Șase fapte despre fizica cuantică, care ar trebui să știe toată lumea

Nepreparat fizica cuantică ascultător sperie de la începutul de dating. Este un ciudat și ilogic, chiar și pentru fizicieni, care se ocupă cu ea în fiecare zi. Dar nu este de neînțeles. Dacă sunteți interesat de fizica cuantică, de fapt, există șase concepte cheie din ea, ceea ce este necesar să se păstreze în minte. Nu, ei au puțin de a face cu fenomene cuantice. Și nu se crede experimente. Doar înfășurați-le în cap, iar fizica cuantică va fi mult mai ușor de înțeles.

Există multe locuri pentru a obține ai început această discuție, iar acest lucru este la fel de bun ca și ceilalți: totul în universul nostru are atât de natura particulelor și a valurilor. Dacă ai putea spune despre magia acestui: „Toate acest val, și numai valurile“, ar fi minunat descriere poetică a fizicii cuantice. De fapt, totul în acest univers are un caracter val.

Desigur, ca totul în univers este de natura particulelor. Sună ciudat, dar este un fapt experimental.

Această natură „a treia“ a obiectelor cuantice se reflectă în limba uneori confuză de fizicieni care discută fenomene cuantice. Bosonul Higgs a fost descoperit la Large Hadron Collider ca o particulă, dar, probabil, ați auzit expresia „câmpul Higgs“, un astfel de lucru delocalizat care umple întregul spațiu. Acest lucru se datorează faptului că, în anumite condiții, cum ar fi experimente cu particule de coliziune este mai potrivit pentru a discuta despre câmpul Higgs de excitație, mai degrabă decât a determina caracteristicile particulelor, în timp ce în alte condiții, cum ar fi discuția generală de ce anumite particule au o masă mai potrivită pentru a discuta despre fizica în ceea ce privește interacțiunea cu cuantumul câmp de scară universală. Este doar o altă limbă, descriind aceleași obiecte matematice.

Toate în numele fizicii - cuvântul „Quantum“ este derivat din latinescul „cât de mult“ și reflectă faptul că modelele cuantice include întotdeauna ceva care vine in cantitati discrete. Energia conținută în câmpul cuantic, vine in multipli de ceva energie fundamentală. Pentru lumina este asociată cu frecvența și lungimea de undă a luminii - lumina cu o scurtă undă de înaltă frecvență are o mare energie caracteristică, în timp ce lumina de joasă frecvență cu caracteristică lungime de undă are un consum redus de energie.

În ambele cazuri, între energia totală conținută într-un câmp de lumină separată, un multiplu întreg al acestei energii - 1, 2, 14, 137 de ori - fără a vedea un fel ciudat de acțiuni și jumătate, „pi“ sau rădăcina pătrată a doua. Această proprietate este, de asemenea, observată în nivelurile de energie discrete de atomi, și benzile specifice de energie - unele cantități de energii permise, altele nu sunt. ceasuri atomice funcționează din cauza fizica discretă cuantice, folosind frecvența luminii asociate cu tranziția între cele două state permise în cesiu, ceea ce permite de a economisi timp la nivelul necesar pentru punerea în aplicare a „a doua salt“.

spectroscopia de precizie poate fi de asemenea folosite pentru a căuta lucruri, cum ar fi materia întunecată și face parte din motivația pentru Institutul consum redus de energie pentru Fizica fundamentală.

Nu este întotdeauna clar - chiar unele lucruri pe care, în principiu cuantic, cum ar fi radiația corpuluinegru asociată cu distribuții continue. Dar după o inspecție mai atentă și prin conectarea aparat matematic profund al teoriei cuantice devine chiar mai bizar.

Una dintre cele mai uimitoare și (punct de vedere istoric, cel puțin) aspectele controversate ale fizicii cuantice este că este imposibil să se prevadă cu certitudine rezultatul unui singur experiment cu un sistem cuantic. Când Fizica prezice rezultatul unui anumit experiment, aceasta ia forma unei probabilități de predicție de a găsi fiecare dintre rezultatele specifice posibile, iar comparația între teorie și experiment includ întotdeauna deducând distribuția de probabilitate a numeroase experimente repetate.

O descriere matematică a unui sistem cuantic în general, ia forma unei „funcții de undă“ reprezentate în ecuațiile psi fag greacă: Ψ. Există multe dezbateri cu privire la ceea ce este exact funcția de undă, și au împărtășit fizicienii în două tabere: cei care văd în funcția val de un lucru fizic real (teoreticienii ontice), și cei care cred că funcția de undă este pur și simplu o expresie a cunoștințelor noastre (sau lipsa acesteia), indiferent de starea de bază a obiectului cuantic individual (epistemică teoretic).

În fiecare clasă, modelul fundamental al probabilitatea de a găsi rezultatul nu este determinată de funcția de undă în mod direct, iar patratul funcției de undă (aproximativ vorbind, tot ce este, funcția de undă - este un obiect matematic complex (și, prin urmare, include numerele imaginare ca rădăcina pătrată sau versiunile negative) și operațiune a primit, probabil, un pic mai complicat, dar „pătrat al funcției de undă“ este suficientă pentru a înțelege esența de bază a ideii). Acest lucru este cunoscut sub numele de regula Born după fizicianul german Max Born, pentru prima dată pentru a calcula (într-o notă de subsol la 1926), și a surprins mulți oameni urât întruparea lui. de muncă activă în încercarea de a se retrage mai tipic de principiu fundamental Borna; dar până în prezent nici unul dintre ele nu a avut succes, deși a generat o mulțime de interes pentru știință.

Acest aspect al teoriei ne conduce la particulele care stau într-un număr de state simultan. Tot ce putem prezice probabilitatea și măsurării pentru a obține un rezultat specific măsurat prin sistemul este într-o stare intermediară - starea de superpoziție, care include toate posibile probabilitate. Dar dacă sistemul este, de fapt, în mai multe state sau într-o singură necunoscută - depinde de ce ai prefera modelul ontică sau epistemică. Ambele dintre ele ne conduc la punctul următor.

Ultima mare contribuție la fizica lui Einstein nu a fost unanim recunoscut ca atare, mai ales pentru că el a fost greșit. Lucrarea în 1935, împreună cu tinerii săi colegi Boris Podolko și Natanom Rozenom (lucru EPR), Einstein a dat o declarație matematică clară a ceva ce-l deranjat de ceva timp, ceea ce noi numim „confuzie“.

hârtie EPR susține că fizica cuantică a recunoscut existența unor sisteme în care măsurătorile sunt efectuate în locuri îndepărtate pe scară largă, pot fi corelate, astfel încât rezultatul este definit unul pe altul. Ei au susținut că acest lucru înseamnă că măsurătorile trebuie să fie stabilite în prealabil de către orice factor comun, altfel ar fi necesar rezultat transmiterea unei măsurători la locul celuilalt la o viteză mai mare decât viteza luminii. În consecință, fizica cuantică trebuie să fie incompletă, fie o aproximare mai profundă teorie (Teoria „ascunsă variabila locală“, în care rezultatele măsurătorilor individuale nu depind de ceva care este mai departe de locul de desfășurare dimensiunile decât pot acoperi viteza de deplasare a semnalului de lumină (local), ci mai degrabă este definit de un factor comun pentru ambele sisteme într-o pereche confuz (variabile ascunse).

Toate acestea au fost luate în considerare nota de subsol obscur pentru mai mult de 30 de ani, deoarece nu părea să existe nici o modalitate de a verifica acest lucru, dar la mijlocul anilor '60, fizicianul irlandez Dzhon Bell a lucrat mai în detaliu efectele lucrării EPR. Bell a arătat că puteți găsi circumstanțe în care mecanica cuantică prezice corelația dintre măsurători la distanță, care sunt mai puternice decât orice teorie este posibil ca propusă E, P și R. este verificat experimental, în anii 70 Dzhon Klozer și Alain Aspect la începutul 80- x - ei au arătat că aceste sisteme complicate nu pot fi explicate prin orice teorie a variabilei potențial locale ascunse.

Abordarea cea mai comună de a înțelege acest rezultat este să se presupună că mecanica cuantică nelocal: că măsurătorile efectuate într-o anumită locație poate depinde de proprietățile unui obiect de la distanță, astfel încât să nu poată fi explicate cu ajutorul semnalelor care se deplasează cu viteza luminii. Acest lucru, cu toate acestea, nu permite transmiterea de informații la viteza superluminice, chiar dacă au existat multe încercări de a obține în jurul valorii de această limitare prin utilizarea unui cuantum non-localitate.

În fizica cuantică, are o reputație de ciudat, pentru că previziunile sale sunt fundamental diferite de experiența noastră de zi cu zi. Acest lucru se datorează faptului că efectele sale sunt mai mici, cu atât mai mult obiectul - puteți vedea cu greu comportamentul val de particule și de modul în care scade odată cu creșterea lungimii de undă impuls. Lungimea de undă a unui obiect macroscopic ca un câine care rulează este atât de ridicol de mici, că, dacă măriți fiecare atom într-o cameră la dimensiunea sistemului solar, lungimea de undă a câinelui va fi de mărimea unui singur atom în acest sistem solar.

Acest lucru înseamnă că fenomenele cuantice sunt în cea mai mare parte limitată la scara atomilor și a particulelor fundamentale, masă și accelerație, care sunt suficient de mici pentru a rămâne lungimea de undă este atât de mică încât să nu poată fi observate în mod direct. Cu toate acestea, greutatea efortului aplicat pentru a crește dimensiunea sistemului, demonstrând efectele cuantice.

Paragraful precedent este destul de firesc ne aduce la acest lucru: nu contează cât de ciudat poate părea fizica cuantică, acest lucru nu este în mod clar magie. Ceea ce postulează ciudat de standardele fizicii de zi cu zi, dar este strict limitat la reguli și principii matematice bine înțelese.

Deci, dacă cineva vine la tine cu un „cuantic“, o idee care pare imposibil - energie infinita, puterea de vindecare magică, motoare spațiale imposibile - este aproape sigur imposibil. Acest lucru nu înseamnă că nu putem folosi fizica cuantică pentru a face lucruri incredibile: Noi întotdeauna scrie despre descoperiri incredibile folosind fenomene cuantice, și ei sunt deja omenirea, mai degrabă surprins, înseamnă doar că nu ieși din limitele legilor termodinamicii și bun simț .

În cazul în care punctele de mai sus vă va parea un pic, consideră că este un punct de plecare util pentru discuții suplimentare.