Узнайте что такое квантовая физика – физика, которая изучает материю и энергию на самом фундаментальном уровне. Она направлена на раскрытие свойств и поведения самых строительных блоков природы.
Что такое квантовая физика
Хотя многие квантовые эксперименты исследуют очень малые объекты, такие как электроны и фотоны, квантовые явления окружают нас повсюду, действуя на всех уровнях. Однако мы не можем легко обнаружить их в более крупных объектах.
Это может создать ложное впечатление, что квантовые явления причудливы или потусторонние. На самом деле квантовая наука заполняет пробелы в наших знаниях о физике, чтобы дать нам более полную картину нашей повседневной жизни.
Что такое Бозон Хиггса простыми словами?
Квантовые открытия стали частью нашего фундаментального понимания материалов, химии, биологии и астрономии.
Эти открытия являются ценным ресурсом для инноваций, давая начало таким устройствам, как лазеры и транзисторы, и делая возможным реальный прогресс в технологиях, которые когда-то считались чисто умозрительными, например, квантовые компьютеры.
Физики исследуют потенциал квантовой науки для трансформации нашего представления о гравитации и ее связи с пространством и временем. Квантовая наука может даже показать, как все во Вселенной (или в нескольких вселенных) связано со всем остальным через высшие измерения, которые наши органы чувств не могут постичь.
Истоки квантовой физики
Квантовая физика возникла в конце 1800-х – начале 1900-х годов благодаря серии экспериментальных наблюдений за атомами, которые не имели интуитивного смысла в контексте классической физики. Среди основных открытий было осознание того, что материю и энергию можно рассматривать как дискретные пакеты, или кванты, которые имеют минимальное значение, связанное с ними.
Интересные факты об огне: мощная сила природы
Например, свет фиксированной частоты будет передавать энергию в виде квантов, называемых “фотонами”. Каждый фотон на этой частоте будет иметь одинаковое количество энергии, и эта энергия не может быть разбита на меньшие единицы. На самом деле, слово “квант” имеет латинские корни и означает “сколько”.
Знание квантовых принципов изменило наше представление об атоме, который состоит из ядра, окруженного электронами. Ранние модели изображали электроны как частицы, вращающиеся вокруг ядра, подобно тому, как спутники вращаются вокруг Земли.
Современная квантовая физика вместо этого понимает электроны как распределенные по орбитам – математическим описаниям, которые представляют вероятность существования электронов в более чем одном месте в пределах заданного диапазона в любой момент времени. Электроны могут перемещаться с одной орбиты на другую, получая или теряя энергию, но они не могут находиться между орбитами.
Другие центральные концепции помогли заложить основы квантовой физики:
Дуализм волн и частиц:
Этот принцип берет свое начало с первых дней развития квантовой науки. Он описывает результаты экспериментов, которые показали, что свет и материя имеют свойства частиц или волн, в зависимости от того, как их измерять.
Сегодня мы понимаем, что эти различные формы энергии на самом деле не являются ни частицами, ни волнами. Они являются отдельными квантовыми объектами, которые мы не можем легко представить.
Суперпозиция:
Это термин, используемый для описания объекта как комбинации нескольких возможных состояний одновременно. Суперпозиционный объект аналогичен ряби на поверхности пруда, которая является комбинацией двух волн, накладывающихся друг на друга. В математическом смысле суперпозиционный объект может быть представлен уравнением, которое имеет более одного решения или результата.
Принцип неопределенности:
Это математическая концепция, которая представляет собой компромисс между взаимодополняющими точками зрения. В физике это означает, что два свойства объекта, такие как его положение и скорость, не могут быть точно известны одновременно.
Например, если мы точно измерим положение электрона, мы будем ограничены в том, насколько точно мы можем знать его скорость.
Запутанность:
Это явление, которое возникает, когда два или более объектов связаны таким образом, что их можно рассматривать как единую систему, даже если они находятся очень далеко друг от друга. Состояние одного объекта в этой системе не может быть полностью описано без информации о состоянии другого объекта. Так же, изучая информацию об одном объекте, вы автоматически узнаете что-то о другом, и наоборот.
Математика и вероятностная природа квантовых объектов
Поскольку что такое квантовая физика и многие понятия квантовой физики трудно, если вообще возможно, представить, математика имеет важное значение для этой области. Уравнения используются для описания или прогнозирования квантовых объектов и явлений более точно, чем то, что может нарисовать наше воображение.
Математика также необходима для представления вероятностной природы квантовых явлений. Например, положение электрона может быть неизвестно с точностью. Вместо этого его можно описать как находящегося в диапазоне возможных положений (например, на орбите), с каждым из которых связана определенная вероятность найти электрон именно там.
Учитывая их вероятностную природу, квантовые объекты часто описывают с помощью математических “волновых функций”, которые являются решениями так называемого уравнения Шредингера. Волны в воде можно охарактеризовать изменением высоты воды, когда волна проходит мимо заданной точки.
Аналогично, звуковые волны можно охарактеризовать изменением сжатия или расширения молекул воздуха, когда они проходят мимо определенной точки. Волновые функции не связаны с физическими свойствами таким образом.
Решения волновых функций дают вероятность того, где наблюдатель может найти определенный объект среди ряда потенциальных вариантов. Однако, так же, как рябь в пруду или нота, сыгранная на трубе, распространяются и не ограничиваются одним местом, квантовые объекты также могут находиться в нескольких местах – и приобретать разные состояния, как в случае суперпозиции – одновременно.
Наблюдение квантовых объектов
Акт наблюдения является темой значительных дискуссий в квантовой физике. В начале развития этой области ученые были озадачены, обнаружив, что простое наблюдение за экспериментом влияет на его результат.
Например, электрон вел себя как волна, когда за ним не наблюдали, но наблюдение за ним приводило к тому, что волна разрушалась (или, точнее, “декогереновалась”), а электрон вместо этого вел себя как частица. Теперь ученые понимают, что термин “наблюдение” вводит в заблуждение в этом контексте, предполагая, что здесь задействовано сознание.
Вместо этого “измерение” лучше описывает эффект, в котором изменение результата может быть вызвано взаимодействием между квантовым явлением и внешней средой, включая устройство, используемое для измерения явления. Однако даже эта связь имеет оговорки, и полное понимание взаимосвязи между измерением и результатом все еще необходимо.
Эксперимент с двойным разрезом
Пожалуй, наиболее определяющим экспериментом в области квантовой физики является эксперимент с двойной щелью. Этот эксперимент, в котором частицы, такие как фотоны или электроны, проходят через барьер с двумя щелями, был впервые использован в 1801 году, чтобы показать, что свет состоит из волн.
С тех пор этот эксперимент использовался в многочисленных вариантах, чтобы показать, что материя также может вести себя как волна, и продемонстрировать принципы суперпозиции, запутанности и эффекта наблюдателя.
Что такое квантовая физика может казаться загадочной или нелогичной, но она описывает все вокруг нас, независимо от того, осознаем мы это или нет. Использование возможностей квантовой физики дает начало новым технологиям, как для применений, которые мы используем сегодня, так и для тех, что могут появиться в будущем.
Источник: https://scienceexchange.caltech.edu/
