Дізнайтеся що таке квантова фізика – фізика, яка вивчає матерію та енергію на найфундаментальнішому рівні. Вона спрямована на розкриття властивостей і поведінки самих будівельних блоків природи.
Що таке квантова фізика
Хоча багато квантових експериментів досліджують дуже малі об’єкти, такі як електрони та фотони, квантові явища оточують нас повсюди, діючи на всіх рівнях. Однак ми не можемо легко виявити їх у більших об’єктах.
Це може створити хибне враження, що квантові явища химерні або потойбічні. Насправді квантова наука заповнює прогалини в наших знаннях про фізику, щоб дати нам більш повну картину нашого повсякденного життя.
Фізика в житті сучасної людини: 10 прикладів
Квантові відкриття стали частиною нашого фундаментального розуміння матеріалів, хімії, біології та астрономії.
Ці відкриття є цінним ресурсом для інновацій, даючи початок таким пристроям, як лазери і транзистори, та уможливлюючи реальний прогрес у технологіях, які колись вважалися суто умоглядними, як-от квантові комп’ютери.
Фізики досліджують потенціал квантової науки для трансформації нашого уявлення про гравітацію та її зв’язок з простором і часом. Квантова наука може навіть показати, як все у Всесвіті (або в декількох всесвітах) пов’язане з усім іншим через вищі виміри, які наші органи чуття не можуть осягнути.
Що таке теорія струн: простими словами
Витоки квантової фізики
Квантова фізика виникла наприкінці 1800-х – на початку 1900-х років завдяки серії експериментальних спостережень за атомами, які не мали інтуїтивного сенсу в контексті класичної фізики. Серед основних відкриттів було усвідомлення того, що матерію та енергію можна розглядати як дискретні пакети, або кванти, які мають мінімальне значення, пов’язане з ними.
Наприклад, світло фіксованої частоти передаватиме енергію у вигляді квантів, які називаються “фотонами”. Кожен фотон на цій частоті матиме однакову кількість енергії, і цю енергію не можна розбити на менші одиниці. Насправді, слово “квант” має латинське коріння і означає “скільки”.
Що таке ефект Магнуса: захопливе явище, яке не підкоряється гравітації
Знання квантових принципів змінило наше уявлення про атом, який складається з ядра, оточеного електронами. Ранні моделі зображували електрони як частинки, що обертаються навколо ядра, подібно до того, як супутники обертаються навколо Землі.
Сучасна квантова фізика натомість розуміє електрони як розподілені по орбітах – математичних описах, які представляють ймовірність існування електронів у більш ніж одному місці в межах заданого діапазону в будь-який момент часу. Електрони можуть переходити з однієї орбіти на іншу, отримуючи або втрачаючи енергію, але вони не можуть перебувати між орбітами.
Інші центральні концепції допомогли закласти основи квантової фізики:
Дуалізм хвиль і частинок:
Цей принцип бере свій початок з перших днів розвитку квантової науки. Він описує результати експериментів, які показали, що світло і матерія мають властивості частинок або хвиль, залежно від того, як їх вимірювати.
Сьогодні ми розуміємо, що ці різні форми енергії насправді не є ані частинками, ані хвилями. Вони є окремими квантовими об’єктами, які ми не можемо легко уявити.
Суперпозиція:
Це термін, який використовується для опису об’єкта як комбінації декількох можливих станів одночасно. Суперпозиційний об’єкт є аналогом брижів на поверхні ставка, які є комбінацією двох хвиль, що накладаються одна на одну. У математичному сенсі суперпозиційний об’єкт може бути представлений рівнянням, яке має більше одного рішення або результату.
Що таке алгоритм Шора? Та які можливості та небезпеки він несе в собі?
Принцип невизначеності:
Це математична концепція, яка представляє собою компроміс між взаємодоповнюючими точками зору. У фізиці це означає, що дві властивості об’єкта, такі як його положення і швидкість, не можуть бути точно відомі одночасно.
Наприклад, якщо ми точно виміряємо положення електрона, ми будемо обмежені в тому, наскільки точно ми можемо знати його швидкість.
Заплутаність:
Це явище, яке виникає, коли два або більше об’єктів пов’язані таким чином, що їх можна розглядати як єдину систему, навіть якщо вони знаходяться дуже далеко один від одного. Стан одного об’єкта в цій системі не може бути повністю описаний без інформації про стан іншого об’єкта. Так само, вивчаючи інформацію про один об’єкт, ви автоматично дізнаєтесь щось про інший, і навпаки.
Математика та імовірнісна природа квантових об’єктів
Оскільки що таке квантова фізика та багато понять квантової фізики важко, якщо взагалі можливо, уявити, математика має важливе значення для цієї галузі. Рівняння використовуються для опису або прогнозування квантових об’єктів і явищ більш точно, ніж те, що може намалювати наша уява.
Математика також необхідна для представлення імовірнісної природи квантових явищ. Наприклад, положення електрона може бути невідомим з точністю. Натомість його можна описати як такий, що перебуває в діапазоні можливих положень (наприклад, на орбіті), з кожним з яких пов’язана певна ймовірність знайти електрон саме там.
Враховуючи їхню імовірнісну природу, квантові об’єкти часто описують за допомогою математичних “хвильових функцій”, які є розв’язками так званого рівняння Шредінгера. Хвилі у воді можна охарактеризувати зміною висоти води, коли хвиля проходить повз задану точку.
Що таке Бозон Хіггса простими словами?
Аналогічно, звукові хвилі можна охарактеризувати зміною стиснення або розширення молекул повітря, коли вони проходять повз певну точку. Хвильові функції не пов’язані з фізичними властивостями таким чином.
Розв’язки хвильових функцій дають ймовірність того, де спостерігач може знайти певний об’єкт серед низки потенційних варіантів. Однак, так само, як брижі у ставку або нота, зіграна на трубі, поширюються і не обмежуються одним місцем, квантові об’єкти також можуть перебувати в декількох місцях – і набувати різних станів, як у випадку суперпозиції – одночасно.
Спостереження квантових об’єктів
Акт спостереження є темою значних дискусій у квантовій фізиці. На початку розвитку цієї галузі вчені були спантеличені, виявивши, що просте спостереження за експериментом впливає на його результат.
Наприклад, електрон поводився як хвиля, коли за ним не спостерігали, але спостереження за ним призводило до того, що хвиля руйнувалася (або, точніше, “декогеренувалася”), а електрон натомість поводився як частинка. Тепер вчені розуміють, що термін “спостереження” вводить в оману в цьому контексті, припускаючи, що тут задіяна свідомість.
Натомість “вимірювання” краще описує ефект, в якому зміна результату може бути викликана взаємодією між квантовим явищем і зовнішнім середовищем, включаючи пристрій, що використовується для вимірювання явища. Однак навіть цей зв’язок має застереження, і повне розуміння взаємозв’язку між вимірюванням і результатом все ще необхідне.
Експеримент з подвійним розрізом
Мабуть, найбільш визначальним експериментом у галузі квантової фізики є експеримент з подвійною щілиною. Цей експеримент, який полягає у вистрілюванні частинок, таких як фотони або електрони, крізь бар’єр з двома щілинами, був вперше використаний у 1801 році, щоб показати, що світло складається з хвиль.
Відтоді цей експеримент використовувався в численних варіантах, щоб показати, що матерія також може поводитися як хвиля, і продемонструвати принципи суперпозиції, заплутаності та ефекту спостерігача.
Що таке квантова фізика може здаватися загадковою або нелогічною, але вона описує все навколо нас, незалежно від того, усвідомлюємо ми це чи ні. Використання можливостей квантової фізики дає початок новим технологіям, як для застосувань, які ми використовуємо сьогодні, так і для тих, що можуть з’явитися в майбутньому.
Джерело: https://scienceexchange.caltech.edu/
