Физика механика для чайников: Книга: “Физика для чайников” – Стивен Хольцнер. Купить книгу, читать рецензии | Physics for Dummies | ISBN 978-5-907114-78-4

Содержание

Квантовая физика для начинающих: квантовая механика для чайников

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.

Содержание

  1. Квантовая гипотеза Планка
  2. Эйнштейн и фотоэлектрический эффект
  3. Формирование квантовой механики
  4. Матричная механика Гейзенберга
  5. Волновая механика Шрёдингера
  6. Основные законы квантовой механики
  7. Принцип неопределённости Гейзенберга — где и с какой скоростью?
  8. Кот Шрёдингера — и жив и мёртв одновременно
  9. Интерпретации квантовой механики
  10. Квантовая физика — FAQ
  11. Книги о квантовой физике
  12. Фильмы о квантовой физике

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). 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.

Читайте также: Бесконечность Вселенной: бесконечен ли космос

Статья дает научный ответ на вопрос, безгранична ли Вселенная и как это доказать.

Интерпретации квантовой механики

У квантовой механики существуют две интерпретации:

  1. 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.
  2. 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.
50-кубитный квантовый компьютер

Квантовая физика — FAQ

Это были основы квантовой физики, которые необходимо знать для базового понимания. Однако осталось несколько интересных вопросов:

Что такое квант простыми словами?

Квант — наименьшая неделимая порция чего-либо, в частности энергии. Понятие кванта ввёл Макс Планк.

Что такое квантовые компьютеры и существуют ли они в реальности?

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.

Когда появится квантовое шифрование (квантовая криптография)?

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.

Как проявляется квантовая запутанность?

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.

Что такое сверхпроводимость?

Свойство некоторых металлов при охлаждении до абсолютного нуля полностью терять сопротивление электрическому току.

Свет — частица или волна?

Свет не является ни частицей, ни волной, приобретая их свойства только в некотором приближении.

Что такое квантовый двигатель?

Квантовый двигатель — механизм, который выполняет работу без потерь энергии, сил трения и теплообмена с окружающей средой.

Что такое эффект наблюдателя?

Эффект наблюдателя — теория о том, что наблюдение за объектом изменяет его свойства.

Как возникает квантовое поле?

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.

Из чего сделан квантовый камуфляж?

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:

  • «Квантовая вселенная. Как устроено то, что мы не можем увидеть» — Кокс Б. , Форшоу Д.
  • «Фейнмановские лекции по физике», «Кэд — странная теория света и вещества» — Ричард Фейнман
  • «Сейчас. Физика времени» — Ричард Мюллер
  • «Квант» — Джим Аль-Халили
  • Серия книг «Физика для всех» Льва Ландау и Александра Китайгородского
  • «Основы квантовой механики. Учебное пособие» — Л.В. Тарасов
  • «В поисках кота Шрёдингера» — Гриббин Дж.
Книги, рекомендуемые к прочтению для понимания квантовой физики

Фильмы о квантовой физике

Если вас больше интересуют фильмы:

  • «Тайны квантовой физики / The Secrets of Quantum Physics». BBC
  • «Параллельные миры». National Geografic
  • «Квантовая физика невозможного: Нарушая временные границы». Discovery


Подписывайтесь на наш канал в Telegram, чтобы получать свежие статьи своевременно!

Физика. Теоретический минимум — Stepik

Курс содержит «минимум» по теоретической физике. Освещается минимальный набор дисциплин —классическая механика, электродинамика, квантовая механика, статистическая физика и теория полупроводников, который позволит слушателю сделать шаг от общей физики к теоретической. Курс может быть полезен как для изучения…

About this course

Курс «Физика. Теоретический минимум» состоит из пяти модулей, изложенных в последовательности, которая лежит в основе так называемого «минимума по теоретической физике» : 

1. Модуль «Классическая механика» содержит базовые сведения по курсу классической механики. Мы начнем с изучения основных понятий классической механики: обобщенных координат и скоростей, функции Лагранжа, интегралов движения. Далее мы научимся решать задачу двух тел, которая позволяет описать движение планет и звезд, и познакомимся с законами Кеплера. В третьем уроке мы рассмотрим классический подход для описания колебаний в физических системах: мы начнем с простейшей задачи о колебании математического маятника и закончим расчетом спектра колебаний сложных молекул. И наконец, в последнем уроке мы познакомимся с формализмом функции Гамильтона, который поможет вам в освоении последующих модулей курса.

2. Модуль «Электродинамика» посвящен изучению основ электродинамики. Мы начнем с изучения понятий электрического и магнитного поля, обсудим их свойства и введем уравнения, которым они подчиняются – уравнения Максвелла.  В первых двух уроках рассматриваются статические электрические и магнитные поля. Третий и четвертый урок посвящен изучению электромагнитных волн. Вы узнаете об основных свойствах электромагнитных волн, о том как они излучаются и распространяются.    

3. Модуль «Квантовая механика» посвящен изучению основ квантовой физики. Мы обсудим эксперименты, которые привели к созданию квантовой механики, а также рассмотрим аппарат волновой функции, как основного инструмента для описания физики микрочастиц. Мы научимся формулировать классические задачи на языке квантовой механики, а также построим решения наиболее ключевых из них.    

4. Модуль «Статистическая физика» научит предсказывать макроскопические свойства вещества, опираясь на

основные (минимальные) знания о частицах, из которых оно состоит. Мы опишем аппарат статистической физики для квантовых систем, а затем, в качестве важного примера, рассмотрим классический предел, и обсудим некоторые свойства классического идеального газа. Во второй половине модуля мы подробно поговорим о свойствах квантовых газов и о существенных различиях между фермионными и бозонными газами — например, между газом из электронов и газом из фононов. Полученные знания будут использоваться в следующем модуле.

5. Модуль «Введение в теорию полупроводников» содержит самый минимум сведений, необходимых для изучения теории твердых тел. Во-первых, мы узнаем, в чем же заключается ключевая особенность кристаллов и познакомимся с методами теории симметрии в применении к полупроводникам. Далее речь пойдет об энергетическом спектре полупроводников — оказывается, что движение электронов в кристалле во многом схоже с движением электрона в свободном пространстве. Мы познакомимся с разрешенными и запрещенными энергетическими зонами в полупроводниках, узнаем, почему многие свойства полупроводника определяются не только электронами, но и дырками.

Последний урок модуля содержит сжатый обзор нескольких физических эффектов в полупроводниках, которые важны и для фундаментальной физики, и для работы полупроводниковых приборов. 

Whom this course is for

Студенты технических и физико-математических специальностей, желающие изучить основы теоретической физики или освежить знания в этой области

Initial requirements

Для успешного прохождения курса слушателям необходимо владеть знаниями в области общей физики на уровне университетского курса технических специальностей.

Meet the Instructors

Course content

Certificate

Санкт-Петербургский Академический Университет РАН

Share this course

https://stepik.org/course/155/promo

Direct link:
https://stepik.org/155

Простое объяснение основ квантовой механики для чайников

В следующий раз, когда профессор физики скажет, что вероятность вашего положения в любой момент времени во всей Вселенной никогда не равна нулю, не думайте, что он потерял свои шарики . Здесь мы можем начать с объяснения основ квантовой механики для чайников.

Жуткий, причудливый и ошеломляющий — все это преуменьшение, когда речь идет о квантовой физике. Вещи в субатомном мире квантовой механики бросают вызов всей логике нашего макроскопического мира. Частицы действительно могут туннелировать сквозь стены, появляться из воздуха и исчезать, оставаться запутанными и вести себя как волны.

Согласно Нильсу Бору, отцу ортодоксальной «Копенгагенской интерпретации» квантовой физики, «Тот, кто не шокирован квантовой теорией, не понял ее» . Ричард Фейнман, один из основателей квантовой теории поля, заметил: : «Думаю, я могу с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую теорию» .

Квантовая механика занимается изучением частиц на атомном и субатомном уровнях. Термин был введен Максом Борном в 19 г.24. Хотя теория работает, чтобы обеспечить точные предсказания явлений на субатомных масштабах, нет реального понимания того, почему она работает, что она на самом деле означает или какое значение она имеет для нашей картины мира. Следовательно, лучшее, что мы можем сделать, — это познакомить вас с центральной загадкой, лежащей в основе квантовой механики, и показать, как работает ее теоретическая структура, чтобы обеспечить предсказания реального мира. Как только вы решите спуститься в кроличью нору, страна чудес квантовой физики навсегда завладеет вами. Итак, поехали.

Введение в квантовую механику

С точки зрения неспециалиста квантовая механика больше похожа на причудливое явление или научно-фантастический фильм, полный жаргона и сложных математических уравнений. Однако легче взглянуть на основы квантовой механики, если вас не сбивает с толку тот факт, что каждый электрон является частицей, а также волной одновременно. На самом деле правда еще более странная. Электрон не может попасть ни по одну из сторон дихотомии частица/волна. Он описывается только волновой функцией или вектором состояния, который может вычислить вероятность или вероятность обнаружения частицы. Теория устанавливает фундаментальные ограничения на то, насколько точно мы можем измерять параметры частиц, заменяя классический детерминизм вероятностным детерминизмом. Теория описывает почти все явления в природе, начиная от голубизны неба и заканчивая структурой молекул, которые делают возможной органическую жизнь.

Квантовая механика возникла как высшая теория из-за фундаментальной неспособности классической механики описать несколько атомных явлений. С открытием электрона Дж.Дж. Томсон, в 1897 году было показано, что вся идея классической физики неприменима на атомном уровне.

Классическая физика, основанная на законах движения Ньютона и законах электромагнетизма Максвелла, использовалась для определения и предсказания движения частиц. Но эта теория была не в состоянии объяснить следующие три критических и всемирно известных эксперимента.

Излучение черного тела

Согласно классической теории, черное тело ( любой объект, способный поглощать излучение на всех частотах и ​​излучать его обратно ) будет излучать бесконечное количество энергии. Экспериментально это не подтвердилось. Энергия, излучаемая черным телом, казалось, зависит от его частоты, демонстрируя типичную кривую в форме колокола. В 1901 году Макс Планк точно описал выход энергии черного тела, введя постоянную Планка ( ч = 6,626068 х 10-34 м2 кг/с ).

Соотношение Планка (E = hν)

Соотношение Планка ( E = hν , где E — энергия, h — постоянная Планка, а ν — частота излучения ) подразумевало, что энергией можно торговать только в пакетов ‘ или ‘ квантов ‘. Эта дискретизация, вызванная квантами энергии, была фундаментальным сдвигом в мышлении, несовместимым с классическим институтом физиков того времени. Вот почему эта теория стала известна как квантовая физика .

Фотоэлектрический эффект

При попадании ультрафиолетового света на некоторые металлические поверхности испускаются электроны. Это явление, при котором электроны в атомах высвобождаются за счет поглощения энергии падающего света, называется фотоэлектрическим эффектом .

Фотоэлектрический эффект

Классическая электромагнитная теория предсказывала, что количество испускаемых электронов и их кинетическая энергия зависят от интенсивности света, отраженного от поверхности. Однако эксперименты показали, что энергия и количество электронов зависят от частоты. Используя правило квантования энергии Планка (E = hν), Альберт Эйнштейн представил свет как поток фотонов , что успешно объясняет фотоэлектрический эффект с точки зрения частоты света. Таким образом, свет, который до сих пор считался волной, теперь стал известен как обладающий двойным характером: -волна и -частица .

Оптические линейчатые спектры

Классическая электромагнитная теория не могла объяснить линейчатые оптические спектры излучения или поглощения, возникающие в газах и жидкостях. Атомная модель Бора, основанная на квантовании углового момента и квантованных уровнях энергии, предоставила точные экспериментальные значения оптических спектров для водорода, тем самым обеспечив дальнейшее подтверждение подхода квантования.

Все эти феноменологические разработки и эвристическая теория заложили основу старой квантовой теории. В дальнейшем она была дополнена такими учеными, как В. Гейзенберг и Э. Шредингер, чтобы сформировать новую квантовую теорию, основанную на центральном принципе волновой природы частиц материи.

Основы квантовой физики для чайников

Чтобы понять квантовый мир, вам нужно разучиться и отключиться от классической интуиции, которая хорошо служит нам в макроскопическом мире, но совершенно бесполезна здесь. Давайте отслоим нашу классическую интуицию слой за слоем.

Волны Материи Де Бройля

Эксперименты, подобные фотоэлектрическому эффекту, продемонстрировали корпускулярно-волновой дуализм света. Если бы световые волны вели себя как частицы, могли бы материальные частицы вести себя также как волны? В 1924 году Луи де Бройль, французский физик, выдвинул гипотезу о существовании Волн Материи, соответствующих каждой частице, длина волны которых обратно пропорциональна импульсу частицы.

λматерия = h/p

( , где h — постоянная Планка, а p — импульс. Дуэт выстрелил электронами в кристаллизованную никелевую мишень, чтобы наблюдать волнообразные дифракционные картины. До настоящего времени такая закономерность наблюдалась только для световых волн. Таким образом, было окончательно доказано, что частицы ведут себя как волны и наоборот.

В 1926 году Эрвин Шредингер сформулировал уравнение, описывающее поведение этих волн материи. Он успешно получил энергетический спектр атома водорода, рассматривая орбитальные электроны как стоячие волны материи. Макс Борн интерпретировал квадрат амплитуды этих волн как вероятность обнаружения ассоциированных частиц в локализованной области. Все эти разработки привели к утверждению квантовой механики как научной теории, хорошо основанной на эксперименте и формализме. Волновая функция, описывающая любую частицу в квантовой механике, представляет собой волну материи, форма которой вычисляется с помощью уравнения Шрёдингера. Следовательно, волны материи составляют центральную и наиболее важную особенность квантовой механики.

Принцип неопределенности Гейзенберга

Чем точнее определено положение, тем менее точно известен импульс в данный момент, и наоборот . – Вернер Гейзенберг

В самой незамысловатой версии говорится: «Вы не можете знать положение частицы и скорость ее движения с произвольной точностью в один и тот же момент» или «Фундаментально невозможно одновременно знать положение и импульс частицы в один и тот же момент с произвольной точностью”. Количественно этот принцип можно сформулировать следующим образом:

Δx.Δp ≥ h/2π

( где Δx — неопределенность положения, Δp — неопределенность импульса, а h — постоянная Планка )

в виде постоянной Планка. Независимо от того, насколько точным является ваше измерительное оборудование, невозможно уменьшить погрешность измерения до значения, меньшего, чем постоянная Планка. Это потому, что частица, являющаяся волна материи , по своей сути делокализована ( разбросана в пространстве ). Чем точнее вы знаете позицию, тем более вы не уверены в импульсе, и наоборот. Как правило, принцип неопределенности применим к любому двойственному набору дополнительных физических величин, которые не могут быть измерены с произвольной точностью.

Волновая функция (Ψ) кодирует всю информацию о частице

Поскольку мы не можем точно измерить положение частицы, вся концепция фиксированная орбита или траектория идет на жеребьевку. Вы больше не можете отобразить путь частицы на графике, как в ньютоновской механике.

Сама частица, являющаяся волной, рассредоточена в пространстве. Вся информация о частицах закодирована в волновой функции Ψ, которая вычисляется в квантовой механике с использованием уравнения Шредингера – , дифференциального уравнения в частных производных, которое может определить характер и изменение во времени волновой функции .

Детерминизм вероятностный

Если у нас есть Ψ ( волновая функция ) – для системы вероятность положения частицы определяется квадратом ее модуля – │Ψ│2. Итак, мы фактически отказались от точного предсказания положения частицы из-за принципа неопределенности. Все, что мы можем сделать, это предсказать вероятности .

Одним из неприятных последствий этого факта является то, что до тех пор, пока не будет произведено измерение, частица по существу существует во всех положениях! Этот парадокс был сформулирован в форме мысленного эксперимента «кот Шрёдингера в ящике».

Кот Шрёдингера в коробке

Это гипотетический эксперимент, в котором кота помещают в коробку с некоторым оборудованием, выделяющим ядовитый газ, при обнаружении бета-частиц, испускаемых радиоактивным источником. Поскольку бета-излучение по своей природе является случайным, невозможно узнать, когда кошка умрет.

Пока не откроешь коробку, невозможно узнать, жив кот или мертв. Итак, пока мы не заглянем внутрь, согласно квантовой теории кот и мертв, и жив ! Это фундаментальный парадокс, представленный теорией. Это один из способов проиллюстрировать, как квантовая механика заставляет нас думать. Пока положение частицы не измерено, она существует во всех положениях одновременно, точно так же, как кошка живая и мертвая.

То, с чем мы вас здесь познакомили, — это всего лишь пресловутая верхушка айсберга. Квантовая механика позволяет думать о взаимодействиях между коррелирующими объектами со скоростью, превышающей скорость света ( явление, известное как квантовая запутанность ), течение жидкости без трения в виде сверхтекучей жидкости с нулевой вязкостью и течение тока с нулевым сопротивлением в сверхпроводниках. Когда-нибудь это может произвести революцию в том, как работают компьютеры, благодаря квантовым вычислениям. Она также закладывает основу передовой теории относительности, известной как квантовая теория поля, которая лежит в основе всей физики элементарных частиц.

На начальном этапе, когда вы пытаетесь понять основы квантовой механики, ваши мозговые цепи перегорают. Однако по мере того, как вы погружаетесь глубже в квантовую страну чудес, в запутанность и сложность уравнений и видите их применение в реальной жизни, очарование растет, открывая красоту на самом фундаментальном уровне. Мир — это не только то, что видно невооруженным глазом, но и то, что находится далеко за пределами нашего понимания. Квантовая механика произвела революцию в изучении физики и открыла путь к новым горизонтам.

Квантовая механика для чайников. Электричество, солнечная энергия, Yahoo… | Татум Роузмонд

Электричество, солнечная энергия, Yahoo, Google, комиксы DC, чудо, а теперь физика и квантовая физика. В какой-то момент истории все эти новшества считались революционными.

Если вы помешаны на комиксах (как и я), вы наверняка не раз слышали слово «квант». Но представьте, что научная фантастика и комиксы становятся реальностью. Представьте, что вы можете проникать сквозь стены, находиться в нескольких местах одновременно, быть неразрывно связанными, где бы вы ни находились во вселенной.

Представьте квантовую механику.

Майкл Джордан не знает

Короче говоря, квантовая механика — это инструменты для манипулирования субатомными частицами, такими как: атомы, молекулы, электроны, протоны, нейроны и т. д., для выполнения очень крутых вещей.

В этой вселенной у нас есть мир, каким мы его знаем, и квантовая реальность. Обычно (в нашем мире) мы видим такие вещи, как молекулы, электроны и т. д., в виде частиц. В квантовой сфере они называются волновыми функциями. Ученые не уверены, существуют ли эти волны на самом деле или их всего абстрактные математические волны

(но об этом позже).

Просто знайте, что правила классической физики неприменимы в квантовой сфере (так что забудьте о Ньютоне).

Помните, в начале я упомянул быть в нескольких местах одновременно, суперпозиция это позволяет. Это происходит из-за того, что одна волна может быть получена путем добавления или наложения нескольких волн. Суперпозиция просто означает сложение волн.

Чтобы частично понять концепцию суперпозиции, я использовал мысленный эксперимент с котом Шрёдингера.

Поместите кошку в запечатанный ящик с ядом, который с вероятностью 50% убьет кошку в течение часа. Через час (согласно квантовой механике и Шрёдингеру) за мгновение до того, как ящик будет открыт, кот жив и мертв.

Идея о том, что кошка одновременно живая и мертвая, кажется сверхъестественной, но это суперпозиция.

Пейнтбольное ружье стреляет по стене с двумя отверстиями и одной стеной за ней. Обычно на второй стене было бы только две полосы, но, согласно квантовой суперпозиции, в конце концов на второй стене начали бы формироваться несколько линий.

Эксперимент с двумя щелями

Это связано со свойством, называемым распределением вероятностей. Распределение вероятностей допускает наличие нескольких исходов в одном и том же эксперименте.

Из эксперимента с двумя щелями мы знаем, что субатомные частицы ведут себя как волны. Выше представлен упрощенный рисунок растекающейся электронной волны. В квантовой сфере эти волны распространяются на одну локализованную частицу, что называется квантовым коллапсом.

Я знаю, что это не имеет смысла, но, как сказал Ричард Фейнман:

«Если вы думаете, что понимаете квантовую механику, вы ее не понимаете» (Ричард Фейнман)

Немного обескураживает, но мы можем попробовать.

Ты прав! Запутанность — это способность субатомных частиц быть неразрывно связанными в совершенном унисоне, независимо от того, где во Вселенной и в какой форме они находятся. влюбиться и запутаться (понятно?). Теперь, когда они запутались, они связаны в совершенном унисоне независимо от обстоятельств. Эти две волновые функции теперь считаются одной (представьте, если бы человеческие запутывания — я имею в виду помолвки — были бы такими).

Но давайте углубимся, как работает квантовая запутанность ?

Альберт Эйнштейн назвал квантовую запутанность «жутким действием на расстоянии». Он был напуган, потому что считал возможным, что квантовая запутанная связь может быть быстрее скорости света (что противоречило его теории относительности и теперь известно, что она неверна).

Раньше я просто объяснял запутанность в виде волновых функций, теперь я объясню запутанность в виде частиц. <Они могут использоваться взаимозаменяемо.

Частицы обладают несколькими свойствами:

Мы можем разделить эти свойства на две категории. Естественные свойства и действительно странные, неестественные свойства (как у Дилана и Коула Спроуса).

Как ни странно, «спин», который, в конечном счете, и позволяет этим частицам общаться, падает в природных свойствах.

Все частицы обладают этим свойством, называемым «спин». На самом деле они не вращаются, но это близкая аналогия. Частицы обладают способностью двигаться без движения и имеют ориентацию в пространстве. Мы можем измерить спин частицы, но только если знаем, имеет ли она спин вверх или вниз.

Скорость вращения частицы увеличивается, когда она совпадает с измерением, и уменьшается, когда это не так.

Вы могли бы подумать, что каждая частица имеет определенный спин вверх или вниз, но это не так, что нарушает еще один закон классической физики, угловой момент. Запутанная частица имеет один спин вверх и один спин вниз.

До сих пор довольно трудно измерить запутанную квантовую волну или частицу, потому что одна сторона волны/частицы может быть удалена на триллионы световых лет или находиться в совершенно другом мире.

Всем любителям Людей Икс: вы знаете, кто такая Китти Прайд? Если да, то вы знаете, что она способна преодолевать твердые преграды. Это похоже на то, что делают частицы и волновые функции, когда сталкиваются с барьером (не со складом Страйфа или Магнето). По сути, волновая функция проходит через барьер, а частица должна находиться с другой стороны.

Это основано на том факте, что кинетическая энергия <потенциальная энергия. Давайте разберем это.

Представьте, что вы пытаетесь перебросить мяч через большую квадратную гору. Согласно классической физике мяч нельзя перебросить на другую сторону.

При квантовом туннелировании, если вы используете достаточно потенциальной энергии, шар появится на другой стороне. В этом примере потенциальная энергия является волновой функцией. Нет простого способа объяснить это явление, но просто знайте, что квантовое туннелирование = преодоление барьеров.

Квантовая механика умножит все в 10 раз (для всех читателей TKS вы знаете, о чем я говорю).

Оставить комментарий