Квантовая механика

Квантовая механика

Квантовая механика
статьи

Квантовая механика, фундаментальная физическая теория динамического поведения всех элементарных форм вещества и излучения, а также их взаимодействий. Квантовая механика представляет собой теоретическую основу, на которой строится современная теория атомов, атомных ядер, молекул и физических тел, а также элементарных частиц, из которых все это состоит.

Квантовая механика была создана учеными, стремившимися понять, как устроен атом. Атомные процессы в течение многих лет изучали физики и особенно химики; при изложении данного вопроса мы будем, не вдаваясь в подробности теории, следовать историческому ходу развития предмета.

Зарождение теории

Когда Э.Резерфорд и Н.Бор предложили в 1911 ядерную модель атома, это было подобно чуду. В самом деле, она была построена из того, что было известно уже более 200 лет.

Это была, в сущности, коперниковская модель Солнечной системы, воспроизведенная в микроскопическом масштабе: в центре находится тяжелая масса, вскоре получившая название ядра, вокруг которой вращаются электроны, числом которых определяются химические свойства атома.

Но мало того, за этой наглядной моделью стояла теория, которая позволила начать расчеты некоторых химических и физических свойств веществ, по крайней мере построенных из наименьших и наиболее простых атомов.

Теория Бора – Резерфорда содержала ряд положений, которые здесь полезно напомнить, поскольку все они в том или ином виде сохранились и в современной теории.

Во-первых, важен вопрос о природе сил, связывающих атом. С 18 в. было известно, что электрически заряженные тела притягивают или отталкивают друг друга с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Используя в качестве пробных тел альфа-частицы, возникающие в результате радиоактивных превращений, Резерфорд показал, что тот же самый закон электрического взаимодействия (закон Кулона) справедлив в масштабах, в миллион миллионов раз меньших тех, для которых он был первоначально экспериментально установлен.

Во-вторых, нужно было ответить на вопрос о том, как электроны движутся по орбитам под действием этих сил. Здесь вновь опыты Резерфорда, казалось бы, показывали (и Бор принял это в своей теории), что законы движения Ньютона, сформулированные в его Началах (Principia Mathematica, 1687), можно использовать для описания движения частиц в этих новых масштабах микромира.

В-третьих, вставал вопрос о стабильности. В ньютоновско-кулоновском атоме, как и в Солнечной системе, размеры орбит произвольны и зависят лишь от того, каким образом система была первоначально приведена в движение. Однако все атомы одного вещества одинаковы и к тому же стабильны, что совсем необъяснимо с точки зрения старых представлений.

Бор высказал предположение, что атомные электроны следует рассматривать как движущиеся вокруг ядра лишь по определенным орбитам, которым отвечают определенные энергетические уровни, причем они должны испускать квант энергии в виде света, переходя с орбиты с более высокой энергией на орбиту с меньшей энергией.

Такие «условия квантования» не вытекали ни из каких экспериментальных данных или теорий; они были приняты как постулаты.

На основе этих концептуальных элементов, дополненных только что развитыми в то время представлениями М.Планка и А.

Эйнштейна о природе света, Бору удалось количественно объяснить весь спектр излучения атомов водорода в газоразрядной трубке и дать качественное объяснение всех основных закономерностей периодической системы элементов.

К 1920 пришло время взяться за проблему спектра излучения более тяжелых атомов и вычислить интенсивность химических сил, связывающих атомы в соединениях.

Но здесь иллюзия успеха померкла. На протяжении ряда лет Бор и другие исследователи безуспешно пытались рассчитать спектр гелия – следующего за водородом простейшего атома с двумя электронами.

Сначала вообще ничего не получалось; в конце концов несколько исследователей различными способами решили эту задачу, но ответ оказался неверным – он противоречил эксперименту. Затем выяснилось, что вообще невозможно построить сколько-нибудь приемлемую теорию химического взаимодействия.

К началу 1920-х годов теория Бора исчерпала себя.

Пришло время признать справедливость пророческого замечания, которое Бор еще в 1914 сделал в письме другу в присущем ему замысловатом стиле: «Я склонен полагать, что проблема связана с исключительно большими трудностями, которые можно будет преодолеть, лишь гораздо дальше отойдя от обычных соображений, чем требовалось до сих пор, и что достигнутый ранее успех был обусловлен исключительно простотой рассматривавшихся систем».

Первые шаги

Поскольку использованная Бором комбинация существовавших ранее представлений из области электричества и механики с условиями квантования привела к неверным результатам, все это нужно было полностью или частично изменить.

Основные положения теории Бора были приведены выше, а для соответствующих расчетов было достаточно не очень сложных выкладок с использованием обычной алгебры и математического анализа. В 1925 молодой немецкий физик В.

Гейзенберг посетил Бора в Копенгагене, где провел с ним долгие часы в беседах, выясняя, что из теории Бора обязательно должно войти в будущую теорию, а от чего в принципе можно и отказаться.

Бор и Гейзенберг сразу же согласились, что в будущей теории обязательно должно быть представлено все непосредственно наблюдаемое, а все не поддающееся наблюдению может быть изменено или исключено из рассмотрения.

С самого начала Гейзенберг считал, что следует сохранить атомы, но орбиту электрона в атоме считать абстрактной идеей, поскольку ни один эксперимент не позволяет определить электронную орбиту по результатам измерений наподобие того, как это можно сделать для орбит планет.

Читатель может заметить, что тут есть определенная нелогичность: строго говоря, атом столь же ненаблюдаем непосредственно, как и электронные орбиты, и вообще в нашем восприятии окружающего мира нет ни одного ощущения, которое не требовало бы разъяснения.

В наши дни физики все чаще цитируют известный афоризм, который был впервые произнесен Эйнштейном в беседе с Гейзенбергом: «Что именно мы наблюдаем, нам говорит теория». Таким образом, различие между наблюдаемыми и ненаблюдаемыми величинами носит чисто практический характер, не имея никакого обоснования ни в строгой логике, ни в психологии, причем это различие, как бы оно ни проводилось, должно рассматриваться как часть самой теории.

Поэтому гейзенберговский идеал теории, очищенной от всего ненаблюдаемого, есть некое направление мысли, но отнюдь не последовательный научный подход. Тем не менее он доминировал в атомной теории почти полвека после того, как был впервые сформулирован.

Мы уже напоминали о составных элементах ранней модели Бора, таких, как закон Кулона для электрических сил, законы динамики Ньютона и обычные правила алгебры.

Путем тонкого анализа Гейзенберг показал, что можно сохранить известные законы электричества и динамики, если найти надлежащее выражение для динамики Ньютона, а затем изменить правила алгебры.

В частности, Гейзенберг высказал мысль, что, поскольку ни положение q, ни импульс p электрона не являются измеримыми величинами в том смысле, в каком ими являются, например, положение и импульс автомобиля, мы можем при желании сохранить их в теории, лишь рассматривая как математические символы, обозначаемые буквами, но не как числа. Он принял для p и q алгебраические правила, согласно которым произведение pq не совпадает с произведением qp. Гейзенберг показал, что простые расчеты атомных систем дают приемлемые результаты, если принять, что для положения q и импульса p выполняется соотношение

где h – постоянная Планка, уже известная из квантовой теории излучения и фигурировавшая в теории Бора, а . Постоянная Планка h представляет собой обычное число, но очень малое, приблизительно 6,6Ч10–34 ДжЧс.

Таким образом, если p и q – величины обычного масштаба, то разность произведений pq и qp будет крайне мала по сравнению с самими этими произведениями, так что p и q можно считать обычными числами.

Построенная для описания явлений микромира, теория Гейзенберга почти полностью согласуется с механикой Ньютона, когда ее применяют к макроскопическим объектам.

Уже в самых ранних работах Гейзенберга было показано, что при всей неясности физического содержания новой теории она предсказывает существование дискретных энергетических состояний, характерных для квантовых явлений (например, для испускания света атомом). В более поздней работе, выполненной совместно с М.Борном и П.

Йорданом в Гёттингене, Гейзенберг развил формальный математический аппарат теории. Практические вычисления остались, однако, крайне сложными. После нескольких недель напряженной работы В.Паули вывел формулу для энергетических уровней атома водорода, совпадающую с формулой Бора. Но прежде чем удалось упростить вычисления, появились новые и совершенно неожиданные идеи. См. также АЛГЕБРА АБСТРАКТНАЯ; ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ.

Частицы и волны

К 1920 физики были уже довольно хорошо знакомы с двойственной природой света: результаты одних экспериментов со светом можно было объяснить, предполагая, что свет представляет собой волны, а в других он вел себя подобно потоку частиц.

Поскольку казалось очевидным, что ничто не может быть в одно и тоже время и волной, и частицей, ситуация оставалась непонятной, вызывая горячие споры в среде специалистов. В 1923 французский физик Л.

де Бройль в опубликованных им заметках высказал предположение, что столь парадоксальное поведение, может быть, не является спецификой света, но и вещество тоже может в одних случаях вести себя подобно частицам, а в других подобно волнам.

Исходя из теории относительности, де Бройль показал, что если импульс частицы равен p, то «ассоциированная» с этой частицей волна должна иметь длину волны l = h/p.

Это соотношение аналогично впервые полученному Планком и Эйнштейном соотношению E = hn между энергией светового кванта Е и частотой n соответствующей волны.

Де Бройль показал также, что эту гипотезу можно легко проверить в экспериментах, аналогичных опыту, демонстрирующему волновую природу света, и настойчиво призывал к проведению таких опытов. Заметки де Бройля привлекли внимание Эйнштейна, и к 1927 К.Дэвиссон и Л.Джермер в Соединенных Штатах, а также Дж.Томсон в Англии подтвердили для электронов не только основную идею де Бройля, но и его формулу для длины волны. В 1926 работавший тогда в Цюрихе австрийский физик Э.Шрёдингер, прослышав о работе де Бройля и предварительных результатах экспериментов, подтверждавших ее, опубликовал четыре статьи, в которых представил новую теорию, явившуюся прочным математическим обоснованием этих идей.

Такая ситуация имеет свой аналог в истории оптики. Одной уверенности в том, что свет есть волна определенной длины, недостаточно для детального описания поведения света. Необходимо еще написать и решить выведенные Дж.

Максвеллом дифференциальные уравнения, подробно описывающие процессы взаимодействия света с веществом и распространение света в пространстве в виде электромагнитного поля.

Шрёдингер написал дифференциальное уравнение для материальных волн де Бройля, аналогичное уравнениям Максвелла для света. Уравнение Шрёдингера для одной частицы имеет вид

где m – масса частицы, Е – ее полная энергия, V(x) – потенциальная энергия, а y – величина, описывающая электронную волну. В ряде работ Шрёдингер показал, как можно использовать его уравнение для вычисления энергетических уровней атома водорода.

Он установил также, что существуют простые и эффективные способы приближенного решения задач, не поддающихся точному решению, и что его теория волн материи в математическом отношении полностью эквивалентна алгебраической теории наблюдаемых величин Гейзенберга и во всех случаях приводит к тем же результатам. П.

Дирак из Кембриджского университета показал, что теории Гейзенберга и Шрёдингера представляют собой лишь две из множества возможных форм теории.

Теория преобразований Дирака, в которой важнейшую роль играет соотношение (1), обеспечила ясную общую формулировку квантовой механики, охватывающую все остальные ее формулировки в качестве частных случаев.

Вскоре Дирак добился неожиданно крупного успеха, продемонстрировав, каким образом квантовая механика обобщается на область очень больших скоростей, т.е. приобретает вид, удовлетворяющий требованиям теории относительности.

Постепенно стало ясно, что существует несколько релятивистских волновых уравнений, каждое из которых в случае малых скоростей можно аппрокcимировать уравнением Шрёдингера, и что эти уравнения описывают частицы совершенно разных типов.

Например, частицы могут иметь разный «спин»; это предусматривается теорией Дирака. Кроме того, согласно релятивистской теории, каждой из частиц должна соответствовать античастица с противоположным знаком электрического заряда.

В то время, когда вышла работа Дирака, были известны только три элементарные частицы: фотон, электрон и протон. В 1932 была открыта античастица электрона – позитрон.

На протяжении нескольких последующих десятилетий было обнаружено много других античастиц, большинство из которых, как оказалось, удовлетворяли уравнению Дирака или его обобщениям. Созданная в 1925–1928 усилиями выдающихся физиков квантовая механика не претерпела с тех пор в своих основах каких-либо существенных изменений. См. также АНТИВЕЩЕСТВО.

Приложения

Во всех разделах физики, биологии, химии и техники, в которых существенны свойства вещества в малых масштабах, теперь систематически обращаются к квантовой механике. Приведем несколько примеров. Всесторонне исследована структура электронных орбит, наиболее удаленных от ядра атомов.

Методы квантовой механики были применены к проблемам строения молекул, что привело к революции в химии. Структура молекул обусловлена химическими связями атомов, и сегодня сложные задачи, возникающие при последовательном применении квантовой механики в этой области, решаются с помощью компьютеров.

Большое внимание привлекли к себе теория кристаллической структуры твердых тел и особенно теория электрических свойств кристаллов. Практические результаты впечатляют: примерами их могут служить изобретение лазеров и транзисторов, а также значительные успехи в объяснении явления сверхпроводимости. См.

также ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА; ЛАЗЕР; ТРАНЗИСТОР; СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.

Многие проблемы еще не решены. Это касается структуры атомного ядра и физики элементарных частиц.

Время от времени обсуждается вопрос о том, не лежат ли проблемы физики элементарных частиц за пределами квантовой механики, подобно тому как структура атомов оказалась вне области применимости динамики Ньютона.

Однако до сих пор нет никаких указаний на то, что принципы квантовой механики или ее обобщения в области динамики полей где-то оказались неприменимыми.

Более полувека квантовая механика остается научным инструментом с уникальной «объясняющей способностью» и не требует существенных изменений своей математической структуры. Поэтому может показаться удивительным, что до сих пор ведутся острые дебаты (см. ниже) по поводу физического смысла квантовой механики и ее истолкования. См. также АТОМА СТРОЕНИЕ; АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ; МОЛЕКУЛ СТРОЕНИЕ; ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ.

Вопрос о физическом смысле

Корпускулярно-волновой дуализм, столь очевидный в эксперименте, создает одну из самых трудных проблем физической интерпретации математического формализма квантовой механики. Рассмотрим, например, волновую функцию, которая описывает частицу, свободно движущуюся в пространстве.

Традиционное представление о частице, помимо прочего, предполагает, что она движется по определенной траектории с определенным импульсом p.

Волновой функции приписывается длина волны де Бройля l = h/p, но это характеристика такой волны, которая бесконечна в пространстве, а потому не несет информации о местонахождении частицы.

Волновую функцию, локализующую частицу в определенной области пространства протяженностью Dx, можно построить в виде суперпозиции (пакета) волн с соответствующим набором импульсов, и если искомый диапазон импульсов равен Dp, то довольно просто показать, что для величин Dx и Dp должно выполняться соотношение

DxDp і h/4p.

Этим соотношением, впервые полученным в 1927 Гейзенбергом, выражается известный принцип неопределенности: чем точнее задана одна из двух переменных x и p, тем меньше точность, с которой теория позволяет определить другую.

Соотношение Гейзенберга могло бы рассматриваться просто как недостаток теории, но, как показали Гейзенберг и Бор, оно соответствует глубокому и ранее не замечавшемуся закону природы: даже в принципе ни один эксперимент не позволит определить величины x и p реальной частицы точнее, чем это допускает соотношение Гейзенберга.

Гейзенберг и Бор разошлись в интерпретации этого вывода.

Гейзенберг рассматривал его как напоминание о том, что все наши знания по своему происхождению – экспериментальные и что эксперимент неизбежно вносит в исследуемую систему возмущение, а Бор рассматривал его как ограничение точности, с которой само представление о волне и частице применимо к миру атома.

Гораздо более широким оказывается спектр мнений о природе самой статиcтичеcкой неопределенности.

В этих неопределенностях нет ничего нового; они присущи почти каждому измерению, но обычно считают, что они обусловлены недостатками используемых приборов или методов: точное значение существует, однако найти его практически очень трудно, и потому мы рассматриваем полученные результаты как вероятные значения с присущей им статистической неопределенностью. Одна из школ физико-философской мысли, возглавлявшаяся в свое время Эйнштейном, считает, что то же самое имеет место и для микромира, и что квантовая механика с ее статистическими результатами дает лишь средние значения, которые были бы получены при многократном повторении рассматриваемого эксперимента с небольшими различиями из-за несовершенства нашего контроля. При таком воззрении точная теория каждого отдельного случая в принципе существует, просто она еще не найдена.

Другая школа, исторически связанная с именем Бора, стоит на том, что индетерминизм присущ самой природе вещей и что квантовая механика – теория, наилучшим образом описывающая каждый отдельный случай, а в неопределенности физической величины находит отражение та точность, с которой эта величина может определяться и использоваться. Мнение большинства физиков склонялось в пользу Бора. В 1964 Дж.Белл, работавший тогда в ЦЕРНе (Женева), показал, что в принципе эту проблему можно решить экспериментально. Результат Белла явился, пожалуй, важнейшим с 1920-х годов сдвигом в поисках физического смысла квантовой механики.

Теорема Белла, как сейчас называют этот результат, утверждает, что некоторые предсказания, сделанные на основе квантовой механики, невозможно воспроизвести путем вычислений на основе какой-либо точной, детерминированной теории с последующим усреднением результатов. Поскольку два таких метода вычислений должны давать разные результаты, появляется возможность экспериментальной проверки. Измерения, выполненные в 1970-х годах, убедительно подтвердили адекватность квантовой механики.

И все же было бы преждевременно утверждать, что эксперимент подвел окончательную черту под дебатами Бора и Эйнштейна, поскольку такого рода проблемы нередко возникают как бы заново, в другом языковом обличье каждый раз, когда, казалось бы, все ответы уже найдены.

Как бы то ни было, остаются и другие головоломки, напоминающие нам, что физические теории – это не только уравнения, но и словесные объяснения, связывающие кристальную сферу математики с туманными областями языка и чувственного опыта, и что это зачастую и есть самое трудное.

Источник: https://www.krugosvet.ru/enc/fizika/kvantovaya-mehanika

Квантовая механика для «чайников»

Квантовая механика
Квантовая механика

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».

Мир частиц

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

Наименьшая порция энергии излучения атома

,

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.

Макс Планк

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.

Уравнение Шредингера

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:

Уравнение Шредингера

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!

Эрвин Шредингер

Принцип неопределенности Гейзенберга

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:

Принцип неопределенности Гейзенберга

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

Вернер Гейзенберг

Надеемся, что эта статья помогла Вам немного размять мозги, вспомнить хорошо забытое старое, а может быть и узнать что-то новое.  Здесь мы постарались рассказать о квантовой механике просто, понятно и по возможности интересно.

Конечно, данная тема не может быть раскрыта в рамках одной статьи, поэтому о парадоксах, нерешенных задачах, черных дырах и котах Шредингера мы поговорим в самое ближайшее время.  А пока, чтобы закрепить знания, предлагаем посмотреть тематическое видео.

Возможно вас также заинтересуют правила оформления чертежей по ЕСКД.

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!

Источник: https://Zaochnik-com.ru/blog/kvantovaya-mexanika-dlya-chajnikov/

Квантовая механика для всех, даром, и пусть никто не уйдёт обиженным: часть первая

Квантовая механика
Здравствуйте! Я хотел бы представить вашему вниманию отличное введение в квантовую механику, написанное Элиезером Юдковским; быть может, он известен вам по своему сайту lesswrong.com, посвящённому рационализму, предрассудкам, когнитивным парадоксам и ещё многим интересным вещам.

читать вторую часть → Предупреждаю сразу: этот цикл статей заметно отличается от традиционного введения в квантовую механику.

Во-первых, я не буду цитировать Ричарда Фейнмана, однажды заявившего, что «это нормально — не понимать квантовую механику, потому что никто её не понимает».

Когда-то это было так, но времена меняются.

Я не скажу: «Квантовую механику невозможно понять, к ней просто нужно привыкнуть». (Эту цитату приписывают Джону фон Нейману; он жил в те дремучие времена, когда никто и в самом деле не понимал квантовую механику.)

Нельзя заканчивать объяснение словами «Если что-то непонятно, так и должно быть». Нет, так не должно быть. Может, проблема в вас. Может — в вашем учителе. В любом случае, её надо решать, а не сидеть сложа руки и успокаивать себя тем, что все остальные тоже ничего не понимают.

Я не буду говорить, что квантовая механика — это нечто странное, запутанное или недоступное для человеческого понимания. Да, она контринтуитивна — но это беда исключительно нашей интуиции.

Квантовая механика возникла задолго до Солнца, планеты Земля или человеческой цивилизации. Она не собирается меняться ради вас.

Вообще, не существует обескураживающих фактов, есть только теории, обескураженные фактами; а если теория не совпадает с практикой, это не делает ей чести.

Всегда стоит рассматривать реальность как совершенно обыденную вещь. С начала времён во Вселенной не случилось ничего необычного.

Наша цель — научиться чувствовать себя как дома в этом квантовом мире. Потому что мы и так дома.

На протяжении всего этого цикла я буду говорить о квантовой механике как о самой обычной теории; а там, где интуитивное представление о мире не совпадает с ней, я буду высмеивать интуицию за несоответствие реальности.

Во-вторых, я не собираюсь следовать традиционному порядку изучения квантовой механики, копирующему порядок, в котором её открывали.

Обычно всё начинается с рассказа о том, что материя иногда ведёт себя как кучка маленьких бильярдных шаров, сталкивающихся между собой, а иногда — как волны на поверхности бассейна. Это сопровождается несколькими примерами, иллюстирующими оба взгляда на материю.

Раньше, когда всё это только зарождалось и никто не имел ни малейшего понятия о математических основах физики, учёные всерьёз считали, что всё состоит из атомов, ведущих себя примерно как бильярдные шары.

А потом они стали считать, что всё состоит из волн. А потом они опять вернулись к бильярдным шарам.

Всё это привело к тому, что учёные окончательно запутались, и только через несколько десятилетий — к концу девятнадцатого века — им удалось расставить всё по своим местам.

Если применить этот исторический достоверный подход к обучению современных студентов (как сейчас и поступают), с ними закономерно случится то же, что случилось с ранними учёными, а именно — они впадут в полное и абсолютное замешательство. Рассказывать студентам, изучающим физику, о корпускулярно-волновом дуализме, это то же самое, что начинать курс химии лекцией о четырёх стихиях.

Электрон не похож ни на бильярдный шар, ни на гребень океанской волны. Электрон — это совершенно другой объект с математической точки зрения, и он остаётся таким при любых обстоятельствах. А если вы будете упорствовать в своём стремлении считать его и тем, и тем, как вам удобнее, предупреждаю: за двумя зайцами погонишься — ни одного не поймаешь.

Это не единственная причина, по которой исторический порядок — не лучший выбор.

Давайте проследим за гипотетическим процессом с самого начала: люди замечают, что они окружены другими животными — внутри животных, оказывается, есть органы — а органы, если присмотреться внимательнее, состоят из тканей — под микроскопом видно, что ткани состоят из клеток — клетки состоят из протеинов и прочих химических соединений — химические соединения состоят из атомов — атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов — а последние гораздо проще и понятнее животных, с которых всё началось, но были открыты на десятки тысяч лет позже.

Физику не начинают проходить с биологии. Тогда почему её нужно начинать с обсуждения лабораторных экспериментов и их результатов, которые даже в случае простейших опытов являются следствием множества сложных и запутанных процессов?

С одной стороны, я могу понять, почему во главу угла ставится эксперимент. Мы же о физике говорим, в конце концов.

С другой стороны, давать студентам в руки сложный математический аппарат только для того, чтобы они могли проанализировать простой опыт — это уже чересчур. Программистов, например, сначала учат складывать две переменные, а только потом — писать многопоточные приложения; и плевать на то, что вторые «ближе к реальной жизни».

Классическая механика не следует явным образом из квантовой механики. Более того, классическая механика находится на гораздо более высоком уровне. Сравните атомы и молекулы с кварками: миллионы известных науке химических веществ, сотня химических элементов, и всего шесть кварков. Сначала лучше понять простое, а только потом переходить к сложному.

Наконец, я буду рассматривать квантовую механику со строго реалистической позиции — наш мир является квантовым, наши уравнения описывают территорию, а не её карту, и привычный нам мир неявным образом существует в квантовом мире. Если среди моих читателей есть антиреалисты — пожалуйста, придержите свои комментарии. Квантовую механику гораздо труднее понять и представить, если сомневаешься в её справедливости. Я поговорю об этом подробнее в одной из следующих статей.

Я думаю, что той точки зрения, которую я буду излагать в этом введении, придерживается большинство физиков-теоретиков.

Но вы всё же должны знать, что это не единственная возможная точка зрения, и немалая доля учёных сомневается в верности реалистической позиции.

Хоть я и не собираюсь уделять внимание каким-либо другим теориям прямо сейчас, я чувствую себя обязанным упомянуть о том, что они есть.

Подводя итог, моя цель — научить вас думать как коренной житель квантового мира, а не как турист поневоле.

Покрепче вцепитесь в реальность. Мы начинаем.
Посмотрите на рис. 1. В точке A находится полупосеребрённое зеркало, а в точках B и C — два детектора фотонов. Этот простой эксперимент в своё время заставил учёных поломать головы. Дело в том, что в половине случаев фотон, выпущенный в сторону зеркала, регистрировался первым детектором, а в половине — на вторым. И учёные — внимание, приготовьтесь смеяться — предполагали, что зеркало то пропускало фотон, то отражало его. Ха-ха-ха, представьте себе зеркало, которое может само выбирать, пропускать ему фотон или не пропускать! Если вы и можете это представить, то все равно не делайте этого — а не то вы запутаетесь так же, как и те учёные. Зеркало ведёт себя абсолютно одинаково в обоих случаях.

Если бы мы попробовали написать компьютерную программу, симулирующую этот эксперимент (а не просто предсказывающую результат), она бы выглядела примерно так…

В начале программы мы объявляем переменную, хранящую в себе определённый математический объект — конфигурацию. Она представляет некое описание состояния мира — в данном случае, «один фотон летит в точку А».

На самом деле конфигурация описывается комплексным числом (напомню, что комплексные числа имеют вид (a + bi), где a и b — действительные числа, а i — мнимая единица, т.е. такое число, что i² = -1).

Нашей конфигурации «фотон летит в точку A» тоже соответствует какое-то число. Пусть это будет (-1 + 0i). В дальнейшем мы будем называть число, соответствующее конфигурации, её амплитудой.

Введём ещё две конфигурации: «фотон летит из A в точку B» и «фотон летит из A в точку C». Мы пока не знаем амплитуды этих конфигураций; им будут присвоены значения в ходе выполнения программы.

Посчитать амплитуды можно, применив правило, по которому работает зеркало, к начальной конфигурации. Не вдаваясь в подробности, можно считать, что правило выглядит так: «умножить на 1, когда фотон пролетает; умножить на i, когда фотон отражается».

Применим правило: амплитуда конфигурации «фотон летит в B» равняется (-1 + 0i) × i = (0 + -i), а амплитуда конфигурации «фотон летит в C» равняется (-1 + 0i) × 1 = (-1 + 0i). Других конфигураций на рис.

1 нету, так что мы закончили.

В принципе, можно считать «первый детектор регистрирует фотон» и «второй детектор регистрирует фотон» отдельными конфигурациями, но это ничего не меняет; их амплитуды будут равны амплитудам двух предыдущих конфигураций соответственно. (На самом деле их ещё надо домножить на множитель, равный расстоянию от A до детекторов, но мы просто предположим, что все расстояния в нашем эксперименте являются множителями единицы.)

Итак, вот конечное состояние программы:

  • «фотон летит в A»: (-1 + 0i)
  • «фотон летит из A в B»: (0 + -i)
  • «фотон летит из A в C»: (-1 + 0i)

И, возможно:

  • «сработал первый детектор»: (0 + -i)
  • «сработал второй детектор»: (-1 + 0i)

Разумеется, сколько бы раз мы ни запускали программу, конечное состояние останется таким же.

Теперь, по довольно сложным причинам, в которые я пока не буду вдаваться, не существует простого способа измерить амплитуду конфигурации. Состояние программы скрыто от нас.

Что же делать?

Хоть мы и не можем измерить амплитуду непосредственно, кое-что у нас есть — а именно, волшебная измерительная штуковина, которая может сообщить нам квадрат модуля амплитуды конфигурации. Другими словами, для амплитуды (a + bi) штуковина ответит числом (a² + b²).

Точнее было бы сказать, что волшебная штуковина находит всего лишь отношение квадратов модулей друг к другу. Но даже этой информации оказывается достаточно, чтобы понять, что происходит внутри программы и по каким законам она работает.

С помощью штуковины мы можем легко узнать, что квадраты модулей конфигураций «сработал первый детектор» и «сработал второй детектор» равны. А проведя некоторые более сложные эксперименты, мы сможем также узнать отношение самих амплитуд — i к 1.

Кстати, а что это за волшебная измерительная штуковина такая?

Ну, когда такие эксперименты проводят в реальной жизни, в качестве волшебной штуковины служит то, что эксперимент проводят пару тысяч раз и просто считают, сколько раз фотон оказался в первом детекторе, а сколько — во втором.

Отношение этих значений и будет отношением квадратов модулей амплитуд. Почему это будет так — вопрос другой, гораздо более сложный. А пока можно пользоваться штуковиной и без понимания того, как да почему она работает.

Всему своё время.

Вы можете спросить: «А зачем вообще нужна квантовая теория, если её предсказания совпадают с предсказаниями „бильярдной” теории?» Есть две причины.

Во-первых, реальность, что бы вы там ни думали, всё-таки подчиняется квантовым законам — амплитуды, комплексные числа и всё такое.

А во-вторых, «бильярдная» теория не работает для любого мало-мальски сложного эксперимента. Хотите пример? Пожалуйста.

На рис. 2 вы можете видеть два зеркала в точках B и C, и два полу-зеркала в точках A и D. Позже я объясню, почему отрезок DE проведён пунктиром; на расчётах это никак не скажется.

Давайте применим правила, которые мы уже знаем.

В начале у нас есть конфигурация «фотон летит в A», её амплитуда — (-1 + 0i).

Считаем амплитуды конфигураций «фотон летит из A в B» и «фотон летит из A в C»:

  • «фотон летит из A в B» = i × «фотон летит в A» = (0 + -i)
  • «фотон летит из A в C» = 1 × «фотон летит в A» = (-1 + 0i)

Интуитивно ясно, что обычное зеркало ведёт себя как половина полу-зеркала: всегда отражает фотон, всегда умножает амплитуду на i. Итак:

  • «фотон летит из B в D» = i × «фотон летит из A в B» = (1 + 0i)
  • «фотон летит из C в D» = i × «фотон летит из A в C» = (0 + -i)

Важно понять, что «из B в D» и «из C в D» — это две разные конфигурации. Нельзя просто написать «фотон летит в D», потому что от угла, под которым этот фотон приходит в D, зависит то, что с ним случится дальше.

Считаем дальше:

  • амплитуда конфигурации «фотон летит из B в D», равная (1 + 0i):
    • умножается на i, и результат (0 + i) засчитывается в пользу конфигурации «фотон летит из D в E»
    • умножается на 1, и результат (1 + 0i) засчитывается в пользу конфигурации «фотон летит из D в F»
  • амплитуда конфигурации «фотон летит из C в D», равная (0 + -i):
    • умножается на i, и результат (1 + 0i) засчитывается в пользу конфигурации «фотон летит из D в F»
    • умножается на 1, и результат (0 + -i) засчитывается в пользу конфигурации «фотон летит из D в E»

Итого:

  • «фотон летит из D в E» = (0 + i) + (0 + -i) = (0 + 0i) = 0
  • «фотон летит из D в F» = (1 + 0i) + (1 + 0i) = (2 + 0i)

Отношение квадратов модулей амплитуд — 0 к 4; из расчётов следует, что первый детектор вообще не будет срабатывать! Поэтому-то отрезок DE и был проведён пунктиром на рис. 2.

Если бы полу-зеркала отражали или пропускали фотон случайным образом, оба детектора реагировали бы примерно с одинаковой частотой. Но это не совпадает с результатами экспериментов. Вот и всё. Вы могли бы возразить: «А вот и не всё! Предположим, например, что когда зеркало отражает фотон, с ним происходит что-то такое, что второй раз он уже не отразится? И, наоборот, когда зеркало пропускает фотон, в следующий раз ему придётся отразиться.»

Во-первых, бритва Оккама. Не стоит выдумывать сложное объяснение, если уже существует простое (если, конечно, считать квантовую механику простой…) А во-вторых, я могу придумать другой опыт, который опровергнет и эту альтернативную теорию.

Поместим маленький непрозрачный объект между B и D, чтобы амплитуда конфигурации «фотон летит из B в D» всегда равнялась нулю.

Теперь амплитуда конфигурации «фотон летит из D в F» равна (1 + 0i), а амплитуда конфигурации «фотон летит из D в E» — (0 + -i). Квадраты модулей равны 1. Это значит, что в половине случаев будет срабатывать первый детектор, а в половине — второй.

Это невозможно объяснить, если считать, что фотон — это маленький бильярдный шарик, который отражается от зеркал.

Дело в том, что об амплитуде нельзя думать, как о вероятности. В теории вероятностей, если событие X может произойти или не произойти, то вероятность события Z равна P(Z|X)P(X) + P(Z|¬X)P(¬X), где все вероятности положительны.

Если вы знаете, что вероятность Z при условии, что X случилось, равна 0.5, а вероятность X — 0.3, то полная вероятность Z по меньшей мере 0.15, независимо от того, что произойдёт, если X не случится. Не бывает отрицательных вероятностей.

Возможные и невозможные события не могут аннулировать друг друга. А амплитуды — могут.

Вот пример неправильного мышления: «Фотон летит в B или в C, но он мог полететь по-другому, и это влияет на вероятность того, что он полетит в E…»

События, которые не случились, не имеют никакого влияния на мир. Единственное, что может повлиять на мир — это наше воображение.

«О боже, эта машина чуть не сбила меня», думаете вы, и решаете уйти в монастырь, чтобы больше никогда не встречаться с опасными машинами.

Но реально по-прежнему не само событие, а лишь ваше воображение, содержащееся в вашем мозгу — который можно из вас достать, пощупать и положить назад, чтобы убедиться, что он вполне реален.

Реально всё, что влияет на мир. (Если вы полагаете, что это не так, попробуйте дать определение слову «реальный».) Конфигурации и амплитуды непосредственно влияют на мир, так что они тоже реальны. Сказать, что конфигурация — это «то, что могло случиться», так же странно, как сказать, что стул — это «то, что могло случиться».

А что это тогда — конфигурация?

Продолжение следует.

На самом деле всё немного сложнее, чем вам могло показаться после прочтения этой статьи.

Каждая конфигурация описывает все частицы во Вселенной. Амплитуда — это непрерывное распределение по всему пространству конфигураций, а не дискретное, как мы рассматривали сегодня. И в самом деле, фотоны же не телепортируются из одного места в другое мгновенно, а каждое различное состояние мира описывается новой конфигурацией. В конце концов мы и до этого доберёмся.

Если вы ничего не поняли из этого абзаца, не беспокойтесь, я всё объясню. Потом.
читать вторую часть →

Eliezer Yudkowsky. Вольный и сокращённый (совсем чуть-чуть) перевод: я. Ссылки на оригиналы: lesswrong.com/lw/pc/quantum_explanations, lesswrong.com/lw/pd/configurations_and_amplitude.

Источник: https://habr.com/post/171489/

15 доказательств того, что квантовая механика изменила представление человека о реальности

Квантовая механика

Получайте на почту один раз в сутки одну самую читаемую статью. Присоединяйтесь к нам в и ВКонтакте.

Квантовая механика допускает возможность путешествий во времени.
Квантовая механика является одним из настоящих прорывов в науке, который позволил ученым объяснить различные явления на уровне атомных и субатомных частиц.

По мере развития квантовой теории, с ее помощью начали доказывать столько разных «тайн», что Эйнштейн как-то заявил: «чем успешнее квантовая теория, тем глупее она выглядит».

Поэтому не удивительно, что квантовая механика оказала огромное влияние на то, как люди воспринимают Вселенную.

Квантовая механика: вселенная может быть голограммой.

Одной из интерпретаций мира, к которой привела квантовая механика, является идея, что трехмерная вселенная является лишь голограммой.

Согласно сообщениям из германо-британской обсерватории, якобы была обнаружена небольшая рябь в пространстве-времени, что может быть доказательством квантовой пикселизации.

Квантовая механика: чем быстрее меняются технологии, тем более неточными становятся инновации.

По мере развития технологий, неудивительно, что возрастает потребность в точности. Неточность или погрешность различных приборов, таких как часы и термометры, можно было бы отнести к явлению квантового шума.

Этот шум препятствует идеально точным измерениям. Таким образом, за счет устранения этого шума, такие приборы, как атомные часы или квантовые термометры, обеспечивают идеальную точность.

Квантовая механика: свет можно контролировать и концентрировать для выполнения различных функций.

Оказывается, когда-то считалось, что у лазеров, которые стали возможными благодаря квантовой механике, нет никакого практического применения. Тем не менее, инновации позволили лазерам применяться в различных изобретениях: от проигрывателей компакт-дисков до систем противоракетной обороны.

Квантовая механика: случайность можно рассчитать и спрогнозировать.

По мнению ученых, с точки зрения квантовой механики ничто не может по-настоящему случайным. К примеру, если иметь достаточно информации о броске костей, то можно построить его математическую модель-имитацию и заранее предсказать результат.

Тем не менее, за счет создания квантового шума и измерения его уровня, можно создавать действительно случайные числа, которые могут быть использованы для шифрования данных.

Квантовая механика: объекты ведут себя по-разному при их измерении.

Одной из самых ранних интерпретаций квантовой механики является Копенгагенская интерпретация, которая предполагает, что во время акта измерения частицы меняют свое поведение.

Согласно копенгагенской интерпретации, частицы существуют в разных состояниях, но в момент измерения фиксируется только одно состояние.

Это может казаться странным, но подобное действительно подтверждается концепцией коллапса волновой функции в области математики.

Квантовая механика: существует более одной вселенной.

Как уже стало понятно, благодаря квантовой механике происходят настоящие научные прорывы. Даже само понятие Мультивселенной или существования всех возможных реальностей также является продуктом различных интерпретаций квантовой физики.

Подтверждения этого можно найти в данных орбитальных обсерваторий, которые следуют остатки Большого взрыва, а также различных математических моделях циклической вселенной.

Квантовая механика: существует более одного измерения.

Квантовая механика породила теория струн, а теория струн привела к появлению теории нескольких измерений. По мнению исследователей, Вселенная состоит из, по меньшей мере, 11 измерений.

Квантовая механика: свет является объектом, который может потребляться и распадаться.

На основе теории поля, квантовой физики и общей теории относительности было выведено, что черная дыра представляет собой область пространства-времени, из которой сила тяжести предотвращает испускание наружу чего-либо, в том числе света.

Дыра названа черной, поскольку она способна поглощать весь свет вокруг себя. Что довольно страшно, общепринятое предположение гласит, что гигантские черные дыры существуют в центре большинства галактик.

Квантовая механика: управляемое электромагнитное поле.

Сверхпроводимость является квантово-механическим явлением, при котором электрическое сопротивление равно нулю, а также происходит выталкивание магнитного поля из объема сверхпроводника при охлаждении ниже определенной температуры.

Сверхпроводящие магниты являются очень мощными электромагнитами, которые используются в аппаратах магнитно-резонансной томографии и масс-спектрометрах. В будущем они также могут быть использованы в высокопроизводительной передаче энергии, накоплении энергии и магнитном охлаждении.

Квантовая механика: свет может быть использован в качестве транспорта.

Это больше не научная фантастика: материю можно «разобрать» на частицы, транспортировать со скоростью света и повторно собрать в другом месте.

Это стало возможным с передачей данных и крупных молекул, но сделать подобное с людьми вряд ли можно будет сделать в ближайшем будущем.

Также нужно учитывать то, что согласно квантовой физике, если разобрать человеческий организм на молекулы и собрать его в другом месте, объект изменится, поскольку нельзя сделать точную копию.

Квантовая механика: полупроводниковые кристаллы в медицине.

Недавно ученые обнаружили крошечные полупроводниковые кристаллы, которые могут очень быстро привести к настоящему прорыву в области медицины. Эти квантовые точки якобы светятся при воздействии ультрафиолетового излучения. То есть их можно использовать для локализации раковых клеток.

Квантовая механика: существует частица, которая придает массу даже мельчайшим формам материи.

Квантовая механика также породила экзистенциальные проблемы. Бозон Хиггса в народе больше называют частицей Бога за то, что он, как полагают, придает массу некоторым из наиболее фундаментальных частиц, таким как электроны и глюоны.

Найдя и выделив бозон Хиггса, ученые смогли бы понять, каким образом материя может быть сбалансирована с антиматерией и что на самом деле случилось со Вселенной после Большого взрыва.

Квантовая механика: квантовые компьютеры могут работать быстрее, чем цифровые аналоги.

Квантовые компьютеры являются одной из областей применения квантовой механики, которая может революционизировать технологию вычислительных машин.

По сравнению с цифровыми компьютерами, которые кодируют данные в двоичной системе, квантовые компьютеры используют квантовые свойства для хранения данных и выполнения операций, которые позволили бы производить вычисления и алгоритмы намного быстрее, чем сейчас.

Квантовая механика: туннелирование может быть применено к современным гаджетам.

Явление квантового туннелирования возникло из квантово-механического термина, при котором частица преодолевает потенциальный барьер в случае, когда ее полная энергия меньше высоты барьера.

Квантовое туннелирование играет важную роль в работе многочисленных устройств, таких как выключатель света, микросхема флэш-памяти и USB-накопитель.

Квантовая механика: люди могут путешествовать во времени.

Исследования в квантовой механике предоставили возможность экспериментов относительно возможности путешествия из нашего мира в альтернативные мир и время. В ходе эксперимента в 2010 году ученые смогли точно определить, как изолированный кусок металла может двигаться и стоять на месте в одно и то же время.

Это происходит из-за способности квантовых частиц двигаться назад и вперед через временной континуум. Эта способность может привести к возможному появлению путешествий во времени в ближайшем будущем.

Можно с полной уверенностью заявить, что порой научные опыты проводятся на кухне.

Чего только стоят 17 забавных снимков, демонстрирующих проделки доморощенных Кулибиных.

Источник: https://novate.ru/blogs/080117/39545/

Квантовая механика: истории из жизни, советы, новости, юмор и картинки — Горячее | Пикабу

Квантовая механика

Поскольку статьи на тему перечисленных теорий появляются тут стабильно, и стабильно запутывают мозги всем желающим приобщиться, решила прояснить пару моментов.

Пожалуй, лучше всё-таки начать с того места, откуда ноги растут. Да, с той самой большой Ж, в которой физики оказались в конце 19 века.

Конкретно: великим умам от науки было банально нечего делать: все законы открыты, описаны, а то, что непонятно – новая область под названием «электродинамика», ну никак не вписывается в существующие уравнения.

Не хочет электричество Максвелла дружить с Ньютоновской механикой.

В двух словах, основная фигня заключалась в том, что электромагнитные волны были волнами. Описывались как волны, вели себя как волны, распространялись как волны. Но привычным образом думая о волнах, физики тут же вспоминали про тот факт, что волны – колебания некоей среды. Например, звук – волны, распространяющиеся в воздухе и являющиеся движением воздуха.

Морские волны – движение воды. Но что тогда является средой для электромагнитных волн? Что такое колеблется, что несёт через себя электромагнетизм? «Значит что-то, таки, есть!» удумали умнейшие и замутили эфир.

То есть некую независимую от материи среду, в которой происходит распространение электромагнитных колебаний: света, радио и всего того привычного, что уже вошло в жизнь. Конечно же, теория теорией, но её надо же подтверждать: эфир стали искать. Тут наших мозговитых ждал серьёзный облом: никакого эфира обнаружить не удалось.

Свет распространялся во все стороны с одинаковой скоростью, независимо от скорости наблюдателя, никакой анизотропности или внешнего воздействия на движущийся объект со стороны эфира не было.

Получалась странная лажа: вот мы вроде стоим на месте, меряем скорость света. Получаем результат. Бежим вперёд, опять мерям скорость света, который сами излучаем. Тот же результат.

Стоим, меряем скорость света, который даёт фонарик бегущего человека… Снова те же цифры! Цимес оказался в том, что скорости не складываются! Традиционная механика не действует! Ньютон переворачивается в гробу, физики чешут репку и начинают усиленно думать.

«Шозахерня?! – читается у них на лбах. – Если традиционные уравнения не работают, как же тогда нам описывать электромагнетизм??»

Тут после некоторых относительно недолгих поползновений в плане анализа максвелловских уравнений со стороны Лоренца и Пуанкарэ на сцене появляется всем известный тогда ещё неизвестный чувак с еврейской фамилией и именем Альберт.

«Ребята, вы все лохи! Господа, мы подходим не с той стороны! Я всё придумал!», после чего начинает втирать вроде бы стрёмную дичь… однако народ следит за рассуждениями (или делает вид, что следит), впечатляется, а затем признаёт: наследник хитрого народа, таки, прав.

Со своею теорией относительности.

В чём суть: Эйнштейн заметил одно из главных свойств уравнений Максвелла. Они справедливы для инерциальной системы отсчёта. Любой. Их вид не меняется. А что если системы разные? А пофиг, уравнения всё равно те же. И для стоящего человека и для бегущего с фонариком. Этот факт стал «первым постулатом» теории относительности.

Вторым постулатом стало то, что у взаимодействий существует максимальная скорость распространения. Магнитное поле распространяется не быстрее определённой скорости. Как и электрическое. Как и гравитационное. Вообще все воздействия осуществляются не быстрее определённого значения. Значения скорости света в вакууме (пока будем считать, что совпало).

Отсюда вылезла нехорошая фигня, которая явно не укладывалась в мозги не только обывателей, но и великих: свет распространяется с одной скоростью относительно стоящего и относительно бегущего.

Скорость не складывается и не вычитается. Если сие записать в виде уравнений на бумагу, получится, что у стоящего и бегущего разные масштабы времени.

Время! Течёт по-разному! «Но это же бред!» — думали обычно физики и выкидывали свои наработки на мороз. Кроме Эйнштейна.

Мужик, не долго думая, решил: «а почему нет?».

Действительно, чисто математически мы ведь можем допустить подобные модели, так почему не попробовать? Но для этого надо изменить понимание самого подхода к анализу законов, проявляющихся в мире: никакого глобального пространства-времени не существует, каждый объект живёт в своей собственной системе отсчёта. Да, из одной системы можно перейти в другую, выполнив некоторые преобразования, но сути это не меняет. «Всё относительно» появилось именно на этом этапе: у каждого своя система отсчёта.

Победой такого подхода стало не объяснение «почему так происходит?» (на это вопрос теория относительности как раз не отвечает), а возможность самого описания процессов: как посчитать.

Получилось нечто вроде «голографического» подхода к рассмотрению проблемы электромагнетизма: если мы знаем, как работает обычный патефон и какой звук получается на выходе, то с mp3 плеером можно допустить примерно то же описание процесса воспроизведения звука. Хотя бы отчасти. И результат (звук) будет такой же.

Впрочем, теория относительности (общая и специальная) позволила, развив собственные математические модели, заглянуть в некоторые аспекты взаимодействия материи и успешно спрогнозировать многие явления. Но, как говорится, главный косяк остался. А именно: квантовая механика.

Квантовая механика совершенно не хотела дружит с ТО. Камнем преткновения стал третий постулат теории относительности, который говорил, что пространство «гладкое» — однородно и одинаково во всех направлениях. Как, впрочем, и время.

Квантовая механика сей постулат обнулила, утвердив (и подтвердив) то, что на самом деле в пространстве идёт активное шебуршение: постоянно рождаются и умирают пары виртуальных частиц-античастиц с разными энергиями.

Получилось, что само по себе пространство вроде как нихрена и не однородное.

Ещё раз: в теории относительности пространство-время это что-то вроде резинового листа, который сам по себе взаимодействует с веществом, искажая свою геометрию. Чисто подход к рассмотрению такой. В квантовой механике пространство-время – контейнер для частиц, не более. Ни с чем не взаимодействует. Справедливые результаты выдают обе теории. Одна на больших масштабах, другая – на малых.

И как, падшая женщина, всё это совместить?

Вот тут-то и появилась теория струн.

Не сама по себе, конечно, и не так сразу, но… В 1968 году физики вдруг заметили, что свойства частиц, участвующих в сильном взаимодействии отлично описываются математической функцией Эйлера, которая применялась для описания колебаний гитарных струн. «Аааа, так вот в чём было всё дело-то!!» воскликнули мозговитые и кинулись, для начала, перепроверять результаты. Представьте себе, результаты были те же.

По всему выходило, что движущаяся частица (а какая у нас частица не движется?) – это и не частица вовсе, а колебание, передающееся по некоей одномерной струне. С переносом энергии, конечно. Выглядит как гребень волны на воде: вот он гребень, но по сути это волна на поверхности жидкости, которая хоть и переносит энергию, но не саму жидкость.

Дальнейший анализ математических описаний привёл к некоторым очень хорошим выводам. Во-первых, сами собой получились значения основных констант микромира.

Во-вторых, согласно моделям, так называемые собственные колебания струн полностью уравновешивали квантовые флуктуации, то есть заставляли дружить теорию относительности и квантовую механику. Это был epic win.

Но, конечно же, нашлись и проблемы типа не наблюдавшейся в экспериментах суперсимметрии частиц или предсказания таких из них, квадрат массы которых был отрицателен (мнимая масса — тахионы).

По результатам дальнейшего автомозгоклюйства, математическая модель струнной теории оказалась согласуемой с реальностью, если построить её не на 4 измерениях (3-пространство + время), а на 11. В итоге оказался математический монстр. Огромный, не до конца описанный и не понятно как к нему подступиться.

Но, как ни странно, способный объединить все существующие в природе взаимодействия в единую систему и окончательно подружить теорию относительности с квантовой механикой. Монстрика назвали М-теорией, а на выяснение конкретного количества зубов во всех труднодоступных местах пока положили болт.

Ну действительно, надо ставить такие эксперименты, что всей вселенной не хватит.

Отдельно от себя лично отмечу вот что. Основной особенностью, объединяющей теорию относительности и М-теорию, является подход к рассмотрению. И там и там опора идёт прежде всего на математику с допущениями типа «а почему бы и нет».

Анализ абстрактных моделей, затем попытка подтвердить на практике (что чаще всего невозможно для м-теории). То, что «круглое оранжевое и пахнет как мандарин» не всегда является мандарином, нашим учёным ещё только предстоит понять.

При попытке самостоятельных разбирательств в обеих теориях всегда следует помнить, что они описывают поведение объекта по принципу «выглядит так, как будто… » и дальше модель. Действительность сложнее.

Источник: https://pikabu.ru/tag/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F%20%D0%BC%D0%B5%D1%85%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0/hot

Biz-books
Добавить комментарий