Квантовая физика что это такое: Как устроена квантовая физика

Четыре популярных заблуждения о квантовой физике / Хабр

Квантовая механика – теория, управляющая микромиром атомов и элементарных частиц – определённо самая запутанная и контринтуитивная из всех областей физики. Из-за этого она поражает воображение и интригует нас. В 2022 году нобелевку по физике дали Алену Аспе, Джону Клаузеру и Антону Цайлингеру. Все трое внесли важнейший склад в исследование явления квантовой запутанности и подтверждение того, что квантовый мир принципиально невозможно описать классическими методами. Это событие вызвало радостное возбуждение и бурные дискуссии по поводу квантовой механики.

Однако все эти дебаты – будь то форумы, СМИ или даже научная фантастика – часто запутываются из-за упрямых мифов и заблуждений. Давайте разберём четвёрку самых распространённых из них.

1. Кот может быть живым и мёртвым одновременно

Эрвин Шрёдингер вряд ли мог предположить, что его мысленный эксперимент с котом в XXI веке приобретёт статус известнейшего мема. Ситуация предполагает, что неудачливый кот, застрявший в коробке со смертельным газом, который выпускает случайное квантовое событие – например, радиоактивный распад – может быть одновременно живым и мёртвым, пока мы не откроем коробку, чтобы это проверить.

Давно известно, что квантовые частицы могут существовать в двух состояниях, к примеру, быть в двух местах одновременно. Это называется суперпозицией. Это было продемонстрировано в знаменитом двухщелевом эксперименте: единственная квантовая частица, например фотон или электрон, может проходить через две щели в стенке одновременно. Но откуда нам это известно?

В квантовой физике состояние каждой частицы является волной. Когда мы отправляем фотоны по одному проходить сквозь щели, они создают на стене позади щелей рисунок интерференции двух волн. Поскольку ни у какого фотона, проходящего через щели, нет других фотонов, с которыми можно интерферировать, получается, что каждый фотон одновременно проходит через обе щели — и интерферирует сам с собой.

Однако, чтобы это сработало, состояния (волны) частицы, находящейся в суперпозиции, и проходящей через обе щели, должны быть когерентны: они должны определённым образом взаимодействовать друг с другом.

Эксперименты с суперпозицией можно проводить с объектами и более крупного размера, а также сложности. В одном знаменитом эксперименте Антона Цайлингера, проведённом в 1999 году, была показана квантовая суперпозиция крупных молекул углерода-60 (C

60), известных, как бакминстерфуллерены или «бакиболлы».

Что всё это значит для нашего кота? Действительно ли он одновременно жив и мёртв, пока мы не открываем коробку? Очевидно, кота не сравнить с отдельным фотоном, находящимся в контролируемых условиях лаборатории — он гораздо больше и сложнее. Любая когерентность, которая могла бы возникнуть между триллионами составляющих кота атомов, смогла бы существовать крайне непродолжительное время.

Это не означает, что у биологических систем квантовая когерентность невозможна – просто она обычно неприменима к таким большим существам, как коты или люди.

2. Запутанность можно объяснить простыми аналогиями

Запутанность – квантовое свойство, связывающее две разные частицы так, что если вы измерите состояние одной из них, вы автоматически мгновенно узнаёте состояние другой, вне зависимости от расстояния между ними.

Для объяснения этого явления обычно используют повседневные объекты из макромира – вроде игральных кубиков, карт или даже пар носков необычных цветов. К примеру: допустим, вы сообщаете вашему другу, что кладёте синюю карточку в один конверт, и оранжевую – в другой. Если ваш друг заберёт и откроет один из конвертов и найдёт в нём синюю карточку, он поймёт, что у вас осталась оранжевая.

Но чтобы понять квантовую механику, необходимо представить, что в конвертах лежат две карты, находящиеся в суперпозиции: то есть, они обе оранжевые и синие одновременно (одна оранжево-синяя, а другая сине-оранжевая). Когда кто-то вскроет один конверт, в нём окажется карта одного цвета, который будет определяться случайным образом. Но при вскрытии другого конверта в нём всегда будет карта другого цвета, «пугающим» образом связанная с первой.

Можно заставить карты показывать другие цвета – это аналогия проведения других квантовых измерений. Можно открывать конверт, задавая вопрос «зелёная там карта или красная?» Ответ вновь будет случайным – зелёная или красная. Главное, что если карты запутаны, то другая карта всегда даст противоположный ответ на тот же вопрос.

Альберт Эйнштейн пытался объяснить этот эффект при помощи классической интуиции, предположив, что у карт есть скрытый внутренний набор инструкций, сообщающий им, какой цвет принять, отвечая на определённый вопрос. Он отвергал «пугающее» взаимодействие между картами, позволяющее им вроде бы мгновенно влиять друг на друга – это означало бы возможность передачу сведений быстрее скорости света, что теории Эйнштейна запрещают.

Однако объяснение Эйнштейна было отвергнуто теоремой Белла (теоретическим испытанием, созданным физиком Джоном Стюартом Беллом) и проведёнными нобелевскими лауреатами в 2022 году экспериментами. Идея, состоящая в том, что измерение одной из запутанных карт меняет состояние другой, неверна. Квантовые частицы просто загадочным образом коррелируют друг с другом способами, которые мы со своей повседневной логикой и языком объяснить не можем. Они не обмениваются сообщениями и не содержат скрытого кода, как считал Эйнштейн. Поэтому забудьте о повседневных объектах, рассуждая о запутанности.

3. Природа нереальна и нелокальна

Часто говорят, что теорема Белла доказывает нелокальность природы – то есть, что ближайшее окружение объекта не влияет на него напрямую. Ещё одно типичное замечание – якобы, из неё следует, что свойства квантовых объектов нереальны, что они не существуют до того, как их измерят.

Но теорема Белла лишь говорит о том, что в квантовой физике природа будет нереальной и нелокальной, только если мы примем ещё несколько других предположений. Среди них – предположение о том, что у измерения может быть только один результат (а не несколько – если, например, речь идёт о параллельных мирах), что причина и следствие расположены по времени друг за другом, и что мы не живём во вселенной, похожей на часовой механизм – то есть, во вселенной, где всё предопределено с самого начала.

Несмотря на теорему Белла, природа может быть реальной и локальной – если мы откажемся от некоторых вещей, диктуемых здравым смыслом, вроде прямолинейного течения времени. Есть надежда, что дальнейшие исследования сузят количество возможных интерпретаций квантовой механики. Однако большинство упомянутых вариантов – к примеру, что время может течь назад, или отсутствие свободы воли – кажутся не менее абсурдными, чем отказ от концепции локальной реальности.

4. Никто не понимает квантовую механику

Классическая цитата (которую приписывают Ричарду Фейнману, и которая перефразирует Нильса Бора) звучит так: «Если вы думаете, что понимаете квантовую механику, вы её не понимаете».

Эта точка зрения широко распространена. Якобы квантовую физику понять невозможно – даже для физиков. Но с точки зрения XXI века квантовая физика не кажется особенно сложной для учёных ни с математической, ни с концептуальной точки зрения. Мы понимаем её очень хорошо, мы даже можем предсказывать квантовые явления с высокой точностью, симулировать сложные квантовые системы и даже начали делать квантовые компьютеры.

Для описания суперпозиции и запутанности на языке квантовой информации не требуется чего-то более сложного, чем математика из старших классов. Теорема Белла вообще не требует квантовой физики. Её уравнения можно вывести в несколько строчек при помощи теории вероятностей и линейной алгебры.

Реальная сложность состоит в том, чтобы помирить квантовую физику с интуитивной реальностью. Но отсутствие всех ответов не остановит нас на пути дальнейшего прогресса квантовых технологий. Мы можем просто «заткнуться и считать».

К счастью для человечества, Аспе, Клаузер и Цайлингер отказались затыкаться и продолжали задавать вопрос «почему». Когда-нибудь их последователи, возможно, помогут помирить квантовые странности с нашим ощущением реальности.

Что такое квантовая физика: происхождение и принципы

В старших классах мы привыкли изучать физику. Однако есть вид физики, к которому, возможно, не все привыкли. Это о квантовая физика. Многие не знают, что такое квантовая физика. Это очень обсуждаемая и увлекательная тема, которая может революционизировать наши представления о вселенной вокруг нас. Это теория физики, которая описывает поведение материи, а также имеет несколько приложений в повседневной жизни.

Поэтому в этой статье мы расскажем вам, что такое квантовая физика и каковы ее характеристики.

Индекс

• 1 Что такое квантовая физика
• 2 Происхождение
• 3 Квантовая теория
• 4 Принципы квантовой физики
  • 4.1 Дуализм волна-частица
  • 4.2 Принцип неопределенности Хайнзенберга

Что такое квантовая физика

Квантовая физика также называется квантовой или механической теорией. Потому что он основан на механической теории, которая фокусируется на масштабе длины и явлениях атомной и субатомной энергии, давая новую жизнь предыдущим теориям, которые теперь считаются устаревшими.

В чем разница между классической физикой и квантовой физикой? Последний описывает излучение и материю как двойственные явления:

волны и частицы. Следовательно, дуальность волна-частица может рассматриваться как одна из характеристик этой механики. Взаимосвязь между волнами и частицами изучается и подтверждается двумя принципами:

• Принцип дополнительности
• Принцип неопределенности Гейзенберга (последний формализует первый).

Мы определенно можем быть уверены, что после открытия теории относительности и рождения классической физики эти открытия открыли новую эру в современной физике.

Для всестороннего изучения квантовой механики требуется интеграция между различными разделами физики:

• Атомная физика
• Физические частицы
• Физика материи
• Ядерная физика

Происхождение

Классическая физика не мог изучать материю на микроуровне в конце XNUMX века, что, можно сказать, выходит за рамки атомных измерений. Следовательно, невозможно изучать экспериментальную реальность, особенно явления, связанные со светом и электронами. Но люди всегда хотят идти дальше, и его врожденное любопытство побуждает его исследовать больше.

В начале XNUMX века открытия, сделанные в атомном масштабе, бросили вызов старым предположениям. Квантовая теория родилась благодаря термину, введенному академиком Максом Планком в начале XNUMX века. Основная идея состоит в том, что микроскопическая величина и количество некоторых физических систем могут даже изменяться прерывисто, но дискретно.

Эти исследования и исследования позволили прийти к таким выводам:

• 1803: признание атомов как составного элемента молекул
• 1860: таблица Менделеева группирует атомы по химическим свойствам
• 1874: открытие электрона и ядра
• 1887: исследования ультрафиолетового излучения

Последняя дата может обозначить главную разделительную линию. Для частот излучения ниже порога явление взаимодействия (фотоэлектрический эффект) между электромагнитным излучением и веществом исчезает. Из-за фотоэлектрического эффекта энергия электронов пропорциональна частоте электромагнитного излучения. Волновой теории Максвелла уже недостаточно для объяснения некоторых явлений.

Квантовая теория

Чтобы суммировать факторы, которые способствовали рождению квантовой физики, мы можем перечислить более важные даты, которые связаны с открытиями и знаниями, используемыми для прослеживания истории квантовой механики:

• 1900: Планк iОн вводит идею о том, что энергия измеряется, поглощается и испускается.
• 1905: Эйнштейн демонстрирует фотоэлектрический эффект (энергия электромагнитного поля переносится квантами света (фотонами)
• 1913: Бор количественно определяет орбитальное движение электрона.
• 1915: Зоммерфельд вводит новые правила, обобщающие методы количественной оценки.

Но именно в 1924 году квантовая теория в том виде, в каком мы ее знаем сейчас, заложила основы. В этот день Луиза де Броджи разработала теорию волн материи. В следующем году Хайнсбург пришел к власти, сформулировал матричную механику, а затем Дирак предложил специальную теорию относительности в 1927 году. До 1982 года, когда Институт оптики Орсе завершил свое исследование нарушения неравенства Белла, эти открытия продолжались одно за другим. .

Принципы квантовой физики

Среди наиболее интересных открытий мы находим:

• Дуальность волна-частица
• Принцип дополнительности
• Начало неопределенности

Дуализм волна-частица

Раньше существовала только классическая физика. Это было разделено на две группы законов:

• Законы Ньютона
• Законы Максвелла

Первый набор законов описывает движение и динамику механических объектов, а второй набор законов описывает тенденции и связи между субъектами, которые являются частью электромагнитных полей: свет и радиоволны, Например.

Некоторые эксперименты показывают, что свет можно рассматривать как волну. Но они не подтверждены. С другой стороны, свет имеет природу частиц (от Эйнштейна и Планка), и поэтому идея о том, что он состоит из фотонов, приобретает все большую и большую легитимность. Благодаря Бору стало понятно, что природа материи и излучения:

• Сделайте это волной
• Сделайте это тело

Было невозможно думать с той или иной точки зрения, но с точки зрения дополнительных. Дополнительный принцип Бора только подчеркивает этот момент, т. Е. явления, происходящие в атомном масштабе, обладают двойственными свойствами волн и частиц.

Принцип неопределенности Хайнзенберга

Как мы упоминали ранее в 1927 году, Хайнзенберг показал, что определенные пары физических величин, такие как скорость и положение, не может одновременно регистрироваться без ошибок. Точность может повлиять на одно из двух измерений, но не на оба одновременно, потому что такие явления, как скорость, повлияют на результат другого измерения и сделают измерение недействительным.

Чтобы определить местонахождение электрона, необходимо осветить фотон. Чем короче длина волны фотона, тем точнее измерение положения электрона. В квантовой физике фотоны с низкой частотой волны переносят больше энергии и скорости, чем поглощают электроны. В то же время эти измерения не поддаются определению.

Я надеюсь, что с этой информацией вы сможете больше узнать о том, что такое квантовая физика и каковы ее характеристики.

Квантовая информация

«Квантовая информация» — это привлекательное и информативное введение в передовые технологии квантовой физики для старшеклассников и студентов. Плакат освещает продолжающиеся исследования крошечных строительных блоков нашей Вселенной.

Что такое квантовая физика?

Квантовая физика описывает мир очень малых: атомы, электроны, свет. Квантовый мир странный. Один из примеров этого иллюстрирует картинка в левом верхнем углу плаката: вы видите 6 кубиков или 10? Точно так же, как ваш разум может интерпретировать изображение двумя разными способами, квантовые системы могут находиться в нескольких состояниях одновременно. это называется суперпозиция .

Посмотрите еще раз: в любой момент ваш разум выбирает кубическую ориентацию, и противоречие исчезает. Квантовые суперпозиции столь же хрупки. Измерение , означающее взаимодействие с внешним миром, заставляет квантовую систему «коллапсировать» до одного из состояний ее компонентов.

Что такое квантовая информация?

Большая часть информации хранится в относительно больших структурах — книгах, текстовых сообщениях, ДНК, компьютерах. Квантовая информация — это информация, хранящаяся в очень маленьких структурах, называемых кубитов . Кубиты можно сделать из любой квантовой системы, имеющей два состояния. На изображении на плакате эти состояния изображены как электронные орбиты в атоме.

Из-за принципа суперпозиции кубиты, в отличие от «классических битов» в вашем компьютере, могут находиться в обоих возможных состояниях одновременно. Это открывает новые захватывающие возможности в информационных технологиях.

Что мы можем сделать с квантовой информацией?

Ученые используют квантовую физику для:

• телепортирует информацию между частицами, разделенными в пространстве.
• шифруют сообщения, чтобы их нельзя было перехватить без обнаружения шпиона.
• построить новые мощные компьютеры, чтобы быстро решать проблемы, которые сегодня занимают компьютерные годы. Примеры включают факторизацию больших чисел, которые используются для шифрования данных, и поиск в обширных базах данных.

Хотите узнать больше?

Плакат «Квантовая информация»
Объяснения физики квантовой информации чередуются с четкими, детализированными графиками и изображениями.
Получите плакат «Квантовая информация»!

Объединенный квантовый институт
Объединенный квантовый институт является партнерством между Национальным институтом стандартов и технологий и Мэрилендским университетом. Он был создан в 2006 году для проведения теоретических и экспериментальных исследований квантовой физики в контексте информационных наук и технологий.
Подробнее о JQI и квантовой информации

PhysicsCentral
Информация о квантовой механике на информационном веб-сайте APS.
PhysicsCentral: Quantum Mechanics

Нобелевская премия 2012 года
Нобелевская премия по физике 2012 года была присуждена двум физикам за фундаментальные открытия в области квантовой информации.
Дополнительная информация
 

Дизайн плаката и авторы

«Квантовая информация» была разработана совместно APS и JQI.
Текст и изображения: Эмили Эдвардс, JQI
Редактирование: Габриэль Попкин, APS
Дизайн: Эмили Эдвардс, JQI и Нэнси Беннетт-Карасик, APS

Что такое квантовая физика? | Вандополис

НАУКА — Физические науки

Задумывались ли вы когда-нибудь…

• Что такое квантовая физика?
• Кто разработал первую теорию квантовой механики?
• Можно ли одновременно измерить положение и импульс квантовых частиц?
  

Теги:

Просмотреть все теги

• Наука,
• Материя,
• Атом,
• Квантовая физика,
• Квантовая механика,
• Субатомный,
• Теория,
• Физик,
• немецкий,
• Макс Планк,
• Энергия,
Блок
• ,
• Электромагнитный,
• Волна,
• Кванта,
• Свет,
• Фотон,
• Нобелевская премия,
• Физика,
• Альберт Эйнштейн,
• Нильс Бор,
• Вернер Гейзенберг,
• Луи де Бройль,
• Принцип корпускулярно-волнового дуализма,
• Частица,
• Принцип неопределенности,
• Должность,
• Импульс,
• Копенгагенская интерпретация,
• Суперпозиция

Сегодняшнее чудо дня было вдохновлено Боуи. Боуи удивляется , « что такое квантовая физика » Спасибо, что ДУМАЕТЕ вместе с нами, Боуи!

Вы когда-нибудь смотрели на окружающий мир и ЗАДАВАЛИСЬ, из чего он сделан? Что-то сложное, например, автомобиль, может быть сделано из тысяч различных материалов. Даже такая, казалось бы, простая вещь, как горсть песка, может состоять из всевозможных микроскопических кусочков «вещества».

Все «вещество», из которого мы состоим, и все, что нас окружает, известно как материя. Но действительно ли имеет значение, из чего сделана вся эта материя? Для учёных, конечно!

С самых первых дней научных исследований ученые стремились узнать больше об основных строительных блоках материи. Когда-то ученые думали, что разгадали тайну, когда теоретизировали и наконец открыли атомы. Ведь не может быть ничего меньше атома, верно?

Ученым не потребовалось много времени, чтобы начать теоретизировать о том, что может существовать внутри атомов. За последнее столетие ученые придумали увлекательные теории о том, как работают вещества, из которых состоят атомы. Эта область исследований известна как квантовая физика (иногда также известная как квантовая механика), и она часто больше похожа на научную фантастику, чем на обычную науку.

Как вы понимаете, изучать материю на субатомном уровне непросто. Это требует большого количества экспериментов, тщательного наблюдения с помощью точных инструментов и сложных математических уравнений.

Теории, разработанные квантовыми физиками на протяжении многих лет, могут быть трудны для понимания даже самыми блестящими учеными. По этой причине мы рассмотрим лишь некоторые из самых основных аспектов квантовой физики.

Квантовая физика началась с немецкого физика Макса Планка. В 1900, он представил свою квантовую теорию, которая впервые предположила, что энергия существует как отдельные единицы, подобные материи, а не как постоянная электромагнитная волна.

Планк назвал эти отдельные единицы квантами , что дало название его теории и этой новой области. Согласно Планку, квант — это наименьшее возможное количество энергии. Например, квант света известен как фотон.

Планк получил Нобелевскую премию по физике в 1918 году за свою теорию. Другие выдающиеся ученые, включая Альберта Эйнштейна, Нильса Бора и Вернера Гейзенберга, внесли свой вклад в работу Планка по развитию квантовой физики в последующие десятилетия.

В квантовой физике разработано несколько интересных теорий, и некоторые из них поражают воображение. Например, Луи де Бройль в 1924 г. предложил принцип корпускулярно-волнового дуализма. Согласно его теории, не существует принципиальной разницы в поведении и составе материи и энергии. На атомном и субатомном уровне и материя, и энергия могут вести себя так, как будто они состоят либо из частиц, либо из волн.

В 1927 году Вернер Гейзенберг разработал теорию, известную как принцип неопределенности. Согласно Гейзенбергу, невозможно точно измерить и положение, и импульс субатомной частицы, потому что сам процесс наблюдения влияет на субатомные частицы.

Проще говоря, чем больше вы знаете о том, где находится частица, тем меньше вы можете знать о том, как она движется, и наоборот. Следствием этой теории является то, что квантовые физики могут измерять только вероятности, а не достоверность.

Опираясь на работу Гейзенберга, Нильс Бор предложил теорию, известную как Копенгагенская интерпретация квантовой теории. Согласно теории Бора, частица — это то, чем ее измеряют (будь то волна или частица). Однако пока оно не измерено, оно существует во всех возможных состояниях одновременно. Этот принцип также известен как суперпозиция.

Интересно, что дальше?

Завтрашнее чудо дня перевернет вас с ног на голову!

Попробуйте

Готовы узнать больше о квантовой физике? Обязательно проверьте следующие действия с другом или членом семьи:

• Квантовая физика больше похожа на научную фантастику, чем на реальную науку? Не волнуйся! Многие ученые чувствовали то же самое, когда впервые столкнулись с квантовой физикой. Если вы хотите глубже погрузиться в мир квантовой физики и изучить некоторые ее доказательства, ознакомьтесь с онлайн-публикацией «Три эксперимента, которые доказывают, что квантовая физика реальна».
• Если вы хотите поэкспериментировать с квантовой физикой, дерзайте! Возможно, вам понадобится помощь взрослого члена семьи или друга. Зайдите в Интернет, чтобы изучить квантовую физику «Сделай сам» для нескольких уникальных экспериментов, которые вы можете провести сами дома!
• Может ли видеоигра помочь вам узнать больше о квантовой физике? Может быть! Прочитайте «Использование Minecraft для обучения детей квантовой физике», чтобы узнать больше о том, как ученые и разработчики видеоигр объединяются, чтобы использовать эту популярную видеоигру, чтобы помочь детям узнать больше о принципах квантовой физики!

Wonder Sources

• http://www.real-world-physics-problems.com/quantum-physics-for-kids.html
• http://whatis.techtarget.com/definition/quantum-theory
• http://encyclopedia. kids.net.au/page/qu/Quantum_mechanics
• http://www.factmonster.com/dk/encyclopedia/quantum-theory.html

Вы поняли?

Проверьте свои знания

Wonder Words

• комплекс
• простой
• уровень
• точный
• фотон
• атом
• горсть
• запрос
• блестящий
• расширенный
• выдающийся
• импульс
• автомобиль
• субатомный
• микроскопический
• очарован
• математический
• эксперимент

Примите участие в конкурсе Wonder Word

Оцените это чудо

Поделись этим чудом

×

ПОЛУЧАЙТЕ СВОЕ ЧУДО ЕЖЕДНЕВНО

Подпишитесь на Wonderopolis и получайте Wonder of the Day® по электронной почте или SMS

Присоединяйтесь к Buzz

Не пропустите наши специальные предложения, подарки и рекламные акции.