Элементы квантовой физики кратко
Обновлено: 02.07.2024
Меня зовут Влад Ядро! Мне 45 лет. Профессиональный переговорщик, тренер и консультант по переговорам. Клинический психолог. Построил карьеру в продажах с "0" до генерального директора крупного торгового оптового бизнеса. С 2014 г собственный консалтинговый бизнес в области переговоров. Звоните! Пишите! Я Вам помогу решить сложности в коммуникациях с другими людьми!
Для лучшего понимания теории переговоров мы с Вами попытаемся ответить на сложные вопросы о природе объективной реальности.
Квантовая физика. Условность происходящего.
Необходимость углубляться в сложные вопросы квантовой теории продиктована еще одной сложнейшей проблемой современности, взаимосвязь мозга и сознания человека. Возможно кросс-подход окажется более правильным и поможет найти ответы.
Существуют интересные вопросы, которые Вы наверняка уже слышали:
- Собака виляет своим хвостом или хвост виляет собакой?
- Улыбка порождает радость или радость порождает улыбку?
- Мозг порождает сознание или сознание порождает мозг?
- Что первично: материя или дух?
На некоторые из них можно вполне определенно ответить уже сейчас, а на другие ответа нет, поскольку отсутствует парадигма, всеобъемлющая концепция, в рамках которой возможны ответы, не противоречащие обратной связи условной объективной реальности.
Вряд ли можно пока объяснить механизм сознания через функционирование его материального субстрата – мозга. Накопленный научный материал позволяет проводить достоверные параллели между нейрофизиологией и психическими процессами, при этом сознание как осознание остается вне общего понимания. В настоящее время ученые по всему миру работают над созданием единой теории, объединяющей сознание и мозг. Возникают гипотезы, которые более или менее красиво пытаются устранить подобную научную дихотомию, при этом потребуется время, чтобы научное сообщество смогло консолидировано принять какую – либо, опираясь на эмпирическую доказательную базу, сложность получения которой является в том числе тормозом на пути согласия.
Квантовая физика. История квантовой механики.
Нильс Бор и Вернер Гейзенберг.
В 1920 году Нильс Бор и Вернер Гейзенберг сформулировали ключевые положения квантовой механики. Данная интерпретационная версия на протяжении многих лет была самой популярной в мире. Ядром ее является волновая функция – математическая функция. В ней присутствует информация о всех возможных состояниях квантовой системы, в которых она может находиться. Суть ее в том, что узнать состояние системы наверняка возможно только через наблюдение. Именно наблюдение квантовой системы переводит ее из многих состояний в одно, т. е. она становится традиционной. Волновая функция системы позволяла произвести математические расчеты, которые определяли вероятность обнаружения системы в каком-либо состоянии.
Альберт Эйнштейн.
Эрвин Шредингер.
Итак, берем ящик, помещаем внутрь него кота, нестабильный (распадающийся) атом, ампулу с ядом, автоматическое устройство, которое разрушит ампулу под влиянием нестабильного атома, когда он распадется. В процессе нахождения кота в ящике атом распадается, при этом наблюдатель не знает, жив кот внутри ящика или нет, т.к. доступа нет. Наблюдатель знает время периода полураспада, а время полного распада не известно и при этом нет никакой возможности понять, распался атом полностью или нет, пока ящик закрыт. У наблюдателя нет ответа на вопрос: жив кот или нет в тот или иной промежуток времени. Первоначально атом не является полностью распавшимся, а впоследствии атом переходит в состояние суперпозиции.
Суперпозиция является суммой двух и более векторов состояний в квантовой механике, каждый из которых в свою очередь - это одно из состояний. Первое состояние – нераспавшийся атом и кот жив, второе состояние – вектор – распавшийся атом – кот мертв. Первый вектор уменьшается во времени, а второй увеличивается. Кот пребывает в состоянии суперпозиции, т.е. одновременно мертв и одновременно жив. Когда наблюдатель откроет ящик, то, конечно кот не будет одновременно жив и мертв, а будет находиться в одном из состояний. Если атом распадется, ампула будет разрушена, кот умрет, а если атом не распадется, ампула останется сохранной, кот будет живым. В этом и состоит парадокс. Пока наблюдатель не осознал реальность, она находится в суперпозиции, а когда осознал - реальность становится одним из векторных состояний. До момента осознания квантовый мир состоит из двух параллельных миров, альтернативных друг для друга.
Юджин Вигнер.
Джон фон Нейман.
В копенгагенской интерпретации предполагалось, что на каждом временном отрезке, когда принимается решение, происходит событие, человек случайным образом выбирает тот или иной альтернативный мир, который он в состоянии фиксировать своими сенсорными системами, поэтому человек и не в состоянии сенсорно ощущать и воспринимать другие миры. Он всегда имеет дело с одним классическим миром. Такое представление является коллапсом волновой функции или редукцией состояния – выбор одного вектора состояния и исчезновение всех остальных векторов. Математически этот состояние было описано фон Нейманом. Это и позволяло на практике применять квантовую механику для решения квантовых механических задач. В этом ее относительная простота и ценность. Остальные миры просто перестают существовать. Это изменение происходит одномоментно и не имеет обратной силы, т.е. не может обратиться в исходное состояние. Соответственно человек, ограниченный одним классическим миром, фактически оказывается заложником и живет в иллюзии.
Вам станут понятны основные понятия и парадоксы квантовой физики. Из статьи Вы узнаете:
И еще: Вам интересно узнать о чисто прикладном, практическом применении квантовой физики? Тогда читайте статью Что такое квантовый компьютер и для чего он нужен? Просто о сложном.
Что такое квантовая физика и квантовая механика?
Квантовая механика — это часть квантовой физики.
Почему же так сложно понять эти науки? Ответ прост: квантовая физика и квантовая механика (часть квантовой физики) изучают законы микромира. И законы эти абсолютно отличаются от законов нашего макромира. Поэтому нам трудно представить то, что происходит с электронами и фотонами в микромире.
Пример отличия законов макро- и микромиров: в нашем макромире, если Вы положите шар в одну из 2-х коробок, то в одной из них будет пусто, а в другой — шар. Но в микромире (если вместо шара — атом), атом может находиться одновременно в двух коробках. Это многократно подтверждено экспериментально. Не правда ли, трудно это вместить в голове? Но с фактами не поспоришь.
Небольшой экскурс в историю. Впервые о квантовом мире учёные задумались, когда в 1900 году немецкий физик Макс Планк попытался выяснить, почему при нагревании металлы меняют цвет. Именно он ввёл понятие кванта. До этого учёные думали, что свет распространяется непрерывно. Первым, кто серьёзно воспринял открытие Планка, был никому тогда неизвестный Альберт Энштейн. Он понял, что свет – это не только волна. Иногда он ведёт себя, как частица. Энштейн получил Нобелевскую премию за своё открытие, что свет излучается порциями, квантами. Квант света называется фотоном (фотон, Википедия) .
Для того, чтобы легче было понять законы квантовой физики и механики (Википедия), надо в некотором смысле абстрагироваться от привычных нам законов классической физики. И представить, что Вы занырнули, как Алиса, в кроличью нору, в Страну чудес.
Кстати, статью можно читать, как сказку, вместе с детьми. Они ещё не утратили наивную чистоту восприятия окружающего мира и часто могут понять физику, особенно квантовую, лучше взрослых.
А вот и мультик для детей и взрослых. Рассказывает о фундаментальном эксперименте квантовой механики с 2-мя щелями и наблюдателем. Длится всего 5 минут. Посмотрите его перед тем, как мы углубимся в основные вопросы и понятия квантовой физики.
Что такое интерференция?
В нашем макромире мы часто наблюдаем, что свет ведёт себя, как волна. Если поставить руку напротив свечи, то на стене будет не чёткая тень от руки, а с расплывающимися контурами.
Итак, не так уж всё и сложно! Нам сейчас вполне понятно, что свет имеет волновую природу и если 2 щели освещать светом, то на экране за ними мы увидим интерференционную картину. Теперь рассмотрим 2-й эксперимент. Это знаменитый эксперимент Штерна-Герлаха (который провели в 20-х годах прошлого века).
Но… Результат был ошеломляющий. Учёные увидели интерференционную картину – много вертикальных полосок. То есть электроны, как и свет тоже могут иметь волновую природу, могут интерферировать. А с другой стороны стало понятно, что свет не только волна, но немного и частица — фотон (из исторической справки в начале статьи мы узнали, что за это открытие Энштейн получил Нобелевскую премию).
Это сегодня мы с Вами такие умные и понимаем, что 2 выше описанных эксперимента – стрельба электронами и освещение щелей светом – суть одно и тоже. Потому что мы стреляем по прорезям квантовыми частицами. Сейчас мы знаем, что и свет, и электроны имеют квантовую природу, являются и волнами, и частицами одновременно. А в начале 20-го века результаты этого эксперимента были сенсацией.
Внимание! Теперь перейдём к более тонкому вопросу.
Мы светим на наши щели потоком фотонов (электронов) – и видим за щелями на экране интерференционную картину (вертикальные полоски). Это ясно. Но нам интересно увидеть, как пролетает каждый из электронов в прорези.
Предположительно, один электрон летит в левую прорезь, другой – в правую. Но тогда должны на экране появиться 2 вертикальные полоски прямо напротив прорезей. Почему же получается интерференционная картина? Может электроны как-то взаимодействуют между собой уже на экране после пролёта через щели. И в результате получается такая волновая картина. Как нам за этим проследить?
Начинаем медленно сходить с ума. Ведь мы ожидали, что будет 2 вертикальные полоски напротив щелей! Получается, что когда мы бросали фотоны по одному, каждый из них проходил, как бы через 2 щели одновременно и интерферировал сам с собой. Фантастика! Вернёмся к пояснению этого феномена в следующем разделе.
Что такое спин и суперпозиция?
Мы теперь знаем, что такое интерференция. Это волновое поведение микро частиц – фотонов, электронов, других микро частиц (давайте для простоты с этого момента называть их фотонами).
В результате эксперимента, когда мы бросали в 2 щели по 1 фотону, мы поняли, что он пролетает как будто через две щели одновременно. Иначе как объяснить интерференционную картину на экране?
Но как представить картину, что фотон пролетает сквозь две щели одновременно? Есть 2 варианта.
Кстати, именно Ричарду Фейнману принадлежит известное выражение, что уверенно можно утверждать, что квантовую механику не понимает никто
Но это его выражение работало в начале века. Но мы то теперь умные и знаем, что фотон может вести себя и как частица, и как волна. Что он может каким-то непонятным для нас способом пролетать одновременно через 2 щели. Поэтому нам легко будет понять следующее важное утверждение квантовой механики:
Строго говоря, квантовая механика говорит нам, что такое поведение фотона – правило, а не исключение. Любая квантовая частица находится, как правило, в нескольких состояниях или в нескольких точках пространства одновременно.
Объекты макромира могут находится только в одном определенном месте и в одном определенном состоянии. Но квантовая частица существует по своим законам. И ей и дела нет до того, что мы их не понимаем. На этом — точка.
Волновая функция — это описание состояния квантового объекта (нашего фотона или электрона).
Предположим, у нас есть электрон, он летит себе в неопределённом состоянии, спин его направлен и вверх, и вниз одновременно. Нам надо измерить его состояние.
Измерим при помощи магнитного поля: электроны, у которых спин был направлен по направлению поля, отклонятся в одну сторону, а электроны, у которых спин направлен против поля — в другую. Ещё фотоны можно направлять в поляризационный фильтр. Если спин (поляризация) фотона +1 – он проходит через фильтр, а если -1, то нет.
Стоп! Вот тут у Вас неизбежно возникнет вопрос: до измерения ведь у электрона не было какого-то конкретного направления спина, так? Он ведь был во всех состояниях одновременно?
В этом-то и заключается фишка и сенсация квантовой механики. Пока Вы не измеряете состояние квантового объекта, он может вращаться в любую сторону (иметь любое направление вектора собственного углового момента – спина). Но в момент, когда Вы измерили его состояние, он как будто принимает решение, какой вектор спина ему принять.
Внимание! Отличный для понимания пример-ассоциация из нашего макромира:
Фантастика! Не правда ли?
Но это ещё не всё. Наконец-то мы добрались до самого интересного.
Но… мне кажется, что получится перегруз информации, поэтому 2 эти понятия мы рассмотрим в отдельных постах:
- Что такое Квантовая запутанность простыми словами. Возможна ли телепортация?
- Что такое мысленный эксперимент Кот Шредингера простыми словами? Суть эксперимента.
А сейчас, хотите, чтобы информация разложилась по полочкам? Посмотрите документальный фильм, подготовленный Канадским институтом теоретической физики. В нём за 20 минут очень кратко и в хронологическом порядке Вам поведают о всех открытиях квантовой физики, начиная с открытия Планка в 1900 году. А затем расскажут, какие практические разработки выполняются сейчас на базе знаний по квантовой физике: от точнейших атомных часов до суперскоростных вычислений квантового компьютера. Очень рекомендую посмотреть этот фильм.
Квантовая физика является молодой наукой, что не мешает появлению в ней фантастических гипотез. Перспективы квантовой физики способны поразить любое сознание. Вот лишь несколько примеров: появление квантовой криптографии, основанной на передаче информации отдельными фотонами, и развитие квантового компьютера, который использует квантовую суперпозицию и квантовую запутанность для работы с информацией.
Хотите понять квантовую физику? Не пытайтесь ассоциировать эту науку с классической физикой. Тогда вы сможете взглянуть на мир иначе.
Квантовая гипотеза Планка
Днём рождения квантовой физики считается 14 декабря 1900 года, когда Макс Планк предложил теоретический вывод о соотношении между температурой тела и испускаемым им излучением. Он гласил: энергия электромагнитной волны может излучаться и поглощаться исключительно целыми порциями — квантами. Формула энергии кванта:
e = nh,
где e — энергия излучения, n — частота излучения, h — постоянная Планка.
Это предположение показывало, что законы классической физики неприменимы к микромиру.
Эйнштейн и фотоэлектрический эффект
В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил фотоэффект, опираясь на квантовую гипотезу Планка.
Фотоэлектрический эффект — явление вылета электрона из твёрдых и жидких тел под воздействием электромагнитного излучения.
Учёный предположил, что электромагнитная волна (которой считался свет) состоит из световых квантов (фотонов). Поглощение света происходит так, что фотоны квантами передают собственную энергию электронам вещества. При фотоэффекте часть электромагнитного излучения отражается от поверхности металла, а другая попадает внутрь и там поглощается. Электрон получает энергию от фотона и совершает работу выхода из вещества, приобретая начальную скорость.
где h — постоянная Планка, n — частота электромагнитного излучения, A — работа выхода, mv^2/2— кинетическая энергия вышедшего электрона.
Это уравнение объясняет все законы внешнего фотоэлектрического эффекта:
- Суммарное число фотоэлектронов, покидающих поверхность вещества, прямо пропорционально числу фотонов, попадающих на поверхность вещества.
- Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от частоты электромагнитного излучения и работы выхода, но не зависит от интенсивности электромагнитного излучения.
- Для каждого вещества есть граница частоты электромагнитного излучения, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая длина волны называется красной границей фотоэффекта. Она зависит от работы выхода, химической природы вещества и состояния поверхности.
Благодаря явлению внешнего фотоэффекта мы смотрим фильмы со звуком. Фотоэлемент позволял превратить звук, запечатлённый на киноплёнке, в слышимый. Свет обычной лампы проходил через звуковую дорожку киноплёнки, преобразовывался и попадал на фотоэлемент. Чем больше света проходило через дорожку, тем громче был звук в динамике.
Не начинайте изучение квантовой физики со сложных математических формул. Улавливайте суть законов и экспериментов.
Формирование квантовой механики
Матричная механика Гейзенберга
В 1925 году Вернер Гейзенберг сформулировал теорию квантовой механики.
Квантовая механика — раздел квантовой физики, описывающий свойства и строение субатомных частиц и их систем.
Метод Гейзенберга требовал работы с матрицами (математическая таблица, представляющая набор упорядоченных чисел). Отсюда название — матричная механика. Теория объясняла, как происходят квантовые скачки.
Квантовый скачок — переход квантовой системы (в частности атома) с одного энергетического уровня на другой.
Подход Гейзенберга включал два компонента:
- Полный набор частот, на которых излучает атом вследствие квантового скачка;
- Вероятности, в соответствии с которыми происходят скачки;
Замысел матричной механики заключался в том, что физические величины, характеризующие частицу, описываются матрицами, изменяющимися во времени.
Волновая механика Шрёдингера
Совершенно другой подход предложил Эрвин Шрёдингер, назвав теорию волновой механикой. Он предположил, что любая материя существует в виде волн.
Волновое уравнение, сформулированное Шрёдингером, относится к ненаблюдаемой величине. Квадрат модуля этой величины показывает распределение вероятности обнаружить частицу в различных точках пространства, то есть отдельная частица представляется как волна, распределённая по всему пространству. Из его метода описание материи стало статистическим, то есть вероятностным.
Позже Поль Дирак доказал, что теории двух учёных были разными представлениями одного и того же и равноценными. Эти два подхода сформировали квантовую механику.
Однако Гейзенберг и Шрёдингер известны другими открытиями.
Помните: в квантовой физике и её разделах всё неопределённо и вероятностно.
Основные законы квантовой механики
Принцип неопределённости Гейзенберга — где и с какой скоростью?
В 1927 году Гейзенберг сформулировал принцип неопределённости: невозможно одновременно точно измерить пространственную координату и скорость частицы. Формула:
где Δx— неопределённость координаты пространства, Δv — неопределённость скорости частицы, h — Постоянная Планка, m — масса частицы.
Принцип неопределённости также связывает иные пары характеристик, например, энергию квантовой системы и момент времени, когда квантовая система обладает ей.
Подходящей аналогией является фотографирование движущегося объекта. Объект, сфотографированный с длительной экспозицией, размывается. Это демонстрирует, как движется объект, но не где он находится. Наоборот: можно определить местоположение объекта, сфотографированного с короткой экспозицией, но не то, как он движется. Однако следует понимать, что принцип неопределённости не ориентирован на наблюдателя, а показывает природу частиц.
Кот Шрёдингера — и жив и мёртв одновременно
Шрёдингер, желая показать неполноту квантовой механики при переходе от микромира к макромиру, провёл мысленный эксперимент.
Кот Шрёдингера — и жив и мёртв одновременно
Есть закрытый ящик, в котором находится живой кот и механизм: счётчик Гейгера с радиоактивным веществом, молоток и колба смертельного яда. Колба может быть разбита механизмом, приводимым в действие радиоактивным распадом. Однако распад носит вероятностный характер — 50/50. Если распад произойдёт, то молоток разобьёт колбу и смертельный яд убьёт кота. Если распада не произойдёт, то механизм не сработает и кот будет жив. Шрёдингер заключил, что пока мы не откроем ящик и не узнаем состояние кота, то он жив и мёртв одновременно.
Интерпретации квантовой механики
У квантовой механики существуют две интерпретации:
- Копенгагенская (Нильс Бор, Вернер Гейзенберг). Она гласит, что квантовые сущности описываются волновой функцией, но при их взаимодействии с окружением волновая функция коллапсирует к конкретным значениям величин.
- Многомировая (Хью Эверетт). Она гласит, что каждая квантовая вероятность влечёт за собой возникновение отдельной вселенной, где происходит тот или иной исход.
Различность этих подходов демонстрирует квантовое бессмертие, которое можно считать пересказом эксперимента Шрёдингера от лица кота. Вместо кота — участник, вместо колбы с ядом — ружьё, которое стреляет, если радиоактивный распад произойдёт (вероятность по-прежнему 50/50).
- Согласно копенгагенской интерпретации, рано или поздно ружьё выстрелит и убьёт участника.
- Согласно многомировой интерпретации, после каждого выстрела вселенная расщепляется на две: в одной участник жив, в другой — мёртв. В мире, где участник умер, он перестанет существовать, а где выжил — эксперимент продолжится. Участник сможет наблюдать итог эксперимента только во вселенной, где он остался в живых, и заметит, что никогда не умрёт.
Квантовая физика — FAQ
Это были основы квантовой физики, которые необходимо знать для базового понимания. Однако осталось несколько интересных вопросов:
Квант — наименьшая неделимая порция чего-либо, в частности энергии. Понятие кванта ввёл Макс Планк.
Квантовый компьютер — вычислительное устройство, использующее явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки информации. И он существует. Наибольший составлен из семи кубитов. Этого хватит, чтобы разложить число 14 на простые множители: 7 и 2. Пока что нет квантового компьютера для практического применения, однако его появление поможет человечеству решить медицинские проблемы, расшифровать генетический код и выйти за рамки материального мира. Поэтому многие страны финансируют десятки миллионов долларов на создание квантового компьютера.
Пока что о квантовой криптографии говорят в будущем времени. Однако первый протокол был создан в 1984 году и носил название BB84. Замысел квантового шифрования состоит в том, чтобы передавать информацию отдельными фотонами. Главным теоретическим недостатком квантового шифрования является низкая пропускная способность.
Если выбрать одну частицу из определённого количества частиц и повлиять на неё, то состояние изменится у остальных частиц, независимо от условий. Явление квантовой запутанности — основа квантовой телепортации.
Свойство некоторых металлов при охлаждении до абсолютного нуля полностью терять сопротивление электрическому току.
Свет не является ни частицей, ни волной, приобретая их свойства только в некотором приближении.
Квантовый двигатель — механизм, который выполняет работу без потерь энергии, сил трения и теплообмена с окружающей средой.
Эффект наблюдателя — теория о том, что наблюдение за объектом изменяет его свойства.
В квантовых полях процесс передачи взаимодействия происходит квантами, в качестве которых выступают элементарные частицы с фиксированными физическими характеристиками. Таким образом, взаимодействующие частицы имеют квантованные характеристики и взаимодействие между ними передаётся квантовым полем со своими квантованными характеристиками.
Квантовый камуфляж сделан из оксида самария и никеля и позволяет спрятаться от инфракрасных камер.
Книги о квантовой физике
Если вы хотите и дальше познавать квантовый мир, рекомендуем следующие книги:
1. Квант – наименьшее возможное (далее неделимое) значение физической величины, например энергии. Энергия электромагнитного излучения испускается и поглощается только квантами.
2. Строение атома: образованное протонами и нейтронами положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена основная часть массы атома, окружено электронами. Массовое число – суммарное количество протонов и нейтронов в ядре. Зарядовое число – количество протонов в ядре. Энергия атомной системы может принимать только квантованный спектр значений.
3. Ядерная реакция – взаимодействие атомного ядра с другой частицей или частицами (например, с другим ядром), в результате чего изменяется состав ядра (ядер). При ядерных реакциях выполняется закон сохранения зарядового и массового чисел. Для осуществления управляемых ядерных реакций с целью получения энергии и/или продуктов ядерных превращений служат ядерные реакторы.
4. Дефект масс – разность между суммой масс покоя отдельных нуклонов, составляющих ядро, и массой покоя атомного ядра. Дефект масс и энергия связи нуклонов в ядре пропорциональны друг другу.
5. Удельная энергия связи показывает величину энергии связи, приходящуюся на один нуклон, и характеризует прочность ядра. Наиболее прочны ядра химических элементов, массовые числа которых находятся в диапазоне от 40 до 100.
6. Методы изучения субатомных частиц: сцинтилляционные счётчики, счётчик Гейгера–Мюллера, камера Вильсона, пузырьковая камера, масс-спектрографы.
7. Закон радиоактивного распада: количество нераспавшихся ядер с течением времени определяется как произведение начального количества ядер на 2 в степени, равной отношению времени наблюдения к периоду полураспада, взятой с противоположным знаком. Период полураспада – время, за которое распадается половина атомов наблюдаемого радиоактивного изотопа.
8. Поглощённая доза излучения – отношение энергии, переданной излучением веществу, к массе этого вещества. Единица измерения – 1 грей (1 Гр = 1 Дж/кг). Эквивалентная доза излучения – произведение поглощённой дозы излучения на нормировочный коэффициент из диапазона 1…20, определяемый в зависимости от степени воздействия конкретного вида излучения на биологические объекты. Единица измерения – 1 зиверт (1 Зв = 1 Дж/кг).
9. Мощность дозы излучения – это приращение дозы излучения за единицу времени. Единица измерения – 1 Гр/с или 1 Зв/с в зависимости от поглощённого или эквивалентного характера дозы.
Читайте также: