зачем нужна квантовая физика
Квантовая физика и зачем она нужна
Квантовая механика – раздел физики, который перевернул представление классической физики, кардинально отличающийся от тех явлений, что мы привыкли видеть.
Опираясь на классическое ур-ие ЭД Максвела можно сказать, что электрон излучает эл/м волны, волны несут энергию, которая в свою очередь берется из кинетической энергии самого электрона, иными словами он должен был попросту упасть на ядро, а произошло бы это за ничтожно малое кол-во времени. Что такое тогда электрон?
Простейшая система, которую можно вообразить – система с двумя состояниями. Для наглядности, у настенного выключателя имеется множество показателей, такие как материал или размер, но если пренебречь всеми свойствами кроме стороны, то мы получим систему с двумя состояниями, аналогичную классическому биту информации. Если же будем рассматривать подобным образом электрон и его спин, то он так же будет системой двух состояний. К самим состояниям мы вернемся чуть позже
Что же такое спин? Вновь отталкиваясь от классической электродинамики, электрон – своего рода микроскопический магнитик. В своё время ученые задались вопросом направления оси «шарика», которым считали тогда электрон.
Опыт Штерна – Герлоха смог дал ответ на этот вопрос. Рассмотрим простую систему для этого эксперимента:
— источник квантовых частиц
— неоднородное магнитное поле ( с большей концентрацией магнитных линий у острого конца магнита )
Если бы мы запустили магнит, через магнитное поле, то в зависимости от его положения он либо притягивался к северному полюсу и отклонялся бы вверх, либо наоборот отталкивался отклоняясь вниз, а залетая в установку под углом у него были промежуточные значения. Соответственно при ориентации магнита перпендикулярно силовым линиям, магнитик попадал был точно в центр.
Какого было удивление, когда результатом эксперимента с электроном оказались только верхние и нижнее значения, что точно не описывает электрон как магнит
Было много способов визуалировать данный эксперимент, но не стоит слепо верить – у электрона нет ни формы, ни цвета ни траектории
Другие эксперименты КТ объяснили, что до тех пор, пока мы измерим положение электрона, он будет находится во всех состояниях одновременно. Это явление называется квантовой суперпозиции [2]
Вычислительная система способна принимать сразу несколько значений одновременно, поэтому перебрать все значения не составит особого труда
Насколько парадоксально не выглядела бы эта теория она работает и подтверждается экспериментально
Квантовые машины построенные на основе кубитов – компьютеры нового поколения невероятных мощностей. Мы находимся на пороге новой технологической эры. Но специалистов в этой области слишком мало
Статистика утверждает, что 0.00009% понимают квантовую механику. Да даже сам Фрейман шутил на эту тему, что никто не знает квантовую механику
Я решил провести свою статистику на основе сравнения с более популярной теорией относительности. В мой опрос вошло 140 человек возрастного диапазона от 18-до 26 лет.
Как видно из графика Квантовая теория «сдает позиции»
По моему мнению актуальность преподавания этого раздела физики очень высока.
Посмотрев статистику расходов бюджетов различных стран, я составил следующую диаграмму:
Великобритании — 400 миллионов долларов,
в США — 360 миллионов долларов,
в Китае — 220 миллионов долларов.
В переводе на доллары Россия затрачивает в 10 раз меньше последних [1]
Масштаб проблемы ставится более серьезным когда мы ообратим внимание на то, какие преимущества дают эти техноголии:
— Медицина и молекулярное моделирование, а именно создание новых лекарств и картография головного мозга
— сфера логистики и поставок
— Предотвращение финансовых проблем учитывая различные случайные сценарии
— Более точное предсказание погоды (так к примеру 30% ВВП США зависит именно от нее)
Проблема квантового программирования – очень важный вопрос на сегодня. IBM уже открыли свой онлайн сервис, где каждый может разложить по полочкам квантовое программирование. Google в свою очередь выпустили квантовую песочницу
В заключении хотелось бы сказать, что Квантовая физика очень интересный радел, который объясняет факт того что в июле 2017 года ученые из Китая совершили телепортацию частицы с горы Тибет на коммуникационный спутник. В этой области каждый сможет найти что-то инетерсное для себя. А привлечения новых умов может сдать причиной появления новых специалистов, способных внести что-то новое в еще неизученный мир квантовой физики
Что изучает квантовая физика?
Несмотря на звучность и загадочность сегодняшней темы, мы постараемся рассказать, что изучает квантовая физика, простыми словами, какие разделы квантовой физики имеют место быть и зачем нужна квантовая физика в принципе.
Предлагаемый ниже материал доступен для понимания любому школьнику.
Прежде чем разглагольствовать о том, что изучает квантовая физика, будет уместно вспомнить, с чего же все начиналось.
К середине XIX века человечество вплотную занялось изучением проблем, решить которые посредством привлечения аппарата классической физики было невозможно.
Ряд явлений казались «странными». Отдельные вопросы вообще не находили ответа.
В 1850-е годы Уильям Гамильтон, полагая, что классическая механика не способна точно описать движение световых лучей, предлагает собственную теорию, вошедшую в историю науки под названием формализм Гамильтона-Якоби, в основе которой лежал постулат о волновой теории света.
В 1885 г., поспорив с приятелем, швейцарский математик и физик Иоганн Бальмер вывел эмпирически формулу, которая позволяла рассчитать длины волн спектральных линий водорода с очень высокой точностью.
Объяснить причины выявленных закономерностей Бальмер тогда так и не смог.
В 1895 г. Вильгельм Рентген при исследовании катодных лучей открыл излучение, названное им X-лучами (впоследствии переименованными в рентгеновские лучи), характеризовавшееся мощным проникающим характером.
Еще через год – в 1896 году – Анри Беккерель, изучая соли урана, открыл самопроизвольное излучение с аналогичными свойствами. Новое явление было названо радиоактивностью.
В 1899 году была доказана волновая природа рентгеновских лучей.
Фото 1. Родоначальники квантовой физики Макс Планк, Эрвин Шредингер, Нильс Бор
1901-ый год ознаменовался появлением первой планетарной модели атома, предложенной Жаном Перреном. Увы, ученый сам же отказался от этой теории, не найдя ей подтверждения с позиций теории электродинамики.
Спустя два года ученый из Японии Хантаро Нагаока предложил очередную планетарную модель атома, в центре которого должна была находиться положительно заряженная частица, вокруг которой по орбитам вращались бы электроны.
Эта теория, однако, не учитывала излучение, испускаемое электронами, а потому не могла, например, объяснить теорию спектральных линий.
Размышляя над строением атома, в 1904 году Джозеф Томсон впервые интерпретировал понятие валентности с физической точки зрения.
Годом рождения квантовой физики, пожалуй, можно признать 1900-ый, связывая с ним выступление Макса Планка на заседании Немецкого физического общества.
Именно Планк предложил теорию, объединившую множество доселе разрозненных физических понятий, формул и теорий, включая постоянную Больцмана, увязывающую энергию и температуру, число Авогадро, закон смещения Вина, заряд электрона, закон излучения Стефана-Больцмана.
Им же введено в обиход понятие кванта действия (вторая – после постоянной Больцмана – фундаментальная постоянная).
Дальнейшее развитие квантовой физики напрямую связано с именами Хендрика Лоренца, Альберта Эйнштейна, Эрнста Резерфорда, Арнольда Зоммерфельда, Макса Борна, Нильса Бора, Эрвина Шредингера, Луи де Бройля, Вернера Гейзенберга, Вольфганга Паули, Поля Дирака, Энрико Ферми и многих других замечательных ученых, творивших в первой половине XX века.
Ученым удалось с небывалой глубиной познать природу элементарных частиц, изучить взаимодействия частиц и полей, выявить кварковую природу материи, вывести волновую функцию, объяснить фундаментальные понятия дискретности (квантования) и корпускулярно-волнового дуализма.
Квантовая теория как никакая другая приблизила человечество к пониманию фундаментальных законов мироздания, заменила привычные понятия более точными, заставила переосмыслить огромное число физических моделей.
Что изучает квантовая физика?
Квантовая физика описывает свойства материи на уровне микроявлений, исследуя законы движения микрообъектов (квантовых объектов).
Предмет изучения квантовой физики составляют квантовые объекты, обладающие размерами 10 −8 см и меньше. Это:
Для сравнения – масса мюона равна 207 me, нейтрона – 1839 me, протона 1836 me.
Некоторые частицы вообще не имеют массы покоя (нейтрино, фотон). Их масса составляет 0 me.
Электрический заряд любого микрообъекта кратен величине заряда электрона, равного 1,6 · 10 −19 Кл. Наряду с заряженными существуют нейтральные микрообъекты, заряд которых равен нулю.
Фото 2. Квантовая физика заставила пересмотреть традиционные взгляды на понятия волны, поля и частицы
Электрический заряд сложного микрообъекта равен алгебраической сумме зарядов составляющих его частиц.
Его принято интерпретировать как не зависящий от внешних условий момент импульса квантового объекта.
Спину сложно подобрать адекватный образ в реальном мире. Его нельзя представлять вращающимся волчком из-за его квантовой природы. Классическая физика описать этот объект не способна.
Присутствие спина влияет на поведение микрообъектов.
Стабильные микрообъекты, к которым относят нейтрино, электроны, фотоны, протоны, а также атомы и молекулы, способны распадаться лишь под воздействием мощной энергии.
Квантовая физика полностью вбирает в себя классическую физику, рассматривая ее своим предельным случаем.
Фактически квантовая физика и является – в широком смысле – современной физикой.
То, что описывает квантовая физика в микромире, воспринять чувствами невозможно. Из-за этого многие положения квантовой физики трудно представимы, в отличие от объектов, описываемых классической физикой.
Несмотря на это новые теории позволили изменить наши представления о волнах и частицах, о динамическом и вероятностном описании, о непрерывном и дискретном.
Квантовая физика – это не просто новомодная теория.
Это теория, которая сумела предсказать и объяснить невероятное количество явлений – от процессов, протекающих в атомных ядрах, до макроскопических эффектов в космическом пространстве.
Квантовая физика – в отличие от физики классической – изучает материю на фундаментальном уровне, давая интерпретации явлениям окружающей действительности, которые традиционная физика дать не способна (например, почему атомы сохраняют устойчивость или действительно ли элементарные частицы являются элементарными).
Квантовая теория дает нам возможность описывать мир более точно, нежели это было принято до ее возникновения.
Значение квантовой физики
Теоретические наработки, составляющие сущность квантовой физики, применимы для исследования как невообразимо огромных космических объектов, так и исключительно малых по размерам элементарных частиц.
Квантовая электродинамика погружает нас в мир фотонов и электронов, делая акцент на изучении взаимодействий между ними.
Квантовая теория конденсированных сред углубляет наши познания о сверхтекучих жидкостях, магнетиках, жидких кристаллах, аморфных телах, кристаллах и полимеров.
Фото 3. Квантовая физика дала человечеству гораздо более точное описание окружающего мира
Научные исследования последних десятилетий сосредоточены на изучении кварковой структуры элементарных частиц в рамках самостоятельной ветви квантовой физики – квантовой хромодинамики.
Нерелятивистская квантовая механика (та, что находится за рамками теории относительности Эйнштейна) изучает микроскопические объекты, движущиеся с условно невысокой скоростью (меньше, чем скорость света), свойства молекул и атомов, их строение.
Квантовая оптика занимается научной проработкой фактов, сопряженных с проявлением квантовых свойств света (фотохимических процессов, теплового и вынужденного излучений, фотоэффекта).
Квантовая теория поля является объединяющим разделом, вобравшим в себя идеи теории относительности и квантовой механики.
Научные теории, разработанные в рамках квантовой физики, придали мощный импульс развитию атомной энергетики, квантовой электроники, лазерной техники, квантовой теории твердого тела, материаловедения, квантовой химии.
Без появления и развития отмеченных отраслей знания было бы невозможно создание компьютеров, Интернета, космических кораблей, атомных ледоколов, мобильной связи и многих других полезных изобретений.
Какая разница между луковицей, клубнелуковицей и клубнем?
Когда изобрели наручные часы?
Действительно ли пенициллин был открыт случайно?
Что такое планета?
Любовь
Шесть фактов о квантовой физике, которые должен знать каждый
Неподготовленного слушателя квантовая физика пугает с самого начала знакомства. Она странная и нелогичная, даже для физиков, которые имеют с ней дело каждый день. Но она не непонятная. Если вас интересует квантовая физика, на самом деле есть шесть ключевых понятий из нее, которые необходимо удерживать в уме. Нет, они мало связаны с квантовыми явлениями. И это не мысленные эксперименты. Просто намотайте их на ус, и квантовую физику будет намного проще понять.
Квантовая физика просто неподвластна многим умам.
Все состоит из волн и частиц
Волны и частицы составляют основу всего.
Есть много мест, с которых можно начать это обсуждение, и вот это так же хорошо, как другие: все в нашей Вселенной обладает одновременно природой частиц и волн. Если бы можно было сказать о магии так: «Все это волны, и только волны», это было бы замечательным поэтическим описанием квантовой физики. На самом деле все в этой вселенной обладает волновой природой.
Конечно, также все во Вселенной имеет природу частиц. Звучит странно, но это экспериментальный факт.
Описывать реальные объекты как частицы и волны одновременно будет несколько неточным. Собственно говоря, объекты, описываемые квантовой физикой, не являются частицами и волнами, а скорее принадлежат третьей категории, которая наследует свойства волн (частоту и длину волны, вместе с распространением в пространстве) и некоторые свойства частиц (их можно пересчитать и локализовать с определенной степенью). Это приводит к оживленным дебатам в физическом сообществе на тему того, будет ли вообще корректно говорить о свете как о частице; не потому, что есть противоречие в том, обладает ли свет природой частиц, а потому, что называть фотоны «частицами», а не «возбуждениями квантового поля» — значит, вводить студентов в заблуждение. Впрочем, это касается и того, можно ли называть электроны частицами, но такие споры останутся в кругах сугубо академических.
Эта «третья» природа квантовых объектов отражается в запутанном иногда языке физиков, которые обсуждают квантовые явления. Бозон Хиггса был обнаружен на Большом адронном коллайдере в качестве частицы, но вы наверняка слышали словосочетание «поле Хиггса», такой делокализованной вещи, которая заполняет все пространство. Это происходит, поскольку при определенных условиях вроде экспериментов со столкновением частиц более уместно обсуждать возбуждения поля Хиггса, нежели определять характеристики частицы, тогда как при других условиях вроде общих обсуждений того, почему у определенных частиц есть масса, более уместно обсуждать физику в терминах взаимодействия с квантовым полем вселенских масштабов. Это просто разные языки, описывающие одни и те же математические объекты.
Дискретность квантовой физики
Дискретность квантовой физики усложняет ее.
Все в названии физики — слово «квантум» происходит от латинского «сколько» и отражает тот факт, что квантовые модели всегда включают что-то приходящее в дискретных величинах. Энергия, содержащаяся в квантовом поле, приходит в кратных величинах некой фундаментальной энергии. Для света это ассоциируется с частотой и длиной волны света — высокочастотный свет с короткой волной обладает огромной характерной энергией, тогда как низкочастотный свет с длинной волной обладает небольшой характерной энергией.
В обоих случаях между тем полная энергия, заключенная в отдельном световом поле, целочисленно кратна этой энергии — 1, 2, 14, 137 раз — и не встретить странных долей вроде полутора, «пи» или квадратному корню из двух. Это свойство также наблюдается в дискретных энергетических уровнях атомов, и энергетические зоны конкретны — некоторые величины энергий допускаются, остальные нет. Атомные часы работают благодаря дискретности квантовой физики, используя частоту света, связанного с переходом между двумя разрешенными состояниями в цезии, которая позволяет сохранить время на уровне, необходимом для осуществления «второго скачка».
Сверхточная спектроскопия также может быть использована для поиска вещей вроде темной материи и остается частью мотивации для работы института низкоэнергетической фундаментальной физики.
Это не всегда очевидно — даже некоторые вещи, которые квантовые в принципе, вроде излучения черного тела связаны с непрерывными распределениями. Но при ближайшем рассмотрении и при подключении глубокого математического аппарата квантовая теория становится еще более странной.
Квантовая физика является вероятностной
Одной из основ квантовой физики является ее вероятностность.
Одним из самых удивительных и (исторически, по крайней мере) противоречивых аспектов квантовой физики является то, что невозможно с уверенностью предсказать исход одного эксперимента с квантовой системой. Когда физики предсказывают исход определенного эксперимента, их предсказание носит форму вероятности нахождения каждого из конкретных возможных результатов, а сравнения между теорией и экспериментом всегда включают выведение распределения вероятностей из многих повторных экспериментов.
Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News.
Математическое описание квантовой системы, как правило, принимает форму «волновой функции», представленной в уравнениях греческой буковой пси: Ψ. Ведется много дискуссий о том, что конкретно представляет собой волновая функция, и они разделили физиков на два лагеря: тех, кто видит в волновой функции реальную физическую вещь (онтические теоретики), и тех, кто считает, что волновая функция является исключительно выражением нашего знания (или его отсутствия) вне зависимости от лежащего ниже состояния отдельного квантового объекта (эпистемические теоретики).
В каждом классе основополагающей модели вероятность нахождения результата определяется не волновой функцией напрямую, а квадратом волновой функции (грубо говоря, все ей же; волновая функция — это сложный математический объект (а значит, включает воображаемые числа вроде квадратного корня или его отрицательного варианта), и операция получения вероятности немного сложнее, но «квадрата волновой функции» достаточно, чтобы понять основную суть идеи). Это известно как правило Борна в честь немецкого физика Макса Борна, впервые его вычислившего (в сноске к работе 1926 года) и удивившего многих людей уродливым его воплощением. Ведутся активные работы в попытках вывести правило Борна из более фундаментального принципа; но пока ни одна из них не была успешной, хотя и породила много интересного для науки.
Этот аспект теории также приводит нас к частицам, пребывающим в множестве состояний одновременно. Все, что мы можем предсказать, это вероятность, и до измерения с получением конкретного результата измеряемая система находится в промежуточном состоянии — состоянии суперпозиции, которое включает все возможные вероятности. А вот действительно ли система пребывает в множественных состояниях или находится в одном неизвестном — зависит от того, предпочитаете вы онтическую или эпистемическую модель. Обе они приводят нас к следующему пункту.
Нелокальность исследований
Назвать квантовую физику локальной язык не поворачивается.
Последний великий вклад Эйнштейна в физику не был широко признан как таковой, в основном потому, что он ошибался. В работе 1935 года, вместе с его молодыми коллегами Борисом Подольким и Натаном Розеном (работа ЭПР), Эйнштейн привел четкое математическое заявление чего-то, что беспокоило его уже некоторое время, того, что мы называем «запутанностью».
Работа ЭПР утверждала, что квантовая физика признала существование систем, в которых измерения, сделанные в широко удаленных местах, могут коррелировать так, чтобы исход одного определял другое. Они утверждали, что это означает, что результаты измерений должны быть определены заранее, каким-либо общим фактором, поскольку в ином случае потребовалась бы передача результата одного измерения к месту проведения другого со скоростью, превышающей скорость света. Следовательно, квантовая физика должна быть неполной, быть приближением более глубокой теории (теории «скрытой локальной переменной», в которой результаты отдельных измерений не зависят от чего-то, что находится дальше от места проведения измерений, чем может покрыть сигнал, путешествующий со скоростью света (локально), а скорее определяется неким фактором, общим для обеих систем в запутанной паре (скрытая переменная).
Все это считалось непонятной сноской больше 30 лет, так как, казалось, не было никакого способа проверить это, но в середине 60-х годов ирландский физик Джон Белл более детально проработал последствия работы ЭПР. Белл показал, что вы можете найти обстоятельства, при которых квантовая механика предскажет корреляции между удаленными измерениями, которые будут сильнее любой возможной теории вроде предложенных Э, П и Р. Экспериментально это проверил в 70-х годах Джон Клозер и Ален Аспект в начале 80-х — они показали, что эти запутанные системы не могут быть потенциально объяснены никакой теорией локальной скрытой переменной.
Наиболее распространенный подход к пониманию этого результата заключается в предположении, что квантовая механика нелокальна: что результаты измерений, выполненных в определенном месте, могут зависеть от свойств удаленного объекта так, что это нельзя объяснить с использованием сигналов, движущихся на скорости света. Это, впрочем, не позволяет передавать информацию со сверхсветовой скоростью, хотя было проведено множество попыток обойти это ограничение с помощью квантовой нелокальности.
Изучение квантовых частиц
Квантовая физика не работает с большими частицами.
У квантовой физики есть репутация странной, поскольку ее предсказания кардинально отличаются от нашего повседневного опыта. Это происходит, поскольку ее эффекты проявляются тем меньше, чем больше объект — вы едва ли увидите волновое поведение частиц и того, как уменьшается длина волны с увеличением момента. Длина волны макроскопического объекта вроде идущей собаки настолько смехотворно мала, что если вы увеличите каждый атом в комнате до размеров Солнечной системы, длина волны пса будет размером с один атом в такой солнечной системе.
Это означает, что квантовые явления по большей части ограничены масштабами атомов и фундаментальных частиц, массы и ускорения которых достаточно малы, чтобы длина волны оставалась настолько малой, что ее нельзя было бы наблюдать прямо. Впрочем, прикладывается масса усилий, чтобы увеличить размер системы, демонстрирующей квантовые эффекты.
Квантовая физика — не магия
Квантовая физика настолько сложна, что иногда кажется чем-то магическим.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
Поэтому если кто-то придет к вам с «квантовой» идеей, которая кажется невозможной, — бесконечная энергия, волшебная целительная сила, невозможные космические двигатели — это почти наверняка невозможно. Это не значит, что мы не можем использовать квантовую физику, чтобы делать невероятные вещи: мы постоянно пишем о невероятных прорывах с использованием квантовых явлений, и они уже порядком удивили человечество, это лишь означает, что мы не выйдем за границы законов термодинамики и здравого смысла.
Если вышеуказанных пунктов вам покажется мало, считайте это лишь полезной отправной точкой для дальнейшего обсуждения.