Квантовая физика механика: Квантовая физика для больших и маленьких.

В квантовой механике частицы иногда могут существовать как волны, а иногда как частицы. Лучше всего это можно увидеть в эксперименте с двумя щелями, где частицы, такие как электроны, выстреливаются в доску с двумя прорезями, за которыми находится экран, который загорается, когда в него попадает электрон. Если бы электроны были частицами, они образовали бы две яркие линии в том месте, где они столкнулись с экраном после прохождения через одну или другую щели, согласно популярная статья в Nature (откроется в новой вкладке).

Вместо этого при проведении эксперимента на экране формируется интерференционная картина. Этот узор из темных и ярких полос имеет смысл только в том случае, если электроны представляют собой волны с гребнями (верхние точки) и впадинами (нижние точки), которые могут мешать друг другу. Даже когда один электрон проходит через щели за раз, проявляется интерференционная картина — эффект, похожий на интерференцию одного электрона.

В 1924 году французский физик Луи де Бройль использовал уравнения специальной теории относительности Эйнштейна , чтобы показать, что частицы могут проявлять волновые характеристики, а волны могут проявлять корпускулярные характеристики. он получил Нобелевскую премию через несколько лет .

Как квантовая механика описывает атомы?

В 1910-х годах датский физик Нильс Бор попытался описать внутреннюю структуру атомов с помощью квантовой механики. К этому моменту стало известно, что атом состоит из тяжелого, плотного, положительно заряженного ядра, окруженного роем крошечных, легких, отрицательно заряженных электронов. Бор поместил электроны на орбиты вокруг ядра, как планет в субатомной Солнечной системе, за исключением того, что они могут иметь только определенные предопределенные орбитальные расстояния. Перескакивая с одной орбиты на другую, атом мог получать или излучать излучение с определенной энергией, отражающей их квантовую природу.

Вскоре после этого двое ученых, работая независимо друг от друга и используя разные направления математического мышления, создали более полную квантовую картину атома, согласно Американского физического общества . В Германии физик Вернер Гейзенберг добился этого, разработав «матричную механику». Австрийско-ирландский физик Эрвин Шредингер разработал аналогичную теорию, названную «волновой механикой». Шредингер показал в 1926, эти два подхода были эквивалентны.

Модель атома Гейзенберга-Шредингера, в которой каждый электрон действует как волна вокруг ядра атома, заменила более раннюю модель Бора. В модели атома Гейзенберга-Шредингера электроны подчиняются «волновой функции» и занимают «орбитали», а не орбиты. В отличие от круговых орбит модели Бора, атомные орбитали имеют различную форму: от сфер до гантелей и ромашек, согласно пояснительному веб-сайту химика Джима Кларка 9.0006 (откроется в новой вкладке).

Что такое парадокс кота Шредингера?

Кот Шредингера — часто неправильно понимаемый мысленный эксперимент, описывающий опасения некоторых первых разработчиков квантовой механики по поводу его результатов. В то время как Бор и многие его ученики считали, что квантовая механика предполагает, что частицы не обладают четко определенными свойствами, пока они не будут обнаружены, Шредингер и Эйнштейн не могли поверить в такую ​​возможность, потому что это привело бы к нелепым выводам о природе реальности. В 1935, Шредингер предложил эксперимент, в котором жизнь или смерть кошки зависела бы от случайного переворота квантовой частицы, состояние которой оставалось бы невидимым до тех пор, пока ящик не был бы открыт. Шрёдингер надеялся показать абсурдность идей Бора на реальном примере, который зависел от вероятностной природы квантовой частицы, но дал бессмысленный результат.

Согласно боровской интерпретации квантовой механики, пока ящик не был открыт, кошка существовала в невозможном двойном положении, будучи одновременно и живой, и мертвой. (Ни одна настоящая кошка никогда не подвергалась этому эксперименту.) И Шредингер, и Эйнштейн считали, что это помогло показать, что квантовая механика была неполной теорией и в конечном итоге будет заменена той, которая соответствует обычному опыту.

Шредингер и Эйнштейн помогли выделить еще один странный результат квантовой механики, который ни один из них не мог полностью понять. В 1935 году Эйнштейн вместе с физиками Борисом Подольским и Натаном Розеном показал, что две квантовые частицы можно настроить так, чтобы их квантовые состояния всегда коррелировали друг с другом, согласно Стэнфордской энциклопедии философии . ). Частицы практически всегда «знали» о свойствах друг друга. Это означает, что измерение состояния одной частицы мгновенно сообщит вам о состоянии ее близнеца, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга, — результат, который Эйнштейн назвал «призрачным действием на расстоянии», но который Шредингер вскоре назвал «9».0005 запутанность .”

Запутанность оказалась одним из наиболее важных аспектов квантовой механики и постоянно встречается в реальном мире. Исследователи часто проводят эксперименты с использованием квантовой запутанности, и это явление является частью основы для возникающих поле квантовые вычисления .

Квантовая механика и общая теория относительности несовместимы?

На данный момент физикам не хватает полного объяснения всех наблюдаемых частиц и сил во Вселенной, которое часто называют теорией всего. Теория относительности Эйнштейна описывает большие и массивные вещи, в то время как квантовая механика описывает маленькие и невещественные вещи Эти две теории не то чтобы несовместимы, но никто не знает, как их совместить 9.0003

Многие исследователи искали теорию квантовой гравитации, которая ввела бы гравитацию в квантовую механику и объяснила бы все, от субатомных до сверхгалактических сфер. Существует множество предложений о том, как это сделать, например, изобретение гипотетической квантовой частицы для гравитации, называемой гравитоном, но до сих пор ни одна теория не смогла охватить все наблюдения за объектами в нашей Вселенной. Другое популярное предложение, теория струн, согласно которой самые фундаментальные объекты представляют собой крошечные струны, вибрирующие во многих измерениях, стало менее широко приниматься физиками, так как было обнаружено мало доказательств в его пользу. Другие исследователи также работали над теориями, включающими петля квантовой гравитации (открывается в новой вкладке), в которой и время, и пространство представляют собой дискретные, крошечные фрагменты, но до сих пор ни одной идее не удалось получить серьезное влияние в сообществе физиков.

Первоначально эта статья была написана участником Live Science Робертом Кулманом и обновлена ​​Адамом Манном 2 марта 2022 г.

Библиография

Боу, Э. (2019, 19 июня). Краткая квантовая история лампочки. Внутри периметра

Кларк, Дж. (2021, май). Атомные орбитали . https://www.chemguide.co.uk/atoms/properties/atomorbs.html (открывается в новой вкладке)

Кулман Р. (11 сентября 2014 г.). Что такое классическая механика? Живая наука. https://www.livescience.com/47814-classical-mechanics.html

О’Коннор, Дж. Дж., и Робертсон, Э. Ф. (1996, май). История квантовой механики. https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/HistTopics/The_Quantum_age_begins/ (открывается в новой вкладке)

Эйнштейн, А. (1905). С эвристической точки зрения на производство и преобразование света

Манн А. (28 февраля 2020 г.) Кот Шредингера: любимый непонятый питомец квантовой механики . Живая наука. https://www.livescience.com/schrodingers-cat.html

Манн, А. (2019, 29 августа) Что такое теория всего ? Space.com. https://www.space.com/theory-of-everything-definition.html (открывается в новой вкладке)

Московиц, К. (2012, 25 марта). Самые большие молекулы ведут себя как волны в квантовом эксперименте с двумя щелями

Ширбер, М. (9 июля 2019 г.). Что такое относительность? Живая наука. https://www.livescience.com/32216-what-is-relativity.html

Нобелевская премия (без даты). Факты о Луи де Бройле. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1929/broglie/facts/ (открывается в новой вкладке) 

Треткофф, Э. (2008 г., февраль). Этот месяц в истории физики: февраль 1927 г. Принцип неопределенности Гейзенберга . Американское физическое общество.

Wood, C. (2019, 27 августа). Что такое квантовая гравитация? Space.com. https://www.space.com/quantum-gravity.html (открывается в новой вкладке)

Адам Манн — независимый журналист с более чем десятилетним стажем, специализирующийся на астрономии и физике. Он имеет степень бакалавра астрофизики Калифорнийского университета в Беркли. Его работы публиковались в New Yorker, New York Times, National Geographic, Wall Street Journal, Wired, Nature, Science и многих других изданиях. Он живет в Окленде, штат Калифорния, где любит кататься на велосипеде.

При участии

• Robert CoolmanLive Science Contributor

Что такое квантовая механика? Квантовая физика: определение, объяснение

При покупке по ссылкам на нашем сайте мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.

Квантовая механика — это раздел физики, описывающий поведение частиц — атомов, электронов, фотонов и почти всего в молекулярном и субмолекулярном царстве.

Результаты квантовой механики, разработанные в первой половине 20-го века, часто бывают чрезвычайно странными и противоречащими интуиции.

Чем квантовая механика отличается от классической физики?

В масштабе атомов и электронов многие уравнения классической механики, описывающие движение и взаимодействие вещей при обычных размерах и скоростях, перестают быть полезными.

В классической механике объекты существуют в определенном месте в определенное время. Вместо этого в квантовой механике объекты существуют в тумане вероятности; у них есть определенный шанс оказаться в точке А, еще один шанс оказаться в точке Б и так далее.

Когда была разработана квантовая механика?

Квантовая механика развивалась в течение многих десятилетий, начиная с набора противоречивых математических объяснений экспериментов, которые не могла объяснить математика классической механики, согласно Университета Сент-Эндрюс в Шотландии . Это началось на рубеже 20-го века, примерно в то же время Альберт Эйнштейн опубликовал свою теорию относительности , отдельную революцию в физике, описывающую движение вещей с большими скоростями. Однако, в отличие от теории относительности, происхождение квантовой механики не может быть приписано одному ученому. Скорее, несколько ученых внесли свой вклад в основу, которая постепенно получила признание и экспериментальную проверку в период с конца 1800-х по 19 век.30.

В 1900 году немецкий физик Макс Планк пытался объяснить, почему объекты при определенных температурах, например, нить накаливания лампочки с температурой 1470 градусов по Фаренгейту (800 градусов по Цельсию), светятся определенным цветом — в данном случае красным, согласно Института периметра (открывается в новой вкладке). Планк понял, что уравнения, используемые физиком Людвигом Больцманом для описания поведения газов, могут быть переведены в объяснение этой связи между температурой и цветом. Проблема заключалась в том, что работа Больцмана основывалась на том факте, что любой данный газ состоит из мельчайших частиц, а это означает, что свет тоже состоит из отдельных частиц.

Эта идея противоречила представлениям о свете в то время, когда большинство физиков считали, что свет представляет собой непрерывную волну, а не крошечный пакет. Сам Планк не верил ни в атомы, ни в дискретные частицы света, но его концепция получила развитие в 1905 году, когда Эйнштейн опубликовал статью « Относительно эвристической точки зрения на излучение и трансформацию света». in new tab)” 

Эйнштейн представлял свет, путешествующий не как волна, а как своего рода “кванты энергии”. Этот пакет энергии, как предположил Эйнштейн в своей статье, может «поглощаться или генерироваться только как единое целое», особенно когда атом «прыгает» между квантованными частотами колебаний. Вот откуда взялась «квантовая» часть квантовой механики.

Используя этот новый способ понимания света, Эйнштейн предложил в своей статье понимание поведения девяти явлений, включая особые цвета, которые, по описанию Планка, излучаются нитью накала лампочки. Это также объяснило, как определенные цвета света могут выбрасывать электроны с металлических поверхностей — явление, известное как фотоэлектрический эффект.

Что такое корпускулярно-волновой дуализм?