În ciuda sonorității și misterului subiectului de astăzi, vom încerca să spunem ce studiază fizica cuantică, în cuvinte simple, ce ramuri ale fizicii cuantice au loc și de ce este necesară în principiu fizica cuantică.
Materialul oferit mai jos este de înțeles oricui.
Înainte de a dezvălui despre ceea ce studiază fizica cuantică, ar fi potrivit să ne amintim de unde a început totul...
Pe la mijlocul secolului al XIX-lea, omenirea a început să studieze serios problemele care erau imposibil de rezolvat folosind aparatul fizicii clasice.
O serie de fenomene păreau „ciudate”. Unele întrebări nu au găsit deloc un răspuns.
În anii 1850, William Hamilton, crezând că mecanica clasică nu era capabilă să descrie cu exactitate mișcarea razelor de lumină, și-a propus propria teorie, care a intrat în istoria științei sub numele de formalism Hamilton-Jacobi, care se baza pe postulatul a teoriei ondulatorii a luminii.
În 1885, după ce s-a certat cu un prieten, fizicianul elvețian Johann Balmer a derivat empiric o formulă care a făcut posibilă calcularea lungimii de undă a liniilor spectrale cu o precizie foarte mare.
Balmer nu a putut explica motivele modelelor identificate.
În 1895, Wilhelm Roentgen, în timp ce studia razele catodice, a descoperit radiații pe care le-a numit raze X (mai târziu redenumite raze), caracterizate printr-o natură puternică pătrunzătoare.
Un an mai târziu, în 1896, Henri Becquerel, în timp ce studia sărurile de uraniu, a descoperit radiații spontane cu proprietăți similare. Noul fenomen a fost numit radioactivitate.
În 1899, natura ondulatorie a razelor X a fost dovedită.
Foto 1. Fondatorii fizicii cuantice Max Planck, Erwin Schrödinger, Niels Bohr
Anul 1901 a fost marcat de apariția primului model planetar al atomului, propus de Jean Perrin. Din păcate, omul de știință însuși a abandonat această teorie, negăsind o confirmare pentru ea din punctul de vedere al teoriei electrodinamicii.
Doi ani mai târziu, omul de știință japonez Hantaro Nagaoka a propus un alt model planetar al atomului, în centrul căruia ar trebui să existe o particulă încărcată pozitiv, în jurul căreia electronii s-ar roti pe orbite.
Această teorie, însă, nu a ținut cont de radiația emisă de electroni și, prin urmare, nu putea, de exemplu, să explice teoria liniilor spectrale.
Reflectând asupra structurii atomului, în 1904 Joseph Thomson a interpretat pentru prima dată conceptul de valență din punct de vedere fizic.
Anul nașterii fizicii cuantice, poate, poate fi recunoscut ca 1900, asociindu-i cu discursul lui Max Planck la o întâlnire a fizicii germane.
Planck a fost cel care a propus o teorie care a unit multe concepte, formule și teorii fizice disparate până acum, inclusiv constanta lui Boltzmann, care leagă energia și temperatura, numărul lui Avogadro, legea deplasării lui Wien, sarcina electronului, legea radiației lui Boltzmann...
El a introdus în folosință și conceptul de cuantum de acțiune (a doua - după constanta lui Boltzmann - constantă fundamentală).
Dezvoltarea ulterioară a fizicii cuantice este direct legată de numele lui Hendrik Lorentz, Albert Einstein, Ernst Rutherford, Arnold Sommerfeld, Max Born, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Louis de Broglie, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Paul Dirac, Enrico Fermi și mulți alți oameni de știință remarcabili, care au lucrat în prima jumătate a secolului al XX-lea.
Oamenii de știință au reușit să înțeleagă natura particulelor elementare cu o adâncime fără precedent, să studieze interacțiunile particulelor și câmpurilor, să dezvăluie natura cuarci a materiei, să derive funcția de undă și să explice conceptele fundamentale de discretitate (cuantizare) și dualitate val-particulă.
Teoria cuantică, ca nimeni alta, a adus omenirea mai aproape de înțelegerea legile fundamentale ale universului, a înlocuit conceptele convenționale cu altele mai precise și ne-a forțat să regândim un număr imens de modele fizice.
Ce studiază fizica cuantică?
Fizica cuantică descrie proprietățile materiei la nivelul microfenomenelor, studiind legile mișcării micro-obiectelor (obiectelor cuantice).
Subiect de studiu al fizicii cuantice constituie obiecte cuantice cu dimensiuni de 10 −8 cm sau mai mici. Acest:
- molecule,
- atomi,
- nuclee atomice,
- particule elementare.
Principalele caracteristici ale microobiectelor sunt masa de repaus și sarcina electrică. Masa unui electron (me) este 9,1 10 −28 g.
Pentru comparație, masa unui muon este 207 me, un neutron este 1839 me, un proton este 1836 me.
Unele particule nu au deloc masă de repaus (neutrini, fotoni). Masa lor este 0 eu.
Sarcina electrică a oricărui microobiect este un multiplu al sarcinii electronilor, egal cu 1,6 × 10 -19 C. Alături de obiectele încărcate, există micro-obiecte neutre a căror sarcină este zero.
Foto 2. Fizica cuantică ne-a forțat să reconsiderăm opiniile tradiționale asupra conceptelor de unde, câmpuri și particule
Sarcina electrică a unui microobiect complex este egală cu suma algebrică a sarcinilor particulelor sale constitutive.
Proprietățile microobiectelor includ a învârti(tradus literal din engleză - „a roti”).
Este de obicei interpretat ca momentul unghiular al unui obiect cuantic, independent de condițiile externe.
Este dificil să găsești o imagine adecvată a spatelui în lumea reală. Nu poate fi considerată ca un spinning top datorită naturii sale cuantice. Fizica clasică nu este capabilă să descrie acest obiect.
Prezența spinului afectează comportamentul microobiectelor.
Prezența spin-ului introduce trăsături semnificative în comportamentul obiectelor din microlume, dintre care majoritatea - obiecte instabile - se degradează spontan, transformându-se în alte obiecte cuantice.
Microobiectele stabile, care includ neutrini, electroni, fotoni, protoni, precum și atomii și moleculele, sunt capabile să se descompună numai sub influența unei energii puternice.
Fizica cuantică absoarbe complet fizica clasică, considerând-o ca fiind cazul limită.
De fapt, fizica cuantică este – într-un sens larg – fizică modernă.
Ceea ce descrie fizica cuantică în microlume este imposibil de perceput. Din această cauză, multe prevederi ale fizicii cuantice sunt greu de imaginat, în contrast cu obiectele descrise de fizica clasică.
În ciuda acestui fapt, noile teorii au făcut posibilă schimbarea ideilor noastre despre unde și particule, despre descrierea dinamică și probabilistică, despre continuu și discret.
Fizica cuantică nu este doar o teorie nouă.
Aceasta este o teorie care a fost capabilă să prezică și să explice un număr incredibil de fenomene - de la procese care au loc în nucleele atomice până la efecte macroscopice în spațiul cosmic.
Fizica cuantică – spre deosebire de fizica clasică – studiază contează la un nivel fundamental, dând interpretări fenomenelor din realitatea înconjurătoare pe care fizica tradițională nu este capabilă să le ofere (de exemplu, de ce atomii rămân stabili sau dacă particulele elementare sunt cu adevărat elementare).
Teoria cuantică ne oferă posibilitatea de a descrie lumea mai precis decât era acceptat înainte de apariția ei.
Importanța fizicii cuantice
Evoluțiile teoretice care constituie esența fizicii cuantice sunt aplicabile atât pentru studiul obiectelor spațiale inimaginabil de uriașe, cât și al particulelor elementare extrem de mici.
Electrodinamica cuantică ne cufundă în lumea fotonilor și electronilor, concentrându-ne pe studiul interacțiunilor dintre ei.
Teoria cuantică a materiei condensate ne aprofundează cunoștințele despre superfluide, magneți, cristale lichide, solide amorfe, cristale și polimeri.
Foto 3. Fizica cuantică a oferit omenirii o descriere mult mai precisă a lumii din jurul nostru
Cercetările științifice din ultimele decenii s-au concentrat pe studiul structurii cuarci a particulelor elementare în cadrul unei ramuri independente a fizicii cuantice - cromodinamica cuantică.
Mecanica cuantică nerelativista(cea care se află în afara sferei de aplicare a teoriei relativității a lui Einstein) studiază obiectele microscopice care se mișcă cu o viteză relativ mică (mai mică decât ), proprietățile moleculelor și atomilor, structura lor.
Optica cuantică este angajat în studiul științific al faptelor asociate cu manifestarea proprietăților cuantice ale luminii (procese fotochimice, radiații termice și stimulate, efect fotoelectric).
Teoria câmpului cuantic este o secțiune unificatoare care încorporează ideile teoriei relativității și mecanicii cuantice.
Teoriile științifice dezvoltate în cadrul fizicii cuantice au dat un impuls puternic dezvoltării electronicii cuantice, tehnologiei, teoriei cuantice a solidelor, științei materialelor și chimiei cuantice.
Fără apariția și dezvoltarea ramurilor cunoscute ale cunoașterii, crearea de nave spațiale, spărgătoare de gheață nucleare, comunicații mobile și multe alte invenții utile ar fi fost imposibilă.
Există multe locuri pentru a începe această discuție, iar acesta este la fel de bun ca oricare: totul în Universul nostru este atât particule, cât și undă în natură. Dacă s-ar putea spune despre magie: „Toate sunt valuri și nimic altceva decât valuri”, aceasta ar fi o descriere minunat de poetică a fizicii cuantice. De fapt, totul în acest univers are o natură ondulatorie.
Desigur, tot ceea ce există în Univers este de natura particulelor. Sună ciudat, dar este.
Descrierea obiectelor reale ca particule și unde în același timp va fi oarecum inexactă. Strict vorbind, obiectele descrise de fizica cuantică nu sunt particule și unde, ci mai degrabă aparțin celei de-a treia categorii, care moștenește proprietățile undelor (frecvența și lungimea de undă, împreună cu propagarea în spațiu) și unele proprietăți ale particulelor (pot fi numărate). și localizat într-o anumită măsură). Acest lucru duce la o dezbatere aprinsă în comunitatea fizicii despre dacă este chiar corect să vorbim despre lumină ca particule; nu pentru că există o controversă cu privire la faptul dacă lumina are o natură de particule, ci pentru că numirea fotonilor „particule” mai degrabă decât „excitații de câmp cuantic” este înșelătoare pentru studenți. Cu toate acestea, acest lucru se aplică și dacă electronii pot fi numiți particule, dar astfel de dispute vor rămâne în cercuri pur academice.
Această „a treia” natură a obiectelor cuantice este reflectată în limbajul uneori confuz al fizicienilor care discută fenomenele cuantice. Bosonul Higgs a fost descoperit la Large Hadron Collider ca o particulă, dar probabil ați auzit expresia „câmp Higgs”, acel lucru delocalizat care umple tot spațiul. Acest lucru se întâmplă deoarece în anumite condiții, cum ar fi experimentele de ciocnire a particulelor, este mai potrivit să discutăm despre excitațiile câmpului Higgs decât să definim caracteristicile unei particule, în timp ce în alte condiții, cum ar fi discuțiile generale despre motivul pentru care anumite particule au masă, este este mai potrivit să discutăm despre fizică din punct de vedere al interacțiunilor cuantice un câmp de proporții universale. Acestea sunt pur și simplu limbi diferite care descriu aceleași obiecte matematice.
Fizica cuantică este discretă
Totul este în numele fizicii - cuvântul „cuantic” provine din latinescul „cât” și reflectă faptul că modelele cuantice implică întotdeauna ceva ce vine în cantități discrete. Energia conținută într-un câmp cuantic vine în multipli ai unei energii fundamentale. Pentru lumină, aceasta este asociată cu frecvența și lungimea de undă a luminii - lumina de înaltă frecvență, cu lungime de undă scurtă are o energie caracteristică enormă, în timp ce lumina cu frecvență joasă, cu lungime de undă lungă are puțină energie caracteristică.
În ambele cazuri, totuși, energia totală conținută într-un câmp luminos separat este un multiplu întreg al acestei energii - de 1, 2, 14, 137 de ori - și nu există fracții ciudate precum unu și jumătate, „pi” sau pătratul. rădăcină a doi. Această proprietate este observată și în nivelurile de energie discrete ale atomilor, iar zonele de energie sunt specifice - unele valori de energie sunt permise, altele nu. Ceasurile atomice funcționează datorită discretității fizicii cuantice, folosind frecvența luminii asociată cu tranziția între două stări permise în cesiu, ceea ce permite menținerea timpului la nivelul necesar pentru ca „al doilea salt” să aibă loc.
Spectroscopia de ultra-precizie poate fi folosită și pentru a căuta lucruri precum materia întunecată și rămâne o parte din motivația Institutului de Fizică Fundamentală a Energiei Joase.
Acest lucru nu este întotdeauna evident - chiar și unele lucruri care sunt în principiu cuantice, cum ar fi radiația corpului negru, sunt asociate cu distribuții continue. Dar la o examinare mai atentă și atunci când este implicat un aparat matematic profund, teoria cuantică devine și mai ciudată.
Fizica cuantică este probabilistică
Unul dintre cele mai surprinzătoare și (cel puțin din punct de vedere istoric) aspecte controversate ale fizicii cuantice este că este imposibil să se prezică cu certitudine rezultatul unui singur experiment cu un sistem cuantic. Când fizicienii prezic rezultatul unui anumit experiment, predicția lor ia forma probabilității de a găsi fiecare dintre rezultatele posibile particulare, iar comparațiile dintre teorie și experiment implică întotdeauna obținerea unei distribuții a probabilității din multe experimente repetate.
Descrierea matematică a unui sistem cuantic ia de obicei forma unei „funcții de undă” reprezentată de ecuațiile psi grecești de fag: Ψ. Există multe dezbateri despre ce este exact o funcție de undă și ia împărțit pe fizicieni în două tabere: cei care văd funcția de undă ca un lucru fizic real (teoreticienii onticii) și cei care cred că funcția de undă este pur o expresia cunoștințelor noastre (sau lipsa acestora), indiferent de starea de bază a unui obiect cuantic individual (teoreticieni epistemici).
În fiecare clasă de model de bază, probabilitatea de a găsi un rezultat este determinată nu direct de funcția de undă, ci de pătratul funcției de undă (în linii mari, este la fel; funcția de undă este un obiect matematic complex (și, prin urmare, include numere imaginare precum rădăcina pătrată sau versiunea sa negativă), iar operația de obținere a probabilității este puțin mai complicată, dar „pătratul funcției de undă” este suficient pentru a înțelege esența de bază a ideii). Aceasta este cunoscută sub numele de regula lui Born, după fizicianul german Max Born, care a calculat-o pentru prima dată (într-o notă de subsol la o lucrare din 1926) și a surprins mulți oameni cu încarnarea sa urâtă. Se lucrează activ pentru a încerca să deriva regula Born dintr-un principiu mai fundamental; dar până acum niciunul nu a avut succes, deși au generat o mulțime de lucruri interesante pentru știință.
Acest aspect al teoriei ne conduce și la faptul că particulele se află în mai multe stări în același timp. Tot ceea ce putem prezice este o probabilitate, iar înainte de a măsura cu un rezultat specific, sistemul de măsurat se află într-o stare intermediară - o stare de suprapunere care include toate probabilitățile posibile. Dar dacă un sistem există într-adevăr în mai multe stări sau este într-o singură necunoscută depinde dacă preferați un model ontic sau epistemic. Ambele ne conduc la următorul punct.
Fizica cuantică este non-locală
Acesta din urmă nu a fost acceptat pe scară largă ca atare, în principal pentru că a greșit. Într-o lucrare din 1935, împreună cu tinerii săi colegi Boris Podolky și Nathan Rosen (lucrare EPR), Einstein a oferit o declarație matematică clară a ceva care îl deranja de ceva timp, ceea ce numim „încurcătură”.
Lucrările lui EPR au susținut că fizica cuantică a recunoscut existența unor sisteme în care măsurătorile efectuate în locații larg separate se pot corela astfel încât rezultatul uneia să determină cealaltă. Ei au susținut că aceasta însemna că rezultatele măsurătorilor trebuie să fie determinate în prealabil de un factor comun, deoarece, altfel, rezultatul unei măsurători ar trebui transmis la locul alteia la viteze care depășesc viteza luminii. Prin urmare, fizica cuantică trebuie să fie incompletă, o aproximare a unei teorii mai profunde (teoria „variabilei locale ascunse”, în care rezultatele măsurătorilor individuale nu depind de ceva care este mai departe de locul măsurării decât un semnal care se deplasează cu viteza de lumină poate acoperi (local), ci mai degrabă este determinată de un factor comun ambelor sisteme din perechea încurcată (variabilă ascunsă).
Toate acestea au fost considerate o notă de subsol obscure timp de peste 30 de ani, deoarece părea să nu existe nicio modalitate de a o testa, dar la mijlocul anilor '60, fizicianul irlandez John Bell a elaborat implicațiile EPR mai detaliat. Bell a arătat că puteți găsi circumstanțe în care mecanica cuantică va prezice corelații între măsurătorile îndepărtate care vor fi mai puternice decât orice teorie posibilă, precum cele propuse de E, P și R. Acest lucru a fost testat experimental în anii 70 de John Kloser și Alain Aspect în începutul anilor 80. x - au arătat că aceste sisteme încurcate nu pot fi explicate potențial de nicio teorie locală a variabilelor ascunse.
Cea mai comună abordare pentru înțelegerea acestui rezultat este să presupunem că mecanica cuantică este nelocală: că rezultatele măsurătorilor efectuate într-o anumită locație pot depinde de proprietățile unui obiect îndepărtat într-un mod care nu poate fi explicat folosind semnale care se deplasează cu viteza de ușoară. Acest lucru, totuși, nu permite transmiterea informațiilor la viteze superluminale, deși s-au făcut multe încercări de a depăși această limitare folosind nonlocalitatea cuantică.
Fizica cuantică este (aproape întotdeauna) preocupată de foarte mici
Fizica cuantică are reputația de a fi ciudată, deoarece predicțiile sale sunt radical diferite de experiența noastră de zi cu zi. Acest lucru se datorează faptului că efectele sale devin mai puțin pronunțate cu cât obiectul este mai mare - cu greu veți vedea comportamentul undei al particulelor și modul în care lungimea de undă scade odată cu creșterea cuplului. Lungimea de undă a unui obiect macroscopic precum un câine care se plimbă este atât de ridicol de mică, încât dacă ai mări fiecare atom din cameră la dimensiunea sistemului solar, lungimea de undă a câinelui ar fi de dimensiunea unui atom din acel sistem solar.
Aceasta înseamnă că fenomenele cuantice sunt în mare parte limitate la scara atomilor și a particulelor fundamentale ale căror mase și accelerații sunt suficient de mici încât lungimea de undă să rămână atât de mică încât nu poate fi observată direct. Cu toate acestea, se fac multe eforturi pentru a crește dimensiunea sistemului care demonstrează efecte cuantice.
Fizica cuantică nu este magie
Punctul anterior ne conduce în mod firesc la aceasta: oricât de ciudată ar părea fizica cuantică, în mod clar nu este magie. Ceea ce postulează este ciudat după standardele fizicii de zi cu zi, dar este strict limitat de reguli și principii matematice bine înțelese.
Deci, dacă cineva vine la tine cu o idee „cuantică” care pare imposibilă – energie infinită, puteri magice de vindecare, motoare spațiale imposibile – este aproape sigur imposibil. Asta nu înseamnă că nu putem folosi fizica cuantică pentru a face lucruri incredibile: scriem constant despre descoperiri incredibile folosind fenomene cuantice care au surprins deja omenirea, înseamnă doar că nu vom depăși legile termodinamicii și bunul simț. .
Dacă punctele de mai sus nu vi se par suficiente, luați în considerare acesta doar un punct de plecare util pentru discuții ulterioare.
Nimeni pe lumea asta nu înțelege ce este mecanica cuantică. Acesta este poate cel mai important lucru pe care trebuie să-l știi despre ea. Desigur, mulți fizicieni au învățat să folosească legile și chiar să prezică fenomene bazate pe calculul cuantic. Dar încă nu este clar de ce observatorul experimentului determină comportamentul sistemului și îl obligă să accepte una dintre cele două stări.
Iată câteva exemple de experimente cu rezultate care se vor schimba inevitabil sub influența observatorului. Ei arată că mecanica cuantică se ocupă practic de intervenția gândirii conștiente în realitatea materială.
Există multe interpretări ale mecanicii cuantice astăzi, dar interpretarea de la Copenhaga este poate cea mai faimoasă. În anii 1920, postulatele sale generale au fost formulate de Niels Bohr și Werner Heisenberg.
Interpretarea de la Copenhaga se bazează pe funcția de undă. Aceasta este o funcție matematică care conține informații despre toate stările posibile ale unui sistem cuantic în care acesta există simultan. Conform interpretării de la Copenhaga, starea unui sistem și poziția acestuia față de alte stări pot fi determinate doar prin observație (funcția de undă este folosită doar pentru a calcula matematic probabilitatea ca sistemul să se afle într-o stare sau alta).
Putem spune că după observare, un sistem cuantic devine clasic și încetează imediat să existe în alte stări decât cea în care a fost observat. Această concluzie și-a găsit adversarii (amintiți-vă de faimosul „Dumnezeu nu joacă zaruri”) al lui Einstein, dar acuratețea calculelor și a predicțiilor și-a avut totuși efectul.
Cu toate acestea, numărul susținătorilor interpretării de la Copenhaga este în scădere, iar motivul principal pentru aceasta este prăbușirea instantanee misterioasă a funcției de undă în timpul experimentului. Celebrul experiment de gândire al lui Erwin Schrödinger cu biata pisică ar trebui să demonstreze absurditatea acestui fenomen. Să ne amintim detaliile.
În interiorul cutiei negre se află o pisică neagră, împreună cu o fiolă cu otravă și un mecanism care poate elibera otrava la întâmplare. De exemplu, un atom radioactiv poate sparge o bula în timpul dezintegrarii. Momentul exact al dezintegrarii atomice este necunoscut. Se cunoaște doar timpul de înjumătățire, în timpul căruia se produce degradarea cu o probabilitate de 50%.
Evident, pentru un observator din exterior, pisica din interiorul cutiei se află în două stări: fie este vie, dacă totul a mers bine, fie moartă, dacă s-a produs degradarea și sticla s-a spart. Ambele stări sunt descrise de funcția de undă a pisicii, care se modifică în timp.
Cu cât a trecut mai mult timp, cu atât este mai mare probabilitatea ca dezintegrarea radioactivă să se producă. Dar de îndată ce deschidem cutia, funcția de undă se prăbușește și vedem imediat rezultatele acestui experiment inuman.
De fapt, până când observatorul deschide cutia, pisica va echilibra la nesfârșit între viață și moarte sau va fi și vie și moartă. Soarta lui poate fi determinată doar de acțiunile observatorului. Schrödinger a subliniat această absurditate.
Potrivit unui sondaj al fizicienilor celebri realizat de The New York Times, experimentul de difracție a electronilor este unul dintre cele mai uimitoare studii din istoria științei. Care este natura lui? Există o sursă care emite un fascicul de electroni pe un ecran sensibil la lumină. Și există un obstacol în calea acestor electroni, o placă de cupru cu două fante.
La ce fel de imagine ne putem aștepta pe ecran dacă electronii ni se par de obicei ca niște bile mici încărcate? Două dungi opuse fantelor din placa de cupru. Dar, de fapt, pe ecran apare un model mult mai complex de dungi albe și negre alternative. Acest lucru se datorează faptului că, atunci când trec printr-o fantă, electronii încep să se comporte nu numai ca particule, ci și ca unde (fotonii sau alte particule de lumină care pot fi o undă în același timp se comportă în același mod).
Aceste valuri interacționează în spațiu, ciocnindu-se și întărindu-se una pe cealaltă și, ca rezultat, pe ecran este afișat un model complex de dungi luminoase și întunecate. În același timp, rezultatul acestui experiment nu se schimbă chiar dacă electronii trec unul după altul - chiar și o particulă poate fi o undă și poate trece prin două fante simultan. Acest postulat a fost unul dintre principalele în interpretarea de la Copenhaga a mecanicii cuantice, unde particulele își pot prezenta simultan proprietățile lor fizice „obișnuite” și proprietățile exotice ca undă.
Dar ce rămâne cu observatorul? El este cel care face această poveste confuză și mai confuză. Când fizicienii, în timpul unor experimente similare, au încercat să determine cu ajutorul instrumentelor prin care fanteu electronul trecut efectiv, imaginea de pe ecran s-a schimbat dramatic și a devenit „clasică”: cu două secțiuni iluminate exact opuse fantelor, fără dungi alternante.
Electronii păreau reticenți să-și dezvăluie natura ondulatorie ochiului vigilent al observatorilor. Pare un mister învăluit în întuneric. Dar există o explicație mai simplă: observarea sistemului nu poate fi efectuată fără influența fizică asupra acestuia. Vom discuta despre asta mai târziu.
2. Fullerene încălzite
Experimentele privind difracția particulelor au fost efectuate nu numai cu electroni, ci și cu alte obiecte mult mai mari. De exemplu, s-au folosit fullerene, molecule mari și închise constând din câteva zeci de atomi de carbon. Recent, un grup de oameni de știință de la Universitatea din Viena, condus de profesorul Zeilinger, a încercat să încorporeze un element de observație în aceste experimente. Pentru a face acest lucru, au iradiat molecule de fuleren în mișcare cu raze laser. Apoi, încălzite de o sursă externă, moleculele au început să strălucească și, inevitabil, își afișează prezența observatorului.
Odată cu această inovație, s-a schimbat și comportamentul moleculelor. Înainte de a începe astfel de observații cuprinzătoare, fulerenele au avut destul succes în evitarea obstacolelor (care prezintă proprietăți ale undelor), similar cu exemplul anterior, cu electronii care loveau ecranul. Dar cu prezența unui observator, fulerenele au început să se comporte ca niște particule fizice care respectă legea.
3. Dimensiunea de răcire
Una dintre cele mai cunoscute legi din lumea fizicii cuantice este principiul de incertitudine Heisenberg, conform căruia este imposibil să se determine viteza și poziția unui obiect cuantic în același timp. Cu cât măsurăm mai precis impulsul unei particule, cu atât mai puțin precis putem măsura poziția acesteia. Cu toate acestea, în lumea noastră reală macroscopică, valabilitatea legilor cuantice care acționează asupra particulelor minuscule trece de obicei neobservată.
Recentele experimente ale profesorului Schwab din SUA au o contribuție foarte valoroasă în acest domeniu. Efectele cuantice în aceste experimente au fost demonstrate nu la nivelul electronilor sau al moleculelor fullerene (al căror diametru aproximativ este de 1 nm), ci pe obiecte mai mari, o bandă minusculă de aluminiu. Această bandă a fost fixată pe ambele părți, astfel încât mijlocul ei să fie suspendat și să poată vibra sub influența externă. În plus, în apropiere a fost plasat un dispozitiv care putea înregistra cu precizie poziția casetei. Experimentul a scos la iveală mai multe lucruri interesante. În primul rând, orice măsurătoare legată de poziția obiectului și observarea benzii a influențat-o; după fiecare măsurătoare, poziția benzii s-a schimbat.
Experimentatorii au determinat coordonatele benzii cu mare precizie și, astfel, în conformitate cu principiul Heisenberg, i-au schimbat viteza și, prin urmare, poziția ulterioară. În al doilea rând, și în mod destul de neașteptat, unele măsurători au dus la răcirea benzii. Astfel, un observator poate schimba caracteristicile fizice ale obiectelor pur și simplu prin prezența sa.
4. Înghețarea particulelor
După cum se știe, particulele radioactive instabile se descompun nu numai în experimente cu pisici, ci și pe cont propriu. Fiecare particulă are o durată medie de viață, care, după cum se dovedește, poate crește sub privirea atentă a unui observator. Acest efect cuantic a fost prezis încă din anii 60, iar dovada sa genială experimentală a apărut într-o lucrare publicată de o echipă condusă de fizicianul laureat al premiului Nobel Wolfgang Ketterle de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts.
În această lucrare, a fost studiată degradarea atomilor de rubidiu excitați instabili. Imediat după pregătirea sistemului, atomii au fost excitați folosind un fascicul laser. Observarea s-a desfășurat în două moduri: continuă (sistemul a fost expus constant la mici impulsuri de lumină) și pulsat (sistemul era iradiat din când în când cu pulsuri mai puternice).
Rezultatele obţinute au fost pe deplin în concordanţă cu predicţiile teoretice. Efectele luminii externe încetinesc dezintegrarea particulelor, readucându-le la starea lor inițială, care este departe de starea de degradare. Amploarea acestui efect a fost, de asemenea, în concordanță cu previziunile. Durata maximă de viață a atomilor de rubidiu excitați instabili a crescut de 30 de ori.
5. Mecanica cuantică și conștiința
Electronii și fulerenele încetează să-și arate proprietățile undelor, plăcile de aluminiu se răcesc, iar particulele instabile își încetinesc degradarea. Ochiul atent al observatorului schimbă literalmente lumea. De ce nu poate fi aceasta o dovadă a implicării minții noastre în funcționarea lumii? Poate că Carl Jung și Wolfgang Pauli (fizician austriac, laureat al Premiului Nobel, pionier al mecanicii cuantice) au avut dreptate, la urma urmei, când au spus că legile fizicii și conștiința ar trebui văzute ca complementare una cu cealaltă?
Suntem la un pas de a recunoaște că lumea din jurul nostru este pur și simplu un produs iluzoriu al minții noastre. Ideea este înfricoșătoare și tentantă. Să încercăm să apelăm din nou la fizicieni. Mai ales în ultimii ani, când din ce în ce mai puțini oameni cred că interpretarea de la Copenhaga a mecanicii cuantice cu funcția sa de undă misterioasă se prăbușește, îndreptându-se către decoerența mai banală și mai fiabilă.
Ideea este că în toate aceste experimente observaționale, experimentatorii au influențat inevitabil sistemul. L-au aprins cu un laser și au instalat instrumente de măsură. Ei împărtășeau un principiu important: nu poți observa un sistem sau nu-i poți măsura proprietățile fără a interacționa cu el. Orice interacțiune este un proces de modificare a proprietăților. Mai ales când un sistem cuantic minuscul este expus la obiecte cuantice colosale. Un observator budist veșnic neutru este imposibil în principiu. Aici intervine termenul „decoerență”, care este ireversibil din punct de vedere termodinamic: proprietățile cuantice ale unui sistem se schimbă atunci când interacționează cu un alt sistem mare.
În timpul acestei interacțiuni, sistemul cuantic își pierde proprietățile originale și devine clasic, ca și cum s-ar „supune” unui sistem mai mare. Așa se explică și paradoxul pisicii lui Schrödinger: o pisică este un sistem prea mare, așa că nu poate fi izolată de restul lumii. Însuși designul acestui experiment de gândire nu este în întregime corect.
În orice caz, dacă ne asumăm realitatea actului de creație de către conștiință, decoerența pare a fi o abordare mult mai convenabilă. Poate chiar prea convenabil. Cu această abordare, întreaga lume clasică devine o mare consecință a decoerenței. Și așa cum a afirmat autorul uneia dintre cele mai faimoase cărți din acest domeniu, această abordare duce în mod logic la afirmații precum „nu există particule în lume” sau „nu există timp la un nivel fundamental”.
Care este adevărul: creatorul-observator sau decoerența puternică? Trebuie să alegem între două rele. Cu toate acestea, oamenii de știință sunt din ce în ce mai convinși că efectele cuantice sunt o manifestare a proceselor noastre mentale. Și unde se termină observația și unde începe realitatea depinde de fiecare dintre noi.
WikiHow funcționează ca un wiki, ceea ce înseamnă că multe dintre articolele noastre sunt scrise de mai mulți autori. Acest articol a fost realizat de 11 persoane, inclusiv anonim, pentru a-l edita și îmbunătăți.
Fizica cuantică (cunoscută și sub numele de teorie cuantică sau mecanică cuantică) este o ramură separată a fizicii care se ocupă cu descrierea comportamentului și interacțiunii materiei și energiei la nivelul particulelor elementare, fotonilor și unor materiale la temperaturi foarte scăzute. Un câmp cuantic este definit ca „acțiunea” (sau, în unele cazuri, momentul unghiular) a unei particule care se află în dimensiunea unei constante fizice minuscule numită constanta lui Planck.
Pași
constanta lui Planck
- De exemplu, momentul unghiular al unui electron atașat la un atom sau o moleculă este cuantificat și poate lua doar valori care sunt multipli ai constantei Planck reduse. Această cuantizare crește orbitalul electronului cu o serie de numere cuantice primare întregi. În schimb, momentul unghiular al electronilor nelegați care sunt în apropiere nu este cuantificat. Constanta lui Planck este, de asemenea, folosită în teoria cuantică a luminii, unde cuantumul luminii este un foton, iar materia interacționează cu energia prin transferul de electroni între atomi sau „salt cuantic” al unui electron legat.
- Unitățile constantei lui Planck pot fi de asemenea considerate ca timpul momentului de energie. De exemplu, în domeniul fizicii particulelor, particulele virtuale sunt reprezentate ca o masă de particule care apar spontan dintr-un vid într-o zonă foarte mică și joacă un rol în interacțiunea lor. Limita de viață a acestor particule virtuale este energia (masa) fiecărei particule. Mecanica cuantică are o disciplină mare, dar fiecare parte matematică a acesteia conține constanta lui Planck.
-
Aflați despre particulele grele. Particulele grele trec printr-o tranziție clasică la energie cuantică. Chiar dacă un electron liber, care are unele proprietăți cuantice (cum ar fi spinul), ca electron nelegat, se apropie de un atom și încetinește (poate datorită emisiei sale de fotoni), se schimbă de la comportamentul clasic la cel cuantic pe măsură ce energia sa scade sub energie de ionizare. Un electron se leagă de un atom, iar momentul său unghiular în raport cu nucleul atomic este limitat de valoarea cuantică a orbitalului pe care îl poate ocupa. Această tranziție este bruscă. Poate fi comparat cu un sistem mecanic care își schimbă starea de la instabil la stabil, sau comportamentul său se schimbă de la simplu la haotic, sau poate fi comparat chiar cu o navă-rachetă care încetinește și coboară sub viteza de decolare și preia un orbita în jurul unei stele sau al unui alt obiect ceresc. În schimb, fotonii (care sunt lipsiți de greutate) nu fac această tranziție: pur și simplu traversează spațiul neschimbat până când interacționează cu alte particule și dispar. Dacă privești în cerul nopții, fotonii de la unele stele călătoresc neschimbați timp de mulți ani lumină, apoi interacționează cu un electron dintr-o moleculă din retină, eliberându-și energia și apoi dispărând.
Începeți prin a învăța conceptul fizic al constantei lui Planck.În mecanica cuantică, constanta lui Planck este un cuantum de acțiune, notat ca h. În mod similar, pentru particulele elementare care interacționează, cuantică impuls unghiular- aceasta este constanta lui Planck redusă (constanta lui Planck împărțită la 2 π) notată ca ħ și se numește „h cu bară”. Valoarea constantei lui Planck este extrem de mică; ea combină acele momente de impuls și denumiri de acțiuni care au un concept matematic mai general. Nume mecanica cuantică implică faptul că unele mărimi fizice, similare momentului unghiular, se pot schimba doar discret, nu continuu ( cm. mod analog).
În 1803, Thomas Young a direcționat un fascicul de lumină pe un ecran opac cu două fante. În locul celor așteptate două dungi de lumină pe ecranul de proiecție, a văzut mai multe dungi, ca și cum ar exista interferență (suprapunere) a două valuri de lumină din fiecare fantă. De fapt, tocmai în acest moment s-a născut fizica cuantică, sau mai degrabă întrebările care stau la baza ei. În secolele 20 și 21, s-a demonstrat că nu numai lumina, ci orice particulă elementară și chiar unele molecule se comportă ca o undă, ca cuante, ca și cum ar trece prin ambele fante în același timp. Cu toate acestea, dacă plasați un senzor la fante care determină ce se întâmplă exact cu particulele în acest loc și prin ce fantă anume trece, atunci pe ecranul de proiecție apar doar două dungi, ca și cum faptul de a observa (influența indirectă) distruge funcția de undă și obiectul se comportă ca materie. ( video)
Principiul de incertitudine al lui Heisenberg este fundamentul fizicii cuantice!
Datorită descoperirii din 1927, mii de oameni de știință și studenți repetă același experiment simplu prin strălucirea unui fascicul laser printr-o fantă care se îngustează. În mod logic, urma vizibilă de la laser pe ecranul de proiecție devine din ce în ce mai îngustă pe măsură ce distanța scade. Dar la un moment dat, când fanta devine suficient de îngustă, punctul de la laser începe brusc să devină din ce în ce mai larg, întinzându-se pe ecran și diminuându-se până când fanta dispare. Aceasta este cea mai evidentă dovadă a chintesenței fizicii cuantice - principiul incertitudinii al lui Werner Heisenberg, un fizician teoretic remarcabil. Esența sa este că, cu cât determinăm mai precis una dintre caracteristicile pereche ale unui sistem cuantic, cu atât a doua caracteristică devine mai incertă. În acest caz, cu cât determinăm mai precis coordonatele fotonilor laser cu o fantă care se îngustează, cu atât impulsul acestor fotoni devine mai incert. În macrocosmos, putem măsura cu exactitate fie locația exactă a unei săbii zburătoare prin ridicarea acesteia, fie direcția acesteia, dar nu în același timp, deoarece aceasta se contrazice și interferează unul cu celălalt. ( , video)
Supraconductivitate cuantică și efectul Meissner
În 1933, Walter Meissner a descoperit un fenomen interesant în fizica cuantică: într-un supraconductor răcit la temperaturi minime, câmpul magnetic este deplasat dincolo de limitele sale. Acest fenomen se numește efectul Meissner. Dacă un magnet obișnuit este plasat pe aluminiu (sau alt supraconductor) și apoi răcit cu azot lichid, magnetul va zbura în sus și va atârna în aer, deoarece își va „vede” propriul câmp magnetic de aceeași polaritate deplasat de la răcit. aluminiu, iar aceleași părți ale magneților resping . ( , video)
Superfluiditatea cuantică
În 1938, Pyotr Kapitsa a răcit heliul lichid la o temperatură apropiată de zero și a descoperit că substanța și-a pierdut vâscozitatea. Acest fenomen din fizica cuantică se numește superfluiditate. Dacă heliul lichid răcit este turnat pe fundul unui pahar, acesta va curge în continuare de-a lungul pereților. De fapt, atâta timp cât heliul este suficient de răcit, nu există nicio limită pentru a se vărsa, indiferent de forma sau dimensiunea recipientului. La sfârșitul secolului XX și începutul secolului XXI, suprafluiditatea în anumite condiții a fost descoperită și în hidrogen și diferite gaze. ( , video)
Tunnel cuantic
În 1960, Ivor Jayever a efectuat experimente electrice cu supraconductori separați printr-o peliculă microscopică de oxid de aluminiu neconductor. S-a dovedit că, contrar fizicii și logicii, unii electroni trec încă prin izolație. Acest lucru a confirmat teoria despre posibilitatea unui efect de tunel cuantic. Se aplică nu numai electricității, ci și oricăror particule elementare, ele sunt, de asemenea, unde conform fizicii cuantice. Ele pot trece prin obstacole dacă lățimea acestor obstacole este mai mică decât lungimea de undă a particulei. Cu cât obstacolul este mai îngust, cu atât particulele trec mai des prin el. ( , video)
Încurcarea cuantică și teleportarea
În 1982, fizicianul Alain Aspe, un viitor laureat al Premiului Nobel, a trimis doi fotoni creați simultan către senzori direcționați opus pentru a determina spinul lor (polarizarea). S-a dovedit că măsurarea spin-ului unui foton afectează instantaneu poziția spin-ului celui de-al doilea foton, care devine opus. Astfel, s-a dovedit posibilitatea încurcării cuantice a particulelor elementare și a teleportarii cuantice. În 2008, oamenii de știință au reușit să măsoare starea fotonilor cuantici încâlciți la o distanță de 144 de kilometri, iar interacțiunea dintre ei a fost încă instantanee, de parcă ar fi fost în același loc sau nu ar exista spațiu. Se crede că, dacă astfel de fotoni cuantici încâlciți ajung în părți opuse ale universului, interacțiunea dintre ei va fi totuși instantanee, deși lumina durează zeci de miliarde de ani pentru a parcurge aceeași distanță. Este curios, dar potrivit lui Einstein, nu există nici timp pentru fotonii care călătoresc cu viteza luminii. Este aceasta o coincidență? Fizicienii viitorului nu cred asta! ( , video)
Efectul Zeno cuantic și oprirea timpului
În 1989, un grup de oameni de știință condus de David Wineland a observat rata de tranziție a ionilor de beriliu între nivelurile atomice. S-a dovedit că tocmai faptul de a măsura starea ionilor a încetinit tranziția acestora între stări. La începutul secolului al XXI-lea, într-un experiment similar cu atomi de rubidiu, s-a obținut o încetinire de 30 de ori. Toate acestea sunt o confirmare a efectului cuantic Zeno. Înțelesul său este că însuși faptul de a măsura starea unei particule instabile în fizica cuantică încetinește rata dezintegrarii acesteia și, teoretic, o poate opri complet. ( , video engleza)
Radieră cuantică cu alegere întârziată
În 1999, o echipă de oameni de știință condusă de Marlan Scali a direcționat fotonii prin două fante, în spatele cărora se afla o prismă care a transformat fiecare foton emergent într-o pereche de fotoni cuantici încâlciți și i-a separat în două direcții. Primul a trimis fotoni la detectorul principal. A doua direcție a trimis fotoni către un sistem de 50% reflectoare și detectoare. S-a dovedit că, dacă un foton din a doua direcție a ajuns la detectoarele care au determinat fanta din care a emis, atunci detectorul principal și-a înregistrat fotonul pereche ca o particule. Dacă un foton din a doua direcție a ajuns la detectoare care nu au detectat fanta din care a emis, atunci detectorul principal și-a înregistrat fotonul pereche ca undă. Nu numai că măsurarea unui foton s-a reflectat asupra perechii sale cuantice încurcate, dar acest lucru s-a întâmplat și dincolo de distanță și timp, deoarece sistemul detector secundar a înregistrat fotoni mai târziu decât cel principal, ca și cum viitorul ar fi determinat trecutul. Se crede că acesta este cel mai incredibil experiment nu numai din istoria fizicii cuantice, ci și din istoria întregii științe, deoarece subminează multe dintre fundamentele obișnuite ale viziunii asupra lumii. ( , video în engleză)
Suprapunerea cuantică și pisica lui Schrödinger
În 2010, Aaron O'Connell a plasat o mică placă de metal într-o cameră de vid opac, pe care a răcit-o aproape la zero absolut. Apoi a aplicat un impuls pe placă, astfel încât aceasta să vibreze. Cu toate acestea, senzorul de poziție a arătat că placa vibra și era silențioasă în același timp, ceea ce corespundea exact cu fizica cuantică teoretică. Aceasta a fost prima dată când principiul suprapunerii pe macro-obiecte a fost demonstrat. În condiții izolate, când nu există interacțiune între sistemele cuantice, un obiect poate fi simultan într-un număr nelimitat de poziții posibile, ca și cum nu mai ar fi material. ( , video)
Pisica cuantică Cheshire și fizica
În 2014, Tobias Denkmair și colegii săi au împărțit fasciculul de neutroni în două fascicule și au efectuat o serie de măsurători complexe. S-a dovedit că, în anumite circumstanțe, neutronii pot fi într-un fascicul, iar momentul lor magnetic într-un alt fascicul. Astfel, a fost confirmat paradoxul cuantic al zâmbetului pisicii Cheshire, când particulele și proprietățile lor pot fi, conform percepției noastre, în diferite părți ale spațiului, ca un zâmbet separat de pisica din basmul „Alice în Țara Minunilor”. Încă o dată, fizica cuantică s-a dovedit a fi mai misterioasă și uimitoare decât orice basm! ( , video engleza.)
Vă mulțumim pentru citit! Acum ai devenit puțin mai deștept și asta face lumea noastră puțin mai strălucitoare. Distribuie linkul către acest articol prietenilor tăi și lumea va deveni un loc și mai bun!
