Квантовая механика | New-Science.ru
Определения
25.04.2021
1 313 2 минут чтения
Квантовая механика – это математическая и физическая теория, описывающая структуру и эволюцию во времени и пространстве физических явлений в масштабе атома и ниже. Она была обнаружена, когда физики хотели описать поведение атомов и обмен энергии между светом и материей в таком масштабе и во всех деталях.
С ним связано несколько имен, и в первую очередь Планк и Эйнштейн, которые первыми поняли, что обмен световой энергией, а затем и сама энергия, может существовать только в количественной форме в связи с их работой по излучению черного тела и фотоэлектрическому эффекту. Бор расширил квантовые постулаты Планка и Эйнштейна от света к материи, предложив модель, воспроизводящую спектр атома водорода.
Слева направо – Вернер Гейзенберг и Нильс Бор, два отца-основателя квантовой механики, теории, лежащей в основе квантовой физики.
Шаг за шагом были найдены правила расчета свойств атомов, молекул и их взаимодействия со светом, когда с 1925 по 1927 год целая серия работ нескольких физиков и математиков придала форму двум общим теориям, применимым к этим задачам:
- волновая механика де Бройля и особенно Шредингера;
- матричная механика Гейзенберга, Борна и Джордана.
Эти две механики были объединены Шредингером с физической точки зрения и фон Нейманом с математической точки зрения. Наконец, Дирак сформулировал синтез или, скорее, полное обобщение этих двух механик, которые мы теперь называем квантовой механикой.
Эрвин Шредингер, один из основателей квантовой механики, прославился своим знаменитым уравнением и так называемым парадоксом кота Шредингера. Мы также обязаны ему размышлениями о природе жизни, которые повлияют на создателей молекулярной биологии и первооткрывателей ДНК.Квантовая механика, примененная к таким частицам, как электрон, или к электромагнитному полю, излучающему свет, показывает в реальности, что эти два объекта не являются ни реальными волнами, ни реальными частицами.
Как показал Эйнштейн, энергия, присутствующая в световой волне, на самом деле находится в форме дискретных неделимых пакетов, фотонов. Точно так же электроны проявляют волновые аспекты, как предсказывал де Бройль, и с ними можно проводить эксперименты по дифракции и интерференции. Эта ситуация часто описывается термином “дуальность волна-частица” для вещества и света и иллюстрируется экспериментом Фейнмана с двойной щелью.
Нильс Бор попытался построить физическую интерпретацию, отражающую эту странную двойственность: это теория Принцип дополнительности. Она основана на неравенстве Гейзенберга.
Суть квантовой механики основана на использовании амплитуд вероятности для характеристики всех возможных физических процессов в квантовой механике. Именно эти процессы могут распространяться в форме волны, но физические величины, связанные с этими процессами, часто квантованы и поэтому дискретны. Так обстоит дело с энергией электронов в атоме.
Фундаментальным уравнением квантовой механики является уравнение Шредингера.
Квантовый мир странен, в нем царит вероятностная неопределенность, и в основном он указывает на структуру, лежащую в основе явлений, которая находится за пределами пространства и времени. Это то, что, кажется, демонстрируют квантовая запутанность и эффект ЭПР. Возникновение классического мира из квантового мира до сих пор не совсем понятно. Это одна из целей теории декогеренции, объясняющая это возникновение.
Подпишитесь на нас:Дзен.Новости / Вконтакте / Telegram
Квантовая механика, квантовая физика | ИКФИА СО РАН
Астахов А.В., Широков Ю.М. Курс физики. Том 3. Квантовая физика. М: Наука, 1983 (pdf)
Базь А.И., Зельдович Я.Б., Переломов А.М. Рассеяние, реакции и распады в нерелятивистской квантовой механике (2-е изд.) М.: Наука, 1971 (pdf)
Бейзер А. Основные представления современной физики. М.: Атомиздат, 1973 (djvu)
Бете Г. Квантовая механика. М.: Мир, 1965 (pdf)
Блохинцев Д.И. Основы квантовой механики (3-е изд.
) М.: Высш. школа, 1961 (pdf)
Блохинцев Д.И. Основы квантовой механики (5-е изд.) М.: Наука, 1976 (pdf)
Блохинцев Д.И. Принципиальные вопросы квантовой механики. М.: Наука, 1966 (pdf)
Боголюбов Н.Н., Медведев Б.В., Поливанов М.К. Вопросы теории дисперсионных соотношений. М.: ГИФМЛ, 1958 (pdf)
Боголюбов Н.Н., Логунов А.А., Тодоров И.Т. Основы аксиоматического подхода в квантовой теории поля. М.: Наука, 1969 (pdf)
Боголюбов Н.Н., Ширков Д.В. Квантовые поля. М.: Наука, 1980 (pdf)
Бом Д. Квантовая теория. (2-е издание). М.: Наука, 1965 (pdf)
Бонч-Бруевич В.Л., Тябликов С.В. Метод функций Грина в статистической механике. М.: Физматлит, 1961 (pdf)
Бор Н. Избранные научные труды. Том I. Статьи 1909-1925. М.: Наука, 1970 (pdf)
Бор Н. Избранные научные труды. Том II. Статьи 1925 -1961. М.: Наука, 1971 (pdf)
Борн М. Лекции по атомной механике. Харьков-Киев: НТИУ, 1934 (pdf)
Борн M. Атомная физика. М.: Мир, 1965 (pdf)
Бьёркен Дж.
Д., Дрелл С.Д. Релятивистская квантовая теория. Т.1. Релятивистская квантовая механика. М.: Наука, 1978 (pdf)
Бьёркен Дж.Д., Дрелл С.Д. Релятивистская квантовая теория. Т.2. Релятивистские квантовые поля. М.: Наука, 1978 (pdf)
Варшалович Д.А., Москалев А.Н., Херсонский В.К. Квантовая теория углового момента. Л.: Наука, 1975 (pdf)
Вихман Э. Берклеевский курс физики. Том 4. Квантовая физика. М.: Наука, 1974 (pdf)
Гейзенберг В., Шредингер Э. Дирак П.А.М. Современная квантовая механика. Три нобелевских доклада. Л.-М.: Гостехиздат, 1934 (pdf)
Гельфер Я.М., Любошиц В.Л., Подгорецкий М.И. Парадокс Гиббса и тождественность частиц в квантовой механике. М.: Наука, 1975 (pdf)
Герцберг Г. Спектры и строение двухатомных молекул. М.: ИЛ, 1949 (pdf)
Гольдман И.И., Кривченков В.Д. Сборник задач по квантовой механике. М.: ГИТТЛ, 1957 (pdf)
Гомбаш П. Проблема многих частиц в квантовой механике. М.: ИЛ, 1952 (pdf)
Грашин А.Ф. Квантовая механика. М.: Просвещение, 1974 (pdf)
Гриб А.
А. Проблема неинвариантности вакуума в квантовой теории поля. М.: Атомиздат, 1978 (pdf)
Гриб А.А., Мамаев С.Г., Мостепаненко В.М. Квантовые эффекты в интенсивных внешних полях. М.: Атомиздат, 1980 (pdf)
Давыдов А.С. Квантовая механика (2-е изд.). М.: Наука, 1973 (pdf)
Де Альфаро В., Редже Т. Потенциальное рассеяние. М.: Мир, 1966 (pdf)
Дирак П.А.М. Лекции по квантовой теории поля. М.: Мир, 1971 (pdf)
Дирак П.А.М. Принципы квантовой механики (2-е издание). М.: Наука, 1979 (pdf)
Елютин П.В., Кривченков В.Д. Квантовая механика с задачами. М.: Наука, 1976 (pdf)
Ефимов Г.В. Нелокальные взаимодействия квантованных полей. М.: Наука, 1977 (pdf)
Зоммерфельд А. Строение атома и спектры. Том 1. М.: ГИТТЛ, 1956 (pdf)
Зоммерфельд А. Строение атома и спектры. Том 2. М.: ГИТТЛ, 1956 (pdf)
Иваненко Д.Д. (ред.) Новейшее развитие квантовой электродинамики. Сборник переводов. М.: Ин. лит., 1954 (pdf)
Иваненко Д. (ред.) Квантовая гравитация и топология.
Сборник переводов. М.: Мир, 1973 (pdf)
Иос Г. Курс теоретической физики. Часть 2. Термодинамика. Статистическая физика. Квантовая теория. Ядерная физика. М.: Просвещение, 1964 (pdf)
Йост Р. Общая теория квантованных полей. М.: Мир, 1967 (pdf)
Каданов Л., Бейм Г. Квантовая статистическая механика. Методы функций Грина в теории равновесных и неравновесных процессов. М.: Мир, 1964 (pdf)
Каплан И.Г. Симметрия многоэлектронных систем. М.: Наука, 1969 (pdf)
Кемпфер Ф. Основные положения квантовой механики. М.: Мир, 1967 (pdf)
Клаудер Д., Сударшан Э. Основы квантовой оптики. М.: Мир, 1970 (pdf)
Коноплева Н.П., Попов В.Н. Калибровочные поля. М.: Атомиздат, 1972 (pdf)
Коноплева Н.П. Квантовая теория калибровочных полей. Сборник переводов. М.: Мир, 1977 (pdf)
Кушниренко А.Н. Введение в квантовую теорию поля. М.: Высш. школа, 1971 (pdf)
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Краткий курс теоретической физики, том 2: Квантовая механика. М.: Наука, 1972 (pdf)
Ландау Л.
, Лифшиц Е. Теоретическая физика. Том 5. Часть 1. Квантовая механика. Часть I. Нерелятивистская теория. М.-Л.: ГИТТЛ, 1948 (pdf)
Липкин Г. Квантовая механика. Новый подход к некоторым проблемам. М.: Мир, 1977 (pdf)
Лоудон Р. Квантовая теория света. М.: Мир, 1976 (pdf)
Люиселл У. Излучение и шумы в квантовой электронике. М.: Наука, 1972 (pdf)
Мандельштам Л.И. Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механике. М.: Наука, 1972 (pdf)
Макки Дж. Лекции по математическим основам квантовой механики. М.: Мир, 1965 (pdf)
Манько В.И. (ред.) Когерентные состояния в квантовой теории. Сборник переводов. Серия Новости фундаментальной науки, вып. 1. М.: Мир, 1972 (pdf)
Марч Н., Янг У., Сампантхар С. Проблема многих тел в квантовой механике. М.: Мир, 1969 (pdf)
Матвеев А.Н. Квантовая механика и строение атома. М.: Высш. школа, 1965 (pdf)
Медведев Б.В. Начала теоретической физики. Механика. Теория поля. Элементы квантовой механики. М.: Наука, 1977 (pdf)
Мессиа А.
Квантовая механика. Том 1. М.: Наука, 1978 (pdf)
Мессиа А. Квантовая механика. Том 2. М.: Наука, 1979 (pdf)
Мигдал А.Б., Крайнов В.П. Приближенные методы квантовой механики. М.: Наука, 1966 (pdf)
Мигдал А.Б. Качественные методы в квантовой теории. М.: Наука, 1975 (pdf)
Надь К. Пространства состояний с индефинитной метрикой в квантовой теории поля. М.: Мир, 1969 (pdf)
Нейман И. Математические основы квантовой механики. М.: Наука, 1964 (pdf)
Пантел Р., Путхоф Г. Основы квантовой электроники. М.: Мир, 1972 (pdf)
Паули В. Общие принципы волновой механики. М.-Л.: ГИТТЛ, 1947 (pdf)
Паули В. Труды по квантовой теории. Квантовая теория. Общие принципы волновой механики. Статьи 1920-1928. М.: Наука, 1975 (pdf)
Паули В. Труды по квантовой теории. Статьи 1928-1958. М.: Наука, 1977 (pdf)
Рыдник В.И. Что такое квантовая механика. М.: Сов. Россия, 1963 (pdf)
Сербо В.Г., Хриплович И.Б. Конспект лекций по квантовой механике. Нсб.: НГУ, 1999 (pdf)
Сигал И.
Математические проблемы релятивистской физики. М.: Мир, 1968 (pdf)
Синаноглу О. Многоэлектронная теория атомов, молекул и их взаимодействий. М.: Мир, 1966 (pdf)
Скобельцын Д.В. (ред.) Квантовая теория поля и гидродинамика. Труды ФИАН. Том XXIX. М.: Наука, 1965 (pdf)
Славнов А.А., Фаддеев Л.Д. Введение в квантовую теорию калибровочных полей. М.: Наука, 1978 (pdf)
Соколов А., Иваненко Д. Квантовая теория поля (избранные вопросы). М.-Л.: ГИТТЛ, 1952 (pdf)
Соколов А.А. Введение в квантовую электродинамику. М.: ГИФМЛ, 1958 (pdf)
Соколов А.А., Лоскутов Ю.М., Тернов И.М. Квантовая механика (2-е изд.) М.: Просвещение, 1965 (pdf)
Соколов А.А., Тернов И.М. Квантовая механика и атомная физика. М.: Просвещение, 1970 (pdf)
Соколов А.А., Тернов И.М., Жуковский В.Ч. Квантовая механика. М.: Наука, 1979 (pdf)
Соколов А.А., Тернов И.М. Релятивистский электрон. М.: Наука, 1974 (pdf)
Сунакава С. Квантовая теория рассеяния. М.: Мир, 1979 (pdf)
Сушко В.
Н. (ред.) Конструктивная теория поля. Серия: Математика Новое в зарубежной науке № 6. М.: Мир, 1977 (pdf)
Тарасов Л.В. Основы квантовой механики. М.: Высш. школа, 1978 (pdf)
Тирринг В.Е. Принципы квантовой электродинамики. М.: Высш. шк., 1964 (pdf)
Толмачев В.В. Квазиклассическое приближение в квантовой механике. М.: МГУ, 1980 (pdf)
Умэдзава X. Квантовая теория поля. М.: Изд-во Ин. Лит., 1958 (pdf)
Фаддеев Л.Д., Якубовский О.А. Лекции по квантовой механике для студентов-математиков. Л.: ЛГУ, 1980 (pdf)
Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Том 8. Квантовая механика-1. М.: Мир, 1966 (pdf)
Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Том 9. Квантовая механика-2. М.: Мир, 1967 (pdf)
Фейнман Р., Хибс А. Квантовая механика и интегралы по траекториям. М.: Мир, 1968 (pdf)
Ферми Э. Квантовая механика (конспект лекции). М.: Мир, 1965 (pdf)
Флюгге З. Задачи по квантовой механике. Том 1. М.: Мир, 1974 (pdf)
Флюгге З.
Задачи по квантовой механике. Том 2. М.: Мир, 1974 (pdf)
Фок В.А. Начала квантовой механики. М.: Наука, 1976 (pdf)
Фудзита С. Введение в неравновесную квантовую статистическую механику. М.: Мир, 1969 (pdf)
Фущич В.И., Никитин А.Г. Симметрия уравнений квантовой механики. М.: Наука, 1990 (pdf)
Хейне В. Теория групп в квантовой механике. М.: ИЛ, 1963 (pdf)
Хенли Э., Тирринг В. Элементарная квантовая теория поля. М.: ИЛ, 1963 (pdf)
Хинчин А.Я. Математические основания квантовой статистики. М.-Л.: ГИТТЛ, 1951 (pdf)
Шварц А.С. Элементы квантовой теории поля. Бозонные взаимодействия. М.: Атомиздат, 1975 (pdf)
Швебер С. Введение в релятивистскую квантовую теорию поля. М.: Ин.лит., 1963 (pdf)
Швингер Ю. Частицы, источники, поля. Том 1. М.: Мир, 1973 (pdf)
Швингер Ю. Частицы, источники, поля. Том 2. М.: Мир, 1976 (pdf)
Шифф Л. Квантовая механика. (2-е изд.) М.: ИЛ, 1959 (pdf)
Шмид Э., Цигельман Х. Проблема трех тел в квантовой механике.
М.: Наука, 1979 (pdf)
Шпольский Э.В. Атомная физика. Том 2. Основы квантовой механики и строение электронной оболочки атома (4-е издание). М.: Наука, 1974 (pdf)
Шредингер Э. Избранные труды по квантовой механике. М.: Наука, 1976 (pdf)
Эмх Ж. Алгебраические методы в статистической механике и квантовой теории поля. М.: Мир, 1976 (pdf)
Эренфест П. Относительность. Кванты. Статистика. Сборник статей. М.: Наука, 1972 (pdf)
Введение в квантовую механику | Давайте поговорим о науке
Квантовая механика может показаться пугающей. Но узнать об этом может быть очень весело! Это действительно заставляет вас «растянуть» свой мозг и расширить свои навыки критического мышления. И квантовая механика возникает не только в высокотехнологичных физических лабораториях. Приложения квантовой механики окружают нас повсюду. Даже внутри устройства, которое вы используете для чтения этой статьи!
Так что же такое квантовая механика?
По сути, квантовая механика — это изучение того, как атомные частицы существуют и взаимодействуют друг с другом.
Возможно, вы знакомы с классической механикой, например, с тремя законами движения Ньютона. Классическая механика позволяет ученым делать очень точные прогнозы для больших объектов. Но эти предсказания не работают так же хорошо, когда вы смотрите на объекты в меньшем масштабе.
Здесь на помощь приходит квантовая механика. Она описывает законы энергии в масштабе атомов. Лучший способ понять квантовую механику — это изучить историю ее основных открытий.
Краткая история квантовой механики
1900: Планк и Кванта
На рубеже двадцатого века многие физики думали, что в их области больше нечего открывать. Однако осталась одна большая проблема. Это было связано с горячими предметами.
Подумайте о своем тостере или плите. Когда элементы нагреваются, они светятся красным. Если бы вы могли увеличить температуру еще больше, они бы светились белым. Этот образец изменения цвета в зависимости от температуры одинаков для любого объекта, независимо от того, из чего он сделан.
Сначала ученые использовали классическую физику, чтобы попытаться понять эту закономерность. Их модели предсказывали, что горячие объекты должны излучать свет в основном в ультрафиолетовом диапазоне частот.
Электромагнитный спектр. Высокоэнергетические гамма-лучи находятся в крайнем левом углу, а низкоэнергетические радиоволны — в крайнем правом (Давайте поговорим о науке, используя изображение Inductiveload [CC BY-SA 3.0] через Wikimedia Commons).Но их эксперименты показали, что ультрафиолет практически не излучается! Эта проблема получила название ультрафиолетовой катастрофы. Ее решил Макс Планк, немецкий физик-теоретик. Его часто называют отцом квантовой механики.
Планк создал новую математическую формулу для частот световой энергии, излучаемой горячим объектом. Он показал, что теплые объекты будут излучать красные частоты. Более горячие объекты будут излучать частоты всех видимых цветов, заставляя их светиться белым. Самое главное, формула Планка предсказала, что ультрафиолетовые частоты не будут излучаться.
Формула Планка сработала благодаря одной ключевой идее. До Планка ученые считали, что энергия находится в непрерывном масштабе. Они думали, что объект может иметь любое значение энергии в этой шкале. Радикальная гипотеза Планка заключалась в том, что на субатомном уровне горячие объекты могут излучать энергию только небольшими единицами или «пакетами». Он назвал эти пакеты квантов (отдельный квант называется квантом ). Планк сказал, что количество энергии в кванте увеличивается с его частотой. Низкие частоты, такие как красный свет, имеют меньше энергии, чем более высокие частоты, такие как белый свет.
Однако у Планка не было причин, по которым энергия квантуется таким образом. Он написал в письме коллеге, что использование этого математического предположения в его формуле было «актом отчаяния». Ответ на этот вопрос придет от Нильса Бора 13 лет спустя.
1905: Эйнштейн и фотоны
Но до Бора квантовая теория помогла решить другую проблему в мире физики – фотоэлектрический эффект .
Это наблюдение, что свет, падающий на металлическую поверхность, может вызвать выброс электронов из металла.
Классическая механика описывает свет как волну. Высота волны называется ее амплитудой . Вы ожидаете, что волна с большей амплитудой будет отталкивать электроны от поверхности с энергией на больше, чем на . Время между пиками волны называется ее частотой . Вы ожидаете, что волны с более высокой частотой ударят и вытолкнут больше электронов с поверхности.
Но, как и в большинстве квантовых экспериментов, произошло неожиданное. Когда металл подвергался воздействию света, большая амплитуда вызывала выброс большего количества электронов.
А свет с более высокой частотой заставлял электроны выбрасываться с большей энергией. Классическая физика не могла этого объяснить!
Классические предсказания | Квантовые наблюдения | ||
Большая амплитуда | Большая энергия | Большая амплитуда | Больше электронов выбрасывается |
Более высокая частота | Больше электронов выбрасывается | Более высокая частота | Большая энергия |
Но чем это объяснить? У Альберта Эйнштейна , известного немецкого физика, была теория. Он применил квантовое объяснение Планка к свету. Он предположил, что иногда свет ведет себя как дискретные пакеты электромагнитной энергии.
Он назвал эти пакеты фотонами.
Знаете ли вы?
Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике в 1921 году не непосредственно за свою теорию относительности, а за «его заслуги перед теоретической физикой, и особенно за открытие им закона фотоэлектрического эффекта».
Если луч света имеет большую амплитуду, это означает, что он содержит больше фотонов. Чем больше фотонов попадает на металлическую поверхность, тем больше столкновений, поэтому выбрасывается больше электронов.
Энергия, содержащаяся в одном фотоне, зависит только от его частоты. Это точно так же, как кванты энергии Планка. Так, свет с более высокой частотой будет передавать больше энергии электронам, что и наблюдалось экспериментально.
1913: Бор и электронные орбитали
Квантовая теория набирала обороты. Но это было всего лишь математическое объяснение некоторых странных наблюдений. Никто не мог объяснить, почему энергия поступает дискретными порциями.
До Нильс Бор , то есть. В 1913 году датский физик предложил новую модель строения атома.
До Бора ученые знали, что атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Бор произвел революцию в этой модели. Он сказал, что эти электроны должны лежать на одной из множества определенных траекторий. Эти пути были похожи на орбиты планет вокруг Солнца. Он назвал их электронными орбиталями. Каждая орбиталь имеет соответствующий энергетический уровень.
Когда электрон поглощает достаточно энергии, он «перескакивает» с одной орбитали на следующую по величине орбиталь. Когда электрон «падает» с одной орбитали на наименьшую, он излучает энергию. Количество излучаемой энергии равно разности энергий между двумя орбиталями. Вот почему энергия существует в дискретных значениях, как «кванты», а не в непрерывном масштабе.
Модель Бора, показывающая, как электрон перескакивает на более высокий энергетический уровень и падает на более низкий энергетический уровень (© Let’s Talk Science, 2020).
Квантовая энергия, которую увидел Планк, представляла собой электромагнитное излучение, испускаемое электронами горячих объектов. Фотоны Эйнштейна, с другой стороны, передавали свою энергию электронам в металле. Если бы энергия фотона была достаточно высока, электрон покинул бы свою орбиталь и вообще покинул бы металл. Итак, электронные орбитали Бора обеспечили теоретическое объяснение квантовой механики.
Квантовая механика сегодня
Планк, Эйнштейн, Бор (и многие другие) получили Нобелевскую премию по физике за свои работы в области квантовой механики. Но если бы они были живы сегодня, мир был бы для них неузнаваем из-за их собственных открытий!
Знаете ли вы?
Мы должны благодарить квантовую теорию за магнитно-резонансную томографию (МРТ). Это помогает врачам делать снимки вашего тела изнутри.
Компьютеры работают на основе квантовой механики. Но почему? Из-за транзисторов.
Материнская плата компьютера с указанием расположения транзисторов (Источник: Neziha Kalı Ertuğrul через iStockphoto).
Транзисторы — это крошечные электронные компоненты внутри компьютеров, которые хранят биты информации. Когда транзистор включен, он проводит электричество, и компьютер считывает это как «1». Когда транзистор выключен, он больше не проводит электричество, и компьютер считывает это как «0». Компьютеры говорят на языке единиц и нулей. Они включают или выключают транзисторы для кодирования информации.
Какое отношение это имеет к квантовой механике? Ну, транзисторы сделаны из материала, который является полупроводником .
Что такое полупроводник (2015) от MITK12Videos (4:45 мин.).
Квантовая механика говорит нам, что электрон может занимать только определенные энергетические уровни. При взгляде на большую группу электронов, таких как те, что находятся в полупроводниках, эти уровни представляют собой «полосы» или диапазоны допустимых значений энергии.
Когда полупроводник подключен к напряжению, находящемуся внутри энергетической зоны, он проводит электричество. Когда он подключен к напряжению за пределами допустимого диапазона энергии, он не проводит электричество. Он действует как изолятор. Так включаются и выключаются транзисторы, которые компьютер считывает как 1 или 0.
Знаете ли вы?
Кремний — наиболее распространенный полупроводниковый материал, используемый в компьютерных транзисторах. Так получила свое название знаменитая Силиконовая долина. Эта часть Калифорнии считается крупным центром технологических инноваций.
То, что использует двоичный код из 1 и 0, называется цифровым. Почти в любом цифровом устройстве, о котором вы только можете подумать, используются полупроводниковые транзисторы. Ваш компьютер, ваш мобильный телефон, даже ваш телевизор! Представьте мир без этих вещей или без Интернета. Это был бы мир без квантовой механики.
Наука 101: Квантовая механика | Аргоннская национальная лаборатория
Хотите больше кванта? Посетите публичное мероприятие Argonne OutLoud Into the Quantum Realm 22 марта 2023 г.
Зарегистрируйтесь сейчас
Что такое квант?
Представьте себе мир, в котором объекты могут существовать одновременно в двух местах или влиять друг на друга со всей вселенной.
Хотя мы не видим подобных вещей в повседневной жизни, похожие диковинки, похоже, существуют повсюду вокруг нас в фундаментальном поведении нашей вселенной и ее мельчайших строительных блоках. Эти своеобразные характеристики природы описываются разделом физики, называемым квантовой механикой.
В начале 1900-х годов ученые начали развивать квантовую механику, чтобы объяснить результаты ряда экспериментов, которые не поддавались никакому другому толкованию. Сегодня ученые используют эту теорию для создания мощных технологий — незащищенной передачи сообщений, более быстрого открытия лекарств и более качественного изображения на экранах телефонов и телевизоров.
Итак, что такое квант? В более общем смысле слово «квант» может относиться к наименьшему возможному количеству чего-либо. Область квантовой механики имеет дело с самыми фундаментальными частицами материи, энергии и света, а также с тем, как они взаимодействуют друг с другом, образуя мир.
В отличие от того, как мы обычно думаем о мире, когда мы воображаем, что вещи обладают корпускулярными или волновыми свойствами по отдельности (бейсбольный мяч и океанские волны, например), такие понятия не работают в квантовой механике. В зависимости от ситуации ученые могут наблюдать один и тот же квантовый объект как частицеподобный или волнообразный. Например, о свете нельзя думать только как о фотоне (световой частице) или только как о световой волне, потому что мы можем наблюдать оба типа поведения в разных экспериментах.
Изо дня в день мы видим вещи в одном «состоянии» за раз: здесь или там, движущиеся или неподвижные, в правильном или перевернутом виде. Состояние объекта в квантовой механике не всегда так однозначно.
Например, прежде чем мы попытаемся определить местоположения набора квантовых объектов, они могут существовать в так называемой суперпозиции — или особом типе комбинации — одного или нескольких местоположений. Различные возможные состояния комбинируются и взаимодействуют друг с другом, как волны в пруду, и объекты имеют определенное положение только после того, как мы посмотрели. Суперпозиция — одна из главных особенностей, которые делают квантовые компьютеры возможными, потому что они позволяют нам представлять информацию новыми и полезными способами.
Другим интересным квантовым поведением является туннелирование, когда квантовый объект, например электрон, может иногда проходить через барьеры, через которые он в противном случае не смог бы пройти. Это происходит потому, что суперпозиция допускает небольшую вероятность того, что электрон окажется по другую сторону барьера. Квантовое туннелирование применяется, например, в устройствах флэш-памяти, мощных микроскопах и квантовых компьютерах.
Когда квантовые объекты взаимодействуют, они связаны друг с другом через связь, называемую запутанностью. Эта связь сохраняется, даже если объекты разделены большими расстояниями. Эйнштейн назвал это «жутким действием на расстоянии». Ученые используют его для сверхзащищенной связи, и это важная функция квантовых вычислений.
В Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) ученые используют опыт мирового класса и исследовательское оборудование для разработки квантовых технологий для хранения, транспортировки и защиты информации, а также для исследования нашей Вселенной из сложной динамики глубоко внутри атом к событиям столь грандиозным, как рождение самой вселенной. Аргонн также возглавляет Q-NEXT, национальный исследовательский центр квантовой информации Министерства энергетики США, работающий над разработкой квантовых материалов и устройств и использованием возможностей квантовых технологий для связи.
Использование парадоксального поведения в атомном масштабе для создания мощных изменений в информатике в практическом масштабе
Скачать PDF
Ученые стремятся разработать квантовые системы, которые могут хранить, транспортировать, манипулировать и защищать информацию.