Kvantinė fizika statusas T ala fizika vastavusmenys: engl. kvantfüüsika vok. Kvantenfüüsika, f rus. kvantfüüsika, f pranc. physique quantique, f … Fizikos terminų žodynas
Sellel terminil on ka teisi tähendusi, vt Püsiseisund. Statsionaarne olek (ladina keelest stationarius seisev, liikumatu) on kvantsüsteemi seisund, milles selle energia ja muu dünaamiline ... Wikipedia
- ... Vikipeedia
Sellel on järgmised alajaotused (loetelu on puudulik): Kvantmehaanika Algebraline kvantteooria Kvantväljateooria Kvantelektrodünaamika Kvantkromodünaamika Kvanttermodünaamika Kvantgravitatsiooni superstringiteooria Vaata ka... ... Wikipedia
Kvantmehaanika Määramatuse printsiip Sissejuhatus... Matemaatiline sõnastus... Alus... Wikipedia
FÜÜSIKA. 1. Füüsika õppeaine ja struktuur Füüsika on teadus, mis uurib kõige lihtsamat ja samas kõige olulisemat. meid ümbritseva materiaalse maailma objektide üldised omadused ja liikumisseadused. Selle ühisuse tulemusena pole loodusnähtusi, millel poleks füüsikalisi omadusi. omadused... Füüsiline entsüklopeedia
Hüpertuumafüüsika on tuumafüüsika ja elementaarosakeste füüsika ristumiskohas asuv füüsikaharu, mille uurimisobjektiks on tuumataolised süsteemid, mis sisaldavad lisaks prootonitele ja neutronitele ka teisi elementaarosakesi, hüperoneid. Samuti... ... Wikipedia
Füüsika haru, mis uurib osakeste dünaamikat kiirendites, aga ka arvukaid tehnilisi probleeme, mis on seotud osakeste kiirendite ehituse ja tööga. Kiirendi füüsika hõlmab küsimusi, mis on seotud osakeste tootmise ja akumuleerumisega... Wikipedia
Kristallide füüsika Kristallide kristallograafia Kristallvõre Kristallvõrede tüübid Difraktsioon kristallides Pöördvõre Wigner Seitzi rakk Brillouini tsoon Alusstruktuuri tegur Aatomi hajumise tegur Sidemete tüübid ... ... Wikipedia
Kvantloogika on loogikaharu, mis on vajalik kvantteooria põhimõtteid arvestavate väidete arutlemiseks. See uurimisvaldkond asutati 1936. aastal Garith Bierkhoffi ja John von Neumanni töö tulemusena, kes proovisid... ... Wikipedia
Raamatud
- Kvantfüüsika, Martinson Leonid Karlovitš. Üksikasjalikult on välja toodud kvantfüüsika aluseks olev teoreetiline ja eksperimentaalne materjal. Palju tähelepanu pööratakse põhiliste kvantmõistete füüsikalisele sisule ja matemaatilisele...
- Kvantfüüsika, Sheddad Caid-Sala Ferron. Kogu meie maailm ja kõik, mis selles on – majad, puud ja isegi inimesed! - koosneb pisikestest osakestest. Raamat “Kvantfüüsika” sarjast “Esimesed raamatud teadusest” räägib nähtamatust meie…
Teadus
Kvantfüüsika tegeleb meie universumi kõige väiksemate asjade – subatomiliste osakeste – käitumise uurimisega. See on suhteliselt uus teadus, mis sai selleks alles 20. sajandi alguses pärast seda, kui füüsikuid hakkas huvitama küsimus, miks nad ei suutnud selgitada mõningaid kiirguse mõjusid. Üks tolleaegsetest uuendajatest Max Planck kasutas energiaga pisikesi osakesi uurides terminit "kvant", sellest ka nimetus "kvantfüüsika". Planck märkis, et elektronides sisalduv energia hulk ei ole meelevaldne, vaid vastab "kvantenergia" standarditele. Nende teadmiste praktilise rakendamise üks esimesi tulemusi oli transistori leiutamine.
Erinevalt standardfüüsika jäikadest seadustest saab kvantfüüsika reegleid rikkuda. Just siis, kui teadlased arvavad, et nad tegelevad aine ja energia uurimise aspektiga, ilmneb uus sündmuste pööre, mis tuletab neile meelde, kui ettearvamatu võib töö selles valdkonnas olla. Kuid isegi kui nad toimuvast täielikult aru ei saa, saavad nad oma töö tulemusi arendamiseks kasutada uued tehnoloogiad, mida mõnikord võib nimetada lihtsalt fantastiliseks.
Kvantmehaanika võiks tulevikus aidata säilitada sõjalisi saladusi, pakkuda turvalisust ja kaitsta teie pangakontot kübervaraste eest. Teadlased töötavad praegu kvantarvutite kallal, mille võimalused ületavad tunduvalt tavapärase personaalarvuti võimekust. Jagatud subatomaarseteks osakesteks, objekte saab hõlpsasti ühest kohast teise liigutada ühe silmapilguga. Ja võib-olla suudab kvantfüüsika vastata kõige intrigeerivamale küsimusele, millest universum koosneb ja kuidas elu alguse sai.
Allpool on faktid selle kohta, kuidas kvantfüüsika võib maailma muuta. Nagu Niels Bohr ütles: "Igaüks, keda kvantmehaanika ei šokeeri, pole lihtsalt veel aru saanud, kuidas see töötab."
Turbulentsi juhtimine
Varsti, võib-olla tänu kvantfüüsikale, on võimalik kõrvaldada turbulentsed tsoonid, mis põhjustavad lennukis mahla välja voolamist. Luues laboris ülikülmades gaasiaatomites kvantturbulentsi, võivad Brasiilia teadlased mõista lennukite ja paatide turbulentsi. Sajandeid on turbulents teadlasi segadusse ajanud, kuna seda on keeruline laboris reprodutseerida.
Turbulentsi põhjustavad gaasi või vedeliku tükid, kuid looduses näib see tekkivat juhuslikult ja ootamatult. Kuigi turbulentsed tsoonid võivad tekkida vees ja õhus, on teadlased avastanud, et need võivad tekkida ka ülikülmades gaasiaatomites või ülivedelikus heeliumis. Seda nähtust kontrollitud laboritingimustes uurides suudavad teadlased ühel päeval täpselt ennustada, kus turbulentsed tsoonid tekivad, ja võib-olla neid looduses kontrollida.
Spintroonika
MIT-is välja töötatud uus magnetiline pooljuht võib tulevikus viia veelgi kiiremate ja energiatõhusate elektroonikaseadmeteni. Seda "spintroonika" kutsutavat tehnoloogiat kasutatakse teabe edastamiseks ja salvestamiseks elektronide pöörlemisolekut. Kui tavapärased elektroonilised ahelad kasutavad ära ainult elektroni laengu olekut, siis spintroonika kasutab ära elektroni pöörlemissuunda.
Teabe töötlemine spintrooniliste vooluahelate abil võimaldab andmete kogumist kahest suunast samaaegselt, mis vähendab ka elektrooniliste vooluahelate suurust. See uus materjal viib elektroni pooljuhisse selle spin-orientatsiooni alusel. Elektronid läbivad pooljuhti ja on valmis olema väljundi poolel pöörlemisdetektoriteks. Teadlaste sõnul võivad uued pooljuhid töötada toatemperatuuril ja on optiliselt läbipaistvad, mis tähendab, et nad saavad töötada puutetundlike ekraanide ja päikesepaneelidega. Samuti usuvad nad, et see aitab leiutajatel välja pakkuda veelgi funktsioonirikkamaid seadmeid.
Paralleelsed maailmad
Kas olete kunagi mõelnud, milline oleks meie elu, kui meil oleks võimalus ajas rännata? Kas sa tapaksid Hitleri? Või liituksite Rooma leegionidega, et iidset maailma näha? Kuigi me kõik fantaseerime selle üle, mida me teeksime, kui saaksime ajas tagasi minna, on California Santa Barbara ülikooli teadlased juba puhastamas teed eilsete kaebuste taastamiseks.
2010. aasta katses suutsid teadlased tõestada, et objekt võib korraga eksisteerida kahes erinevas maailmas. Nad eraldasid pisikese metallitüki ja avastasid eritingimustel, et see liikus ja seisis samal ajal paigal. Kuid keegi võib seda tähelepanekut pidada ületöötamisest põhjustatud deliiriumiks, ometi väidavad füüsikud, et objekti vaatlused näitavad tõesti, et see laguneb Universumis kaheks osaks – millest ühte me näeme ja teist mitte. Paralleelmaailmade teooriad ütlevad üksmeelselt, et absoluutselt iga objekt laguneb.
Nüüd püüavad teadlased välja mõelda, kuidas "üle hüpata" kokkuvarisemise hetkest ja siseneda maailma, mida me ei näe. See ajas paralleeluniversumitesse sõitmine peaks teoreetiliselt toimima, kuna kvantosakesed liiguvad ajas nii edasi kui ka tagasi. Nüüd peavad teadlased ainult kvantosakesi kasutades ajamasina ehitama.
Kvantpunktid
Peagi saavad kvantfüüsikud aidata arstidel tuvastada vähirakke kehas ja täpselt kindlaks teha, kuhu need on levinud. Teadlased on avastanud, et mõned väikesed pooljuhtkristallid, mida nimetatakse kvantpunktideks, võivad ultraviolettvalgusega kokku puutudes helenema ning neid pildistati ka spetsiaalse mikroskoobiga. Seejärel ühendati need spetsiaalse materjaliga, mis oli vähirakkude jaoks "atraktiivne". Kui nad kehasse sisenesid, tõmbasid hõõguvad kvantpunktid vähirakkude poole, näidates arstidele täpselt, kust otsida. Sära jätkub üsna pikka aega ja teadlaste jaoks on punktide kohandamine konkreetse vähitüübi omadustega suhteliselt lihtne.
Kuigi kõrgtehnoloogiline teadus on kindlasti vastutav paljude meditsiiniliste edusammude eest, on inimesed sajandeid sõltunud paljudest muudest haiguste vastu võitlemise vahenditest.
Palve
Raske on ette kujutada, mis võiks ühist olla põlisameeriklasel, šamaanist tervendajal ja kvantfüüsika pioneeridel. Midagi ühist nende vahel siiski on. Niels Bohr, üks selle kummalise teadusvaldkonna varajastest uurijatest, uskus, et suur osa sellest, mida me nimetame reaalsuseks, sõltub "vaatleja efektist", st seosest selle vahel, mis juhtub ja kuidas me seda näeme. See teema tekitas kvantfüüsikute seas tõsiseid vaidlusi, kuid Bohri enam kui poole sajandi tagune eksperiment kinnitas tema oletust.
Kõik see tähendab, et meie teadvus mõjutab reaalsust ja suudab seda muuta. Šamaan-tervendaja tseremoonia korduvad palvesõnad ja rituaalid võivad olla katsed muuta reaalsust loova "laine" suunda. Enamik tseremooniaid viiakse läbi ka arvukate vaatlejate juuresolekul, mis näitab, et mida rohkem "tervendavaid laineid" vaatlejatest lähtub, seda võimsam on nende mõju tegelikkusele.
Objekti suhe
Objektide ühendamisel võib tulevikus olla päikeseenergiale tohutu mõju. Objektide omavaheline seotus eeldab reaalses füüsilises ruumis eraldatud aatomite vastastikust kvantsõltuvust. Füüsikud usuvad, et suhe võib tekkida taimede fotosünteesi või valguse energiaks muutmise eest vastutavas osas. Fotosünteesi eest vastutavad struktuurid, kromofoorid, suudavad 95 protsenti saadavast valgusest energiaks muuta.
Teadlased uurivad nüüd, kuidas see kvanttasandi sidumine võib mõjutada päikeseenergia loomist, lootes luua tõhusaid looduslikke päikesepatareisid. Eksperdid avastasid ka, et vetikad suudavad valgusest saadava energia liigutamiseks kasutada mõningaid kvantmehaanikaid ning salvestada seda ka kahes kohas korraga.
Kvantarvutus
Teist sama olulist kvantfüüsika aspekti saab rakendada arvutivaldkonnas, kus eritüüpi ülijuhtivad elemendid annavad arvutile enneolematu kiiruse ja võimsuse. Teadlased selgitavad, et element käitub nagu tehisaatomid, kuna nad saavad energiat kas võita või kaotada ainult diskreetsete energiatasemete vahel liikudes. Struktuuri kõige keerulisemal aatomil on viis energiataset. See keeruline süsteem (“qudit”) pakub olulisi eeliseid võrreldes varasemate aatomitega, millel oli ainult kaks energiataset (“qubit”). Qudits ja qubits on osa standardarvutites kasutatavatest bittidest. Kvantarvutid hakkavad oma töös kasutama kvantmehaanika põhimõtteid, mis võimaldavad neil arvutusi teha palju kiiremini ja täpsemalt kui traditsioonilised arvutid.
Siiski on probleem, mis võib tekkida, kui kvantarvutus saab reaalsuseks – krüptograafia ehk teabe kodeerimine.
Kvantkrüptograafia
Internetis on saadaval kõik alates teie krediitkaardi numbrist kuni ülisalajaste sõjaliste strateegiateni ning oskuslik häkker, kellel on piisavalt teadmisi ja võimas arvuti, võib teie pangakonto tühjendada või maailma julgeoleku ohtu seada. Spetsiaalne kodeering hoiab seda teavet salajas ja arvutiteadlased töötavad pidevalt uute, turvalisemate kodeerimismeetodite loomise nimel.
Teabe kodeerimine ühes valgusosakeses (footonis) on pikka aega olnud kvantkrüptograafia eesmärk. Tundus, et Toronto ülikooli teadlased olid selle meetodi loomisele juba väga lähedal, kuna nad suutsid video kodeerida. Krüptimine hõlmab nullide ja ühtede stringe, mis on "võti". Võtme kord lisamine kodeerib teabe, uuesti lisamine dekodeerib selle. Kui kõrvalisel isikul õnnestub võti kätte saada, võidakse teavet häkkida. Kuid isegi kui võtmeid kasutatakse kvanttasemel, tähendab nende kasutamise fakt kindlasti häkkeri olemasolu.
Teleportatsioon
See on ulme, ei midagi enamat. Siiski viidi see läbi, kuid mitte inimeste, vaid suurte molekulide osalusel. Kuid siin on probleem. Iga inimkeha molekuli tuleb skaneerida mõlemalt poolt. Kuid tõenäoliselt seda lähitulevikus ei juhtu. On veel üks probleem: kui skaneerite osakest, siis kvantfüüsika seaduste kohaselt muudate seda, see tähendab, et teil pole võimalust sellest täpset koopiat teha.
Siin tulebki mängu objektide omavaheline seotus. See ühendab kaks objekti, nagu oleksid nad üks. Skaneerime ühe poole osakesest ja teise poole teeb teleporteeritud koopia. Sellest saab täpne koopia, kuna me ei mõõtnud osakest ennast, vaid mõõtsime selle topelt. See tähendab, et osake, mida mõõdeti, hävitatakse, kuid selle täpne koopia taaselustab selle topelt.
Jumala osakesed
Teadlased kasutavad oma väga suurt loomingut – suurt hadronite põrgajat – millegi ülimalt väikese, kuid väga olulise uurimiseks – põhiosakesi, mis arvatakse olevat meie universumi tekke aluseks.
Teadlaste sõnul annavad jumalaosakesed elementaarosakestele (elektronid, kvargid ja gluoonid) massi. Eksperdid usuvad, et Jumala osakesed peavad läbima kogu ruumi, kuid nende osakeste olemasolu pole veel tõestatud.
Nende osakeste leidmine aitaks füüsikutel mõista, kuidas universum Suurest Paugust taastus ja sellest sai see, mida me sellest täna teame. Samuti aitaks see selgitada, kuidas mateeria ja antiaine tasakaalustab. Lühidalt, nende osakeste eraldamine aitab kõike selgitada.
WikiHow töötab nagu wiki, mis tähendab, et paljud meie artiklid on kirjutatud mitmelt autorilt. Selle artikli koostas 11 inimest, sealhulgas anonüümselt, et seda redigeerida ja täiustada.
Kvantfüüsika (tuntud ka kui kvantteooria või kvantmehaanika) on omaette füüsikaharu, mis tegeleb aine ja energia käitumise ja vastastikmõju kirjeldamisega elementaarosakeste, footonite ja mõnede materjalide tasandil väga madalatel temperatuuridel. Kvantväli on määratletud kui osakese "tegevus" (või mõnel juhul nurkimpulss), mis jääb Plancki konstandiks nimetatava väikese füüsikalise konstandi suuruse piiresse.
Sammud
Plancki konstant
- Näiteks kvantifitseeritakse aatomi või molekuliga seotud elektroni nurkimpulss ja see võib võtta ainult väärtusi, mis on vähendatud Plancki konstandi kordsed. See kvantimine suurendab elektronide orbitaali primaarse täisarvulise kvantarvu jada võrra. Seevastu läheduses olevate sidumata elektronide nurkimmenti ei kvantifitseerita. Plancki konstanti kasutatakse ka valguse kvantteoorias, kus valguse kvant on footon ja aine interakteerub energiaga elektronide ülekande kaudu aatomite vahel ehk seotud elektroni "kvanthüppes".
- Plancki konstandi ühikuid võib käsitleda ka kui energiahetke aega. Näiteks osakeste füüsika ainevaldkonnas kujutatakse virtuaalseid osakesi osakeste massina, mis tekivad spontaanselt vaakumist väga väikesel alal ja mängivad oma rolli nende vastasmõjus. Nende virtuaalsete osakeste eluea piir on iga osakese energia (mass). Kvantmehaanikas on suur ainevaldkond, kuid iga selle matemaatiline osa sisaldab Plancki konstanti.
-
Lisateavet raskete osakeste kohta. Rasked osakesed läbivad klassikalise energia ülemineku kvantenergiaks. Isegi kui vaba elektron, millel on mõned kvantomadused (nt spin), läheneb sidumata elektronina aatomile ja aeglustub (võib-olla tänu footonite emissioonile), muutub see klassikalisest käitumisest kvantkäitumiseks, kuna tema energia langeb allapoole. ionisatsioonienergia. Elektron seostub aatomiga ja selle nurkimpulss aatomituuma suhtes on piiratud orbitaali kvantväärtusega, mille see võib hõivata. See üleminek on järsk. Seda võib võrrelda mehaanilise süsteemiga, mis muudab oma oleku ebastabiilsest stabiilseks või selle käitumine muutub lihtsast kaootiliseks, või isegi raketilaevaga, mis aeglustab ja läheb allapoole tõstmiskiirust ning võtab üles tiirlevad ümber mõne tähe või mõne muu taevaobjekti. Seevastu footonid (mis on kaalutud) seda üleminekut ei tee: nad lihtsalt läbivad ruumi muutumatul kujul, kuni nad suhtlevad teiste osakestega ja kaovad. Kui vaatate öötaevasse, liiguvad mõne tähe footonid muutumatuna palju valgusaastaid, seejärel interakteeruvad teie võrkkesta molekulis oleva elektroniga, vabastades nende energia ja seejärel kaovad.
Alustage Plancki konstandi füüsilise mõiste õppimisest. Kvantmehaanikas on Plancki konstant tegevuse kvant, mida tähistatakse kui h. Samamoodi interakteeruvate elementaarosakeste puhul kvant nurkmoment- see on vähendatud Plancki konstant (Plancki konstant jagatud 2 π-ga), mida tähistatakse kui ħ ja seda nimetatakse "h koos baariga". Plancki konstandi väärtus on äärmiselt väike, see ühendab need impulsi hetked ja tegevuste tähistused, millel on üldisem matemaatiline kontseptsioon. Nimi kvantmehaanika tähendab, et mõned füüsikalised suurused, mis on sarnased nurkimpulssiga, saavad ainult muutuda diskreetselt, mitte pidev ( cm. analoog) viisil.
1803. aastal suunas Thomas Young valguskiire kahe piluga läbipaistmatule ekraanile. Projektsiooniekraanil loodetud kahe valgusriba asemel nägi ta mitut triipu, justkui oleks igast pilust kahe valguslaine interferents (superpositsioon). Tegelikult sündis just sel hetkel kvantfüüsika või õigemini selle tuumaks olevad küsimused. 20. ja 21. sajandil näidati, et mitte ainult valgus, vaid iga üksik elementaarosake ja isegi mõned molekulid käituvad nagu laine, nagu kvantid, justkui läbiksid mõlemad pilud korraga. Kui aga asetada piludele andur, mis määrab, mis täpselt selles kohas osakesega juhtub ja millisest konkreetsest pilust see ikkagi läbi läheb, siis ilmub projektsiooniekraanile vaid kaks triipu, justkui oleks vaatluse fakt (kaudne mõju) hävitab lainefunktsiooni ja objekt käitub nagu aine. ( video)
Heisenbergi määramatuse printsiip on kvantfüüsika alus!
Tänu 1927. aasta avastusele kordavad tuhanded teadlased ja üliõpilased sama lihtsat katset, valgustades laserkiire läbi aheneva pilu. Loogiliselt võttes muutub laserist nähtav jälg projektsiooniekraanil vahe vähenedes aina kitsamaks. Kuid teatud hetkel, kui pilu muutub piisavalt kitsaks, hakkab laseri punkt ühtäkki laiemaks ja laiemaks muutuma, ulatudes üle ekraani ja tuhmudes, kuni pilu kaob. See on kõige ilmsem tõend kvantfüüsika kvintessentsist – silmapaistva teoreetilise füüsiku Werner Heisenbergi määramatuse printsiibist. Selle olemus seisneb selles, et mida täpsemalt me kvantsüsteemi ühe paaristunnuse määrame, seda ebakindlamaks muutub teine tunnus. Sel juhul, mida täpsemalt määrame kitseneva piluga laserfootonite koordinaadid, seda ebakindlamaks muutub nende footonite impulss. Makrokosmoses saame ka täpselt mõõta kas lendava mõõga täpset asukohta seda üles võttes või selle suunda, kuid mitte samal ajal, kuna see on vastuolus ja segab üksteist. ( , video)
Kvantülijuhtivus ja Meissneri efekt
Walter Meissner avastas 1933. aastal huvitava nähtuse kvantfüüsikas: minimaalse temperatuurini jahutatud ülijuhis nihkub magnetväli üle oma piiride. Seda nähtust nimetatakse Meissneri efektiks. Kui alumiiniumile (või mõnele muule ülijuhile) asetada tavaline magnet ja seejärel jahutada vedela lämmastikuga, lendab magnet üles ja ripub õhus, kuna "näeb" oma sama polaarsusega magnetvälja jahutatud magnetist välja tõrjutuna. alumiiniumist ja magnetite samad küljed tõrjuvad . ( , video)
Kvantülivoolavus
1938. aastal jahutas Pjotr Kapitsa vedela heeliumi nullilähedase temperatuurini ja avastas, et aine kaotas oma viskoossuse. Seda nähtust kvantfüüsikas nimetatakse ülifluidsuseks. Kui valada jahtunud vedel heelium klaasi põhja, voolab see sealt ikka mööda seinu välja. Tegelikult niikaua, kuni heelium on piisavalt jahutatud, ei ole selle väljavalgumisel piiranguid, olenemata anuma kujust või suurusest. 20. sajandi lõpus ja 21. sajandi alguses avastati teatud tingimustel ülevoolavus ka vesinikus ja erinevates gaasides. ( , video)
Kvanttunneldamine
1960. aastal viis Ivor Jayever läbi elektrikatseid ülijuhtidega, mis olid eraldatud mittejuhtivast alumiiniumoksiidist mikroskoopilise kilega. Selgus, et vastupidiselt füüsikale ja loogikale läbivad mõned elektronid siiski isolatsioonist. See kinnitas teooriat kvanttunneliefekti võimalikkuse kohta. See ei kehti ainult elektri, vaid ka mis tahes elementaarosakeste kohta, need on ka kvantfüüsika järgi lained. Nad võivad läbida takistusi, kui nende takistuste laius on väiksem kui osakese lainepikkus. Mida kitsam on takistus, seda sagedamini osakesed seda läbivad. ( , video)
Kvantpõimumine ja teleportatsioon
1982. aastal saatis füüsik Alain Aspe, tulevane Nobeli preemia laureaat, kaks samaaegselt loodud footonit vastandsuunalistele anduritele, et määrata nende pöörlemine (polarisatsioon). Selgus, et ühe footoni spinni mõõtmine mõjutab hetkega teise footoni spinni asendit, mis muutub vastupidiseks. Seega tõestati elementaarosakeste kvantpõimumise ja kvantteleportatsiooni võimalus. 2008. aastal suutsid teadlased mõõta kvantpõimunud footonite olekut 144 kilomeetri kauguselt ja nendevaheline interaktsioon oli endiselt hetkeline, justkui asuksid nad samas kohas või poleks ruumi. Arvatakse, et kui sellised kvantpõimunud footonid satuvad universumi vastandlikesse osadesse, on nendevaheline interaktsioon ikkagi hetkeline, kuigi valgusel kulub sama vahemaa läbimiseks kümneid miljardeid aastaid. See on uudishimulik, kuid Einsteini sõnul pole ka valguse kiirusel liikuvatel footonitel aega. Kas see on kokkusattumus? Tulevikufüüsikud nii ei arva! ( , video)
Quantum Zeno efekt ja aja peatumine
1989. aastal jälgis David Winelandi juhitud teadlaste rühm berülliumioonide ülemineku kiirust aatomitasemete vahel. Selgus, et juba ainuüksi ioonide oleku mõõtmise fakt aeglustas nende üleminekut olekute vahel. 21. sajandi alguses saavutati sarnases katses rubiidiumi aatomitega 30-kordne aeglustumine. Kõik see on kvant Zeno efekti kinnitus. Selle tähendus seisneb selles, et ebastabiilse osakese oleku mõõtmise fakt kvantfüüsikas aeglustab selle lagunemise kiirust ja teoreetiliselt võib selle täielikult peatada. ( , video inglise keeles)
Kvantkustutuskumm viivitusega valikuga
1999. aastal suunas Marlan Scali juhitud teadlaste meeskond footonid läbi kahe pilu, mille taga seisis prisma, mis muutis iga tekkiva footoni kvantpõimunud footoni paariks ja eraldas need kahte suunda. Esimene saatis footonid põhidetektorisse. Teine suund saatis footonid 50% reflektorite ja detektorite süsteemi. Selgus, et kui teisest suunast pärit footon jõudis detektoriteni, mis määrasid pilu, millest ta kiirgas, siis põhidetektor salvestas oma paaris footoni osakesena. Kui teisest suunast pärit footon jõudis detektoriteni, mis ei tuvastanud pilu, millest ta kiirgas, siis põhidetektor salvestas oma paaris footoni lainena. Mitte ainult ühe footoni mõõtmine ei peegeldanud selle kvantpõimunud paari, vaid see juhtus ka väljaspool kaugust ja aega, sest sekundaarne detektorsüsteem salvestas footonid põhilisest hiljem, justkui määraks tulevik mineviku. Arvatakse, et see on kõige uskumatum eksperiment mitte ainult kvantfüüsika, vaid ka kogu teaduse ajaloos, kuna see õõnestab paljusid maailmavaate tavalisi aluseid. ( , video inglise keeles)
Kvantsuperpositsioon ja Schrödingeri kass
2010. aastal asetas Aaron O'Connell väikese metallplaadi läbipaistmatusse vaakumkambrisse, mille jahutas peaaegu absoluutse nullini. Seejärel andis ta plaadile impulsi, nii et see vibreeris. Asendiandur näitas aga, et plaat vibreeris ja oli samaaegselt vaikne, mis vastas täpselt teoreetilisele kvantfüüsikale. See oli esimene kord, kui makroobjektide superpositsiooni põhimõte tõestati. Eraldatud tingimustes, kui kvantsüsteemide vahel puudub interaktsioon, võib objekt olla samaaegselt piiramatul arvul võimalikest positsioonidest, justkui poleks ta enam materjal. ( , video)
Quantum Cheshire'i kass ja füüsika
2014. aastal jagasid Tobias Denkmair ja tema kolleegid neutronkiire kaheks kiireks ja viisid läbi rea keerulisi mõõtmisi. Selgus, et teatud tingimustel võivad neutronid olla ühes ja nende magnetmoment teises kiires. Nii sai kinnitust Cheshire’i kassi naeratuse kvantparadoks, kui osakesed ja nende omadused võivad meie arusaama kohaselt olla erinevates ruumiosades nagu naeratus kassist eraldi muinasjutus “Alice Imedemaal”. Taaskord osutus kvantfüüsika salapärasemaks ja hämmastavamaks kui ükski muinasjutt! ( , video inglise keeles.)
Täname, et lugesite! Nüüd olete saanud natuke targemaks ja see muudab meie maailma pisut helgemaks. Jaga selle artikli linki oma sõpradega ja maailm muutub veelgi paremaks paigaks!
29.10.2016Hoolimata tänase teema kõlavusest ja salapärasusest, proovime sellest rääkida mida kvantfüüsika uurib, lihtsate sõnadega, millised kvantfüüsika harud toimuvad ja milleks on kvantfüüsikat põhimõtteliselt vaja.
Allpool pakutav materjal on kõigile arusaadav.
Enne kvantfüüsikat uurima hakkamist oleks paslik meenutada, kust see kõik alguse sai...
19. sajandi keskpaigaks hakkas inimkond tõsiselt uurima probleeme, mida klassikalise füüsika aparaadi abil oli võimatu lahendada.
Mitmed nähtused tundusid “veidrad”. Mõned küsimused ei leidnud üldse vastust.
1850. aastatel pakkus William Hamilton, et klassikaline mehaanika ei suuda valguskiirte liikumist täpselt kirjeldada, välja oma teooria, mis läks teaduse ajalukku postulaadil põhineva Hamiltoni-Jacobi formalismi nime all. valguse laineteooriast.
Šveitsi füüsik Johann Balmer tuletas 1885. aastal pärast sõbraga vaidlemist empiiriliselt valemi, mis võimaldas spektrijoonte lainepikkusi väga suure täpsusega arvutada.
Balmer ei suutnud selgitada tuvastatud mustrite põhjuseid.
1895. aastal avastas Wilhelm Roentgen katoodkiiri uurides kiirguse, mida ta nimetas röntgenkiirteks (hiljem ümber nimetatud kiirteks), mida iseloomustab võimas läbitungiv iseloom.
Aasta hiljem, 1896. aastal, avastas Henri Becquerel uraanisoolasid uurides sarnaste omadustega spontaanse kiirguse. Uut nähtust nimetati radioaktiivsuseks.
1899. aastal tõestati röntgenikiirguse laineline olemus.
Foto 1. Kvantfüüsika rajajad Max Planck, Erwin Schrödinger, Niels Bohr
Aastat 1901 tähistas Jean Perrini välja pakutud aatomi esimese planeedimudeli ilmumine. Paraku loobus teadlane ise sellest teooriast, leidmata sellele elektrodünaamika teooria seisukohast kinnitust.
Kaks aastat hiljem pakkus Jaapani teadlane Hantaro Nagaoka välja veel ühe aatomi planeedimudeli, mille keskel peaks olema positiivselt laetud osake, mille ümber elektronid orbiitidel pöörleksid.
See teooria aga ei võtnud arvesse elektronide kiirgavat kiirgust ega suutnud seetõttu näiteks spektrijoonte teooriat seletada.
Mõeldes aatomi struktuurile, tõlgendas Joseph Thomson 1904. aastal esmakordselt valentsi mõistet füüsikalisest vaatepunktist.
Kvantfüüsika sünniaastaks võib ehk tunnistada 1900. aastat, seostades sellega Max Plancki kõne Saksa füüsika koosolekul.
Just Planck pakkus välja teooria, mis ühendas paljusid seni erinevaid füüsikalisi mõisteid, valemeid ja teooriaid, sealhulgas Boltzmanni konstant, mis ühendab energiat ja temperatuuri, Avogadro arv, Wieni nihkeseadus, elektronlaeng, Boltzmanni kiirgusseadus...
Ta võttis kasutusele ka tegevuskvanti mõiste (teine – pärast Boltzmanni konstandit – põhikonstant).
Kvantfüüsika edasine areng on otseselt seotud Hendrik Lorentzi, Albert Einsteini, Ernst Rutherfordi, Arnold Sommerfeldi, Max Borni, Niels Bohri, Erwin Schrödingeri, Louis de Broglie, Werner Heisenbergi, Wolfgang Pauli, Paul Diraci, Enrico Fermi ja nimedega. paljud teised tähelepanuväärsed teadlased, kes töötasid 20. sajandi esimesel poolel.
Teadlastel õnnestus mõista enneolematu sügavusega elementaarosakeste olemust, uurida osakeste ja väljade vastasmõju, paljastada aine kvargi olemus, tuletada lainefunktsioon ning selgitada diskreetsuse (kvantimise) ja laine-osakeste duaalsuse põhimõisteid.
Kvantteooria, nagu ükski teine, on toonud inimkonna lähemale universumi põhiseaduste mõistmisele, asendanud tavapärased mõisted täpsematega ja sundinud meid ümber mõtlema tohutul hulgal füüsilisi mudeleid.
Mida uurib kvantfüüsika?
Kvantfüüsika kirjeldab aine omadusi mikronähtuste tasandil, uurides mikroobjektide (kvantobjektide) liikumisseadusi.
Kvantfüüsika õppeaine moodustavad kvantobjekte, mille mõõtmed on 10–8 cm või vähem. See:
- molekulid,
- aatomid,
- aatomi tuumad,
- elementaarosakesed.
Mikroobjektide peamised omadused on puhkemass ja elektrilaeng. Ühe elektroni mass (mina) on 9,1 10 −28 g.
Võrdluseks, müüoni mass on 207 me, neutron on 1839 me, prooton on 1836 me.
Mõnel osakesel puudub üldse puhkemass (neutriinod, footonid). Nende mass on 0 me.
Iga mikroobjekti elektrilaeng on elektroni laengu kordne, võrdne 1,6 × 10–19 C. Laetud objektide kõrval on neutraalsed mikroobjektid, mille laeng on null.
Foto 2. Kvantfüüsika on sundinud meid uuesti läbi vaatama traditsioonilisi vaateid lainete, väljade ja osakeste mõistetele
Kompleksse mikroobjekti elektrilaeng on võrdne selle koostises olevate osakeste laengute algebralise summaga.
Mikroobjektide omadused hõlmavad keerutada(sõna-sõnalt tõlgitud inglise keelest - "pöörama").
Tavaliselt tõlgendatakse seda kui kvantobjekti nurkmomenti, mis ei sõltu välistest tingimustest.
Päris maailmas on raske leida adekvaatset seljapilti. Seda ei saa selle kvantloomuse tõttu pidada vurruks. Klassikaline füüsika ei suuda seda objekti kirjeldada.
Spinni olemasolu mõjutab mikroobjektide käitumist.
Spinni olemasolu toob kaasa olulisi jooni mikromaailma objektide käitumises, millest enamik - ebastabiilsed objektid - laguneb spontaanselt, muutudes teisteks kvantobjektideks.
Stabiilsed mikroobjektid, mille hulka kuuluvad neutriinod, elektronid, footonid, prootonid, aga ka aatomid ja molekulid, on võimelised lagunema ainult võimsa energia mõjul.
Kvantfüüsika neelab täielikult klassikalise füüsika, pidades seda oma piiravaks juhtumiks.
Tegelikult on kvantfüüsika – laiemas mõttes – kaasaegne füüsika.
Seda, mida kvantfüüsika mikromaailmas kirjeldab, on võimatu tajuda. Seetõttu on paljusid kvantfüüsika sätteid raske ette kujutada, erinevalt klassikalises füüsikas kirjeldatud objektidest.
Sellest hoolimata on uued teooriad võimaldanud muuta meie ideid lainete ja osakeste, dünaamilise ja tõenäosusliku kirjeldamise, pideva ja diskreetse kohta.
Kvantfüüsika ei ole lihtsalt uudne teooria.
See on teooria, mis suutis ennustada ja seletada uskumatul hulgal nähtusi – alates aatomituumades toimuvatest protsessidest kuni makroskoopiliste mõjudeni avakosmoses.
Kvantfüüsika – erinevalt klassikalisest füüsikast – uurib mateeriat fundamentaalsel tasandil, andes tõlgendusi ümbritseva reaalsuse nähtustele, mida traditsiooniline füüsika ei suuda anda (näiteks miks aatomid püsivad stabiilsena või kas elementaarosakesed on tõesti elementaarsed).
Kvantteooria annab meile võimaluse kirjeldada maailma täpsemalt, kui oli aktsepteeritud enne selle algust.
Kvantfüüsika tähtsus
Teoreetilised arengud, mis moodustavad kvantfüüsika olemuse, on rakendatavad nii kujuteldamatult tohutute kosmoseobjektide kui ka äärmiselt väikeste elementaarosakeste uurimisel.
Kvantelektrodünaamika sukeldub meid footonite ja elektronide maailma, keskendudes nendevaheliste vastastikmõjude uurimisele.
Kondenseeritud aine kvantteooria süvendab meie teadmisi supervedelike, magnetite, vedelkristallide, amorfsete tahkete ainete, kristallide ja polümeeride kohta.
Foto 3. Kvantfüüsika on andnud inimkonnale palju täpsema kirjelduse meid ümbritsevast maailmast
Viimaste aastakümnete teadusuuringud on keskendunud elementaarosakeste kvarkide struktuuri uurimisele iseseisva kvantfüüsika haru raames - kvantkromodünaamika.
Mitterelativistlik kvantmehaanika(see, mis jääb väljapoole Einsteini relatiivsusteooria käsitlust) uurib suhteliselt väikese kiirusega (alla ) liikuvaid mikroskoopilisi objekte, molekulide ja aatomite omadusi, nende ehitust.
Kvantoptika tegeleb valguse kvantomaduste avaldumisega seotud faktide (fotokeemilised protsessid, termiline ja stimuleeritud kiirgus, fotoelektriline efekt) teadusliku uurimisega.
Kvantvälja teooria on ühendav osa, mis hõlmab relatiivsusteooria ja kvantmehaanika ideid.
Kvantfüüsika raames välja töötatud teaduslikud teooriad on andnud võimsa tõuke kvantelektroonika, tehnoloogia, tahkete ainete kvantteooria, materjaliteaduse ja kvantkeemia arengule.
Ilma nimetatud teadmusharude tekkimise ja arenguta oleks olnud võimatu luua kosmoselaevu, tuumajäälõhkujaid, mobiilsidet ja paljusid muid kasulikke leiutisi.
