Fizica cuantica pentru Dummies

Bine ati venit pe blog! Sunt foarte fericit pentru tine!

Vei intelege conceptele de bază și paradoxuri ale fizicii cuantice. Din articol vă va învăța:

Ce este fizica cuantică și mecanica cuantică?

Mecanica cuantică - aceasta este o parte a fizicii cuantice.

De ce este atât de dificil să înțeleagă știința? Răspunsul este simplu: fizica cuantică și mecanica cuantică (o parte a fizicii cuantice), pentru a studia legile Microworld. Și aceste legi sunt complet diferite de legile lumii noastre macroscopice. Prin urmare, este dificil să ne imaginăm ce se întâmplă cu electronii și fotonii într-un microcosmos.

Un exemplu al diferenței dintre legile macro și micro-lumi. în lumea noastră macroscopică, dacă ai pus o minge într-una din cele 2 cutii, apoi unul dintre ele va fi gol, iar celălalt - mingea. Dar într-un microcosmos (dacă în loc de minge - atom) atom pot exista simultan în două cutii. Acest lucru este confirmat în mod repetat experimental. Nu este dificil de ținut în capul tău? Dar faptele nu susțin.

Un alt exemplu. Ai fotografiat curse rapid roșu masina sport și a văzut fotografie neclară bara orizontală ca și în cazul mașinii în momentul în care fotografia a fost pe câteva puncte în spațiu. În ciuda a ceea ce vezi în imagine, încă sigur că aparatul este în acel moment atunci când fotografiați oo a fost într-o anumită locație în spațiu. În lumea micro nu este așa. Electron, care se învârte în jurul nucleului unui atom, de fapt, nu se rotește, și este în același timp, la toate punctele de sfera in jurul nucleului atomului. Ca o bobină rana pierde din lână pufos. Acest concept in fizica numit „nor de electroni.“

O scurtă incursiune în istorie. Pentru prima dată, oamenii de stiinta crezut despre lumea cuantică, atunci când în 1900 fizicianul german Maks Plank a încercat să afle de ce, atunci când metalele încălzite schimba culoarea. El este cel care a introdus conceptul de cuantumul. Înainte de aceasta, oamenii de știință au crezut că lumina se deplasează în mod continuu. Primul care a luat în serios descoperirea lui Planck era nimeni atunci necunoscut Albert Einstein. El a dat seama că lumina - nu este doar un val. Uneori, el se comportă ca o particulă. Einstein a primit Premiul Nobel pentru descoperirea că lumina este emisă în porțiuni, Quanta. Cuantumul luminii este numit un foton (un foton, Wikipedia).

Pentru a face mai ușor de înțeles legile fizicii și mecanicii cuantice (Wikipedia). într-un sens trebuie să ne abstractizat de legile noastre obișnuite ale fizicii clasice. Și imaginați-vă că zanyrnul ca Alice în jos gaura de iepure, în Minunilor.

Iată un desen animat pentru copii și adulți. Acesta descrie experimentul fundamental al mecanicii cuantice, cu 2 fante și observatorul. Acesta durează doar 5 minute. Uită-te la ea înainte de a se îngropa în problemele cheie și concepte ale fizicii cuantice.

Ce este interferența?

La începutul filmului a fost demonstrată pe un exemplu de lichid sub formă de unde se poart - peste placa de ecran cu fante apar întunecate și lumina alternante dungi verticale. Și în cazul în care tabla „trage“ particule discrete (de exemplu, pietre), ele trec prin fantă și 2 cad pe ecran direct opusă fante. Și „trage“ de pe ecran este de numai 2 dungi verticale.

Interferența luminii - un „val“ comportament de lumină atunci când ecranul arată o mulțime de dungi alternative verticale luminoase și întunecate. Cu toate acestea, aceste dungi verticale sunt numite un model de interferență.

În lumea noastră macroscopică, de multe ori vedem că lumina se comportă ca un val. Dacă pui o mână în fața lumânarea, atunci zidul nu va fi o umbră clară a mâinii, dar cu contururi neclare.

Deci, totul nu este atât de dificil! Suntem destul de clar acum că lumina are un caracter val, iar dacă cele două fante de ale luminii luminoase, ecranul din spatele lor vom vedea un model de interferență. Acum, ia în considerare a 2-a experimentului. Acesta este celebrul experiment Stern-Gerlach (care a avut loc în 20-IES a secolului trecut).

În instalația descrisă în acest film, lumina nu este strălucit și „tras“ electroni (sub formă de particule individuale). Apoi, la începutul secolului trecut, fizicienii din întreaga lume a crezut că electronii - este particulele elementare ale materiei, și nu ar trebui să aibă un caracter val, și la fel ca și pietre. Deoarece electroni - este particulele elementare ale materiei, nu? Adică, în cazul în care „arunca“ în slotul 2 ca pietricele, apoi crestat pe ecran ar trebui să vedem 2 dungi verticale.

Dar ... Rezultatul a fost uimitor. Oamenii de știință văd un model de interferență - o mulțime de benzi verticale. Adică, electronii ca lumina poate avea, de asemenea, un caracter val, poate interfera. Pe de altă parte, a devenit clar că nu doar unda de lumina, dar un pic și particula - un foton (de referință istorică la începutul acestui articol, am aflat că pentru această descoperire Einstein a primit Premiul Nobel).

Pot aminti în școală am fost învățați fizica despre „undă-particulă dualitate.“ Aceasta înseamnă că, atunci când este vorba despre particule foarte mici (atomi, electroni) din Microworld, ambele undă și particulă

Este astăzi suntem cu voi sunt atât de inteligent și dau seama că experimentul descris mai sus, 2 - fotografiere electronii și golurile de acoperire de lumină - sunt unul și același lucru. Pentru ca ne trage pe sloturi particule cuantice. Acum știm că atât lumina, cât și electronii au caracter cuantic, ele sunt atât valuri și particule simultan. La începutul secolului 20, rezultatele acestui experiment au fost o senzație.

Atenție! Ne întoarcem acum la o problemă mai subtilă.

Am lumina noastră fantă fluxul de fotoni (electroni) - și pentru a se vedea sloturile de pe modelul de interferență ecran (bare verticale). Asta este clar. Dar ne interesează să vedem cum fiecare electron zboară în fantă.

Probabil, un electron zboară în slotul din stânga, celălalt - spre dreapta. Dar atunci, ar trebui să apară pe ecran 2 bare verticale chiar în fața fantelor. De ce avem model de interferență? Electronii poate cumva interacționează între ele pe ecran deja după zbor prin fante. Iar rezultatul este un astfel de model de undă. Așa cum am fost la aceasta piesa?

Nu vom arunca fasciculul de electroni, și unul câte unul. Aruncăm, așteptați, arunca următoare. Acum, când un electron este zboară singur, el nu va fi capabil să interacționeze pe ecran cu alți electroni. Vom înregistra pe ecran fiecare electron după aruncare. Unul sau doi nu este cu siguranță „trage“, noi, imagini clare. Dar când o navă în slotul o mulțime de ei, observăm ... groază de orori - ei din nou „trage“ un model de interferență val!

Începem să mergem încet nebun. La urma urmei, ne așteptăm că va fi de 2 dungi verticale în fața fantelor! Se pare că, atunci când am aruncat fotoni unul câte unul, fiecare dintre ele a avut loc, așa cum au fost, prin cele 2 fantele simultan și au intervenit cu el însuși. Fantastic! Să ne întoarcem la explicarea acestui fenomen în secțiunea următoare.

Ce este spinul și superpoziției?

Acum știm că o astfel de interferență. Acest comportament val de micro-particule - fotoni, electroni și alte particule micro (pentru simplitate, lasa acest punct le numesc fotoni).

Ca rezultat al experimentului, atunci când am fost aruncat în slotul doi la un foton, ne-am dat seama că zboară ca prin intermediul a două fante în același timp. Cum altfel pentru a explica modelul de interferență de pe ecran?

Dar sa ne imaginam acum ca un foton de zbor prin cele două despicături în același timp? Există 2 opțiuni.

• Primul exemplu de realizare: fotonul ca un val (ca apa) „plutește“ prin cele două fante de simultan
• Opțiunea 2: fotonul ca o particulă zboara simultan pe calea 2-a (nici măcar doi, dar dintr-o dată)

În principiu, acestea sunt echivalente. Am venit la „integralele cale“. Această formulare a mecanicii cuantice de Richard Feynman.

Apropo, Richard Feynman aparține bine-cunoscut expresie care se poate afirma cu certitudine că mecanica cuantică nimeni nu înțelege

Dar este expresia sa angajat la începutul secolului. Dar acum suntem inteligent și știu că fotonii se poate comporta atât ca o particulă și ca un val. Că poate într-un fel ciudat pentru noi pentru a acoperi, în același timp, după 2 sloturi. Prin urmare, vom înțelege cu ușurință următoarea afirmație importantă a mecanicii cuantice:

Strict vorbind, mecanica cuantică ne spune că comportamentul fotonului - regula, mai degrabă decât o excepție. Orice particulă cuantică este, de obicei, în mai multe state sau în mai multe puncte în spațiu simultan.

Obiectele macrocosm poate fi doar într-un anumit loc la o anumită condiție. Dar particulă cuantică există prin propriile sale legi. Și ea nu-i pasa, până la punctul pe care nu le înțeleg. În același timp, - punct.

Rămâne pentru noi pur și simplu să accepte ca o axiomă că „suprapunere“ a unui obiect cuantic este că acesta poate fi depozitat timp de 2 sau mai multe căi simultan în 2 sau mai multe puncte simultan

Același lucru este valabil și pentru ceilalți parametri de fotoni - spate (impulsul său unghiular intrinsec). Spin - un vector. Quantum obiect poate fi reprezentat ca magnet microscopic. Am învățat că vectorul magnet (rotire), fie în sus sau în jos. Dar de electroni sau de fotoni din nou, ne spune: „Băieți, nu-mi pasă ce ești obișnuit, putem fi în ambele state imediat înapoi (vector în sus în jos), la fel cum putem fi în cele 2 trasee simultan sau în 2 puncte, în același timp!“.

Ce este o „măsurare“ sau „colaps al funcției de undă“?

Rămâne un pic - pentru a înțelege mai mult ce „dimensiune“, și că acest „colaps al funcției de undă“.

Funcția de undă - o descriere a stării unui obiect cuantic (fotoni sau electroni nostru).

Să presupunem că avem un electron, ea se zboara intr-o stare incertă, învârtiți-l și a trimis în sus și în jos simultan. Trebuie să măsurăm starea sa.

Măsurată de câmpul magnetic de spin a electronilor a caror este îndreptată spre câmp să devieze într-o singură direcție, în timp ce electronii a căror rotire este antiparalel câmpul - la altul. Mai mulți fotoni poate fi direcționat către un filtru de polarizare. Dacă spin (polarizare) foton +1 - acesta trece prin filtru, și dacă este 1, atunci nu.

Stop! Aici aveți în mod inevitabil, o întrebare: înainte de măsurare, deoarece electronul nu a fost o anumită direcție de spin, nu? A fost în toate statele, în același timp?

În ea se află truc, și senzația de mecanicii cuantice. Atâta timp cât nu măsoară starea unui obiect cuantic, acesta poate fi rotit în orice direcție (direcția vectorului au nici un moment unghiular intrinsec - de spin). Dar, la un moment dat, atunci când măsurat starea lui, el părea să decidă ce vectorul de spin să-l ia.

Aceasta este atât de cool ca un obiect cuantic - face o decizie cu privire la statutul său. Și nu putem prezice ce decizie va lua atunci când costa un câmp magnetic în care l-am măsurat. Probabilitatea ca el va avea un vector de spin „în sus“ sau „jos“ - 50-50%. Dar, de îndată ce el a decis - el este într-o anumită stare, cu o direcție specifică de spin. Motivul pentru decizia sa este nostru „dimensiune“!

Aceasta se numește „colaps al funcției de undă“. Funcția de undă de măsurare a fost nesigur, și anume vector al rotirilor de electroni sunt simultan în toate direcțiile, după măsurarea electronului a fixat o anumită direcție vector de spin.

Atenție! Un exemplu foarte bun pentru înțelegere, asocierea macrocosm noastre:

Spin moneda pe masa, ca titirezul. În timp ce moneda de spin, nu au nici o noo valoare particulară - capete sau cozi. Dar, odată ce vă decideți să „măsoare“ valoarea și o parte moneda prihlopnite, este aici, acum și pentru a obține starea specifică a monedei - capete sau cozi. Acum, imaginați-vă că această monedă să decidă ce valoare dvs. „spectacol“ - capete sau cozi. Aproximativ, de asemenea, se comportă și electroni.

Și amintiți-vă acum experimentul, prezentat la sfârșitul filmului. Când fotonii a trecut prin spațiul liber, ei se comportă ca un val, și ecranate modelul de interferență. Iar atunci când oamenii de știință doresc să se stabilească (măsura) timpul de zbor al fotonilor prin fanta a fost plasat în spatele ecranului și fotonii de oțel „observator“ nu se comportă la fel de valuri, ci ca particule. Și „pictat“ pe ecran 2 dungi verticale. Ie la momentul măsurării sau observarea obiectelor cuantice ele însele le aleg să fie în orice condiții.

Fantastic! Nu-i așa?

Dar asta nu e tot. În cele din urmă am ajuns la cel mai interesant.

Dar ... cred că va supraîncărca de informații, astfel încât aceste două concepte vor fi discutate în posturi separate:

Și acum, informațiile pe care doriți pentru a sorta prin intermediul? A se vedea documentarul elaborat de Institutul canadian pentru Fizică Teoretică. În ea timp de 20 de minute, foarte scurt și, în ordine cronologică, vă va spune despre toate descoperirile fizicii cuantice, de la descoperirea lui Planck în 1900. Și apoi spune ce practică de dezvoltare sunt realizate în prezent, pe baza cunoașterii fizicii cuantice: de la ceasurile atomice cele mai exacte pentru a superhighways de calcul calculator cuantic. Foarte Recomand sa ma uit la acest film.

Vă doresc tuturor o sursă de inspirație pentru toate planurile și proiectele concepute!

P.S.3 Aboneaza-te la blog-ul - un formular de subscriere în temeiul articolului.

Destul de ușor de înțeles, dar cu privire la orice probleme mult. Am citit diverse surse uitat. Peste tot scrie, arată același lucru. Electronic a trecut printr-unul, și apoi prin fanta dubla. Întrebarea este; Am încercat de electroni dacă pentru a trece prin 3, 4, 5, sau mai multe spații. Sau chiar fante aranjate într-un cerc? Care este efectul atunci când se întâmplă acest lucru? A încercat să schimbe grosimea golurilor? Faptul că, sub supravegherea electronului este pe de altă parte are propriile sale motive. Cel mai probabil dispozitivul de măsurare afectează comportamentul electronilor cu câmpul sau orice altceva sa. După observarea în ambele cazuri, în primul caz, fără dispozitivele din al doilea, cu dispozitivul. Poate ar trebui să pună aparatul de fotografiat în fața scutului, care exclude impactul unui electron.
Unul devine sentimentul. că electronul nu este suficient studiată.

Vă mulțumesc pentru întrebare. Există mai multe întrebări și vă, și oameni de știință din întreaga lume. Dar pentru a răspunde la multe dintre aceste persoane nu pot fi încă. Răspunsurile sunt cunoscute numai de Dumnezeu.
De exemplu, recent, oamenii de stiinta japonezi au demonstrat experimental că teleportarea, care este menționat de mai multe ori în Noul Testament, este posibil. Acest experiment poate citi articolul Ce este cuantice? Esența cuvinte simple. Este posibil teleportarea?
De asemenea, s-ar putea fi interesat de aceste articole
Care este computerul cuantic, și ceea ce este pentru? Doar despre complexul
Pisica lui Schrödinger în cuvinte simple. Esența experimentului. Ce face fenomenul de „Pisica lui Schrödinger“?

Ia cartea „Elon Musk. Tesla, SpaceX și drumul spre viitor "

Foarte interesant mi-ar dori să obțină o carte Elon Musk
Mulțumesc.