Квантовая физика что изучает: суть простыми словами « Народное Движение Узбекистана

суть простыми словами « Народное Движение Узбекистана

Здравствуйте дорогие читатели. Если вы не хотите отставать от жизни, быть по-настоящему счастливым и здоровым человеком, вы должны знать о тайнах квантовой современной физики, хоть немного представлять до каких глубин мироздания докопались сегодня ученые. Вам некогда вдаваться в глубокие научные подробности, а хотите постигнуть лишь суть, но увидеть красоту неизведанного мира, тогда эта статья: квантовая физика для обычных чайников или можно сказать для домохозяек как раз для вас.  Я постараюсь объяснить,  что такое квантовая физика, но простыми словами, показать наглядно.

«Какая связь между счастьем, здоровьем и квантовой физикой?»- спросите вы.

Дело в том, что она помогает ответить на многие непонятные вопросы, связанные с сознанием человека, влияния сознания на тело. К сожалению, медицина, опираясь на классическую физику, не всегда нам помогает быть здоровым. А психология не может нормально сказать, как обрести счастье.

Только более глубокие познания мира помогут нам понять, как же по-настоящему справиться с болезнями и где обитает счастье. Это знание находятся в глубоких слоях Вселенной. На помощь нам приходит квантовая физика. Скоро вы все узнаете.

Что изучает квантовая физика простыми словами

Да, действительно  квантовую физику очень сложно понять из-за того, что  она изучает законы микромира. То есть мир на более глубоких его слоях, на очень малых расстояниях, там, куда очень сложно заглянуть человеку.

А мир, оказывается, ведет себя там очень странно, загадочно и непостижимо, не так как мы привыкли.

Отсюда вся сложность и непонимание квантовой физики.

Но после прочтения этой статьи вы раздвинете горизонты своего познания и посмотрите на мир совсем по-другому.

Кратко об истории квантовой физики

Все началось в начале 20 века, когда ньютоновская физика не могла объяснить многие вещи и ученые зашли в тупик. Тогда Максом Планком было введено понятие кванта. Альберт Эйнштейн подхватил эту идею и доказал, что свет распространяется не непрерывно, а порциями – квантами (фотонами). До этого же считалось, что свет имеет волновую природу.

Но как оказалось позже  любая элементарная частица, это не только квант, то есть твердая частица, а также  волна. Так появился корпускулярно-волновой дуализм в квантовой физике, первый парадокс и начало открытий загадочных явлений микромира.

Самые интересные парадоксы начались, когда был проведен знаменитый эксперимент с двумя щелями, после которого загадок стало намного больше. Можно сказать, что квантовая физика началась с него. Давайте  его рассмотрим.

Эксперимент с двумя щелями в квантовой физике

Представьте себе пластину с двумя  щелями в виде вертикальных полос. За этой пластиной поставим экран. Если направить свет на пластину, то на экране мы увидим интерференционную картину. То есть чередующиеся темные и яркие вертикальные полосы. Интерференция это результат волнового поведения чего-либо, в нашем случае света.

Если вы пропустите волну воды через два отверстия расположенных рядом, вы поймете что такое интерференция. То есть свет получается вроде как имеет волновую природу. Но как доказала физика, вернее Эйнштейн, он распространяется частицами-фотонами. Уже парадокс. Но это ладно, корпускулярно-волновым дуализмом нас уже не удивить. Квантовая физика говорит нам, что свет ведет себя как волна, но состоит из фотонов. Но чудеса только начинаются.

Давайте перед пластиной с двумя прорезями поставим пушку, которая будет испускать не свет, а электроны. Начнем стрелять электронами.  Что мы увидим на экране за пластиной?

Электроны ведь это частицы, значит поток электронов, проходя через две щели, должны оставлять на экране всего две полосы, два следа напротив щелей. Представили себе камушки, пролетающие сквозь две щели и ударяющие об экран?

Но что мы видим на самом деле? Всю ту же интерференционную картину. Каков вывод: электроны распространяются  волнами. Значит электроны это волны. Но ведь это элементарная частица. Опять корпускулярно-волновым дуализм в физике.

Но можно предположить, что на более глубоком уровне электрон это частица, а когда эти частицы собираются вместе, они начинают вести себя как волны. Например, морская волна это волна, но ведь она состоит из капель воды, а на более мелком уровне из молекул, а затем из атомов. Хорошо, логика твердая.

Тогда давайте будем стрелять из пушки не потоком электронов, а выпускать электроны по отдельности, через какой-то промежуток времени. Как если бы мы пропускали через щели не морскую волну, а плевались бы отдельными каплями из детского водяного пистолета.

Вполне логично, что в таком случае разные капли воды попадали бы в разные щели. На экране за пластиной можно было бы увидеть не интерференционную картину от волны, а две четкие полосы от удара напротив каждой щели. То же самое мы увидим, если кидать  мелкие камни, они, пролетая  сквозь две щели, оставляли бы след, словно тень от двух отверстий. Давайте же теперь стрелять отдельными электронами, чтобы увидеть эти две полосы на экране от ударов электронов. Выпустили один, подождали, второй, подождали и так далее. Ученые квантовой физики смогли сделать такой эксперимент.

Но ужас. Вместо этих двух полос получаются все те же интерференционные чередования нескольких полос. Как так? Такое может случиться, если бы электрон пролетал одновременно через две щели, а за пластиной, как волна сталкивался бы сам с собой и интерферировал. Но такое не может быть, ведь частица не может находиться в двух местах одновременно. Она или пролетает сквозь первую щель или сквозь вторую.

Вот тут начинаются поистине фантастические вещи квантовой физики.

Суперпозиция в квантовой физике

При более глубоком анализе ученые выясняют что любая элементарная квантовая частица или тот же свет(фотон) на самом  деле могут находиться в нескольких местах одновременно. И это не чудеса, а реальные факты микромира. Так утверждает квантовая физика. Вот поэтому, стреляя из пушки отдельной частицей, мы видим результат интерференции. За пластиной электрон сталкивается сам с собой и создает интерференционную картину.

Обычные нам объекты макромира находятся всегда в одном месте, имеют одно состояние. Например, вы сейчас сидите на стуле, весите, допустим, 50 кг, имеете частоту пульса 60 ударов в минуту. Конечно, эти показания изменятся, но изменятся они через какое-то время. Ведь вы не можете одновременно быть дома и на работе, весить 50 и 100 кг. Все это понятно, это   здравый смысл.

В физике микромира же все по-другому.

Квантовая механика утверждает, а это уже подтверждено экспериментально, что  любая элементарная частица может находиться одновременно не только в нескольких точках пространства, но также иметь в одно и то же время несколько состояний, например спин.

Все это не укладывается в голову, подрывает привычное представление о мире, старые законы физики, переворачивает мышление, можно смело сказать сводит с ума.

Так мы приходим к пониманию термина «суперпозиции» в квантовой механике.

Суперпозиция означает, что объект микромира может одновременно находиться в разных точках пространства, а также иметь несколько состояний одновременно.  И это нормально для элементарных частиц. Таков закон микромира, каким бы странным и фантастическим он не казался.

Вы удивлены, но это только цветочки, самые необъяснимые чудеса, загадки и парадоксы квантовой физики еще впереди.

Коллапс волновой функции в физике простыми словами

Затем ученые решили выяснить и посмотреть более точно, реально ли электрон проходит через обе щели. Вдруг он  проходит через одну щель, а затем каким-то образом разделяется и создает интерференционную картину, проходя через нее. Ну, мало ли. То есть нужно поставить какой-нибудь прибор возле щели, который бы точно зафиксировал прохождение электрона через нее. Сказано, сделано. Конечно, осуществить это сложно,  нужен не прибор, а что-то другое, чтобы увидеть прохождение электрона. Но ученые сделали это.

Но в итоге результат ошеломил всех.

Как только мы начинаем смотреть, через какую щель проходит электрон, так он начинает вести себя не как волна, не как странное вещество, которое одновременно находится в разных точках пространства, а как обычная частица. То есть начинает проявлять конкретные свойства кванта: находится только в одном месте, проходит через одну щель, имеет одно значение спина. На экране появляется не интерференционная картина, а простой след напротив щели.

Но как такое возможно. Как будто электрон шутит, играет  с нами. Сначала он ведет себя как волна, а затем, после того, как мы решили посмотреть прохождение его через щель, проявляет свойства твердой частицы и проходит только через одну щель. Но так оно и есть в микромире. Таковы законы квантовой физики.

Ученые увидели еще одно загадочное свойство элементарных частиц. Так появились в квантовой физике понятия неопределенность и коллапс волновой функции.

Когда  электрон летит к щели, он находится в неопределенном состоянии или как мы сказали выше в суперпозиции. То есть ведет себя как волна, находится одновременно в разных точках пространства, имеет  сразу два значения спина (у спина всего два значения). Если бы мы его не трогали, не пытались смотреть на него, не выясняли, где именно он находится, не измеряли бы значение его спина, он бы так и пролетел как волна одновременно через две щели, а значит, создал интерференционную картину. Его траектория и параметры квантовая физика описывает с помощью волновой функции.

После того, как мы произвели измерение (а произвести измерение частицы микромира можно только взаимодействуя с ней, например, столкнуть с ней другую частицу), то происходит коллапс волновой функции.

То есть теперь электрон находится точно в каком-то одном месте пространства, имеет одно значение спина.

Можно сказать элементарная частица как призрак, она как бы есть, но одновременно ее нет в одном месте, и может с определенной вероятностью оказаться в любом месте в пределах описания волновой функцией. Но как только мы начинаем с ней контактировать, она из призрачного объекта превращается в реальное осязаемое вещество, которое ведет себя как обычные, привычные для нас предметы классического мира.

«Вот это фантастика»- скажете вы. Конечно, но чудеса квантовой физики только начинаются. Самое невероятное еще впереди. Но давайте немного отдохнем от обилия информации и вернемся к квантовым приключениям в другой раз, в другой статье. А пока поразмышляйте о том, что вы сегодня узнали. К чему могут привести такие чудеса? Ведь они окружают нас, это свойство нашего мира, хоть и на более глубоком уровне. А мы все еще думаем, что живем в скучном мире? Но выводы сделаем позже.

Я попытался рассказать об основах квантовой физике кратко и понятно.

Но  если вы что-то не поняли, тогда посмотрите вот этот мультик про квантовую физику, про эксперимент с двумя щелями, там также все рассказывается понятным, простым языком.

Мультфильм про квантовую физику:

Или можно смотреть вот этот видео, все станет на свои места, квантовая физика ведь очень интересна.

Видео о квантовой физике:

И как вы раньше об этом не знали.

Источник: zslife.ru

Почему квантовую физику так сложно понять? Объясняем в девяти карточках

Как правило, работа физика-теоретика и физика-экспериментатора очень сильно различается. Теоретики могут за всю жизнь не посетить ни одну лабораторию, не видеть ни один эксперимент, и при этом делать потрясающие открытия в области квантовой механики. Например, на заре квантовой механики, в начале 20 века, физики-теоретики придумали огромное количество потрясающих экспериментов, которые нельзя было поставить в то время. Но спустя десятки лет подтвердилось, что все было предсказано правильно. Физики-теоретики прекрасно представляют себе, как устроена экспериментальная установка, как именно на ней работают. Также они очень плотно взаимодействуют с данными, графиками, изображениями, полученными в лабораториях, и строят подходящие теории, чтобы объяснить результаты этих экспериментов.

Физика не ставит перед собой цели сделать что-то, что человек будет использовать каждый день. Но когда это случается, то происходит очень метко. Например, устройства, которые позволяют нам общаться из разных точек мира, строятся на сложных физических принципах. Поэтому даже та 0,1% открытий, которые доходят до всеобщего применения, настолько преображает нашу жизнь, что мы просто не можем представить, как обходились без этого раньше.

В первую очередь, фундаментальное открытие бозона Хиггса, которое было сделано на Большом адронном коллайдере. Пусть и с оговорками, но оно позволило завершить построение стандартной модели элементарных частиц, которая объясняет свойства нашего мира на самом маленьком масштабе, какой только доступен в настоящее время. Это был последний кирпичик в данной модели, который был предсказан теоретиками задолго до экспериментального открытия.

Во-вторых, к главным достижениям можно отнести все разработки в области квантового компьютера, преодоление предела квантового превосходства. И наконец, еще одно значительное открытие — это разработка технологии квантовой связи. Квантовая коммуникация уже вошла в нашу жизнь, она применяется в разных сферах ― например, в банковских и правительственных учреждениях, в том числе и в России.

На уточнение стандартной модели пришлось потратить 50-70 лет: на строительство очень сложного и дорогого адронного коллайдера ушли годы. Следующий момент уточнения находится уже при столь высоких энергиях, для которых не хватит ускорителя даже размером с целую планету. Поэтому в области экспериментального подтверждения существующих сейчас теорий ученые ждут некоторый застой (сделаем оговорку, что сейчас ведутся поиски суперсимметричных партнеров и аксиона, а также частиц темной материи). С другой стороны, на теоретическом уровне есть еще огромное количество неизведанного. Например, те же теории струн и квантовой петлевой гравитации, как кандидаты на «теорию всего», из-за их математической сложности разработаны достаточно слабо. Поэтому, возможно, скоро появится совершенно новый подход, который окажется гораздо лучше. Также есть надежды на прояснение природы темной материи и темной энергии.

Конечно, появление квантового компьютера очень сильно перевернет нашу жизнь. Во-первых, ученым придется переписать многие существующие сейчас алгоритмы шифрования — а значит, все программы, приложения, сайты, способы коммуникаций. Во-вторых, у квантового компьютера, помимо невероятных способностей к дешифрованию, будут и другие полезные применения: например, описание свойств материалов, которые специалисты не могут рассчитывать на обычном компьютере, или поиск лекарств от сложных заболеваний. Возможности квантового компьютера позволят совершить огромный прорыв во всех технических направлениях, а также в области понимания тех вопросов теоретической физики, которые ученые не могут решить сейчас из-за ограничений в вычислительных ресурсах.

Урок №16 Что такое квантовая физика?

Для успешного усвоения данной темы необходимо прочитать материал, представленный ниже и выполнить следующие задания:

В процессе урока, учащиеся должны самостоятельно законспектировать основные понятия, термины, законы, в конце урока учащиеся должны ответить на следующие вопросы, используя свой конспект:

– Что такое квантовая физика?

– В чем заключается принципиальное отличие квантово-механического описания состояния системы от классического описания?

– В чем сущность корпускулярно-волнового дуализма?

– В чем заключается отличие микрообъектов от макрообъектов?

– Какие науки пошли от квантовой механики?

Теоретический материал

Впитав в себя идеи теории относительности (невозможность передачи сигналов со скоростью больше скорости света в вакууме, взаимосвязь массы и энергии, инвариантность физических законов относительно перехода из одной инерциальной системы в другую и т.п.), физика ХХ столетия развивалась далее под флагом квантовой теории. В определённом смысле практически вся современная физика – это квантовая физика. Её рождение и развитие может рассматриваться как основной итог «новейшей революции в естествознании». Здесь произошло подлинное объединение диалектики и естествознания, возникли новые идеи, новая методология. Квантовая физика произвела переоценку роли динамических и статистических закономерностей (в пользу примата последних), потребовала изменения самого характера физических моделей, переосмысления роли исследователя в изучаемом им мире, отказа от многих привычных понятий и представлений.

Так что же такое квантовая физика? На данный вопрос нельзя ответить однозначно. Прежде всего, квантовая физика – это теория, описывающая свойства материи на уровне микроявлений; она исследует законы движения микрообъектов. Атомы, молекулы, элементарные частицы – основные «действующие лица» в квантовой физике.

Вместе с тем квантовая физика – это теоретическая основа современного учения о структуре и свойствах вещества и поля. По сравнению с классической физикой она рассматривает материю на более глубоком, более фундаментальном уровне. Она позволяет раскрыть многие «почему?», которые оставались без ответа в классической физике. Почему, например, алмаз твёрд? Почему электрическая проводимость полупроводника растёт с увеличением температуры? Почему магнит утрачивает свои свойства с нагреванием? На эти и многие другие подобные вопросы классическая физика ответа не даёт – здесь надо обращаться к квантовой теории. Классическая физика рассматривает различные параметры вещества (например, вязкость, удельную теплоёмкость, теплопроводность, диэлектрическую проницаемость, электрическую проводимость, показатель преломления) как параметры эмпирические: их значения для различных материалов определяются на основе измерений. Квантовая физика даёт возможность рассчитать физические параметры вещества. Отвечая на вопрос «что такое квантовая физика?», американский физик У.Лэмб заметил, что наиболее просто определить её как «науку, обеспечивающую нас удивительным набором правил расчёта определённых физических свойств вещества» [14].

В каком отношении к классической физике находится квантовая физика? Прежде всего отметим, что квантовая физика содержит классическую как свой предельный случай; при переходе от микрообъектов к обычным объектам (будем называть их макрообъектами) законы квантовой физики превращаются в законы классической. Иногда говорят, что квантовая физика «работает» в микромире, а классическая – в макромире. Такое утверждение предполагает, что существуют некий отдельный «микромир» и некий «макромир». Правильнее говорить о существовании микрообъектов (микроявлений) и макрообъектов (макроявлений). Принципиально важно, что в основе макроявлений лежат микроявления, что макрообъекты построены из микрообъектов. Переход от классической физики к квантовой есть переход не из одного «мира» в другой, а от менее глубокого к более глубокому рассмотрению материи. Это означает, что, изучая поведение микрообъектов, квантовая физика рассматривает фактически те же самые макрообъекты, но на более фундаментальном уровне. Кроме того, следует помнить, что грань между микро- и макроявлениями в общем случае достаточно условна и подвижна. Классические представления нередко оказываются полезными при рассмотрении микроявлений, а квантово-физические – при рассмотрении макроявлений. Существует, наконец, специальный термин «квантовая макрофизика», применяемый, в частности, к квантовой электронике, явлениям сверхтекучести и сверхпроводимости и в ряде других случаев.

Строго говоря, квантовая физика – не одна, а несколько наук. Науки эти вполне самостоятельны, хотя, надо подчеркнуть, грани между ними часто оказываются весьма неопределёнными. Фундаментом квантовой физики является квантовая механика, изучающая законы движения (законы механики) микрообъектов, строение и свойства атомов и молекул. К ней тесно примыкают квантовая электродинамика (изучает взаимодействие электронов и фотонов) и совсем недавно возникшая квантовая хромодинамика (изучает кварковую структуру элементарных частиц). Как от ствола дерева, от квантовой механики пошли многие «ветви», каждая из которых является сегодня вполне самостоятельной наукой: квантовая химия, квантовая теория твёрдого тела, квантовая электроника, теория атомного ядра и др. Обширный конгломерат наук, объединяемый общим термином «квантовая физика», служит теоретической базой для многих современных научно-технических направлений – таких, например, как материаловедение (включая синтез новых материалов с наперёд заданными свойствами), электроника (включая вычислительную технику и робототехнику), атомная энергетика, лазерная техника. Можно сказать, что квантовая физика – это теоретическая база научно-технического прогресса.

О кафедре

Кафедра квантовой физики и наноэлектроники

Посмотреть презентацию кафедры (файл *.pdf)

Кафедра КФН основана в июле 1999 г. в целях углубления фундаментального образования и подготовки по передовым направлениям современной науки и техники. В составе кафедры 20 преподавателей, из них 1 академик Российской Академии наук, 4 профессоров, докторов физико-математических наук и 4 доцентов, кандидатов физико-математических и технических наук.

Миссия кафедры:

Синтез науки, фундаментального естественно-научного и современного инженерного образования для подготовки специалистов, способных стать лидерами в ключевых областях наноэлектроники.

Кафедра КФН является выпускающей и готовит:

бакалавров по направлению 11.03.04«Электроника и наноэлектроника»

Бакалаврские профили:

• Квантовые приборы и наноэлектроника

Форма обучения очная, период обучения – 4 года.

магистров по направлению: 11.04.04«Электроника и наноэлектроника»

Магистерские программы:

• Элементная база наноэлектроники

Форма обучения очная, период обучения – 2 года.

Основные научно-технические направления кафедры КФН

«Квантовый дизайн молекулярных и твердотельных наноструктур»

Руководители: академик РАН, д.ф.-м.н., профессор А.А.Горбацевич, к.ф.-м.н., доцент М.Н.Журавлев

Новое поколение средств обработки информации и энергосберегающих технологий связано с использованием контролируемых методов формирования объектов и структур с нанометровыми размерами: нанотранзисторы, сложные полимерные комплексы и т. д., свойства которых описываются законами квантовой физики и квантовой химии, а приборная структура является полностью рукотворной. Новые современные материалы, по ёмкому замечанию нобелевского лауреата Лео Есаки, – это «manmade crystals» (кристаллы, сделанные человеком), в отличие от природных материалов – «God made crystals» (кристаллы, созданные Богом). Современный специалист по разработке и созданию приборов нового поколения должен обладать сильной фундаментальной подготовкой и уметь работать на современном технологическом и аналитическом оборудовании. Обе эти компоненты успешно формируются при обучении в магистратуре кафедры КФН. Работы в рамках данного направления на кафедре КФН нацелены на исследования и разработку новых материалов, в том числе, со свойствами, не встречающимися в природе, таких как твердотельные и молекулярные наноструктуры и метаматериалы.

«Квантовые методы обработки информации»

Руководитель: д.ф.-м.н., проф. Ю.И.Богданов

Квантовые методы обработки информации представляют собой новую, быстро развивающуюся область науки и технологии, основанную на использовании квантовых систем для реализации принципиально новых методов вычислений и передачи сообщений (квантовые каналы связи, квантовая криптография, квантовый компьютер). На кафедре КФН МИЭТ работы в этой области ведутся совместно с Физико-технологическим институтом РАН.

Основным элементом квантового компьютера служит квантовый бит (кубит), представляющий собой двухуровневую квантовую систему. В качестве кубитов могут выступать ионы, атомы, электроны, фотоны, спины атомных ядер, структуры из сверхпроводников и многие другие физические системы. В настоящее время предложены и активно развиваются различные варианты квантовых компьютеров: на ионах в ловушках, на ядерных спинах, на квантовых точках, на зарядовых и потоковых состояниях в сверхпроводниковых структурах, на поляризационной степени свободы фотонов и др.

«Элементы и приборы гетероструктурной СВЧ наноэлектроники»

Руководитель к.ф.-м.н., нач. лаборатории гетероструктурной наноэлектроники В.И.Егоркин

Направление связано с решением задач обеспечения национальной безопасности и технологической независимости Российской Федерации и финансируется на приоритетной основе. В целом ряде устройств и систем специального назначения данная элементная база ни при каких условиях не может быть заменена на импортную. В последние годы достигнут значительный прогресс в области физики и технологии гетероструктур широкозонных полупроводников (GaN, AlN, SiC) и создании приборов с рекордными характеристиками на их основе, существенно превышающими характеристики кремниевых приборов. Кафедра КФН и лаборатория гетероструктурной наноэлектроники кафедры занимают ведущие позиции по этому направлению в стране и ежегодно выполняют значительный объем НИОКР.

«Вакуумная эмиссионная электроника и оптоэлектроника»

Руководитель д.ф.-м.н., проф. Э.А.Ильичев

В основе работы приборов эмиссионной электроники и оптоэлектроники лежат эффекты автоэмиссии, вторичной эмиссии и фотоэмиссии электронов. Базовые элементы данных приборов (катодно-сеточные узлы, комбинированные эмиссионные катоды, умножители-концентраторы потока электронов, фотокатоды чувствительные к УФ и ВУФ диапазонам) формируются на основе наноструктурированных полупроводниковых и углеродных материалов. Разрабатываемые базовые элементы предназначены для использования в приборах силовой СВЧ электроники, а также в приемниках изображений, которые разрабатываются для систем позиционирования воздушных, космических и наземных объектов, а также для систем мониторинга ионосферы полярных областей Земли.

«Зондовые нанотехнологии»

Руководитель д.ф.-м.н., проф. В.К.Неволин

Направление включает изучение методик сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии нанообъектов, в том числе углеродных нанотрубок, графенов, молекул ДНК. Изучаются зондовые технологии формирования элементной базы металлической наноэлектроники на основе квантовых проводов, элементной базы углеродной наноэлектроники на основе углеродных нанотрубок и графенов. Изучаются основы создания сверхмалых сверхчувствительных сенсоров на основе углеродных нанотрубок и графенов, покрытых аптамерами, для селективных датчиков белковых молекул, например, тромбина.

«Физические основы радиационной технологии наноэлектроники»

Руководитель д.ф.-м.н., проф. Н.Н.Герасименко

В рамках данного научного направления на кафедре и в лаборатории развиваются научные основы радиационной технологии микро- и наноэлектроники, включая ионный синтез многокомпонентных систем, рентгеновскую литографию, а также ионную имплантацию. Совместно с ФИАН создана лаборатория рентгеновских методов измерения параметров наноструктур (рентгеновская спектрометрия, рентгеновский флуоресцентный анализ рефлектометрия, малоугловое рассеяние, дифрактометрия, рефрактометрия), в которой разработан комплекс методов анализа структур микроэлектроники с учетом специфических требования микроэлектронной технологии. Работы по радиационной стойкости электронных наноструктур ведутся в интересах создания объектов оборонной и космической техники, а также для создания объектов Минатома.

Кафедра располагает тремя учебными лабораториями: 1) физики твердого тела и полупроводников (ауд.4347), 2) элементной базы наноэлектроники (ауд.4242), 3) разработки зондовых микроскопов, метрологии и методов измерений (ауд.4130), в которых выполняется 41 лабораторная работа.

Образовательные цели кафедры:

• Формирование у студентов способности сочетать научный и экспериментальный подход для решения поставленных задач в ходе профессиональной деятельности;

• Подготовка квалифицированных специалистов, способных участвовать в любых видах деятельности, сопровождающих разработку и изготовление электронных приборов на современных производственных и научно-исследовательских предприятиях;

• Подготовка высококвалифицированных кадров в области моделирования, проектирования, производства и исследования нового класса приборов электроники, базирующихся на квантоворазмерных и наноразмерных эффектах, необходимых для разработки и выпуска специализированной электронной компонентной базы;

• Создание благоприятных условий для расширения научного кругозора и эрудиции специалистов, способных ориентироваться в новейших технологиях и передовых научно-технических достижениях в микро- и наноэлектронике. Формирование целеустремленной и любознательной личности талантливого ученого.

Научные направления кафедры КФН предполагают сочетание углубленной физико-математической подготовки с базовым инженерным образованием. Студенты и практиканты проходят практику, изучают дисциплины специализаций и готовят выпускные квалификационные и магистерские диссертации непосредственно на кафедре КФН, а также в исследовательских центрах: Физическом института им. П.Н. Лебедева РАН (Отделение твердого тела, Отделение оптики и Центр высокотемпературной сверхпроводимости и квантовых материалов), Физико-технологическом институте им. К.А. Валиева РАН, Институте общей физики им. А.Н. Прохорова РАН, НИИМЭ, ФГУП «НИИФП им. Ф.В. Лукина», НОЦ МИЭТ «Зондовая микроскопия и нанотехнология», НОЦ ФИАН и МИЭТ «Квантовые приборы и нанотехнологии», в научно-исследовательских лабораториях МИЭТ: НИЛ функциональной электроники на новых принципах НИЛ сверхпроводниковой электроники, НИЛ электронной микроскопии, НИЛ радиационных методов, технологии и анализа, в Зеленоградском нанотехнологическом центре (ЗНТЦ), на предприятиях: «Микрон», «Ангстрем», ЗАО «Нанотехнология – МДТ».

Студенты принимают участие в научных исследованиях по перспективным направлениям этих организаций, регулярно выступают с докладами на российских и зарубежных научно-технических конференциях, выставках.

Выпускники кафедры работают в ведущих российских и мировых high-tech компаниях, на инновационных предприятиях, продолжают научную карьеру в университетах, институтах Академии наук России, создают собственные малые наукоемкие фирмы.

Студенты, окончившие кафедру КФН, имеют возможность поступить в аспирантуру МИЭТ.

Специальности аспирантуры для продолжения научной карьеры на кафедре КФН:

Специальность 01.04.10 «Физика полупроводников»;

Специальность 05.27.01 «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах».

Период обучения – 4 года.

Защиты диссертаций (за последние 5 лет)

За последние 5 лет на кафедре КФН было защищено 9 кандидатских диссертаций на соискание ученых степеней кандидатов физико-математических и технических наук:

• Белинский Леонид Владимирович. Научный руководитель – д.ф.-м.н., профессор Богданов Ю.И.
• Волоховский Александр Дмитриевич. Научный руководитель – д.ф.-м.н., профессор Герасименко Н.Н.
• Демин Глеб Дмитриевич Научный руководитель – д.ф.-м.н., профессор Попков А.Ф.
• Катаева Татьяна Сергеевна. Научный руководитель – академик РАН, д.ф.-м.н., профессор Горбацевич А.А.
• Мазуркин Никита Сергеевич. Научный руководитель – д.ф.-м.н., профессор Попков А.Ф.
• Соловьев Сергей Владимирович. Научный руководитель – д.ф.-м.н., профессор Попков А.Ф.
• Бантыш Борис Игоревич. Научный руководитель – д.ф.-м.н., профессор Богданов Ю.И.
• Емельянов Алексей Владимирович. Научный руководитель – д.ф.-м.н., профессор Неволин В.К.
• Розанов Роман Юрьевич. Научный руководитель – д.ф.-м.н., профессор Неволин В.К.
• Шубин Николай Михайлович. Научный руководитель – академик РАН, д.ф.-м.н., профессор Горбацевич А.А.

Квантовая механика

msimagelist>

Квантовая механика Quantum mechanics     Квантовая механика – фундаментальная физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (молекул, атомов, атомных ядер, частиц) во внешних полях. Более формально квантовая механика – это физическая теория систем, у которых физические величины, имеющие размерность углового момента (момента количества движения) сравнимы с постоянной Планка ћ (ћ = h/2π, h = 6.6.10-34 Дж.с = 4.1.10-15эВ.с). Этому условию, как правило, удовлетворяют микрочастицы. Квантовая механика включает в себя классическую механику как частный случай, реализующийся для макрообъектов. Обычно в нерелятивистской квантовой механике рассматривается движение микрочастиц, для которых скорость v << с, где с – скорость света.     Квантовая механика в основном была создана в течение первых трёх десятилетий 20-го века благодаря работам М. Планка, А. Эйнштейна, Н. Бора, А. Комптона, Л. де Бройля, В. Паули, М. Борна, В. Гейзенберга, Э. Шрёдингера и П. Дирака.     Физической основой квантовой механики является корпускулярно-волновой дуализм, согласно которому любому материальному объекту – частице или волне – присущи как волновые, так и корпускулярные свойства. Корпускулярно-волновой дуализм наиболее ярко проявляется у микрообъектов. Его следствием является необходимость отказа от некоторых классических представлений, возникших в результате наблюдений за движением макроскопических тел. В частности волновые свойства частиц несовместимы с представлением об их движении по определённым классическим траекториям.     Волновые свойства частицы, например, электрона, требуют и соответствующего “волнового” её описания. В квантовой механике частица описывается комплексной функцией ψ(x,t), называемой волновой функцией, амплитуда которой зависит от пространственных координат х (х – совокупность координат) и времени t. Волновая функция ψ(x,t) полностью определяет состояние частицы. Как известно интенсивность любой волны определяется квадратом её амплитуды. Интенсивность волны, связанной с материальной частицей, определяется квадратом модуля волновой функции, т.е. величиной |ψ|2 = ψ*ψ. Однако, в отличие от классической волны, величина |ψ(х,t)|2 есть вероятность обнаружить частицу в момент времени t в единичном объеме вокруг точки пространства с координатами x. Этот вероятностный характер поведения частицы, во-первых, позволяет отразить волновые свойства объектов при их корпускулярном описании и, во-вторых, принципиально отличает квантовую систему от классической. В классической физике знание положения и импульса частицы в начальный момент и сил, действующих на неё, полностью и однозначно определяет её положение и импульс во все последующие моменты. Т.е. движение классических объектов полностью предопределено (детерминировано). В квантовой механике можно говорить лишь о вероятности обнаружить частицу в каком-то месте пространства, даже при полном знании её начальных кинематических характеристик и всех внешних полей, действующих на неё. И это не связано с какой-то неполнотой квантовых законов, а заложено в природе микрообъектов. Об этом свидетельствуют и соотношения неопределённостей, например, (x,t) Δx·Δp ≈ ћ(Δx – неопределённость в координате, а Δp – неопределённость в импульсе системы). Если потребовать чёткой локализации частицы в пространстве в какой-то момент, т.е. потребовать Δx ≈ 0, то в этот же момент у неё будет полностью неопределённым импульс (Δp ≈ ∞). Таким образом, в следующий момент частица может неконтролируемо переместиться куда угодно и ни о каком предопределённом (детерминированном) движении частицы не может быть и речи. Состояния в классической и квантовой физике Классическая физика Квантовая физика 1. Описание состояния (x,y,z,px,py,pz) ψ(x,y,z) 2. Изменение состояния во времени =∂H/∂p,  = -∂H/∂t, 3. Измерения x, y, z, px, py, pz ΔхΔpx ~ ΔyΔpy ~ ΔzΔpz ~ 4. Детерминизм. Статистическая теория Динамическое (не статистическое) описание |ψ(x,y,z)|2 5. Гамильтониан H = p2/2m + U(r) = 2/2m + U(r)     В квантовой механике для нахождения всего набора (спектра) возможных значений какой-либо физической величины обычно решаются дифференциальные уравнения, в которых каждой наблюдаемой физической величине (энергии, импульсу, угловому моменту, координате и так далее) сопоставляется оператор (обычно дифференциальный). Во многих случаях этот спектр является дискретным (квантованным), что принципиально отличает квантовую механику от классической.     Эволюция квантовой системы в нерелятивистском случае описывается волновой функцией, удовлетворяющей уравнению Шредингера где ψ(х,y,z,t) – волновая функция, – оператор Гамильтона (оператор полной энергии системы). В нерелятивистском случае где m – масса частицы, – оператор импульса, (x,y,z) – оператор потенциальной энергии частицы. Задать закон движения частицы в квантовой механике – это значит, определить значение волновой функции в каждый момент времени в каждой точке пространства. Уравнение Шредингера играет в квантовой механике такую же роль, как и второй закон Ньютона в классической механике. Знание волновой функции квантовой системы и операторов физических величин позволяет вычислить все физические величины, характеризующие данную квантовую систему. В силу недетерминированности квантово-механических предсказаний эти вычисляемые (и наблюдаемые) физические величины носят вероятностный характер, т. е. являются статистическими средними. В результате реализации такой программы можно получить исчерпывающее квантово-механическое описание поведения частицы (системы) в изолированном состоянии или во внешних полях. Так квантово-механическая задача для атома водорода сводится к решению уравнения Шрёдингера для электрона в кулоновском поле протона, с которым он связан. Решением этой задачи является дискретный (квантованный) спектр энергетических состояний (уровней) электрона, квантовые числа, характеризующие электрон в каждом из этих состояний, и, конечно, сами волновые функции электрона в каждом состоянии. Если электрон в атоме водорода не находится в самом нижнем энергетическом состоянии, то атом неустойчив и будет претерпевать эволюцию, вызванную переходами электрона на более низкие энергетические уровни. Вероятности этих переходов также вычисляются методами квантовой механики.

Квантовая физика. Сериал «Теория Большого взрыва» от А до Я

Читайте также

Глава 3 Квантовая неопределенность

Глава 3 Квантовая неопределенность Проблемы, связанные с атомной физикой и квантовой теорией, неожиданно нашли решение в период с 1925 по 1927 год.Юный Гейзенберг сделал первый шаг к созданию квантовой механики – долгожданной теории, которая позволила бы понять явления,

Физика в пророчествах

Физика в пророчествах Врывающиеся в окно порывы ветра вздували легкие занавески, открывая непривычные глазу француза бескрайние просторы американских равнин с убегающим вдаль горизонтом. Экспресс набирал скорость на очередном перегоне. Приятно было после шумной суеты

“Физика и реальность”

“Физика и реальность” Великий спор Эйнштейн с Бором и Гейзенбергом о квантовой механике был не просто о том, подбрасывает ли Бог кости или оставляет кота наполовину живым. Он даже не был только о причинности, локальности или даже полноте. Это был спор о реальности36.

Квантовая физика

Квантовая физика Квантовая физика – один из самых сложных разделов физики, что делает его идеальной областью исследования для «ботаников». Квантовая физика, которую называют также квантовой теорией или квантовой механикой, изучает поведение самых маленьких открытых

3.6. Квантовая механика в начале 30-х годов

3.6. Квантовая механика в начале 30-х годов О взгляде Бронштейна на квантовую механику в 1931 г. можно узнать из двух его (помещенных в УФН рядом) рецензий: на «Принципы квантовой механики» Дирака и на книгу Вейля «Теория групп и квантовая механика». Эти рецензии на книги,

3.10. Физика полупроводников и ядерная физика

3.10. Физика полупроводников и ядерная физика Из того, что до сих пор рассказывалось о научных интересах М. П. Бронштейна, можно понять, что основное внимание он уделял фундаментальным областям физики. Это правда, но не вся. Настоящего исследователя может увлечь любая

5.3. Квантовая теория слабого гравитационного поля

5.3. Квантовая теория слабого гравитационного поля Результаты своей работы по квантованию гравитации Бронштейн изложил в двух статьях: краткий вариант на немецком языке — «Квантовая теория слабых гравитационных полей» — датирован августом 1935 г., подробный —

Физика. Математика

Физика. Математика Говоря об этих областях знаний, мы остановимся не столько на каких-то конкретных достижениях Аристотеля и его последователей, сколько на самом подходе ученого к этим наукам.Аристотель полагал, что у всех наук одна цель — постижение истины. Математика и

Физика социальной ответственности

Физика социальной ответственности  Участие Тамма в проекте завершалось на испытательном полигоне в августе 1953 года. И там произошло событие, которое произвело на него впечатление большее, чем успех самого испытания.Это заметил его молодой сотрудник Владимир Ритус,

13. Фото с коллегами. Теоротдел, Матвей Бронштейн, квантовая гравитация и сталинские чистки

13. Фото с коллегами. Теоротдел, Матвей Бронштейн, квантовая гравитация и сталинские чистки На Рис. 24, 25 А.Д. Сахаров с коллегами на семинаре Теоротдела. Я хочу обратить внимание на присутствие Якова Львовича Альперта (стоит на Рис. 24), который в течение многих лет был

Физики выяснили, почему квантовая механика не работает в макромире

Ученых интересовало то, почему мы не можем наблюдать феномен квантовой запутанности – взаимосвязанности квантовых состояний двух или более объектов, при котором изменение состояния одного объекта мгновенно отражается на состоянии другого – в мире обыденных предметов.

Сегодня физики объясняют отсутствие подобных “странных связей”, как выражался Эйнштейн, между двумя яблоками и прочими видимыми объектами тем, что они разрушаются в результате декогеренции — взаимодействия подобных запутанных объектов с атомами молекулами и прочими проявлениями окружающей среды и необратимого нарушения квантового состояния.

Таким образом, чем крупнее объект, тем больше он будет контактировать с окружающей средой, и тем быстрее будет распадаться квантовая связь.
Как показали расчеты Пиковского и его коллег, для появления декогеренции совершенно не обязательно взаимодействие с другими объектами. Оказалось, что квантовые связи начинают нарушаться сами по себе даже при очень слабых гравитационных полях, аналогичных или даже меньших по силе, чем притяжение Земли.

Это происходит по той причине, что свойства всех элементов запутанных объектов в условиях гравитационного замедления времени начинают зависеть от того, где они находятся в текущий момент времени и расстояния между ними по отношению к центру масс.

Чем больше это расстояние, тем быстрее будет расти разница во времени между ними, и тем быстрее будет распадаться квантовая связь. Как подчеркивают Пиковский и его коллеги, избежать подобного распада невозможно, так как он обусловлен не взаимодействием с окружающей средой, а присутствием гравитационного поля и внутренними процессами в самих “спутанных” объектах.

Данный феномен, как объясняют физики, объясняет то, почему поведение большинства объектов видимого для нас мира можно описать при помощи простых законов классической физики, не учитывая возможное влияние квантовых факторов, которое, как оказывается, подавляется гравитацией и связанной с ней феноменами.

Чтобы не быть голословными, Пиковский и его коллеги изложили несколько потенциальных методов для экспериментальной проверки этой гипотезы и связанных с ней расчетов. По их словам, следы влияния “замедления” времени можно будет, в частности, заметить, наблюдая за группами из большого числа запутанных атомов в условиях практически идеальной их изоляции.

Изучите квантовую физику и механику с помощью онлайн-курсов и занятий

Что такое квантовая физика?

Квантовая физика или квантовая механика – это физика в микроскопическом масштабе. Квантовая теория стремится описать материю и энергию на атомных и субатомных уровнях, где классическая физика не всегда применима из-за дуальности волна-частица и принципа неопределенности.

Изучите квантовую физику и механику для начинающих

Изучите основы квантовой физики и механики на вводных курсах в edX.Книга Стэндфорда «Квантовая механика для ученых и инженеров» 1 учит вас основам квантовой механики. Вы получите концептуальное понимание квантовой механики, ключевых физических концепций, ключевых идей использования квантово-механических волн, математики квантово-механических волн, изучите волновую функцию и ее вероятностную интерпретацию и многое другое.

Онлайн-курсы и программы по квантовой физике и механике

Получите представление о квантовой физике на онлайн-курсах, которые проводятся в крупных университетах и ​​учреждениях по всему миру.Edx предлагает как индивидуальные курсы, так и продвинутые программы, разработанные, чтобы помочь вам узнать о квантовой физике в увлекательной и эффективной среде онлайн-обучения, дополненной видеоуроками, викторинами и многим другим.

Кроме того, edX предлагает возможность получить подтвержденные сертификаты по курсам квантовой физики. В сертификате указан edX и название университета или учреждения, предлагающего курс, и его можно загрузить в ваш профиль LinkedIn. Это доказательство того, что вы успешно прошли курс для работодателей и других лиц.Начните изучение квантовой физики с одного из следующих курсов или программ.

Если вы новичок в мире квантовой механики, ознакомьтесь с индивидуальным курсом Джорджтауна «Квантовая механика для всех». Этот 4-недельный курс требует небольшого количества математических вычислений и научит вас квантовым частицам, основам теории вероятностей, тому, что такое квантовая тайна, и многому другому. Это прекрасное введение в изучение сверхмалых размеров.

Для более сложных тем по квантовой физике рассмотрите два курса Массачусетского технологического института.Первая, «Квантовая механика: квантовая физика в одномерных потенциалах», охватывает уравнение Шредингера. Узнайте, как решить эту задачу для одномерных потенциалов, включая квадратную яму и гармонический осциллятор, и поймите алгебраическое решение гармонического осциллятора. Второй курс, «Квантовая механика: одномерное рассеяние и центральные потенциалы», охватывает рассеяние в одномерных потенциалах, угловом моменте, центральных потенциалах и атоме водорода. Узнайте о фазовых сдвигах, временной задержке, теореме Левинсона и многом другом.Курсы рассчитаны на 5 недель каждый и рассчитаны на 12 и более часов в неделю.

Другие курсы по квантовой механике

Изучите эти и другие онлайн-курсы по квантовой физике и квантовой механике. Многие курсы предназначены для самостоятельного обучения, поэтому вы можете записаться на них и начать обучение уже сегодня.

Квантовая физика: чего ожидать

Короче говоря, квантовая физика объясняет, как все работает. Он исследует природу частиц, из которых состоит материя, и чистую силу, с которой они взаимодействуют.Это изучение материи и энергии на самом базовом уровне – объяснение того, как электроны движутся через микрочип или как Солнце представляет собой сплошной огненный шар.

Прекрасный пример – люминесцентное освещение. Свет, который вы получаете от трубок, является результатом квантового явления – по сути, это реакция небольшого количества паров ртути в плазму.

Так вот, степень бакалавра, магистра или доктора в области квантовой физики сама по себе не имеет значения. Обычно его изучают в рамках программы по физике.Тем не менее, вы можете получить степень магистра или доктора философии, специализирующуюся в этой области, сосредоточившись на квантовой механике или квантовой науке.

Требования к поступающим

Чтобы стать физиком, вам понадобится аттестат об окончании средней школы, результаты ACT или SAT, транскрипты и рекомендательные письма. Перед объявлением специальности физика студентам предлагается выполнить курсовую работу по общей физике, алгебре и математическому анализу.

Те, кто ищет докторскую программу по физике с акцентом на квантовую физику, должны иметь сильный бакалаврский и магистерский фон в области физики с достаточным количеством курсовых работ в данной области.Кроме того, необходим интерес к независимым исследованиям или степень бакалавра аккредитованного колледжа или университета.

Фотография НАСА, на которой инженеры и техники вставляют 39 пробирок для проб в брюшко марсохода, поскольку каждая пробирка заключена в цилиндрический корпус золотого цвета для защиты от загрязнения, марсоход Perseverance доставит 43 пробирки для проб на Джезеро на Красной планете. Кратер. Источник: NASA / JPL-CALTECH / AFP

.

Курсовая работа

Наиболее распространенные курсы охватывают термодинамику, электромагнетизм, статистическую физику, квантовую физику и механику.Многие школы предлагают программы на получение степени по физике, которые включают в себя курсовые работы по квантовой физике, поэтому при выборе учащиеся могут захотеть внимательно изучить эти детали.

При получении докторской степени по квантовой физике изучаются такие темы, как квантовая механика, прикладная электродинамика, квантовая теория твердого тела, продвинутая физика твердого тела, статистическая механика, квантовая физика вещества, современная оптика и квантовая электроника.

Карьера

Имея степень в этой области, вы можете быть физиком-теоретиком или экспериментатором, исследователем и даже работать с квантовым компьютером.Вы можете работать не только в инженерной сфере (самая высокооплачиваемая работа в НАСА – инженеры), но и в мире медицины, поскольку квантовая механика используется для создания различных соединений. Квантовый физик получает домой в среднем 120 172 долларов США в год.

Квантовая физика: определение, теории и темы – видео и стенограмма урока

Квантовая механика многое объясняет

Квантовая механика может показаться странной, но она многое объясняет о Вселенной. Это объясняет, почему кажется, что свет в одних обстоятельствах действует как частица, а в других – как волна.Или почему частицы, подобные электронам, также могут действовать как волны. Он объясняет свойства элементов в периодической таблице и то, как работает химическая связь.

На самом деле, если у вас есть телевизор с плоским экраном, вы, вероятно, не догадываетесь, что он был изобретен с использованием принципов квантовой механики. Некоторые части компьютеров и датчики в цифровых камерах также являются результатом квантовой механики. Как бы трудно это ни было понять, квантовая механика работает.

Ключевые идеи и теории

В квантовой механике частица не имеет точного положения, но ее можно рассматривать как находящуюся в нескольких местах одновременно.Вместо таких вещей, как положение, масса и скорость для описания частицы, у вас есть ряд волновых функций. Волновая функция – это уравнение, которое описывает вероятность того, что величина имеет определенное значение. Так, например, он может сказать вам, насколько вероятно, что частица находится в точке A по сравнению с точкой B.

Когда мы на самом деле идем и измеряем положение частицы, эта волновая функция «схлопывается» в более простую, которая представляет конкретное положение, которое мы измерили.До того, как мы его измерили, считалось, что частица находится сразу во всех возможных местах. После того, как мы его измерили, теперь у него есть определенное положение. Но, измерив его положение, мы повлияли на него – мы заставили его занять определенное положение. Акт измерения влияет на результат. Это как если бы мы изменили его природу с волны или волновой функции на частицу. Это источник дуальности волна-частица , идеи о том, что такие вещи, как свет, могут действовать как волны в одних обстоятельствах или частицы в других.

Это ведет прямо к так называемому принципу неопределенности Гейзенберга . Это говорит нам о том, что если вы знаете одну вещь о частице с большой точностью, вы можете узнать только другую величину без какой-либо точности. Например, если вы знаете, где находится ваша частица с небольшой погрешностью, вы не будете знать, насколько быстро она движется.

Странные последствия

Принцип неопределенности Гейзенберга многое объясняет, а лежащая в его основе математика позволяет нам делать вещи, которые мы никогда не могли делать раньше, например создавать телевизоры с плоским экраном и крошечные компьютеры.Но это имеет некоторые странные последствия, как технические, так и философские.

Классический пример – Schrodinger’s Cat . Если бы вы применили принципы квантовой механики к более крупному объекту, например к кошке, это бы не сработало. Допустим, вы поместили кошку в коробку со стеклянным флаконом, содержащим яд, который ее убьет. Внутри коробки кошка могла опрокинуть пузырек и умереть, или кошка могла быть в порядке. Единственный способ узнать это – открыть коробку и посмотреть.

Но, исходя из квантовой механики, пока вы не откроете коробку, кошка будет состоять из волновой функции, содержащей оба результата.По сути, кошка была бы и живой, и мертвой одновременно. Этот сценарий был разработан Шредингером, чтобы показать, как квантовая механика не вписывается в крупномасштабный мир, и нам нужен какой-то способ преодолеть разрыв между крошечным и большим.

Вы когда-нибудь задумывались, каково быть призраком? Поскольку частицы имеют вероятностное распределение и могут располагаться где угодно, даже с небольшой вероятностью, из этого также следует, что вы можете пройти прямо сквозь стену! Ваши частицы имеют небольшую вероятность оказаться по ту сторону стены, так что это могло случиться.К сожалению, оказывается, что вероятность того, что это произойдет, очень мала. Чтобы это произошло, вам придется подождать, в среднем, в несколько раз больше возраста Вселенной.

Краткое содержание урока

Квантовая физика , также известная как квантовая механика, включает в себя физические законы, которые объясняют поведение Вселенной в мельчайших масштабах. В этих масштабах все работает по-другому. Что-то может быть как частицей, так и волной, что называется дуальностью волна-частица, а частицы описываются вероятностями – положение, скорость и масса частицы не являются точными или постоянными.Когда вы точно измеряете положение частицы, вы становитесь все менее и менее уверенными в ее скорости, что называется Принцип неопределенности Гейзенберга .

Когда вы применяете эти принципы в более крупном масштабе, они кажутся бессмысленными – кошка, запечатанная в коробке, может быть мертвой и живой одновременно, а у вас есть способность проходить сквозь стены. С философской точки зрения людей беспокоит то, что нам не хватает чего-то, что могло бы преодолеть разрыв между крошечным и большим.

Квантовая механика может показаться странной, но она многое объясняет о Вселенной и помогает делать точные прогнозы. Мы использовали его для разработки всех видов технологий, включая компьютеры, телевизоры с плоским экраном и датчики в цифровых камерах.

Ключевые термины

Квантовая физика: , также известная как квантовая механика; объем работ по физике, который, кажется, объясняет Вселенную в крошечном масштабе

Волновая функция: уравнение, которое описывает вероятность того, что величина имеет определенное значение

Дуальность волны-частицы: идея, что такие вещи, как свет может действовать как волны в одних обстоятельствах или как частицы в других

Принцип неопределенности Гейзенберга: утверждает, что если одна вещь известна о частице с большой точностью, вы можете узнать только другую величину с почти любой точностью

Кошка Шредингера: – пример, объясняющий, почему принципы квантовой механики не работают при применении к более крупному объекту, например к кошке.

Результаты обучения

После изучения и размышлений над уроком проверьте свои способности:

• Определить и обсудить квантовую физику
• Представьте связанные теории и идеи

Шесть вещей, которые каждый должен знать о квантовой физике

Квантовая физика обычно пугает с самого начала. Это немного странно и может показаться нелогичным даже для физиков, которые сталкиваются с этим каждый день. Но это не непонятно.Если вы читаете что-то о квантовой физике, на самом деле есть шесть ключевых концепций, о которых вам следует помнить. Сделайте это, и вы обнаружите, что квантовую физику намного легче понять.

Все сделано из волн; Кроме того, частицы

Свет как частица и волна. (Изображение предоставлено: Fabrizio Carbone / EPFL)

Есть много мест, с которых можно начать такого рода обсуждение, и это ничуть не хуже других: все во Вселенной имеет одновременно и частичную, и волновую природу.В фэнтезийной дуологии Грега Медведя есть строчка ( The Infinity Concerto и The Serpent Mage ), где персонаж, описывающий основы магии, говорит: «Все – волны, ничего не колышущееся, на любом расстоянии». Мне всегда очень нравилось это поэтическое описание квантовой физики – в глубине души все во Вселенной имеет волновую природу.

Конечно, все во Вселенной также имеет природу частиц. Это кажется совершенно безумным, но это экспериментальный факт, разработанный с помощью удивительно знакомого процесса:

(есть также анимированная версия этого, которую я сделал для TED-Ed).

Конечно, описание реальных объектов как частиц и волн обязательно несколько неточно. Собственно говоря, объекты, описываемые квантовой физикой, не являются ни частицами, ни волнами, а являются третьей категорией, которая разделяет некоторые свойства волн (характерная частота и длина волны, некоторые распространяются в пространстве) и некоторые свойства частиц (они обычно являются счетными и могут быть в некоторой степени локализованным). Это приводит к оживленным дебатам в сообществе преподавателей физики о том, действительно ли уместно говорить о свете как о частице во вводных курсах физики; не потому, что есть какие-либо споры о том, имеет ли свет некоторую природу частиц, а потому, что наименование фотонов «частицами», а не «возбуждением квантового поля» может привести к неправильным представлениям некоторых студентов.Я склонен не соглашаться с этим, потому что многие из тех же опасений могут возникнуть по поводу называния электронов «частицами», но это является надежным источником разговоров в блогах.

Эта природа квантовых объектов “дверь номер три” отражена в иногда сбивающем с толку языке, который физики используют, говоря о квантовых явлениях. Бозон Хиггса был открыт на Большом адронном коллайдере как частица, но вы также услышите, как физики говорят о «поле Хиггса» как о делокализованной вещи, заполняющей все пространство.Это происходит потому, что в некоторых обстоятельствах, например, в экспериментах на коллайдере, удобнее обсуждать возбуждения поля Хиггса таким образом, чтобы подчеркнуть его характеристики, подобные частицам, в то время как в других обстоятельствах, например, при общем обсуждении того, почему определенные частицы имеют массу, это больше удобно обсуждать физику с точки зрения взаимодействия с квантовым полем, заполняющим Вселенную. Это просто другой язык, описывающий один и тот же математический объект.

Квантовая физика дискретна

Эти колебания создавали изображение «застывшего» света.(Источник: Принстон)

Это прямо в названии – слово «квант» происходит от латинского «сколько» и отражает тот факт, что квантовые модели всегда включают что-то, поступающее в дискретных количествах. Энергия, содержащаяся в квантовом поле, является целым числом, кратным некоторой фундаментальной энергии. Для света это связано с частотой и длиной волны света – высокочастотный коротковолновый свет имеет большую характеристическую энергию, а низкочастотный длинноволновый свет имеет небольшую характеристическую энергию.

Однако в обоих случаях полная энергия, содержащаяся в определенном световом поле, является целым числом, кратным этой энергии – в 1, 2, 14, 137 раз – и никогда не является такой странной дробью, как полторы, π, или квадратный корень из двух. Это свойство также проявляется в дискретных уровнях энергии атомов и энергетических зонах твердых тел – одни значения энергии допустимы, другие – нет. Атомные часы работают из-за дискретности квантовой физики, используя частоту света, связанную с переходом между двумя разрешенными состояниями цезия, чтобы поддерживать время на уровне, требующем широко обсуждаемой «дополнительной секунды», добавленной на прошлой неделе.

Сверхточная спектроскопия также может использоваться для поиска таких вещей, как темная материя, и является частью мотивации для создания института фундаментальной физики низких энергий.

Это не всегда очевидно – даже некоторые фундаментально квантовые вещи, такие как излучение черного тела, по-видимому, связаны с непрерывным распределением. Но если вникнуть в математику, всегда есть некоторая степень детализации лежащей в основе реальности, и это большая часть того, что приводит к странности теории.

Квантовая физика вероятностна

(Источник: Грэм Барклай / Bloomberg News)

Один из самых удивительных и (по крайней мере, исторически) противоречивых аспектов квантовой физики заключается в том, что невозможно с уверенностью предсказать результат одного эксперимента с квантовой системой. Когда физики предсказывают результат какого-либо эксперимента, предсказание всегда принимает форму вероятности нахождения каждого из конкретных возможных результатов, а сравнения между теорией и экспериментом всегда включают вывод распределений вероятностей из многих повторяющихся экспериментов.

Математическое описание квантовой системы обычно принимает форму «волновой функции», обычно представленной в уравнениях греческой буквой psi: Ψ. Существует много споров о том, что именно представляет собой эта волновая функция, которые можно разбить на два основных лагеря: те, кто считает волновую функцию реальной физической вещью (жаргонный термин для этих теорий – «онтические» теории, заставляющие некоторых остроумных людей дублировать их сторонники «пси-онтологи») и те, кто считает волновую функцию просто выражением наших знаний (или их отсутствия) относительно основного состояния конкретного квантового объекта («эпистемологические» теории).

В любом классе базовых моделей вероятность нахождения результата определяется не волновой функцией напрямую, а квадратом волновой функции (во всяком случае, грубо говоря; волновая функция – это сложный математический объект (то есть он включает в себя мнимые числа). как квадратный корень из отрицательного), и операция по получению вероятности немного сложнее, но «квадрат волновой функции» достаточно, чтобы понять основную идею). Это известно как «правило Борна» в честь немецкого физика Макса Борна, который первым предложил это (в сноске к статье 1926 года), и некоторых людей кажется уродливым дополнением ad hoc .В некоторых частях сообщества квантовых фондов предпринимаются активные усилия по поиску способа вывести правило Борна из более фундаментального принципа; на сегодняшний день ни один из них не был полностью успешным, но он порождает много интересных научных исследований.

Это также аспект теории, который приводит к тому, что частицы, например, находятся в нескольких состояниях одновременно. Все, что мы можем предсказать, – это вероятность, и до измерения, определяющего конкретный результат, измеряемая система находится в неопределенном состоянии, которое математически отображается в суперпозицию всех возможностей с разными вероятностями.Считаете ли вы это, что система на самом деле находится во всех состояниях одновременно, или просто находится в одном неизвестном состоянии, во многом зависит от ваших представлений об онтических и эпистемических моделях, хотя обе они подчиняются ограничениям из следующего пункта в описании. список:

Квантовая физика нелокальна

Эксперимент по квантовой телепортации в действии. (Источник: IQOQI / Вена)

Последний крупный вклад Эйнштейна в физику не получил широкого признания, в основном потому, что он был неправ.В статье 1935 года со своими младшими коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном («статья EPR») Эйнштейн дал четкое математическое изложение того, что беспокоило его в течение некоторого времени, идеи, которую мы теперь называем «запутанностью».

В документе EPR утверждается, что квантовая физика допускает существование систем, в которых измерения, сделанные в удаленных друг от друга местах, могут быть коррелированы таким образом, что предполагает, что результат одного определяется другим. Они утверждали, что это означает, что результаты измерений должны быть определены заранее с помощью некоторого общего фактора, потому что альтернатива потребовала бы передачи результата одного измерения в местоположение другого со скоростью, превышающей скорость света.Таким образом, квантовая механика должна быть неполной, являясь простым приближением к какой-то более глубокой теории (теории «локальной скрытой переменной», когда результаты конкретного измерения не зависят от чего-либо дальше от места измерения, чем сигнал может пройти в точке измерения). скорость света («локальная»), но определяются некоторым фактором, общим для обеих систем в запутанной паре («скрытая переменная»)).

Это считалось странной сноской около тридцати лет, поскольку казалось, что не было возможности проверить ее, но в середине 1960-х ирландский физик Джон Белл более подробно разработал последствия статьи ЭПР.Белл показал, что можно найти обстоятельства, при которых квантовая механика предсказывает корреляции между удаленными измерениями, которые сильнее, чем любой возможной теории того типа, который предпочитают E, P и R. Это было экспериментально проверено в середине 1970-х годов Джоном Клаузером, широко считается, что серия экспериментов Алена Аспекта в начале 1980-х окончательно продемонстрировала, что эти запутанные системы не могут быть объяснены какой-либо теорией локальных скрытых переменных.

Наиболее распространенный подход к пониманию этого результата – сказать, что квантовая механика нелокальна: результаты измерений, выполненных в определенном месте, могут зависеть от свойств удаленных объектов таким образом, что нельзя объяснить с помощью движущихся сигналов. со скоростью света.Это, однако, не позволяет передавать информацию со скоростью, превышающей скорость света, хотя было множество попыток найти способ использовать для этого квантовую нелокальность. Их опровержение оказалось на удивление продуктивным делом – подробнее см. Дэвид Кайзер Как хиппи спасли физику . Квантовая нелокальность также играет центральную роль в проблеме информации в испаряющихся черных дырах и в споре о «брандмауэре», который в последнее время вызвал большую активность.Есть даже некоторые радикальные идеи, предполагающие математическую связь между запутанными частицами, описанными в статье EPR, и кротовыми норами.

Квантовая физика (в основном) очень мала

Изображения атома водорода в квантовом телескопе. (Источник: Stodolna et al. Phys. Rev …. [+] Lett.)

Квантовая физика имеет репутацию странной, потому что ее предсказания резко отличаются от нашего повседневного опыта (по крайней мере, для людей – тщеславие моей книги состоит в том, что собакам она не кажется такой уж странной).Это происходит потому, что вовлеченные эффекты становятся меньше по мере того, как объекты становятся больше – если вы хотите однозначно увидеть квантовое поведение, вы в основном хотите видеть, как частицы ведут себя как волны, а длина волны уменьшается по мере увеличения импульса. Длина волны макроскопического объекта, такого как собака, гуляющая по комнате, настолько до смешного мала, что если вы разложите все так, чтобы один атом в комнате был размером с всю Солнечную систему, длина волны собаки была бы размером с один атом в этой солнечной системе.

Это означает, что по большей части квантовые явления ограничиваются масштабом атомов и элементарных частиц, где массы и скорости достаточно малы, чтобы длины волн стали достаточно большими для непосредственного наблюдения. Однако в целом ряде областей предпринимаются активные усилия по увеличению размеров систем, демонстрирующих квантовые эффекты, до больших размеров. Я написал кучу статей об экспериментах группы Маркуса Арндта, показывающих волнообразное поведение все более и более крупных молекул, и есть группа групп в «опто-механике полости», пытающихся использовать свет для замедления движения кусков кремния вниз. до такой степени, что станет ясной дискретная квантовая природа движения.Есть даже некоторые предположения, что это можно было бы сделать с подвесными зеркалами массой в несколько граммов, что было бы удивительно круто.

Квантовая физика не волшебство

Комикс из «Выжить в мире» Данте Шеперд. (http://survivingtheworld.net/Lesson1518.html) … [+] Используется с разрешения.

Предыдущий пункт очень естественно ведет к следующему: как ни странно это может показаться, квантовая физика категорически не магия.Вещи, которые он предсказывает, странны по стандартам повседневной физики, но они строго ограничены хорошо понятными математическими правилами и принципами.

Итак, если кто-то приходит к вам с «квантовой» идеей, которая кажется слишком хорошей, чтобы быть правдой – свободная энергия, мистические целительные силы, невозможные космические двигатели – это почти наверняка так. Это не значит, что мы не можем использовать квантовую физику, чтобы делать удивительные вещи – вы можете найти действительно классную физику в мирских технологиях – но эти вещи остаются в рамках законов термодинамики и простого здравого смысла.

Итак, вот и все: основы квантовой физики. Я, вероятно, упустил некоторые вещи или сделал некоторые заявления, которые недостаточно точны, чтобы понравиться всем, но это должно, по крайней мере, служить полезной отправной точкой для дальнейшего обсуждения.

Мой квантовый эксперимент – сеть блогов Scientific American

Это лето должно было быть для меня насыщенным действиями. После того, как мой семестр закончился в середине мая, я полетел в Намибию, Африку, на трехнедельное путешествие по дикой природе с двумя другими стариками, Робертом и Марком, и моим сыном Маком.Затем я направлялся в Нью-Мексико для стажировки в Институте Санта-Фе, с которым у меня сложная история. Я не мог дождаться!

Когда пандемия разрушила эти летние планы, я начал искать, чем бы заняться. Ищете просветление на другом буддийском ретрите? Поход по Аппалачской тропе? Отслеживать исследования вакцин и методов лечения COVID-19? Ни одна из этих идей меня не захватила. Я чувствовал себя вялым, беспокойным.

Затем, 15 мая, физик-бунтарь Сабина Хоссенфельдер разместила на YouTube видео «Понимание квантовой механики № 2: суперпозиция и запутанность.«Я фанат Хоссенфельдера, и меня всегда восхищали квантовые странности, поэтому я посмотрел видео. И я испытал то же разочарование, которое испытывал на протяжении десятилетий, когда пытался понять квантовую механику. Когда «объяснения» становятся математическими, я упираюсь в стену.

В колледже я получил степень по английскому языку и журналистике. Я прослушал один курс физики и два курса математики, но мало что помню из этих курсов. Незнание не помешало мне писать о науке, как любят указывать мои критики.Я универсал и всегда иду туда, куда меня ведет любопытство. Я писал о физике, проблеме разума и тела, раке, психических заболеваниях, войне и т. Д. У меня приступы синдрома самозванца, особенно когда я пишу о математических областях, включая саму математику! Но я убедил себя, что моя работа как журналиста – не знать того, что знают эксперты. Достаточно знать, выучить достаточно, чтобы судить, какие эксперты и теории заслуживают доверия.

Но видео Хоссенфельдера что-то во мне вызвало.Квантовая механика – это наше самое фундаментальное понимание реальности. Я много писал об этом, например, в 1992 году в «Квантовой философии», подробном отчете об экспериментальных исследованиях нелокальности и других квантовых странностей. Я также брал интервью у великих квантовых теоретиков, таких как Джон Уиллер и Дэвид Бом, и современных философов физики, таких как Дэвид Альберт и Тим Модлин. Но я понимаю эту теорию только в метафорическом, наполовину метафорическом смысле, «физика для поэтов».

Тогда я задумался: что мне нужно, чтобы понять квантовую механику так, как это делают физики, математику и все такое? Я задавал этот вопрос раньше, но только в праздной, мечтательной форме.После просмотра видео Хоссенфельдера этот вопрос продолжал мучить меня – возможно, потому, что у меня не было оправданий, чтобы отклонить его. Я только что закончил свою шестую книгу, и мои летние каникулы только начинаются.

Чем больше я думал об изучении квантовой механики, тем больше я волновался. Но возможно ли это в моем возрасте и при моем отсутствии подготовки? Сколько времени это займет и с чего мне начать? Я задавал эти вопросы нескольким друзьям с квантовым опытом, в том числе трём физикам, философу физики и научному писателю с сильным математическим и физическим образованием.

Они были почти слишком в восторге от моего проекта (возможно, я не мог не подозревать, потому что они хотят видеть, как я страдаю). Некоторые рекомендовали мне начать с чтения стэнфордского физика Леонарда Сасскинда и бывшего студента стэнфордского физика Леонарда Сасскинда. В аннотации на задней обложке говорится, что книга «предоставляет ученым-любителям набор инструментов, позволяющих изучать физику в удобном для них темпе». Идеально.

Здесь есть ирония. Леонард Сасскинд и я столкнулись друг с другом в 2006 году после того, как The New York Times опубликовала мое эссе «В защиту здравого смысла». Многие современные ученые, как отмечалось в моем эссе, пренебрегали здравым смыслом, утверждая, что он может помешать пониманию природы. Я оспаривал эту позицию, утверждая, что здравый смысл, который я определил как «обычные, неспециализированные знания и суждения», часто «незаменим для оценки заявлений ученых».

В качестве примеров я указал на поиски физиками единой теории, которые привели их к постулированию существования бесконечно малых струн, дополнительных измерений и дополнительных вселенных.«Все эти теории абсурдны, – писал я, – но это не моя проблема. Моя проблема в том, что ни один мыслимый эксперимент не может подтвердить теории, как неохотно признают большинство сторонников. Струны … слишком малы, чтобы их можно было различить каким-либо строительным инструментом, а параллельные вселенные слишком далеки. Таким образом, здравый смысл убеждает меня, что эти пути для спекуляций обернутся тупиком ».

Сасскинд, энтузиаст струн и мультивселенных, пошел за мной на The Edge , веб-сайт интеллектуальной болтовни о хифалутине.Он пришел к выводу: «Вместо того, чтобы с диспепсией ругать то, чего он явно не понимает, Хоргану лучше было бы пройти несколько курсов по алгебре, исчислению, квантовой механике и теории струн. Тогда он мог бы оценить и даже отпраздновать чудесную и удивительную способность человеческого разума находить необычные способы постигать непостижимое ».

В то время я не обращал внимания на атаку Сасскинда, которую слышал много раз. Эксперты часто настаивают на том, что только другие эксперты имеют право судить о них.Другими словами, вы должны познакомиться с какой-либо областью, прежде чем сможете ее критиковать. Ни один журналист не может принять такое правило. Но вот, 14 лет спустя, я прислушиваюсь к совету Сасскинда. И не только это, я пытаюсь изучить квантовую механику, читая его книгу! Чтобы освежить в памяти математику, которую я в последний раз изучал в колледже, я также читаю Quick Calculus .

Сасскинд убедил меня заняться теорией струн, но я не прислушиваюсь к этому совету. Во-первых, теория струн сейчас больше похожа на тупик, чем когда-либо.Более того, на обучение уйдет слишком много времени – по крайней мере, шесть лет обучения в аспирантуре, по оценке одного из моих консультантов по квантовой теории, – и мой старый мозг, вероятно, никогда этого не поймет. Эдвард Виттен, которого некоторые считают самым умным физиком со времен Ньютона, сказал мне, что, когда он читал первые статьи по теории струн в 1970-х, он нашел их «непрозрачными». (Твердость теории струн может объяснить ее стойкость. Те, кто овладевает ею, не могут признать, что зря потратили свое время на тупик.)

Я понятия не имею, удастся ли мой квантовый эксперимент.Почти как только я начал Susskind, я начал увязать. Мне пришлось заглянуть в Википедию, чтобы напомнить себе, что такое синусы и косинусы, не говоря уже о комплексных числах, константе Эйлера и матрицах. Теперь я изо всех сил пытаюсь понять гамильтонианы, собственные векторы, эрмитовы, кеты и бюстгальтеры – и адские обозначения! Я пока пропускаю математические упражнения Сасскинда. Я дам им шанс после еще одного чтения или двух, трех или четырех, и после того, как закончу Quick Calculus .

Но я наслаждаюсь, несмотря на , потому что из-за моего чувства дезориентации.Мне кажется, что я нахожусь на границе незнакомой новой территории – гораздо более странной, чем была бы Намибия, – которая уже бросает вызов моим предубеждениям и заставляет меня увидеть мир по-новому.

Что может произойти в результате моего квантового эксперимента (при условии, что я не сдамся от разочарования, прежде чем добьюсь реального прогресса)? Если я дойду до того момента, когда смогу дерзко рассуждать о собственных векторах и волновых функциях (огромное «если»), изменится ли мой взгляд на физику? Более конкретно, пойму ли я значение квантовой механики? И, возможно, его потенциальная роль в сознании и свободе воли?

Трудно сказать.Те, кто глубоко знаком с квантовой механикой, то есть математически, не согласны с ее последствиями. Ясно, что математические знания сами по себе не ведут вас к заранее определенной точке зрения. Это уместно, поскольку, как отмечает Сасскинд, квантовая механика разрушает традиционные представления о детерминизме.

Кроме того, изучение квантовой механики порождает парадокс. Ричард Фейнман сказал о квантовой механике: «Я этого не понимаю. Никто не делает.” Так что, даже если мой квантовый эксперимент оправдает мои самые смелые ожидания, я никогда не достигну точки, когда смогу сказать: «Ах, я понял.«Лучшее, на что я могу надеяться, – это узнать немного больше о том, чего я не знаю. Я с радостью соглашусь на это. Затем, когда наш мир погрузится в хаос, я могу сидеть в своей квартире и созерцать волновую функцию всего этого.

Постскриптум : Это моя последняя колонка в моем блоге «Перекрестная проверка», которую я начал писать в 2010 году. Мой старый приятель Роберт Хатчинсон, который организовал нашу отмененную поездку в Намибию, предложил название «Перекрестная проверка, Намек на мою страсть к хоккею.Я публиковал в среднем по одной статье в неделю уже более десяти лет, и мне никогда не нравилось писать больше. Scientific American закрывает свою сеть блогов в эти выходные, и я и другие блоггеры впредь будем писать в колонке «Наблюдения». Вот где я появлюсь в следующий раз. Я надеюсь увидеть вас там.

Дополнительная литература :

Мета-сообщение: Посты по физике

Теория струн не приносит Нобелевской премии, а я выиграл пари

Что не так с физикой

См. Также мою бесплатную онлайн-книгу Проблемы разума и тела: наука, субъективность и кто мы на самом деле .

Изучение квантовой механики

Проблемы
1. Как среда проектирования может позволить учащимся опираться на свой прошлый опыт и знания , облегчая при этом их способность освободиться от этого?
2. Как мы можем спроектировать интегрированную среду , которая была бы одновременно научной и иммерсивной; серьезный и игривый?
3. Как мы можем создать игрового персонажа , который был бы родным и гендерно-нейтральным, тем самым вырвавшись из стереотипов дисциплины, в которой доминируют мужчины?

1.Опираясь на прошлый опыт студентов
Одна из первых задач заключалась в том, чтобы обеспечить основу для сравнения, чтобы продемонстрировать, как такие понятия, как энергия, положение и импульс, различаются в классической и квантовой механике. Общая стратегия нашей игры – это сравнение. В частности, игра разделена на два мира: мир классической механики (рис. 3) и мир квантовой механики (рис. 4). Объекты в классическом мире ведут себя привычным для повседневного опыта образом, в то время как объекты в квантовом мире ведут себя неожиданно.

Рис. 1 Классический мир изображен в абстрактной лабораторной обстановке. Объекты на полках на заднем плане относятся к знакомым макроскопическим объектам. Здесь частица (шар) ведет себя привычным для повседневного опыта образом. Рис. 2 Квантовый мир изображен более темным тоном, чтобы передать ощущение таинственности.Фон представляет собой атомную среду (решетчатую структуру), в которой обычно существуют наноразмерные квантовые системы. Частица (электрон) здесь ведет себя незнакомым образом.

2. Интегрированная среда
Вторая ключевая задача, с которой мы столкнулись, заключалась в разработке визуальной среды, которая была бы одновременно научной и иммерсивной; серьезный и игривый. Нашим ответом на этот вызов было создание интегрированной среды, сочетающей научные представления концепций квантовой механики с игровой средой.

Рис. 3 Концепция волновой функции – статическая диаграмма, которая представляет связь между волновой функцией (синяя кривая) и распределением вероятностей электрона (блеклые синие точки).

Рис.4 Концепция уровней энергии – изменение уровня энергии электрона добавляет больше пиков и узлов к волновой функции (синяя кривая). Это изменение представлено двумя последовательными статическими фигурами.

2.1 Итерационный процесс проектирования
Проектирование интегрированной среды следовало итеративному процессу.Многие игровые элементы в обоих мирах изменились в результате частого пользовательского тестирования и обсуждения. Например, в старой версии классического мира источниками энергии были «веса». Однако они не считались гирьками и представлялись студентам «чемоданами». Затем мы использовали другую визуальную метафору, связанную с идеей «подъема тяжестей» в следующей итерации. Это все еще не имело отношения к идее поглощения энергии мячом. В конце концов мы изменили веса на болты, чтобы лучше представить идею источника энергии (рис.5). Этот вид итеративного процесса был принят для всех других изменений дизайна среды.

Рис. 5 Примеры итераций дизайна в классическом и квантовом мирах.

2.2 Учебные пособия
Учитывая абстрактный характер концепций управления качеством и образовательные цели игры, было важно, чтобы в игру были включены простые учебные пособия, которые помогали игрокам научиться играть в игру. В более ранних версиях учебные пособия состояли из 3-4 страниц текста, представленных перед началом каждого уровня, причем каждая страница сопровождалась изображением для объяснения ключевой концепции (рис. 6). Тем не менее, в наших оценках большинство студентов сказали нам, что эта функция делает игру больше похожей на интерактивный учебник, чем на игру, потому что учебные материалы затрудняют игровой процесс.В нашей последней итерации обучающие программы представлены в виде небольших задач перед началом каждого уровня в самой игровой среде (рис. 7). Учебный уровень строится и шаг за шагом объясняет среду. Игроку предлагается выполнить необходимое игровое действие (например, поднести к мячу энергетический разряд), чтобы облегчить введение и использование концепции. По завершении обучения игроку остается пройти оставшийся уровень, где он должен применить изученные концепции, чтобы пересечь уровень.Посредством этой стратегии мы оказываем игрокам достаточную поддержку в начале игры, оставляя место для исследовательского обучения методом проб и ошибок, как и в других игровых средах.

Рис. 6 Старые версии руководств

Рис.7 Последняя итерация – обучающие программы интегрированы в игровую среду и разбиты на более мелкие фрагменты информации. Игрок может легко переключаться между обучающими курсами, используя кнопки «назад» и «далее». Элементы, которые объясняются в обучающих материалах, выделяются в игре стрелками, чтобы помочь игроку сосредоточиться на определенных частях интерфейса.

3.Нейтральный, но родственный персонаж
Третья ключевая задача, с которой мы столкнулись при разработке игры, заключалась в создании родственного и нейтрального в гендерном отношении персонажа, вырывающегося из стереотипов дисциплины, в которой доминируют мужчины. Как в науке, так и в играх наблюдается большое гендерное неравенство. Исследования показывают, что учащиеся могут отказаться от игры, если она не уважает их гендерную идентичность.

Рис.8 Изучение персонажа-робота и его взаимодействия.

Рис. 9 Окончательный дизайн персонажа робота с возможностью настройки

Новый дизайн
Двигаясь дальше, мы хотим проверить эффективность этого метода для концепций более высокой сложности.Дизайн уже включен в нашу следующую игру: Пси и Дельта

Квантовая механика для ученых и инженеров

Этот 9-недельный курс направлен на обучение квантовой механике всех, кто имеет достаточное понимание физических или инженерных наук на уровне колледжа.Когда-то квантовая механика интересовала физиков, химиков и других фундаментальных ученых. Теперь концепции и методы квантовой механики необходимы во многих областях инженерии и науки, таких как материаловедение, нанотехнологии, электронные устройства и фотоника. Этот курс представляет собой существенное введение в квантовую механику и способы ее использования. Он специально разработан, чтобы быть доступным не только для физиков, но также для студентов и технических специалистов с широким спектром научных и инженерных специальностей.

Программа курса

Введение в квантовую механику

Насколько важна квантовая механика в повседневном мире, каковы причудливые аспекты и продолжающаяся эволюция квантовой механики, и как она нам нужна для создания большей части современных технологий.

Волновое уравнение Шредингера

Приступаем к волновому уравнению Шредингера. Ключевые идеи использования квантово-механических волн – плотности вероятностей, линейность. Эксперимент «две щели» и его парадоксы.

Получение «квантового» поведения

«Частица в коробке», собственные значения и собственные функции. Математика квантово-механических волн.

Квантовая механика систем, изменяющихся во времени

Изменение во времени путем наложения волновых функций. Гармонический осциллятор. Движение в квантовой механике – волновые пакеты, групповая скорость и ток частиц.

Измерение в квантовой механике

Операторы в квантовой механике – квантово-механический гамильтониан.Измерение и его парадоксы – эксперимент Штерна-Герлаха.

Простое описание квантовой механики

Простой общий взгляд на математику квантовой механики – функции, операторы, матрицы и нотации Дирака. Операторы и измеримые величины. Принцип неопределенности.

Атом водорода

Угловой момент в квантовой механике – атомные орбитали. Квантовая механика с более чем одной частицей. Решение для атома водорода.Природа состояний атомов.

Как решать реальные проблемы

Приближенные методы в квантовой механике.

Предварительные требования

Курс примерно на уровне первого класса квантовой механики по физике на уровне третьего курса колледжа или выше, но он специально разработан, чтобы быть подходящим и полезным также для тех, кто из других научных и инженерных дисциплин.

Курс делает упор на концептуальном понимании, а не на математическом подходе, но некоторое количество математики необходимо для понимания и использования квантовой механики.Курс предполагает наличие математического фона, который включает основы алгебры и тригонометрии, функции, векторы, матрицы, комплексные числа, обыкновенное дифференциальное и интегральное исчисление, а также обыкновенные дифференциальные уравнения и уравнения в частных производных.

По физике студенты должны понимать элементарную классическую механику (законы Ньютона) и основные идеи электричества и магнетизма на уровне, типичном для физики первого года обучения в колледже. (Курс явно не требует знания более сложных концепций классической механики, таких как гамильтонов или лагранжев подходы, или электромагнетизма, таких как уравнения Максвелла.Некоторое вводное знакомство с современной физикой, например с идеями электронов, фотонов и атомов, полезно, но не обязательно.

Курс включает необязательный и неклассифицированный раздел по основам математики для повышения квалификации, который дает студентам обзор и дает студентам возможность практиковать все необходимые знания в области математики. Вступительный справочный материал по ключевым физическим понятиям также представлен в начале курса.

Персонал курса

Дэвид Миллер

Дэвид Миллер – W.Профессор электротехники Фонда М. Кека и, с любезного разрешения, профессор прикладной физики Стэнфордского университета. Он получил степень бакалавра наук. и докторские степени по физике в Шотландии, Великобритания, полученные от Университета Сент-Эндрюс и Университета Хериот-Ватт, соответственно. До переезда в Стэнфорд в 1996 году он проработал 15 лет в AT&T Bell Laboratores. Его исследовательские интересы включали физику и приложения квантовых наноструктур, в том числе изобретение оптических модуляторных устройств, которые сейчас широко используются в волоконно-оптических коммуникациях, а также основы и приложения оптики и нанофотоники.Он получил несколько наград и почетных степеней за свою работу, является членом многих крупных профессиональных обществ в области науки и техники, включая Лондонское Королевское общество, и является членом Национальной академии наук и Национальной инженерной академии в США. Соединенные штаты. Он преподавал квантовую механику в Стэнфорде более 10 лет широкому кругу студентов, от студентов-физиков и инженеров до дипломированных инженеров и ученых во многих дисциплинах.

Часто задаваемые вопросы

Обязательный текст

Текст «Квантовая механика для ученых и инженеров» (Кембридж, 2008 г.) рекомендуется для курса, но не является обязательным.