6 fapte despre fizica cuantică
Un ascultător nepregătit, fizica cuantică sperie de la începutul cunoașterii. Este ciudat și ilogic, chiar și pentru fizicienii care se ocupă de ea în fiecare zi. Dar nu este de neînțeles. Dacă sunteți interesat de fizica cuantică, de fapt există șase concepte-cheie pe care trebuie să le aveți în vedere. Nu, nu au nimic de a face cu fenomene cuantice. Și acesta nu este un experiment mental. Înfășurați-le în jur, iar fizica cuantică va fi mult mai ușor de înțeles.
Totul constă în valuri și particule
Există multe locuri din care să începem această discuție și acest lucru este la fel de bun ca alții: tot ceea ce există în Universul nostru posedă simultan natura particulelor și a valurilor. Dacă ați putea spune despre magie ca aceasta: "Toate acestea sunt valuri, și numai valuri", aceasta ar fi o descriere poetică minunată a fizicii cuantice. De fapt, totul în acest univers are o natură de undă.
Desigur, tot ceea ce există în univers are și natura particulelor. Sună ciudat, dar este un fapt experimental.
Această "a treia" natură a obiectelor cuantice se reflectă în limba uneori confuză a fizicienilor care discută fenomene cuantice. Bozonul Higgs a fost descoperit la Large Hadron Collider ca o particulă, dar trebuie să fi auzit expresia "câmp Higgs", un lucru delocalizat care umple întregul spațiu. Acest lucru se datorează faptului că, în anumite condiții, cum ar fi experimente cu particule de coliziune este mai potrivit pentru a discuta despre câmpul Higgs de excitație, mai degrabă decât a determina caracteristicile particulelor, în timp ce în alte condiții, cum ar fi discuția generală de ce anumite particule au o masă mai potrivită pentru a discuta despre fizica în ceea ce privește interacțiunea cu cuantumul un câmp de scale universale. Acestea sunt doar limbi diferite care descriu aceleași obiecte matematice.
Fizica cuantică este discretă
Totul în numele fizicii - cuvântul "cuantic" vine din latină "cât de mult" și reflectă faptul că modelele cuantice includ întotdeauna ceva care vine în magnitudine discrete. Energia conținută în câmpul cuantic vine în mai multe magnitudine ale unei energii fundamentale. Pentru lumină, acest lucru este asociat cu frecvența și lungimea de undă a luminii - lumina cu frecvență înaltă, cu un val scurt, are o energie caracteristică imensă, în timp ce lumina cu frecvență joasă, cu undă lungă, are o mică caracteristică de energie.
În ambele cazuri, între energia totală conținută într-un câmp de lumină separată, un multiplu întreg al acestei energii - 1, 2, 14, 137 de ori - fără a vedea un fel ciudat de acțiuni și jumătate, „pi“ sau rădăcina pătrată a doua. Această proprietate este observată și în nivelele de energie discrete ale atomilor, iar benzile de energie sunt specifice - unele valori energetice sunt permise, restul nu sunt. ceasuri atomice funcționează din cauza fizica discretă cuantice, folosind frecvența luminii asociate cu tranziția între cele două state permise în cesiu, ceea ce permite de a economisi timp la nivelul necesar pentru punerea în aplicare a „a doua salt“.
Spectroscopia super-precisă poate fi de asemenea folosită pentru a căuta lucruri precum materia întunecată și rămâne parte a motivației pentru activitatea institutului fizicii fundamentale cu energie redusă.
Nu este întotdeauna evident - chiar și unele lucruri care sunt în principiu cuantice, cum ar fi radiația corpului negru, sunt legate de distribuțiile continue. Dar, cu o examinare mai atentă și cu conectarea unui aparat matematic profund, teoria cuantică devine și mai ciudată.
Fizica cuantică este probabilistică
Una dintre cele mai uimitoare și (punct de vedere istoric, cel puțin) aspectele controversate ale fizicii cuantice este că este imposibil să se prevadă cu certitudine rezultatul unui singur experiment cu un sistem cuantic. Când Fizica prezice rezultatul unui anumit experiment, aceasta ia forma unei probabilități de predicție de a găsi fiecare dintre rezultatele specifice posibile, iar comparația între teorie și experiment includ întotdeauna deducând distribuția de probabilitate a numeroase experimente repetate.
O descriere matematică a unui sistem cuantic în general, ia forma unei „funcții de undă“, prezentată în ecuațiile grecești psi fag. Există multe dezbateri cu privire la ceea ce este exact funcția de undă, și au împărtășit fizicienii în două tabere: cei care văd în funcția val de un lucru fizic real (teoreticienii ontice), și cei care cred că funcția de undă este pur și simplu o expresie a cunoștințelor noastre (sau absența acesteia), indiferent de starea de bază a unui obiect cuantic separat (teoreticienii epistemici).
În fiecare clasă, modelul fundamental al probabilitatea de a găsi rezultatul nu este determinată de funcția de undă în mod direct, iar patratul funcției de undă (aproximativ vorbind, tot ce este, funcția de undă - este un obiect matematic complex (și, prin urmare, include numerele imaginare ca rădăcina pătrată sau versiunile negative) și operațiune a primit, probabil, un pic mai complicat, dar „pătrat al funcției de undă“ este suficientă pentru a înțelege esența de bază a ideii). Acest lucru este cunoscut sub numele de regula Born după fizicianul german Max Born, pentru prima dată pentru a calcula (într-o notă de subsol la 1926), și a surprins mulți oameni urât întruparea lui. Munca activă este în curs de desfășurare în încercarea de a deduce regula lui Bourne de la un principiu mai fundamental; dar până acum nici unul dintre ele nu a avut succes, deși a generat o mulțime de lucruri interesante pentru știință.
Acest aspect al teoriei ne conduce și la particule care se află simultan într-un set de stări. Tot ceea ce putem prezice este probabilitatea și, înainte de a măsura cu obținerea unui rezultat concret, sistemul măsurat se află într-o stare intermediară - o stare de suprapunere care include toate probabilitățile posibile. Dar dacă sistemul se află în mai multe stări sau într-un singur necunoscut depinde de preferința unui model ontic sau epistemic. Amândoi ne conduc la punctul următor.
Fizica cuantică este nonlocală
Ultimul mare contribuție a lui Einstein la fizică nu a fost larg recunoscut ca atare, în principal pentru că a greșit. Lucrarea în 1935, împreună cu tinerii săi colegi Boris Podolko și Nathan Rosen (EPR de lucru), Einstein a dat o declarație matematică clară a ceva ce-l deranjat de ceva timp, ceea ce noi numim „confuzie“.
Lucrarea EPR a susținut că fizica cuantică a recunoscut existența sistemelor în care măsurătorile efectuate în locații îndepărtate pot fi corelate astfel încât rezultatul unuia să determine celălalt. Ei au susținut că acest lucru înseamnă că măsurătorile trebuie să fie stabilite în prealabil de către orice factor comun, altfel ar fi necesar rezultat transmiterea unei măsurători la locul celuilalt la o viteză mai mare decât viteza luminii. În consecință, fizica cuantică trebuie să fie incompletă, fie o aproximare mai profundă teorie (Teoria „ascunsă variabila locală“, în care rezultatele măsurătorilor individuale nu depind de ceva care este mai departe de locul de desfășurare dimensiunile decât pot acoperi viteza de deplasare a semnalului de lumină (local), ci mai degrabă este determinată de un factor comun pentru ambele sisteme din perechea încâlcită (variabila ascunsă).
Toate acestea au fost luate în considerare nota de subsol obscur pentru mai mult de 30 de ani, deoarece nu părea să existe nici o modalitate de a verifica acest lucru, dar la mijlocul anilor '60 fizicianul irlandez John Bell a lucrat mai în detaliu efectele lucrării EPR. Bell a arătat că puteți găsi circumstanțe în care mecanica cuantică prezice corelația dintre măsurători la distanță, care sunt mai puternice decât orice teorie este posibil ca propusă E, P și R. este verificat experimental, în anii 70 John Kloser și Alain Aspect la începutul 80- x - au arătat că aceste sisteme complicate nu pot fi explicate prin nici o teorie a variabilei locale ascunse.
Abordarea cea mai comună de a înțelege acest rezultat este să se presupună că mecanica cuantică nelocal: că măsurătorile efectuate într-o anumită locație poate depinde de proprietățile unui obiect de la distanță, astfel încât să nu poată fi explicate cu ajutorul semnalelor care se deplasează cu viteza luminii. Acest lucru, totuși, nu permite transferul de informații la viteza superluminală, deși s-au făcut multe încercări de a eluda această limitare prin nonlocalitatea cuantică.
Fizica cuantică (aproape întotdeauna) este asociată cu o foarte mică
Fizica cuantică are o reputație de a fi ciudată, deoarece predicțiile ei sunt radical diferite de experiența noastră de zi cu zi. Acest lucru se întâmplă deoarece efectele sale apar mai puțin, cu atât obiectul este mai mare - cu greu veți vedea comportamentul valurilor particulelor și modul în care lungimea de undă scade odată cu creșterea cuplului. Lungimea de undă a unui obiect macroscopic, cum ar fi un câine de mers pe jos, este atât de ridicol de mic încât dacă creșteți fiecare atom dintr-o cameră la dimensiunea sistemului solar, lungimea de undă a câinelui va fi dimensiunea unui atom într-un astfel de sistem solar.
Aceasta înseamnă că fenomenele cuantice se limitează, în cea mai mare parte, la scări de atomi și particule fundamentale ale căror mase și accelerații sunt suficient de mici, astfel încât lungimea de undă rămâne atât de mică încât nu poate fi observată direct. Cu toate acestea, se depune mult efort pentru a mări dimensiunea sistemului care demonstrează efectele cuantice.
Fizica cuantică nu este magică
Paragraful precedent ne aduce în mod firesc acest lucru: indiferent de cât de ciudat ar putea părea fizica cuantică, în mod evident nu este magic. Ceea ce postulează este ciudat de standardele fizicii de zi cu zi, dar este strict limitată la reguli și principii matematice bine înțelese.
Prin urmare, dacă cineva vine la dvs. cu o idee "cuantică" care pare imposibilă - energie infinită, putere magică de vindecare, motoare cosmice imposibile - este aproape sigur imposibilă. Acest lucru nu înseamnă că nu putem folosi fizica cuantică pentru a face lucruri incredibile: Noi întotdeauna scrie despre descoperiri incredibile folosind fenomene cuantice, și ei sunt deja omenirea, mai degrabă surprins, înseamnă doar că nu ieși din limitele legilor termodinamicii și bun simț .
Dacă punctele de mai sus vă par puțin puțin, considerați acest lucru ca fiind doar un punct de pornire util pentru discuții ulterioare.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: