Квантовая физика для начинающих
Квантовая физика является молодой наукой, что не мешает появлению в ней фантастических гипотез. Перспективы квантовой физики способны поразить любое сознание. Вот лишь несколько примеров: появление квантовой криптографии, основанной на передаче информации отдельными фотонами, и развитие квантового компьютера, который использует квантовую суперпозицию и квантовую запутанность для работы с информацией.
Хотите понять квантовую физику? Не пытайтесь ассоциировать эту науку с классической физикой. Тогда вы сможете взглянуть на мир иначе.
Квантовая гипотеза Планка
Днём рождения квантовой физики считается 14 декабря 1900 года, когда Макс Планк предложил теоретический вывод о соотношении между температурой тела и испускаемым им излучением. Он гласил: энергия электромагнитной волны может излучаться и поглощаться исключительно целыми порциями — квантами. Формула энергии кванта:
e = nh,
где e — энергия излучения, n — частота излучения, h — постоянная Планка.
Это предположение показывало, что законы классической физики неприменимы к микромиру.
где h — постоянная Планка, n — частота электромагнитного излучения, A — работа выхода, mv^2/2— кинетическая энергия вышедшего электрона.
Это уравнение объясняет все законы внешнего фотоэлектрического эффекта:
- Суммарное число фотоэлектронов, покидающих поверхность вещества, прямо пропорционально числу фотонов, попадающих на поверхность вещества.
- Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от частоты электромагнитного излучения и работы выхода, но не зависит от интенсивности электромагнитного излучения.
- Для каждого вещества есть граница частоты электромагнитного излучения, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая длина волны называется красной границей фотоэффекта. Она зависит от работы выхода, химической природы вещества и состояния поверхности.
Благодаря явлению внешнего фотоэффекта мы смотрим фильмы со звуком. Фотоэлемент позволял превратить звук, запечатлённый на киноплёнке, в слышимый. Свет обычной лампы проходил через звуковую дорожку киноплёнки, преобразовывался и попадал на фотоэлемент. Чем больше света проходило через дорожку, тем громче был звук в динамике.
Не начинайте изучение квантовой физики со сложных математических формул. Улавливайте суть законов и экспериментов.
Формирование квантовой механики
Матричная механика Гейзенберга
В 1925 году Вернер Гейзенберг сформулировал теорию квантовой механики.
Квантовая механика — раздел квантовой физики, описывающий свойства и строение субатомных частиц и их систем.
Метод Гейзенберга требовал работы с матрицами (математическая таблица, представляющая набор упорядоченных чисел). Отсюда название — матричная механика. Теория объясняла, как происходят квантовые скачки.
Квантовый скачок — переход квантовой системы (в частности атома) с одного энергетического уровня на другой.
Подход Гейзенберга включал два компонента:
- Полный набор частот, на которых излучает атом вследствие квантового скачка;
- Вероятности, в соответствии с которыми происходят скачки;
Замысел матричной механики заключался в том, что физические величины, характеризующие частицу, описываются матрицами, изменяющимися во времени.
где Δx— неопределённость координаты пространства, Δv — неопределённость скорости частицы, h — Постоянная Планка, m — масса частицы.
Принцип неопределённости также связывает иные пары характеристик, например, энергию квантовой системы и момент времени, когда квантовая система обладает ей.
Подходящей аналогией является фотографирование движущегося объекта. Объект, сфотографированный с длительной экспозицией, размывается. Это демонстрирует, как движется объект, но не где он находится. Наоборот: можно определить местоположение объекта, сфотографированного с короткой экспозицией, но не то, как он движется. Однако следует понимать, что принцип неопределённости не ориентирован на наблюдателя, а показывает природу частиц.
Есть закрытый ящик, в котором находится живой кот и механизм: счётчик Гейгера с радиоактивным веществом, молоток и колба смертельного яда. Колба может быть разбита механизмом, приводимым в действие радиоактивным распадом. Однако распад носит вероятностный характер — 50/50. Если распад произойдёт, то молоток разобьёт колбу и смертельный яд убьёт кота. Если распада не произойдёт, то механизм не сработает и кот будет жив. Шрёдингер заключил, что пока мы не откроем ящик и не узнаем состояние кота, то он жив и мёртв одновременно.
Читайте также: Бесконечность Вселенной: бесконечен ли космос
Статья дает научный ответ на вопрос, безгранична ли Вселенная и как это доказать.
Квантовая физика — FAQ
Это были основы квантовой физики, которые необходимо знать для базового понимания. Однако осталось несколько интересных вопросов:
Квант — наименьшая неделимая порция чего-либо, в частности энергии. Понятие кванта ввёл Макс Планк.
Квантовый компьютер — вычислительное устройство, использующее явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки информации. И он существует. Наибольший составлен из семи кубитов. Этого хватит, чтобы разложить число 14 на простые множители: 7 и 2. Пока что нет квантового компьютера для практического применения, однако его появление поможет человечеству решить медицинские проблемы, расшифровать генетический код и выйти за рамки материального мира. Поэтому многие страны финансируют десятки миллионов долларов на создание квантового компьютера.
Пока что о квантовой криптографии говорят в будущем времени. Однако первый протокол был создан в 1984 году и носил название BB84. Замысел квантового шифрования состоит в том, чтобы передавать информацию отдельными фотонами. Главным теоретическим недостатком квантового шифрования является низкая пропускная способность.
Если выбрать одну частицу из определённого количества частиц и повлиять на неё, то состояние изменится у остальных частиц, независимо от условий. Явление квантовой запутанности — основа квантовой телепортации.
Свойство некоторых металлов при охлаждении до абсолютного нуля полностью терять сопротивление электрическому току.
Свет не является ни частицей, ни волной, приобретая их свойства только в некотором приближении.
Квантовый двигатель — механизм, который выполняет работу без потерь энергии, сил трения и теплообмена с окружающей средой.
Эффект наблюдателя — теория о том, что наблюдение за объектом изменяет его свойства.
В квантовых полях процесс передачи взаимодействия происходит квантами, в качестве которых выступают элементарные частицы с фиксированными физическими характеристиками. Таким образом, взаимодействующие частицы имеют квантованные характеристики и взаимодействие между ними передаётся квантовым полем со своими квантованными характеристиками.
Квантовый камуфляж сделан из оксида самария и никеля и позволяет спрятаться от инфракрасных камер.
Книги о квантовой физике
Если вы хотите и дальше познавать квантовый мир, рекомендуем следующие книги:
- «Квантовая вселенная. Как устроено то, что мы не можем увидеть» — Кокс Б., Форшоу Д.
- «Фейнмановские лекции по физике», «Кэд — странная теория света и вещества» — Ричард Фейнман
- «Сейчас. Физика времени» — Ричард Мюллер
- «Квант» — Джим Аль-Халили
- Серия книг «Физика для всех» Льва Ландау и Александра Китайгородского
- «Основы квантовой механики. Учебное пособие» — Л.В. Тарасов
- «В поисках кота Шрёдингера» — Гриббин Дж.
Фильмы о квантовой физике
Если вас больше интересуют фильмы:
Источник
Квантовая теория волны
В конце XIX века возникла потребность в разработке теории излучения черного вещества на базе законов традиционной физики. Из исходных положений исходило, что материальное тело обязано воспринимать и испускать электромагнитные волны независимо от температуры, тратить активный заряд и снижать температуру до 0°C. Иначе говоря, тепловой баланс между элементами являлся фактически невозможным. Но данный процесс состоял в максимальном разногласии с ежедневной практикой.
Окончательное определение базовых положений квантовой теории относится к 1923-1924 годам. В то время физики признали теорию о существовании волновых свойств у электронов, обусловленные соответствием со световым излучением.
К 1923 году положения о прерывистости фотонов довольно плотно закрепились в научном сообществе, по этой причине для тщательного представления любых свойств излучения требовалось элементарно описать это излучение и как частицу, и как волну. Альберт Эйнштейн перед этим указал, что двойственность излучения непосредственно связана с присутствием квантов, в связи с этим научным деятелям необходимо было лишь найти аналогичное и в действиях электрона.
Предположение Луи де Бройля о волнах в квантовой механике в скором времени приобрело публичное заверение открытым в 1927 году явлением дифракции перемещающихся электронов. В соответствии с предположениями Луи де Бройля о волнах материи, Эрвин Шрёдингер предложил базовую формулу квантовой механики. Данная формула позволяет с наибольшей вероятностью указать возможный статус системы квантов и их преобразование в пространстве и времени.
Попробуйте обратиться за помощью к преподавателям
Это уравнение содержало волновую функцию, которая описывает влияние волны в конфигурационной и абстрактной среде. В пределах волновой механики атом осуществлял роль ядра, которое окружено разносторонним облаком допустимости. Путём применения этой функции возможно указать вероятность наличия электрона в определённой части пространства.
Квантовая волновая функция
Волновая функция на сегодняшний день недостаточно изучен и обладает огромным количеством специфических свойств. Неизведанность волн не останавливается на скорости света, так как в некоторых системах отсчёта механизм волн будет передвигаться назад во времени. Непосредственной связью волновой функции с действительностью является попытка вычислить расположение либо активный заряд частицы, и данная связь является единственной. Одновременно с этим, опираясь на квантовую физику, все перемещения перечат инстинктивным образам людей и поначалу кажутся нереальны.
Данное своеобразное предположение, которое окончательно сложно воспринять, – квантовая физика, невзирая на запутанность и прозрачность природы, представляется основой традиционной физики. Возможно квантовая физика и является призрачной наукой, однако она даёт возможность учёным создавать конкретные прогнозы и предположения.
Нужно особенно не подчёркивать её многозначные стороны, изучить решения составных формул – и рассчитать перспективу фактически безошибочно. Формулы квантовой физики волны предполагает определение:
- Изменения волновой функции.
- Передвижение электронов.
- Отклонение передвижения одновременно группы электронов.
- Волновую функцию.
Но с помощью квантовой гипотезы возможно вычислить волновую функцию с определёнными координатами, и после этих вычислений волновая функция моментально изменит своё значение.
Волны в квантовой теории
При установке приборов измерения напротив волновой функцией электрона, в итоге контактировать с проводником будет лишь небольшая её доля, и возможность регистрирования веществ будет малой. Основываясь на волновой функции и величины используемого проводника, присутствует возможность произвести правильные вычисления параметров, с которыми электрон контактирует с прибором и эти параметры будут зафиксированы.
Сложно разобраться самому?
Попробуйте обратиться за помощью к преподавателям
Источник