Коли вивчають квантову фізику. Інтерференція на пальцях чи квантова фізика для повних чайників

Є багато місць, з яких можна почати це обговорення, і ось це так само добре, як інші: все в нашому Всесвіті має одночасно природу частинок і хвиль. Якби можна було сказати про магію так: "Все це хвилі, і тільки хвилі", це було б чудовим поетичним описом квантової фізики. Насправді все в цьому всесвіті має хвильову природу.

Звичайно, також все у Всесвіті має природу частинок. Звучить дивно, але це .

Описувати реальні об'єкти як частинки та хвилі одночасно буде дещо неточним. Власне кажучи, об'єкти, що описуються квантовою фізикою, не є частинками та хвилями, а скоріше належать третій категорії, яка успадковує властивості хвиль (частоту та довжину хвилі, разом з поширенням у просторі) та деякі властивості частинок (їх можна перерахувати та локалізувати з певним ступенем ). Це призводить до жвавих дебатів у фізичному співтоваристві на тему того, чи взагалі коректно буде говорити про світло як про частинку; не тому, що є протиріччя в тому, чи має світло природа частинок, а тому, що називати фотони «частинками», а не «збудженнями квантового поля» - значить, вводити студентів в оману. Втім, це стосується й того, чи можна називати електрони частинками, але такі суперечки залишаться у колах суто академічних.

Ця «третя» природа квантових об'єктів відбивається в заплутаному іноді мовою фізиків, які обговорюють квантові явища. Бозон Хіггса був виявлений на Великому адронному колайдері як частинка, але ви, напевно, чули словосполучення «поле Хіггса», такої справакалізованої речі, яка заповнює весь простір. Це відбувається, оскільки за певних умов на кшталт експериментів зі зіткненням частинок більш доречно обговорювати порушення поля Хіггса, ніж визначати характеристики частинки, тоді як за інших умов на кшталт загальних обговорень того, чому певні частинки мають масу, більш доречно обговорювати фізику в термінах взаємодії з квантовим. полем світових масштабів. Це різні мови, що описують одні й самі математичні об'єкти.

Квантова фізика дискретна

Все в назві фізики - слово "квантум" походить від латинського "скільки" і відображає той факт, що квантові моделі завжди включають щось, що приходить у дискретних величинах. Енергія, що міститься в квантовому полі, надходить у кратних величинах певної фундаментальної енергії. Для світла це асоціюється з частотою і довжиною хвилі світла - високочастотне світло з короткою хвилею має величезну характерну енергію, тоді як низькочастотне світло з довгою хвилею має невелику характерну енергію.

В обох випадках тим часом повна енергія, укладена в окремому світловому полі, цілочислово кратна цієї енергії - 1, 2, 14, 137 разів - і не зустріти дивних часток на кшталт півтора, пі або квадратного кореня з двох. Ця властивість також спостерігається в дискретних енергетичних рівнях атомів, і енергетичні зони є конкретними - деякі величини енергій допускаються, інші немає. Атомний годинник працює завдяки дискретності квантової фізики, використовуючи частоту світла, пов'язаного з переходом між двома дозволеними станами в цезії, яка дозволяє зберегти час на рівні, необхідному для здійснення другого стрибка.

Надточна спектроскопія також може бути використана для пошуку речей на кшталт темної матеріїі залишається частиною мотивації до роботи інституту низькоенергетичної фундаментальної фізики.

Це не завжди очевидно - навіть деякі речі, які квантові в принципі на зразок випромінювання чорного тіла пов'язані з безперервними розподілами. Але при найближчому розгляді та при підключенні глибокого математичного апарату квантова теорія стає ще дивнішою.

Квантова фізика є імовірнісною

Одним із найдивовижніших і (історично принаймні) суперечливих аспектів квантової фізики є те, що неможливо з упевненістю передбачити результат одного експерименту з квантовою системою. Коли фізики передбачають результат певного експерименту, їхнє передбачення носить форму ймовірності знаходження кожного з конкретних можливих результатів, а порівняння між теорією та експериментом завжди включають виведення розподілу ймовірностей із багатьох повторних експериментів.

Математичний опис квантової системи, як правило, набуває форми «хвильової функції», представленої в рівняннях грецької букової пси: Ψ. Ведеться багато дискусій про те, що конкретно є хвильовою функцією, і вони розділили фізиків на два табори: тих, хто бачить у хвильовій функції реальну фізичну річ (онтичні теоретики), і тих, хто вважає, що хвильова функція є виразом нашого знання (або його відсутності) незалежно від лежачого нижче стану окремого квантового об'єкта (епістемічні теоретики).

У кожному класі основної моделі ймовірність знаходження результату визначається не хвильовою функцією безпосередньо, а квадратом хвильової функції (грубо кажучи, все ж таки; хвильова функція - це складний математичний об'єкт (а значить, включає уявні числа на кшталт квадратного кореняабо його негативного варіанту), і операція отримання ймовірності трохи складніша, але «квадрату хвильової функції» достатньо, щоб зрозуміти основну суть ідеї). Це відомо як правило Борна на честь німецького фізика Макса Борна, який вперше його обчислив (у виносці до роботи 1926 року) і здивував багатьох потворним його втіленням. Ведуться активні роботи у спробах вивести правило Борна з фундаментального принципу; але поки жодна з них не була успішною, хоч і породила багато цікавого для науки.

Цей аспект теорії також призводить до частинок, що перебувають у безлічі станів одночасно. Все, що ми можемо передбачити, це ймовірність, і до вимірювання з отриманням конкретного результату система, що вимірюється, знаходиться в проміжному стані - стані суперпозиції, яке включає всі можливі ймовірності. А ось чи дійсно система перебуває в множинних станах або знаходиться в одному невідомому - залежить від того, ви віддаєте перевагу античній або епістемічній моделі. Обидва вони призводять нас до наступного пункту.

Квантова фізика нелокальна

Останній не був широко визнаний як такий, переважно тому, що він помилявся. У роботі 1935 року, разом з його молодими колегами Борисом Подільким та Натаном Розеном (робота ЕПР), Ейнштейн навів чітку математичну заяву чогось, що турбувало його вже деякий час, того, що ми називаємо «заплутаністю».

Робота ЕПР стверджувала, що квантова фізика визнала існування систем, у яких виміри, зроблені у віддалених місцях, можуть корелювати те щоб результат одного визначав інше. Вони стверджували, що це означає, що результати вимірювань повинні бути визначені заздалегідь будь-яким загальним фактором, оскільки в іншому випадку знадобилася б передача результату одного вимірювання до місця проведення іншого зі швидкістю, що перевищує швидкість світла. Отже, квантова фізика має бути неповною, бути наближенням більш глибокої теорії (теорії «прихованої локальної змінної», в якій результати окремих вимірювань не залежать від чогось, що знаходиться далі від місця проведення вимірювань, чим може покрити сигнал, що подорожує зі швидкістю світла (локально), а скоріше визначається деяким фактором, загальним для обох систем у заплутаній парі (прихована змінна).

Все це вважалося незрозумілою виноскою більше 30 років, оскільки, здавалося, не було жодного способу перевірити це, але в середині 60-х років ірландський фізик Джон Белл детальніше пропрацював наслідки роботи ЕПР. Белл показав, що ви можете знайти обставини, за яких квантова механіка передбачить кореляції між віддаленими вимірами, які будуть сильнішими за будь-яку можливу теорію на кшталт запропонованих Е, П і Р. Експериментально це перевірив у 70-х роках Джон Клозер і Ален Аспект на початку 80-х. х – вони показали, що ці заплутані системи не можуть бути потенційно пояснені жодною теорією локальної прихованої змінної.

Найбільш поширений підхід до розуміння цього результату полягає в припущенні, що квантова механіка нелокальна: результати вимірювань, виконаних у певному місці, можуть залежати від властивостей віддаленого об'єкта так, що це не можна пояснити з використанням сигналів, що рухаються на швидкості світла. Це, втім, не дозволяє передавати інформацію з надсвітловою швидкістю, хоча було здійснено безліч спроб обійти це обмеження за допомогою квантової нелокальності.

Квантова фізика (майже завжди) пов'язана з дуже малим

У квантової фізики є репутація дивною, оскільки її прогнози кардинально відрізняються від нашого повсякденного досвіду. Це відбувається, оскільки її ефекти виявляються тим менше, чим більше об'єкт - ви навряд чи побачите хвильову поведінку частинок і того, як зменшується довжина хвилі зі збільшенням моменту. Довжина хвилі макроскопічного об'єкта на кшталт собаки, що йде, настільки сміхотворно мала, що якщо ви збільшите кожен атом в кімнаті до розмірів Сонячної системи, довжина хвилі пса буде розміром з один атом в такий сонячної системи.

Це означає, що квантові явища здебільшого обмежені масштабами атомів і фундаментальних частинок, маси та прискорення яких досить малі, щоб довжина хвилі залишалася настільки малою, що її не можна було б спостерігати прямо. Втім, прикладається маса зусиль, щоб збільшити розмір системи демонструє квантові ефекти.

Квантова фізика – не магія

Попередній пункт дуже природно підводить нас до цього: хоч би якою дивною квантова фізика здавалася, це явно не магія. Те, що вона постулює, дивне за мірками повсякденної фізики, але суворо обмежена добре зрозумілими математичними правилами і принципами.

Тому якщо хтось прийде до вас із «квантовою» ідеєю, яка здається неможливою, – нескінченна енергія, чарівна цілюща сила, неможливі космічні двигуни – це майже напевно неможливо. Це не означає, що ми не можемо використовувати квантову фізику, щоб робити неймовірні речі: ми постійно пишемо про неймовірні прориви з використанням квантових явищ, і вони вже здивували людство, це лише означає, що ми не вийдемо за межі законів термодинаміки та здорового глузду. .

Якщо вищезгаданих пунктів вам здасться мало, вважайте це лише корисною точкою для подальшого обговорення.

Наука

Квантова фізика працює з вивченням поведінки найменших речей у нашому Всесвіті: субатомних частинок. Це відносно нова наука, лише на початку 20 століття вона стала такою після того, як фізиків стало цікавити питання, чому вони не можуть пояснити деякі ефекти радіації. Один із новаторів того часу Макс Планк (Max Planck) при дослідженні крихітних частинок з енергією використовував термін "кванти", звідси пішла назва "квантова фізика". Планк зазначив, що кількість енергії, що міститься в електронах, не є довільною, а відповідає стандартам "квантової" енергії.

Одним із перших результатів практичного застосування цього знання став винахід транзистора. На відміну від негнучких законів стандартної фізики правила квантової фізики можна порушувати. Коли вчені вважають, що мають справу з одним із аспектів дослідження матерії та енергії, з'являється новий поворот подій, що нагадує їм про те, наскільки непередбачуваною буває робота в цій галузі. Тим не менш, вони навіть якщо не повністю розуміють те, що відбувається, можуть використовувати результати своєї роботи для розробки

нових технологій, які часом можуть бути названі не інакше, як фантастичними. У майбутньому квантова механіка зможе допомогти зберегти військові секрети, а також забезпечити безпеку та захистити ваш банківський рахунок від кібер-злодіїв. Вчені зараз працюють на квантових комп'ютерах, можливості яких виходять далеко за межі звичайного ПК. Розділені на субатомні частинки,предмети миттєво легко можуть бути перенесені з одного місця на інше.

І, можливо, квантова фізика зможе дати відповідь на інтригуюче питання щодо того, з чого складається всесвіт і як зародилося життя.

Нижче наведено факти, як квантова фізика може змінити світ. Як сказав Нільс Бор (Niels Bohr): "Той, хто не шокований квантовою механікою, просто ще не зрозумів принципу її роботи".

Управління турбулентністю

Турбулентність викликається згустками газу чи рідини, але у природі здається ніби вона формується хаотично і формується несподівано. Хоча турбулентні зони можуть утворюватися у воді та повітрі, вчені виявили, що вони також можуть формуватися і в умовах ультрахолодних атомів газу або в середовищі надплинного гелію. За допомогою вивчення цього явища в контрольованих лабораторних умовах, вчені одного чудового дня зможуть точно передбачати місце появи турбулентних зон, і, можливо, контролювати їх у природі.

Спінтроніка

Новий магнітний напівпровідник, розроблений у Массачусетському технологічному інституті, може призвести до появи ще швидшого енергоефективного електронного пристрою в майбутньому. Ця технологія, що називається «спінтроніка», використовує спиновий стан електронів для передачі та зберігання інформації. У той час, як звичайні електронні схеми використовують лише зарядовий стан електрона, спинтроніка має переваги спінового напрямку електрона.

Обробка інформації за допомогою схем спинтроніки дозволить даним накопичуватися відразу з двох напрямків одночасно, що так само зменшить розмір електронних схем. Цей новий матеріалвпроваджує електрон у напівпровідник на основі його спінової орієнтації. Електрони проходять через напівпровідник і стають готовими бути спін-детекторами на виході. Вчені стверджують, що нові напівпровідники можуть працювати за кімнатної температури і є оптично прозорими, що означає можливість роботи з сенсорними екранами та сонячними батареями. Вони також вважають, що це допоможе винахідникам придумати ще багатофункціональні пристрої.

Паралельні світи

Ви ніколи не замислювалися про те, яким би було наше життя, якщо ми мали можливість подорожувати в часі? Ви б убили Гітлера? Або приєдналися б до римських легіонів для того, щоб побачити стародавній світ? Тим не менше, поки ми всі фантазуємо на тему, щоб ми зробили, якби ми мали змогу повернутися в минуле, вчені з каліфорнійського університету Санта-Барбари вже очищають шлях до відновлення образ минулих років.

В експерименті 2010 року вченим вдалося довести, що об'єкт може одночасно існувати у двох різних світах. Вони ізолювали крихітні шматочки металу і в спеціальних умовах виявили, що він рухався і стояв на місці одночасно. Однак, хтось може порахувати це спостереження маренням, викликаним перевтомою, все ж таки фізики кажуть, що спостереження за об'єктом дійсно показують, що він розпадається у Всесвіті на дві частини – одну з них ми бачимо, а іншу ні. Теорії паралельних світів в один голос говорять про те, що будь-який об'єкт розпадається.

Наразі вчені намагаються з'ясувати, як можна "перестрибнути" момент розпаду та увійти в той світ, який нам не бачимо. Це подорож у паралельні всесвітиу часі теоретично має працювати, оскільки квантові частки рухаються і вперед, і у часі. Тепер все, що вчені повинні зробити – це побудувати машину часу за допомогою квантових частинок.

Квантові точки

Незабаром квантові фізики зможуть допомогти лікарям виявляти ракові клітини в організмі і точно визначати, куди вони поширилися. Вчені виявили, що деякі дрібні напівпровідникові кристали, які називають квантовими точками, можуть світитися під впливом ультрафіолетового випромінювання, а також їх вдалося сфотографувати за допомогою спеціального мікроскопа. Потім їх поєднали з особливим, «привабливим» для ракових клітин матеріалом. При попаданні в організм квантові точки, що світяться, притягувалися до ракових клітин, показуючи тим самим, лікарям, де саме шукати. Світіння продовжується достатньо довгий часі для вчених процес налаштування точок під характеристики конкретного виду раку відносно нескладний.

Хоча високотехнологічна наука, безумовно, несе відповідальність за багато медичних досягнень, людина протягом століть залежить від багатьох інших засобів боротьби із захворюванням.

Молитва

Важко уявити, що може бути спільного між корінним американцем, цілителем-шаманом і піонерами квантової фізики. Однак, між ними все ж таки є щось спільне. Нільс Бор, один із ранніх дослідників цієї дивної галузі науки, вважав, що багато з того, що ми називаємо реальністю, залежить від "ефекту спостерігача", тобто зв'язок між тим, що відбувається, і як ми це бачимо. Ця тема породила розвиток серйозних дебатів між фахівцями квантової фізики, проте експеримент, проведений Бором понад півстоліття тому, підтвердив його припущення.

Все це означає, що наша свідомість впливає на реальність і може її змінити. Слова молитви і ритуали церемонії шамана-цілителя, що повторюються, можуть бути спробами змінити напрям "хвилі", яка створює реальність. Більшість обрядів проводяться також у присутності численних спостерігачів, вказуючи на те, що чим більше "хвиль зцілення" походить від спостерігачів, тим сильніше вони впливають на реальність.

Взаємозв'язок об'єктів

Взаємозв'язок об'єктів може в подальшому вплинути на сонячну енергію. Взаємозв'язок об'єктів передбачає квантову взаємозалежність атомів, розділених реальному фізичному просторі. Фізики вважають, що взаємозв'язок може утворитися у частині рослин, відповідальних за фотосинтез, або перетворення світла на енергію. Структури, відповідальні за фотосинтез, хромофори, можуть перетворювати 95 відсотків світла, що отримується в енергію.

Наразі вчені вивчають, як цей взаємозв'язок на квантовому рівні може вплинути на створення сонячної енергії в надії створення ефективних природних сонячних елементів. Фахівці також виявили, що водорості можуть використовувати деякі положення квантової механіки для переміщення енергії, що отримується від світла, а також зберігати її в двох місцях одночасно.

Квантові обчислення

Інший не менш важливий аспект квантової фізики може бути застосований у комп'ютерній сфері, де особливий тип надпровідного елемента дає комп'ютер безпрецедентну швидкість і силу. Дослідники пояснюють, що елемент поводиться як штучні атоми, оскільки вони можуть лише отримати, або втратити енергію шляхом переміщення між дискретними рівнями енергії. Найскладніший за будовою атом має п'ять рівнів енергії. Ця складна система («кудит») має значні переваги в порівнянні з роботою попередніх атомів, у яких було лише два рівні енергії («кубіт»). Кудити і кубити це частина бітів, які у стандартних комп'ютерах. Квантові комп'ютери у своїй роботі використовуватимуть принципи квантової механіки, що дозволить виконувати обчислення набагато швидше і точніше в порівнянні з традиційними комп'ютерами.

Існує, однак, проблема, яка може виникнути, якщо квантові обчислення стануть реальністю – криптографія чи кодування інформації.

Квантова криптографія

Вся інформація, починаючи від номера вашої кредитної картки і закінчуючи надсекретними військовими стратегіями, є в мережі інтернету, а кваліфікований хакер з достатньою кількістю знань і потужним комп'ютером може спустошити ваш банківський рахунок або наразити на світову безпеку загрози. Спеціальне кодування тримає цю інформацію під секретом, а комп'ютерні фахівці постійно працюють над створенням нових, безпечніших методів кодування.

Кодування інформації всередині окремої частинки світла (фотон) давно є метою квантової криптографії. Здавалося, що вчені Торонто вже дуже близько підійшли до створення цього методу, оскільки їм вдалося закодувати відео. Шифрування включає рядки з нулів і одиниць, які і є «ключом». Додавання ключа кодує інформацію один раз, додавання його повторно, декодує її. Якщо сторонній людині вдається отримати ключ, інформація може бути зламана. Але навіть якщо ключі будуть використані на квантовому рівні, вже сам факт їх застосування напевно має на увазі наявність хакера.

Телепортація

Це наукова фантастика, не більше. Однак, вона була здійснена, але не за участю людини, а за участю великих молекул. Але в цьому і полягає проблема. Кожна молекула в організмі людини має бути відсканована з обох боків. Але це навряд чи станеться найближчим часом. Є ще одна проблема: як тільки ви скануєте частинку, за законами квантової фізики, ви змінюєте її, тобто у вас немає можливості зробити її точну копію.

Ось де проявляється взаємозв'язок об'єктів. Вона пов'язує два об'єкти так, ніби вони є єдиним цілим. Ми скануємо одну половину частинки, а копія, що телепортується, буде зроблена іншою половиною. Це буде точна копія, оскільки ми не вимірювали саму частинку, ми вимірювали її двійника. Тобто частинку, яку ми виміряли, буде зруйновано, але її точну копію реанімовано її двійником.

Частки Бога

Вчені використовують дуже величезне своє творіння - великий адронний колайдер - для того, щоб досліджувати щось вкрай маленьке, але дуже важливе - фундаментальні частинки, які, як вважають, є основою зародження нашого Всесвіту.

Частинки Бога – це те, що, як стверджують вчені, дає масу елементарним частинкам (електронам, кваркам та глюонам). Фахівці вважають, що частинки Бога мають пронизувати весь простір, але досі існування цих частинок не доведено.

Виявлення цих частинок допомогло б фізикам зрозуміти, як Всесвіт оговтався після Великого Вибуху і перетворився на те, що нам відомо про нього сьогодні. Це також допомогло б пояснити, як речовина балансує з антиречовиною. Коротше кажучи, виділення цих часток допоможе все пояснити.

В 1803 Томас Юнг направив пучок світла на непрозору ширму з двома прорізами. Замість очікуваних двох смужок світла на проекційному екрані він побачив кілька смуг, начебто відбулася інтерференція (накладання) двох хвиль світла з кожного прорізу. Фактично саме в цей момент зародилася квантова фізика, вірніше питання її основи. У XX і XXI століттяхбуло показано, що не лише світло, але будь-яка одиночна елементарна частка і навіть деякі молекули поводяться як хвиля, як кванти, ніби проходячи через обидві щілини одночасно. Однак якщо поставити у щілин датчик, який визначає, що саме відбувається з часткою в цьому місці і через яку саме щілину вона все-таки проходить, то на проекційному екрані з'являються лише дві смуги, немов факт спостереження (непрямого впливу) руйнує хвильову функцію та об'єкт поводиться як матерія. ( відео)

Принцип невизначеності Гейзенберга - фундамент квантової фізики!

Завдяки відкриттю 1927 року тисячі вчених і студентів повторюють один і той же простий експеримент, пропускаючи лазерний промінь через щілину, що звужується. Логічно, видимий слід від лазера на проекційному екрані стає все вже й слідом за зменшенням зазору. Але в певний момент, коли щілина стає досить вузькою, пляма від лазера раптом починає ставати ширшою і ширшою, розтягуючись по екрану і тьмяніючи поки що щілина не зникне. Це очевидний доказ квінтесенції квантової фізики - принципу невизначеності Вернера Гейзенберга, видатного фізика-теоретика. Суть його в тому, що чим точніше ми визначаємо одну з парних характеристик квантової системи, тим невизначенішою стає друга характеристика. У цьому випадку, чим точніше ми визначаємо щілиною координати фотонів лазера, що звужується, тим невизначенішим стає імпульс цих фотонів. У макросвіті ми точно також можемо виміряти або точне місце розташування меча, взявши його в руки, або його напрям, але ніяк не одночасно, так як це суперечить і заважає один одному. ( , відео)

Квантова надпровідність та ефект Мейснера

У 1933 році Вальтер Мейснер виявив цікаве явище у квантовій фізиці: в охолодженому до мінімальних температур надпровіднику магнітне поле витісняється за його межі. Це явище отримало назву ефект Мейснера. Якщо звичайний магніт покласти на алюміній (або інший надпровідник), а потім його охолодити рідким азотом, то магніт злетить і зависне в повітрі, так як "бачитиме" витіснене з охолодженого алюмінію своє ж магнітне поле тієї ж полярності, а однакові сторони магнітів відштовхуються . ( , відео)

Квантова надплинність

У 1938 році Петро Капіца охолодив рідкий гелій до близької до нуля температури і виявив, що речовина зникла в'язкість. Це явище в квантовій фізиці отримало назву надплинність. Якщо охолоджений рідкий гелій налити на дно склянки, він все одно витіче з нього по стінках. Фактично, поки гелій достатньо охолоджений для нього немає меж, щоб розлитися, незалежно від форми та розміру ємності. Наприкінці XX і на початку XXI століть надплинність за певних умов була також виявлена ​​у водню та різних газів. ( , відео)

Квантовий тунелінг

У 1960 році Айвор Джайєвер проводив електричні досліди з надпровідниками, розділеними мікроскопічною плівкою оксиду алюмінію, що не проводить струм. З'ясувалося, що всупереч фізиці та логіці частина електронів все одно проходить через ізоляцію. Це підтвердило теорію можливості квантового тунельного ефекту. Він поширюється як на електрику, а й будь-які елементарні частинки, вони ж хвилі відповідно до квантової фізики. Вони можуть проходити перешкоди наскрізь, якщо ширина цих перешкод менша за довжину хвилі частинки. Чим перешкода вже, тим частіше частки проходять крізь них. ( , відео)

Квантова заплутаність та телепортація

У 1982 році фізик Ален Аспэ, майбутній лауреат Нобелівської премії, направив два одночасно створені фотони на різноспрямовані датчики визначення їх спина (поляризації). Виявилося, що вимір спина одного фотона миттєво впливає на положення спину другого фотона, який стає протилежним. Так було доведено можливість квантової заплутаності елементарних частинок і квантова телепортація. У 2008 році вченим вдалося виміряти стан квантово-заплутаних фотонів на відстані 144 кілометрів і взаємодія між ними все одно виявилася миттєвою, якби вони були в одному місці або не було простору. Вважається, що якщо такі квантово-заплутані фотони виявляться в протилежних ділянках всесвіту, то взаємодія між ними все одно буде миттєвою, хоча світло ця відстань долає за десятки мільярдів років. Цікаво, але згідно з Ейнштейном для фотонів часу, що летять зі швидкістю світла, теж немає. Чи це збіг? Так не думають фізики майбутнього! ( , відео)

Квантовий ефект Зенона та зупинка часу

1989 року група вчених під керівництвом Девіда Вайнленда спостерігала за швидкістю переходу іонів берилію між атомними рівнями. З'ясувалося, що сам факт виміру стану іонів уповільнював їхній перехід між станами. На початку XXI століття у подібному експерименті з атомами рубідії вдалося досягти 30-кратного уповільнення. Все це є підтвердженням квантового ефекту Зенона. Його сенс у тому, що сам факт виміру стану нестабільної частки у квантовій фізиці уповільнює швидкість її розпаду і теоретично може його повністю зупинити. ( , відео англ.)

Квантова гумка з відкладеним вибором

У 1999 році група вчених під керівництвом Марлана Скалі направляла фотони через дві щілини, за якими стояла призма, що конвертує кожен фотон, що виходить, у пару квантово-заплутаних фотонів і розділяючи їх на два напрямки. Перше надсилало фотони на основний детектор. Другий напрямок відправляла фотони на систему 50% відбивачів і детекторів. З'ясувалося, якщо фотон з другого напрямку досягав детектори, що визначають щілину, з якої він вилетів, то основний детектор фіксував його парний фотон як частинку. Якщо фотон з другого напрямку досягав детектори не визначальні щілину, з якої він вилетів, то основний детектор фіксував його парний фотон як хвилю. Не тільки вимір одного фотона відбивався на його квантово-заплутаній парі, але й це відбувалося поза відстанню та часом, адже вторинна система детекторів фіксувала фотони пізніше за основне, начебто майбутнє визначало минуле. Вважається, що це найнеймовірніший експеримент у історії квантової фізики, а й у історії всієї науки, оскільки він підриває багато звичні основи світогляду. ( , відео англ.)

Квантова суперпозиція та кіт Шредінгера

У 2010 році Аарон О’Коннелл помістив невелику металеву пластину у непрозору вакуумну камеру, яку охолодив майже до абсолютного нуля. Потім він надав імпульс пластині, щоб вона вібрувала. Однак датчик положення показав, що пластина вібрувала і була спокійна одночасно, що відповідало теоретичної квантової фізики. Цим уперше було доведено принцип суперпозиції на макрооб'єктах. В ізольованих умовах, коли не відбувається взаємодії квантових систем, об'єкт може одночасно перебувати в необмеженій кількості будь-яких можливих положень, ніби він більше не був матеріальним. ( , відео)

Квантовий Чеширський кіт та фізика

У 2014 році Тобіас Денкмайр та його колеги розділили потік нейтронів на два пучки та провели серію складних вимірювань. З'ясувалося, що за певних обставин нейтрони можуть перебувати в одному пучку, а їх магнітний момент в іншому пучку. Таким чином було підтверджено квантовий парадокс посмішки Чеширського кота, коли частки та їх властивості можуть перебувати на наше сприйняття у різних частинах простору, як посмішка окремо від кота до казки «Аліса в країні чудес». В черговий раз квантова фізика виявилася загадковішою та дивовижною за будь-яку казку! ( , відео англ.)

Дякую за читання! Тепер ви стали трохи розумнішими і від цього наш світ трохи посвітлішав. Поділіться посиланням на цю статтю з друзями і світ стане ще кращим!

Квантова фізика - найбільш обговорюваний та скандальний розділ науки. По суті, це одне з найефективніших і найточніших відкриттів теоретичної галузі знання. Закони квантової фізики, будучи застосованими до розрахунку експерименту, показують нікчемні відхилення результатів - близько мільйонних часток відсотка. На якому твердженні заснована квантова фізика?

Фізика мікросвіту, що вивчає поведінку атомів та процеси, що відбуваються при їх взаємодії, передбачає механічну модель. Тобто атом умовно можна уявити у категоріях, зрозумілих кожній людині. Закони квантової фізики, навпаки, є атомом у вигляді елементарної частинки, що має властивості матеріальної точки і хвилі випромінювання одночасно.

Основна теорія, на якій базується квантова фізика, каже:

Енергія у будь-якому вигляді поглинається чи виділяється лише окремими порціями. Вони, своєю чергою, можуть складатися лише з цілої кількості умовних об'єктів, названих квантами. Енергія одного кванта окреслюється добуток частоти певний коефіцієнт пропорційності. Цей коефіцієнт, пізніше названий «постійна Планка», було вперше запроваджено Максом Планком та прозвучало у його доповіді 14 грудня 1900 року. Саме цей день став датою народження теорії квантів та започаткував процес, який зародив закони квантової фізики. Початкове розуміння принципів квантової фізики, а саме – основного правила двоїстості властивостей будь-якого об'єкта (корпускулярно – хвильовий дуалізм) призвело до відкриття фотонів. Намагаючись пояснити механіку фотоефекту різних матеріалівАльберт Енштейн висунув теорію, що світло складається з окремих квантів. Формули, що описують енергію, імпульс і масу фотонів - відносяться до базових законів, що описують квантову природу не тільки світла, а й іншого високочастотного випромінювання.

Види фундаментальних взаємодій

Багато основних концепцій сучасного природознавства прямо чи опосередковано пов'язані з описом фундаментальних взаємодій. Взаємодія та рух – найважливіші атрибути матерії, без яких неможливе її існування. Взаємодія обумовлює об'єднання різних матеріальних об'єктів у системи, тобто системну організацію матерії. Багато властивостей матеріальних об'єктів похідні від їхньої взаємодії, є результатом їх структурних зв'язків між собою та взаємодій із зовнішнім середовищем.

На сьогодні відомі чотири види основних фундаментальних взаємодій:

· гравітаційне;

· Електромагнітне;

· Сильне;

· слабке.

Гравітаційна взаємодіяхарактерно всім матеріальних об'єктів незалежно від своїх природи. Воно полягає у взаємному тяжінні тіл і визначається фундаментальним законом всесвітнього тяжіння: між двома точковими тілами діє сила тяжіння, прямо пропорційна добутку їх мас і обернено пропорційна квадрату відстані між ними. гравітонами, Існування яких до теперішнього часу експериментально не підтверджено.

Електромагнітна взаємодіяпов'язане з електричними та магнітними полями. Електричне поле виникає за наявності електричних зарядів, а магнітне поле – за її русі. У природі існують як позитивні, і негативні заряди, як і визначає характер електромагнітного взаємодії. Наприклад, електростатична взаємодія між зарядженими тілами в залежності від знака заряду зводиться або до тяжіння, або відштовхування. При русі зарядів залежно від своїх знака і напрями руху з-поміж них виникає або тяжіння, або відштовхування. Різні агрегатні стани речовини, явище тертя, пружні та інші властивості речовини визначаються переважно силами міжмолекулярної взаємодії, яка за своєю природою є електростатичною.

Сильна взаємодіязабезпечує зв'язок нуклонів у ядрі та визначає ядерні сили. Передбачається, що ядерні сили виникають під час обміну між нуклонами віртуальними частинками. мезонами.

Зрештою, слабка взаємодіяописує деякі види ядерних процесів. Воно короткодіє і характеризує всі види бета-перетворень.

Зазвичай для кількісного аналізу перерахованих взаємодій використовують дві характеристики: безрозмірну константу взаємодії, що визначає величину взаємодії, та радіус дії.

Сильне взаємодія відповідає за стійкість ядер і поширюється лише межах розмірів ядра. Чим сильніше взаємодіють нуклони в ядрі, тим воно стійкіше, тим більше його енергія зв'язку, що визначається роботою, яку необхідно зробити, щоб розділити нуклони і видалити їх один від одного на такі відстані, при яких взаємодія стає нульовою. Зі зростанням розміру ядра енергія зв'язку зменшується. Так, ядра елементів, що у кінці таблиці Менделєєва, нестійкі і можуть розпадатися. Такий процес часто називається радіоактивним розпадом.

Взаємодія між атомами та молекулами має переважно електромагнітну природу. Такою взаємодією пояснюється утворення різних агрегатних станів речовини: твердої, рідкої та газоподібної. Наприклад, між молекулами речовини у твердому стані взаємодія у вигляді тяжіння проявляється набагато сильніше, ніж між тими самими молекулами в газоподібному стані.

11. Термодинамічний рівень опису матерії. Почала термодинаміки. Ентропія. Гіпотеза «теплової смерті» Всесвіту.

Відповідь: В основі термодинамічного підходу – три початки та кілька постулатів, що спираються на досвідчені факти (закон збереження енергії, закон зростання ентропії, закон про недосяжність абсолютного нуля, постулат про існування термодинамічної рівноваги). У термодинаміці не обговорюються мікроскопічна природа законів або початків, на цьому рівні все зводиться до того чи іншого опису явища (саме тому цей підхід називають феноменологічним), у цьому слабкість цього підходу (якщо не знати коріння того чи іншого закону, не можна апріорі сказати, коли він буде залишатися справедливим), але в цьому і його сила (існують емпіричні формули та рівняння, які досі не можуть отримати теоретично, проте вони успішно використовуються на практиці). Початки термодинаміки:

Перше початок термодинаміки - закон збереження та перетворення енергії при теплових процесах: енергія, що надходить у систему, йде збільшення внутрішньої енергії системи і скоєння нею роботи. Неможливість вічного двигуна першого роду.

Розглядаючи Всесвіт як замкнуту систему і застосовуючи до неї другий початок термодинаміки, Клаузіус звів його зміст до твердження, що ентропія Всесвіту має досягти свого максимуму. Це означає, що з часом усі форми руху мають перейти у теплову. Перехід теплоти від гарячих тіл до холодних призведе до того, що температура всіх тіл у Всесвіті зрівняється, тобто настане повна теплова рівновага і всі процеси у Всесвіті припиняться – настане теплова смерть Всесвіту. Помилковість висновку про теплову смерть полягає в тому, що безглуздо застосовувати другий початок термодинаміки до незамкнутих систем, наприклад до такої безмежної системи, що нескінченно розвивається, як Всесвіт.

Системний підхід у сучасному природознавстві. Основні поняття та ідеї синергетики.

Відповідь: Особливістю сучасного природознавства є усвідомлене використання ідей системності у всі його галузі. Системність реалізується у межах системного підходу, тобто. досліджень, в основі яких лежить вивчення об'єктів як складних систем. Під системним підходом у широкому розумінні розуміють метод дослідження збройного світу, при якому цікавлять нас предмети і явища розглядаються як частини або елементи певної цілісної освіти. Ці частини й елементи, взаємодіючи друг з одним, формують нові властивості цілісного освіти (системи), відсутні в кожного окремо. Таким чином, світ з погляду системного підходу постає перед нами як сукупність систем різного рівня, що у відносинах ієрархії. У сучасній науці в основі уявлень про будову матеріального світу лежить саме системний підхід, за яким будь-який об'єкт матеріального світу може бути розглянутий як складна освіта, що включає складові, організовані в ціле. Для позначення цієї цілісності у науці вироблено поняття системи. Система посідає центральне місце у системному підході. Тому різні автори, аналізуючи це поняття, дають визначення системи з різним ступенем формалізації, наголошуючи на різних її сторонах.

Системам незалежно від їхньої природи властивий ряд властивостей:

1. Цілісність - важлива незводність властивостей складових її елементів і невиводимість з останніх властивостей цілого, і навіть залежність кожного елемента, властивості і відносини системи з його місця всередині цілого, функції тощо. Наприклад, жодна деталь годинника окремо не може показати час, це здатна зробити лише система взаємодіючих елементів;

2. Структурність - можливість опису системи через встановлення її структури або, простіше кажучи, мережі зв'язків та відносин системи. Структурність також має на увазі обумовленість властивостей та поведінки системи не стільки властивостями та поведінкою її окремих елементів, скільки властивостями її структури. Найпростіший приклад: різні властивості алмазу та графіту визначаються різною структурою при однаковому хімічному складі;

3. Ієрархічність систем, тобто. кожен компонент системи своє чергу може розглядатися як система, а досліджувана у разі система є одне із компонентів ширшої системи. Наприклад, жива клітина багатоклітинного організму є, з одного боку, частиною більш загальної системи – багатоклітинного організму, а з іншого – сама має складну будову і, безумовно, має бути визнана складною системою;

4. Множинність опису системи, тобто. з принципової складності кожної системи її пізнання вимагає побудови безлічі різних моделей, кожна з яких визначає лише певний аспект системи. Наприклад, будь-яка тварина має частини тіла, які можуть розглядатися як її елементи; цю тварину можна розглянути як сукупність скелета, нервової, кровоносної, м'язової та інших систем; нарешті його можна проаналізувати як сукупність хімічних елементів.

Термін "синергетика" введений Г. Хакеном для позначення міждисциплінарного напряму, в якому, як він і передбачав, результати його досліджень з теорії лазерів та нерівноважних фазових переходів змогли дати ідейну основу для плідної взаємної співпраці дослідників з різних областейзнання. Синергетика Г. Хакена в нестрогому сенсі базується на раніше висунутих теоріях, наприклад: Чарлз Скотт Шеррінгтон (1857-1952), який називав синергетичним узгоджену дію нервової системипри керуванні м'язовими рухами; Станіслав Улам (1909-1984), який говорив про синергію, у формі безперервної співпраці між комп'ютером і оператором та ін Однак при тому, що є неформальний зв'язок явищ, названих "синергетика", по суті змісту попередники Г. Хакена говорили лише про приватні приклади.

Автором самого терміна є Річард Бакмінстер Фуллер (1895-1983) - відомий дизайнер, архітектор та винахідник із США. Протягом свого життя Р.Б. Фуллер ставив питання щодо того, чи є у людства шанс на довгострокове і успішне виживання на планеті Земля, якщо так, то яким чином. Вважаючи себе звичайним індивідом без особливих грошових коштівабо вченого ступеня, він вирішив присвятити свою життя цьому питанню, намагаючись з'ясувати, що особи на зразок нього можуть зробити для поліпшення становища людства з того, що великі організації, уряди або приватні підприємства не можуть виконати в силу своєї природи. Протягом цього експерименту всього життя він написав двадцять вісім книг, виробивши такі терміни як "космічний корабель "Земля"", "ефемеризація" та "синергетика".

Практично спочатку (від Г. Хакена) синергетика знайшла зміст собі і привнесла нові ідеї: в теорію лазерів і термодинаміку нерівноважних процесів, і теорію нелінійних коливань і автохвильових процесів; у теорію біфуркації та теорію структурної стійкості; у теорію катастроф. Зазнало розвитку поняття хаосу, узвичаївся термін " детермінований хаос " , має конкретний фізико-математичний сенс. Значно розширилася сфера застосування синергетики у зв'язку зрозвитком теорії фракталів. 1 У руслі синергетики знайшли інтерпретацію і своє вирішення завдання з областей фізики, кінетичної хімії, біології, геології, матеріалознавства, економіки та ін. біології та можливості дослідження біологічної еволюції як процесу самоорганізації у складній системі. У контексті синергетики проводяться сьогодні соціальні та гуманітарні дослідження.

Зі світоглядної точки зору синергетику іноді подають, як "глобальний еволюціонізм" або "універсальну теорію еволюції", що дає єдину основу для опису механізмів виникнення будь-яких новацій подібно до того, як колись кібернетика визначалася, як "універсальна теорія управління", однаково придатна для опису регулювання та оптимізації: у природі, у техніці, у суспільстві тощо. і т.п. Однак час показав, що загальний кібернетичний підхід виправдав далеко не всі надії, що покладалися на нього.

Подібна інформація.

29.10.2016

Незважаючи на звучність та загадковість сьогоднішньої теми, ми постараємося розповісти, що вивчає квантова фізика, простими словами , які розділи квантової фізики мають місце і навіщо потрібна квантова фізика в принципі.

Пропонований нижче матеріал доступний розуміння будь - якому .

Перш ніж говорити про те, що вивчає квантова фізика, буде доречно згадати, з чого все починалося.

До середини ХІХ століття людство впритул зайнялося вивченням проблем, вирішити які з допомогою залучення апарату класичної фізики було неможливо.

Ряд явищ здавалися «дивними». Окремі питання взагалі не знаходили відповіді.

У 1850-ті роки Вільям Гамільтон, вважаючи, що класична механіка не здатна точно описати рух світлових променів, пропонує власну теорію, що увійшла в історію науки під назвою формалізм Гамільтона-Якобі, в основі якої лежав постулат хвильової теорії світла.

У 1885 р., посперечавшись із приятелем, швейцарський і фізик Йоган Бальмер вивів емпірично формулу, яка дозволяла розрахувати довжини хвиль спектральних ліній з дуже високою точністю.

Пояснити причини виявлених закономірностей Бальмер тоді не зміг.

У 1895 р. Вільгельм Рентген при дослідженні катодних променів відкрив випромінювання, назване ним X-променями (згодом перейменованими в промені), що характеризувалося потужним проникаючим характером.

Ще через рік – у 1896 році – Анрі Беккерель, вивчаючи солі урану, відкрив мимовільне випромінювання з аналогічними властивостями. Нове явище було названо радіоактивністю.

У 1899 році було доведено хвильову природу рентгенівських променів.

Фото 1. Родоначальники квантової фізики Макс Планк, Ервін Шредінгер, Нільс Бор

1901 ознаменувався появою першої планетарної моделі атома, запропонованої Жаном Перреном. На жаль, учений сам відмовився від цієї теорії, не знайшовши їй підтвердження з позицій теорії електродинаміки.

Через два роки вчений із Японії Хантаро Нагаока запропонував чергову планетарну модель атома, в центрі якого мала бути позитивно заряджена частка, навколо якої по орбітах оберталися б електрони.

Ця теорія, проте, не враховувала випромінювання, що випускається електронами, тому не могла, наприклад, пояснити теорію спектральних ліній.

Розмірковуючи над будовою атома, в 1904 Джозеф Томсон вперше інтерпретував поняття валентності з фізичної точки зору.

Роком народження квантової фізики, мабуть, можна визнати 1900-й, пов'язуючи з ним виступ Макса Планка на засіданні Німецького фізичного.

Саме Планк запропонував теорію, що об'єднала безліч досі розрізнених фізичних понять, формул і теорій, включаючи постійну Больцмана, що ув'язує енергію і температуру, число Авогадро, закон усунення Вина, заряд електрона, закон випромінювання -Больцмана.

Їм же узвичаєно поняття кванта дії (друга – після постійної Больцмана – фундаментальна постійна).

Подальший розвиток квантової фізики безпосередньо пов'язаний з іменами Хендріка Лоренца, Альберта Ейнштейна, Ернста Резерфорда, Арнольда Зоммерфельда, Макса Борна, Нільса Бора, Ервіна Шредінгера, Луї де Бройля, Вернера Гейзенберга, Вольфганга Пау, Вольфганга Пау які творили в першій половині XX століття.

Вченим вдалося з небувалою глибиною пізнати природу елементарних частинок, вивчити взаємодії частинок та полів, виявити кваркову природу матерії, вивести хвильову функцію, пояснити фундаментальні поняття дискретності (квантування) та корпускулярно-хвильового дуалізму.

Квантова теорія як ніяка інша наблизила людство до розуміння фундаментальних законів світобудови, замінила звичні поняття точнішими, змусила переосмислити дуже багато фізичних моделей.

Що вивчає квантова фізика?

Квантова фізика визначає характеристики матерії лише на рівні мікроявлений, досліджуючи закони руху микрообъектов (квантових об'єктів).

Предмет вивчення квантової фізикистановлять квантові об'єкти, що мають розміри 10 -8 см і менше. Це:

• молекули,
• атоми,
• атомні ядра,
• елементарні частки.

Головні характеристики мікрооб'єктів - маса спокою та електричний заряд. Маса одного електрона (me) дорівнює 9,1 · 10 -28 г.

Для порівняння – маса мюона дорівнює 207 me, нейтрону – 1839 me, протону 1836 me.

Деякі частинки взагалі мають маси спокою (нейтрино, фотон). Їхня маса становить 0 me.

Електричний заряд будь-якого мікрооб'єкта кратний величині заряду електрона, що дорівнює 1,6 · 10 -19 Кл. Поряд із зарядженими існують нейтральні мікрооб'єкти, заряд яких дорівнює нулю.

Фото 2. Квантова фізика змусила переглянути традиційні погляди на поняття хвилі, поля та частки

Електричний заряд складного мікрооб'єкта дорівнює сумі алгебри зарядів складових його частинок.

До властивостей мікрооб'єктів належить спин(У дослівному перекладі з англійської - "обертатися").

Його прийнято інтерпретувати як не залежить від зовнішніх умов момент імпульсу квантового об'єкта.

Спину складно підібрати адекватний образ у реальному світі. Його не можна уявляти обертовим дзиґом через його квантову природу. Класична фізика описати цей об'єкт не спроможна.

Присутність спину впливає на поведінку мікрооб'єктів.

Наявність спина вносить суттєві особливості у поведінку об'єктів мікросвіту, більшість яких – нестабільних об'єктів – мимоволі розпадається, перетворюючись на інші квантові об'єкти.

Стабільні мікрооб'єкти, яких відносять нейтрино, електрони, фотони, протони, і навіть атоми і молекули, здатні розпадатися лише під впливом потужної енергії.

Квантова фізика повністю вбирає класичну фізику, розглядаючи її своїм граничним випадком.

Фактично квантова фізика і є – у широкому значенні – сучасною фізикою.

Те, що описує квантова фізика у мікросвіті, сприйняти неможливо. Через це багато положень квантової фізики важко уявити, на відміну від об'єктів, що описуються класичною фізикою.

Незважаючи на це нові теорії дозволили змінити наші уявлення про хвилі та частинки, про динамічний та ймовірнісний опис, про безперервний та дискретний.

Квантова фізика – це просто новомодна теорія.

Це теорія, яка зуміла передбачити та пояснити неймовірну кількість явищ – від процесів, що протікають в атомних ядрах, до макроскопічних ефектів у космічному просторі.

Квантова фізика – на відміну від фізики класичної – вивчає матерію на фундаментальному рівні, даючи інтерпретації явищам навколишньої дійсності, які традиційна фізика дати не здатна (наприклад, чому атоми зберігають стійкість або чи елементарні частинки є елементарними).

Квантова теорія дає нам можливість описувати світ точніше, ніж це було прийнято до її виникнення.

Значення квантової фізики

Теоретичні напрацювання, що становлять сутність квантової фізики, застосовні для дослідження як неймовірно величезних космічних об'єктів, так і виключно малих за розмірами елементарних частинок.

Квантова електродинаміказанурює нас у світ фотонів та електронів, наголошуючи на вивченні взаємодій між ними.

Квантова теорія конденсованих середовищпоглиблює наші знання про надплинні рідини, магнетики, рідкі кристали, аморфні тіла, кристали і полімери.

Фото 3. Квантова фізика дала людству набагато точніший опис навколишнього світу

Наукові дослідження останніх десятиліть зосереджені на вивченні кваркової структури елементарних частинок у рамках самостійної гілки квантової фізики. квантової хромодинаміки.

Нерелятивістська квантова механіка(Та, що знаходиться за рамками теорії відносності Ейнштейна) вивчає мікроскопічні об'єкти, що рухаються з умовно невисокою швидкістю (менше, ніж ), властивості молекул та атомів, їх будову.

Квантова оптиказаймається науковою опрацюванням фактів, пов'язаних із проявом квантових властивостей світла (фотохімічних процесів, теплового та вимушеного випромінювань, фотоефекту).

Квантова теорія поляє об'єднуючим розділом, що увібрав у собі ідеї теорії відносності та квантової механіки.

Наукові теорії, розроблені в рамках квантової фізики, надали потужного імпульсу розвитку, квантової електроніки, техніки, квантової теорії. твердого тіла, матеріалознавства, квантової хімії

Без появи та розвитку зазначених галузей знання було б неможливе створення космічних кораблів, атомних криголамів, мобільного зв'язку та багатьох інших корисних винаходів.