропуская лазерный луч через сужающуюся щель. Логично, видимый след от лазера на проекционном экране становится все уже и уже вслед за уменьшением зазора. Но в определенный момент, когда щель становится достаточно узкой, пятно от лазера вдруг начинает становиться шире и шире, растягиваясь по экрану и тускнея пока щель не исчезнет. Это самое очевидное доказательство квинтэссенции квантовой физики - принципа неопределенности Вернера Гейзенберга, выдающегося физика-теоретика. Суть его в том, что чем точнее мы определяем одну из парных характеристик квантовой системы, тем более неопределенней становится вторая характеристика. В данном случае, чем точнее мы определяем сужающейся щелью координаты фотонов лазера, тем неопределеннее становится импульс этих фотонов. В макромире мы точно также можем измерить либо точное местоположение летящего меча, взяв его в руки, либо его направление, но никак не одновременно, так как это противоречит и мешает друг другу. ( , видео)
Квантовая сверхпроводимость и эффект Мейснера
В 1933 году Вальтер Мейснер обнаружил интересное явление в квантовой физике: в охлажденном до минимальных температур сверхпроводнике магнитное поле вытесняется за его пределы. Это явление получило название эффект Мейснера. Если обычный магнит положить на алюминий (или другой сверхпроводник), а затем его охладить жидким азотом, то магнит взлетит и зависнет в воздухе, так как будет «видеть» вытесненное из охлажденного алюминия свое же магнитное поле той же полярности, а одинаковые стороны магнитов отталкиваются. ( , видео)
Квантовая сверхтекучесть
В 1938 году Петр Капица охладил жидкий гелий до близкой к нулю температуры и обнаружил, что у вещества пропала вязкость. Это явление в квантовой физике получило название сверхтекучесть. Если охлажденный жидкий гелий налить на дно стакана, то он все равно вытечет из него по стенкам. Фактически, пока гелий достаточно охлажденный для него нет пределов, чтобы разлиться, вне зависимости от формы и размера емкости. В конце XX и начале XXI веков сверхтекучесть при определенных условиях была также обнаружена у водорода и различных газов. ( , видео)
Квантовый туннелинг
В 1960 году Айвор Джайевер проводил электрические опыты со сверхпроводниками, разделенными микроскопической пленкой непроводящего ток оксида алюминия. Выяснилось, что вопреки физике и логике часть электронов все равно проходит через изоляцию. Это подтвердило теорию о возможности квантового туннельного эффекта. Он распространяется не только на электричество, но и любые элементарные частицы, они же волны согласно квантовой физике. Они могут проходить препятствия насквозь, если ширина этих препятствий меньше длины волны частицы. Чем препятствие уже, тем чаще частицы проходят сквозь них. ( , видео)
Квантовая запутанность и телепортация
В 1982 году физик Ален Аспэ, будущий лауреат Нобелевской премии, направил два одновременно созданных фотона на разнонаправленные датчики определения их спина (поляризации). Оказалось, что измерение спина одного фотона мгновенно влияет на положение спина второго фотона, который становится противоположным. Так была доказана возможность квантовой запутанности элементарных частиц и квантовая телепортация. В 2008 году ученым удалось измерить состояние квантово-запутанных фотонов на расстоянии 144 километров и взаимодействие между ними все равно оказалось мгновенным, как если бы они были в одном месте или не было пространства. Считается, что если такие квантово-запутанные фотоны окажутся в противоположных участках вселенной, то взаимодействие между ними все равно будет мгновенным, хотя свет это же расстояние преодолевает за десятки миллиардов лет. Любопытно, но согласно Эйнштейну для летящих со скоростью света фотонов времени тоже нет. Совпадение ли это? Так не думают физики будущего! ( , видео)
Квантовый эффект Зенона и остановка времени
В 1989 году группа ученых под руководством Дэвида Вайнленда наблюдала за скоростью перехода ионов бериллия между атомными уровнями. Выяснилось, что сам факт измерения состояния ионов замедлял их переход между состояниями. В начале XXI века в подобном эксперименте с атомами рубидия удалось достичь 30-кратного замедления. Все это является подтверждением квантового эффект Зенона. Его смысл в том, что сам факт измерения состояния нестабильной частицы в квантовой физике замедляет скорость ее распада и в теории может его полностью остановить. ( , видео англ.)
Квантовый ластик с отложенным выбором
В 1999 году группа ученых под руководствам Марлана Скали направляла фотоны через две щели, за которыми стояла призма, конвертирующая каждый выходящий фотон в пару квантово-запутанных фотонов и разделяя их на два направления. Первое отправляло фотоны на основной детектор. Второе направление отправляла фотоны на систему 50%-отражателей и детекторов. Выяснилось, если фотон из второго направления достигал детекторы определяющие щель, из которой он вылетел, то основной детектор фиксировал его парный фотон как частицу. Если же фотон из второго направления достигал детекторы не определяющие щель, из которой он вылетел, то основной детектор фиксировал его парный фотон как волну. Не только измерение одного фотона отражалось на его квантово-запутанной паре, но и это происходило вне расстояния и времени, ведь вторичная система детекторов фиксировала фотоны позже основного, как если бы будущее определяло прошлое. Считается, что это самый невероятный эксперимент не только в истории квантовой физики, но и вполне в истории всей науки, так как он подрывает многие привычные основы мировоззрения. ( , видео англ.)
Квантовая суперпозиция и кот Шредингера
В 2010 году Аарон О’Коннелл поместил небольшую металлическую пластину в непрозрачную вакуумную камеру, которую охладил почти до абсолютного нуля. Затем он придал импульс пластине, чтобы она вибрировала. Однако датчик положения показал, что пластина вибрировала и была спокойна одновременно, что точно соответствовало теоретической квантовой физике. Этим впервые был доказан принцип суперпозиции на макрообъектах. В изолированных условиях, когда не происходит взаимодействия квантовых систем, объект может одновременно находиться в неограниченном количестве любых возможных положений, как если бы он больше не был материальным. ( , видео)
Квантовый Чеширский кот и физика
В 2014 году Тобиас Денкмайр и его коллеги разделили поток нейтронов на два пучка и провели серию сложных измерений. Выяснилось, что при определенных обстоятельствах нейтроны могут находиться в одном пучке, а их же магнитный момент в другом пучке. Таким образом был подтвержден квантовый парадокс улыбки Чеширского кота, когда частицы и их свойства могут находиться по нашему восприятию в разных частях пространства, как улыбка отдельно от кота в сказки «Алиса в стране чудес». В очередной раз квантовая физика оказалась загадочней и удивительней любой сказки! ( , видео англ .)
Спасибо за чтение! Теперь вы стали немного умнее и от этого наш мир чуточку посветлел. Поделитесь ссылкой на эту статью с друзьями и мир станет еще лучше!
Начиная отвечать на этот вопрос, я не могу избавиться от мысли, что не смогу дать вам полного представления о квантовой физике, и не потому, что вы гуманитарий, а потому, что это очень глубокая тема.
Итак, до начала 20-го века в физике главенствовала механика Ньютона, в которой пространство и время полагались абсолютными, не изменяемыми и существующими как бы отдельно от материального мира. Изменение любых величин (например, энергии и импульса) всегда полагались непрерывными. Наиболее ёмко описывающая механику Ньютона идея - это детерминизм Лапласа (почитайте на вики). Изменилось всё с приходом Макса Планка и его дерзкой идеи рассматривать энергию не как непрерывную величину, а как квантованную, т.е. изменяющуюся дискретно (скачками). Такое представление позволило ответить на вопрос, почему электрон не падает на ядро, и вместе с тем привело к постулатам Бора, о том, что атомы могут долго пребывать только в стационарных состояниях с определенной энергией, а поглощать и испускать энергию только порциями (квантами).
Квантовая физика использует совершенно другой способ описания объектов и другой математический аппарат. Если в классической физике можно запросто находить координаты, траектории, импульсы объектов, просто измеряя их приборами, то в квантовой физике все эти величины носят вероятностный характер! Ищется координата с помощью волновой функции, квадрат плотности которой представляет собой плотность вероятности нахождения частицы в какой-либо точке пространства. В квантовой физике нет траекторий, как в классической. Вернее даже так: траектории есть, но объект движется по всем траекториям сразу с различной вероятностью.
Всем величинам в классической физике поставлены в соответствие операторы в квантовой физике. А всем значениям (числа), которые могут принимать эти величины, поставлены в соответствие собственные значения операторов(числа). Операторы - это просто правила по которым одной функции ставится в соответствие другая функция. То есть, если нам нужно получить значение энергии системы, то в классической физике мы просто его измерим, а в квантовой физике подействуем оператором полной энергии на волновую функцию системы и получим собственное значение оператора. Так как в волновой функции содержится вся информация о чистом состоянии системы, а извлечь эту информацию можно, применяя к функции различные операторы.
В квантовой физике существует принцип неопределенности, который гласит, что нельзя измерить одновременно некоторые величины, такие как, например, импульс и координата, энергия и время измерения энергии. Максимальное уточнение одного параметра приводит к все более расплывчатой информации о другом. Этот принцип можно описать так, будто бы когда мы загоняем природу в очень маленькое пространство и пытаемся исследовать, она начинает бесноваться и не дает это сделать! Поэтому на больших масштабах никаких квантовых эффектов нет.
Еще одна важная особенность: любая квантовая система как бы живет в неопределенном состоянии, и как только над ней проводится измерение, её волновая функция схлопывается и система приходит навсегда в конкретное определенное состояние. В классической же физике все системы всегда пребывают в каком-то конкретном состоянии. Сколько бы мы не проводили эксперимент по бросанию мяча в одном и том же направлении, результат всегда будет одинаков, а в квантовой физике нет.
Если Вы вдруг поняли, что подзабыли основы и постулаты квантовой механики или вообще не знаете, что это за механика такая, то самое время освежить в памяти эту информацию. Ведь никто не знает, когда квантовая механика может пригодиться в жизни.
Зря вы усмехаетесь и ехидствуете, думая, что уж с этим предметом вам в жизни вообще никогда не придется сталкиваться. Ведь квантовая механика может быть полезной практически каждому человеку, даже бесконечно далекому от нее. Например, у Вас бессонница. Для квантовой механики это не проблема! Почитайте перед сном учебник – и Вы спите крепчайшим сном странице уже эдак на третьей. Или можете назвать так свою крутую рок группу. Почему бы и нет?
Шутки в сторону, начинаем серьезный квантовый разговор.
С чего начать? Конечно, с того, что такое квант.
Квант
Квант (от латинского quantum – ”сколько”) – это неделимая порция какой-то физической величины. Например, говорят - квант света, квант энергии или квант поля.
Что это значит? Это значит, что меньше быть уже просто не может. Когда говорят о том, что какая-то величина квантуется, понимают, что данная величина принимает ряд определенных, дискретных значений. Так, энергия электрона в атоме квантуется, свет распространяется «порциями», то есть квантами.
Сам термин «квант» имеет множество применений. Квантом света (электромагнитного поля) является фотон. По аналогии квантами называются частицы или квазичастицы, соответствующие иным полям взаимодействия. Здесь можно вспомнить про знаменитый бозон Хиггса, который является квантом поля Хиггса. Но в эти дебри мы пока не лезем.
Квантовая механика для "чайников"
Как механика может быть квантовой?
Как Вы уже заметили, в нашем разговоре мы много раз упоминали о частицах. Возможно, Вы и привыкли к тому, что свет – это волна, которая просто распространяется со скоростью с . Но если посмотреть на все с точки зрения квантового мира, то есть мира частиц, все изменяется до неузнаваемости.
Квантовая механика – это раздел теоретической физики, составляющая квантовой теории, описывающая физические явления на самом элементарном уровне – уровне частиц.
Действие таких явлений по величине сравнимо с постоянной Планка, а классическая механика Ньютона и электродинамика оказались совершенно непригодными для их описания. Например, согласно классической теории электрон, вращаясь с большой скоростью вокруг ядра, должен излучать энергию и в конце концов упасть на ядро. Этого, как известно, не происходит. Именно поэтому и придумали квантовую механику – открытые явления нужно было как-то объяснить, и она оказалась именно той теорией, в рамках которой объяснение было наиболее приемлемым, а все экспериментальные данные "сходились".
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Немного истории
Зарождение квантовой теории произошло в 1900 году, когда Макс Планк выступил на заседании немецкого физического общества. Что тогда сообщил Планк? А то, что излучение атомов дискретно, а наименьшая порция энергии этого излучения равна
Где h - постоянная Планка, ню - частота.
Затем Альберт Эйнштейн, введя понятие “квант света” использовал гипотезу Планка для объяснения фотоэффекта. Нильс Бор постулировал существование у атома стационарных энергетических уровней, а Луи де Бройль развил идею о корпускулярно-волновом дуализме, то есть о том, что частица (корпускула) обладает также и волновыми свойствами. К делу присоединились Шредингер и Гейзенберг, и вот, в 1925 году публикуется первая формулировка квантовой механики. Собственно, квантовая механика – далеко не законченная теория, она активно развивается и в настоящее время. Также следует признать, что квантовая механика с ее допущениями не имеет возможности объяснить все стоящие перед ней вопросы. Вполне возможно, что на смену ей придет более совершенная теория.
При переходе от мира квантового к миру привычных нам вещей законы квантовой механики естественным образом трансформируются в законы механики классической. Можно сказать, что классическая механика – это частный случай квантовой механики, когда действие имеет место быть в нашем с Вами привычном и родном макромире. Здесь тела спокойно движутся в неинерциальных системах отсчета со скоростью, гораздо меньшей скорости света, и вообще - все вокруг спокойно и понятно. Хочешь узнать положение тела в системе координат – нет проблем, хочешь измерить импульс – всегда пожалуйста.
Совершенно иной подход к вопросу имеет квантовая механика. В ней результаты измерений физических величин носят вероятностный характер. Это значит, что при изменении какой-то величины возможно несколько результатов, каждому из которых соответствует определенная вероятность. Приведем пример: монетка крутится на столе. Пока она крутится, она не находится в каком-то определенном состоянии (орел-решка), а имеет лишь вероятность в одном из этих состояний оказаться.
Здесь мы плавно подходим к уравнению Шредингера и принципу неопределенности Гейзенберга .
Согласно легенде Эрвин Шредингер, в 1926 году выступая на одном научном семинаре с докладом на тему корпускулярно-волнового дуализма, был подвергнут критике со стороны некоего старшего ученого. Отказавшись слушать старших, Шредингер после этого случая активно занялся разработкой волнового уравнения для описания частиц в рамках квантовой механики. И справился блестяще! Уравнение Шредингера (основное уравнение квантовой механики) имеет вид:
Данный вид уравнения – одномерное стационарное уравнение Шредингера – самый простой.
Здесь x - расстояние или координата частицы, m - масса частицы, E и U - соответственно ее полная и потенциальная энергии. Решение этого уравнения – волновая функция (пси)
Волновая функция – еще одно фундаментальное понятие в квантовой механике. Так, у любой квантовой системы, находящейся в каком-то состоянии, есть волновая функция, описывающая данное состояние.
Например, при решении одномерного стационарного уравнения Шредингера волновая функция описывает положение частицы в пространстве. Точнее говоря, вероятность нахождения частицы в определенной точке пространства. Иными словами, Шредингер показал, что вероятность может быть описана волновым уравнением! Согласитесь, до этого нужно было додуматься!
Но почему? Почему мы должны иметь дело с этими непонятными вероятностями и волновыми функциями, когда, казалось бы, нет ничего проще, чем просто взять и измерить расстояние до частицы или ее скорость.
Все очень просто! Ведь в макромире это действительно так – мы с определенной точностью измеряем расстояние рулеткой, а погрешность измерения определяется характеристикой прибора. С другой стороны, мы можем практически безошибочно на глаз определить расстояние до предмета, например, до стола. Во всяком случае, мы точно дифференцируем его положение в комнате относительно нас и других предметов. В мире же частиц ситуация принципиально иная – у нас просто физически нет инструментов измерения, чтобы с точностью измерить искомые величины. Ведь инструмент измерения вступает в непосредственный контакт с измеряемым объектом, а в нашем случае и объект, и инструмент – это частицы. Именно это несовершенство, принципиальная невозможность учесть все факторы, действующие на частицу, а также сам факт изменения состояния системы под действием измерения и лежат в основе принципа неопределенности Гейзенберга.
Приведем самую простую его формулировку. Представим, что есть некоторая частица, и мы хотим узнать ее скорость и координату.
В данном контексте принцип неопределенности Гейзенберга гласит: невозможно одновременно точно измерить положение и скорость частицы . Математически это записывается так:
Здесь дельта x - погрешность определения координаты, дельта v - погрешность определения скорости. Подчеркнем – данный принцип говорит о том, что чем точнее мы определим координату, тем менее точно будем знать скорость. А если определим скорость, не будем иметь ни малейшего понятия о том, где находится частица.
На тему принципа неопределенности существует множество шуток и анекдотов. Вот один из них:
Полицейский останавливает квантового физика.
- Сэр, Вы знаете, с какой скоростью двигались?
- Нет, зато я точно знаю, где я нахожусь
И, конечно, напоминаем Вам! Если вдруг по какой-то причине решение уравнения Шредингера для частицы в потенциальной яме не дает Вам уснуть, обращайтесь к нашим авторам – профессионалам, которые были взращены с квантовой механикой на устах!
