Kvantinė fizika statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. kvantinė fizika vok. Quantenphysik, f rus. kvantinė fizika, f pranc. physique quantique, f ... Fizikos terminų žodynas
Šis terminas turi kitas reikšmes, žr. Stacionari būsena. Stacionarioji būsena (iš lot. stationarius stovi, nejuda) – tai kvantinės sistemos būsena, kurioje jos energija ir kiti dinaminiai ... Vikipedija
- ... Vikipedija
Jame yra šie poskyriai (sąrašas neišsamus): Kvantinė mechanika Algebrinė kvantinė teorija Kvantinė lauko teorija Kvantinė elektrodinamika Kvantinė chromodinamika Kvantinė termodinamika Kvantinė gravitacija Superstygų teorija Taip pat žiūrėkite... ... Wikipedia
Kvantinės mechanikos neapibrėžtumo principo įvadas ... Matematinė formuluotė ... Pagrindas ... Vikipedija
FIZIKA. 1. Fizikos dalykas ir struktūra F. mokslas, tiriantis paprasčiausią ir kartu naib. mus supančio materialaus pasaulio objektų bendrosios savybės ir judėjimo dėsniai. Dėl šio bendrumo nėra gamtos reiškinių, kurie neturėtų fizinių. savybės... Fizinė enciklopedija
Hiperbranduolių fizika – branduolio fizikos ir elementariųjų dalelių fizikos sandūroje esanti fizikos šaka, kurioje tiriama į branduolį panašios sistemos, kuriose, be protonų ir neutronų, yra ir kitų elementariųjų hiperonų dalelių. Taip pat ... ... Vikipedija
Fizikos šaka, tirianti dalelių dinamiką greitintuvuose, taip pat daugybę techninių problemų, susijusių su dalelių greitintuvų konstrukcija ir veikimu. Greitintuvo fizika apima klausimus, susijusius su dalelių gamyba ir kaupimu ... Vikipedija
Kristalų fizika Kristalų kristalografija Kristalų gardelė Kristalų gardelių tipai Difrakcija kristaluose Atvirkštinė gardelė Wigner Seitz ląstelė Brillouino zona Pagrindo struktūros faktorius Atominės sklaidos faktorius Ryšių rūšys ... ... Vikipedija
Kvantinė logika yra logikos dalis, reikalinga samprotauti apie sakinius, kuriuose atsižvelgiama į kvantinės teorijos principus. Šią tyrimų sritį 1936 m. įkūrė Garit Bierhof ir John von Neumann, kurie bandė ... ... Vikipedija
Knygos
- Kvantinė fizika, Martinsonas Leonidas Karlovičius. Išsamiai pristatoma kvantinės fizikos teorinė ir eksperimentinė medžiaga. Daug dėmesio skiriama pagrindinių kvantinių sąvokų fiziniam turiniui ir matematinei ...
- Kvantinė fizika, Sheddad Qaid-Sala Ferron. Visas mūsų pasaulis ir viskas, kas jame yra – namai, medžiai ir net žmonės! - susideda iš mažyčių dalelių. Knyga „Kvantinė fizika“ iš serijos „Pirmosios knygos apie mokslą“ pasakos apie nematomą mūsų ...
Mokslas
Kvantinė fizika veikia tirdama mažiausių mūsų visatos dalykų – subatominių dalelių – elgesį. Tai gana naujas mokslas, tik XX amžiaus pradžioje jis tokiu tapo po to, kai fizikai pradėjo domėtis klausimu, kodėl jie negali paaiškinti kai kurių radiacijos padarinių. Vienas iš to meto novatorių Maxas Planckas vartojo terminą „kvantai“, norėdamas tirti mažas daleles su energija, iš čia ir kilo pavadinimas „kvantinė fizika“. Planckas pažymėjo, kad elektronuose esantis energijos kiekis nėra savavališkas, bet atitinka „kvantinės“ energijos standartus. Vienas iš pirmųjų praktinio šių žinių taikymo rezultatų buvo tranzistoriaus išradimas.
Skirtingai nei nelankstūs standartinės fizikos dėsniai, kvantinės fizikos taisyklės gali būti pažeistos. Kai mokslininkai mano, kad jie susiduria su vienu materijos ir energijos tyrimo aspektu, atsiranda naujas įvykių posūkis, primenantis, koks nenuspėjamas gali būti darbas šioje srityje. Tačiau jie, net ir visiškai nesuvokdami, kas vyksta, savo darbo rezultatus gali panaudoti tobulėjimui naujų technologijų, kurias kartais galima pavadinti ne mažiau kaip fantastiškomis.
Ateityje kvantinė mechanika gali padėti saugoti karines paslaptis ir apsaugoti jūsų banko sąskaitą nuo kibernetinių vagių. Šiuo metu mokslininkai dirba su kvantiniais kompiuteriais, kurių galimybės gerokai viršija įprastą asmeninį kompiuterį. Padalinta į subatomines daleles daiktus galima lengvai perkelti iš vienos vietos į kitą akies mirksniu. Ir galbūt kvantinė fizika gali atsakyti į labiausiai intriguojantį klausimą apie tai, iš ko sudaryta visata ir kaip prasidėjo gyvybė.
Žemiau pateikiami faktai apie tai, kaip kvantinė fizika gali pakeisti pasaulį. Kaip sakė Nielsas Bohras: „Kiekvienas, kuris nėra sukrėstas kvantinės mechanikos, tiesiog nesupranta, kaip ji veikia“.
Turbulencijos valdymas
Netrukus galbūt kvantinės fizikos dėka bus galima panaikinti neramias zonas, dėl kurių lėktuve išsilieja sultys. Laboratorijoje sukūrę kvantinę turbulenciją itin šaltuose dujų atomuose, Brazilijos mokslininkai gali suprasti turbulentines zonas, su kuriomis susiduria lėktuvai ir laivai. Šimtmečius turbulencija glumino mokslininkus, nes sunku ją pakartoti laboratorijoje.
Turbulenciją sukelia dujų ar skysčio dėmės, tačiau gamtoje ji susidaro atsitiktinai ir netikėtai. Nors turbulentinės zonos gali susidaryti vandenyje ir ore, mokslininkai nustatė, kad jos gali susidaryti ir esant itin šaltiems dujų atomams ar superskystam heliui. Tyrinėdami šį reiškinį kontroliuojamomis laboratorinėmis sąlygomis, mokslininkai vieną dieną galės tiksliai numatyti, kur atsiras neramios zonos, ir galbūt jas kontroliuoti gamtoje.
Spintronika
MIT sukurtas naujas magnetinis puslaidininkis ateityje galėtų sukurti dar greitesnį energiją taupantį elektroninį įrenginį. Ši technologija, vadinama spintronika, naudoja elektronų sukimosi būseną informacijai perduoti ir saugoti. Nors įprastos elektroninės grandinės naudoja tik elektrono įkrovos būseną, spintronika pasinaudoja elektrono sukimosi kryptimi.
Informacijos apdorojimas naudojant spintronines grandines leis kaupti duomenis iš dviejų krypčių vienu metu, o tai taip pat sumažins elektroninių grandinių dydį. Ši nauja medžiaga implantuoja elektroną į puslaidininkį pagal jo sukimosi orientaciją. Elektronai praeina per puslaidininkį ir tampa pasiruošę būti sukimosi detektoriais išėjimo pusėje. Mokslininkai teigia, kad naujieji puslaidininkiai gali veikti kambario temperatūroje ir yra optiškai skaidrūs, o tai reiškia, kad jie gali dirbti su jutikliniais ekranais ir saulės baterijomis. Jie taip pat mano, kad tai padės išradėjams sukurti dar daugiau funkcijų turinčių įrenginių.
Lygiagretūs pasauliai
Ar kada susimąstėte, koks būtų mūsų gyvenimas, jei turėtume galimybę keliauti laiku? Ar nužudytumėte Hitlerį? O gal prisijungtumėte prie romėnų legionų ir pamatytumėte senovės pasaulį? Vis dėlto, nors visi fantazuojame apie tai, ką darytume, jei turėtume galimybę sugrįžti į praeitį, Kalifornijos universiteto Santa Barbaros mokslininkai jau atveria kelią atstatyti praėjusių metų pyktį.
2010 m. eksperimento metu mokslininkai sugebėjo įrodyti, kad objektas vienu metu gali egzistuoti dviejuose skirtinguose pasauliuose. Jie išskyrė nedidelį metalo gabalėlį ir ypatingomis sąlygomis nustatė, kad jis judėjo ir stovėjo tuo pačiu metu. Tačiau kažkas gali laikyti šį stebėjimą kliedesiniu, kurį sukelia pervargimas, tačiau fizikai teigia, kad objekto stebėjimai tikrai parodo, kad jis Visatoje skyla į dvi dalis – vieną iš jų matome, o kitą ne. Paralelinių pasaulių teorijos vieningai teigia, kad absoliučiai bet koks objektas suyra.
Dabar mokslininkai bando išsiaiškinti, kaip „peršokti“ irimo akimirką ir patekti į pasaulį, kurio nematome. Ši kelionė į lygiagrečias visatas laike teoriškai turėtų veikti, nes kvantinės dalelės laike juda ir pirmyn, ir atgal. Dabar mokslininkams belieka sukurti laiko mašiną naudojant kvantines daleles.
Kvantiniai taškai
Netrukus kvantiniai fizikai galės padėti gydytojams aptikti vėžines ląsteles organizme ir tiksliai nustatyti, kur jos išplito. Mokslininkai išsiaiškino, kad kai kurie maži puslaidininkiniai kristalai, vadinami kvantiniais taškais, gali švytėti veikiami ultravioletinių spindulių, be to, jie buvo nufotografuoti naudojant specialų mikroskopą. Tada jie buvo derinami su specialia medžiaga, „patrauklia“ vėžinėms ląstelėms. Į kūną patekę šviečiantys kvantiniai taškai patraukė vėžines ląsteles, taip tiksliai parodydami gydytojams, kur ieškoti. Švytėjimas tęsiasi gana ilgai, o mokslininkams taškų koregavimo procesas pagal tam tikros rūšies vėžio ypatybes yra gana paprastas.
Nors aukštųjų technologijų mokslas neabejotinai yra atsakingas už daugelį medicinos pažangos, žmonės šimtmečius buvo priklausomi nuo daugelio kitų kovos su ligomis priemonių.
Malda
Sunku įsivaizduoti, ką bendro galėtų turėti indėnas, gydantis šamanas ir kvantinės fizikos pradininkai. Tačiau tarp jų vis tiek yra kažkas bendro. Nielsas Bohras, vienas iš pirmųjų šios keistos mokslo srities tyrinėtojų, manė, kad didžioji dalis to, ką vadiname tikrove, priklauso nuo „stebėtojo efekto“, ty santykio tarp to, kas vyksta, ir to, kaip mes tai matome. Ši tema sukėlė rimtų diskusijų tarp kvantinės fizikos specialistų, tačiau daugiau nei prieš pusę amžiaus Bohro atliktas eksperimentas patvirtino jo prielaidą.
Visa tai reiškia, kad mūsų sąmonė veikia tikrovę ir gali ją pakeisti. Pasikartojantys maldos žodžiai ir šamano gydytojo ceremonijos ritualai gali būti bandymai pakeisti tikrovę kuriančios „bangos“ kryptį. Dauguma ceremonijų taip pat atliekamos dalyvaujant daugybei stebėtojų, o tai rodo, kad kuo daugiau „gydymo bangų“ sklinda iš stebėtojų, tuo stipriau jos veikia tikrovę.
Daiktų ryšys
Objektų sujungimas gali dar labiau paveikti saulės energiją. Objektų tarpusavio ryšys reiškia kvantinę atomų, atskirtų realioje fizinėje erdvėje, tarpusavio priklausomybę. Fizikai mano, kad augalų dalyse, atsakingose už fotosintezę arba šviesos pavertimą energija, gali susidaryti tarpusavio ryšiai. Už fotosintezę atsakingos struktūros – chromoforai, 95 procentus gaunamos šviesos gali paversti energija.
Mokslininkai dabar tiria, kaip šis kvantinio lygmens ryšys gali turėti įtakos saulės energijos kūrimui, tikėdamiesi sukurti efektyvius natūralius saulės elementus. Jie taip pat nustatė, kad dumbliai gali panaudoti kai kurias kvantinės mechanikos nuostatas, kad galėtų perkelti iš šviesos gaunamą energiją, taip pat laikyti ją dviejose vietose tuo pačiu metu.
Kvantinė kompiuterija
Kitas ne mažiau svarbus kvantinės fizikos aspektas gali būti pritaikytas kompiuterio lauke, kur specialus superlaidžio elemento tipas suteikia kompiuteriui precedento neturintį greitį ir galią. Tyrėjai aiškina, kad elementas elgiasi kaip dirbtiniai atomai, nes jie gali gauti arba prarasti energiją tik judėdami tarp atskirų energijos lygių. Sudėtingiausias atomas turi penkis energijos lygius. Ši sudėtinga sistema („kudit“) turi didelių pranašumų, palyginti su ankstesnių atomų, kurie turėjo tik du energijos lygius („qubit“), darbą. Kubitai ir kubitai yra standartiniuose kompiuteriuose naudojamų bitų dalis. Kvantiniai kompiuteriai savo darbe naudos kvantinės mechanikos principus, kurie leis atlikti skaičiavimus daug greičiau ir tiksliau nei tradiciniai kompiuteriai.
Tačiau yra problema, kuri gali iškilti, jei kvantinis kompiuteris taps realybe – kriptografija arba informacijos kodavimas.
Kvantinė kriptografija
Visa informacija – nuo jūsų kredito kortelės numerio iki itin slaptų karinių strategijų – yra internete, o įgudęs įsilaužėlis, turintis pakankamai žinių ir galingą kompiuterį, gali ištuštinti jūsų banko sąskaitą arba kelti pavojų pasaulio saugumui. Specialus kodavimas šią informaciją saugo paslaptyje, o kompiuterių specialistai nuolat kuria naujus, saugesnius kodavimo būdus.
Informacijos kodavimas vienoje šviesos dalelėje (fotone) jau seniai buvo kvantinės kriptografijos tikslas. Atrodė, kad Toronto universiteto mokslininkai jau buvo labai arti šio metodo sukūrimo, nes jiems pavyko užkoduoti vaizdo įrašą. Šifravimas apima nulių ir vienetų eilutes, kurios yra „raktas“. Vieną kartą pridėjus raktą informacija užkoduojama, pridėjus dar kartą, iššifruojama. Jei nepažįstamam žmogui pavyksta gauti raktą, informacija gali būti nulaužta. Bet net jei raktai naudojami kvantiniu lygiu, pats jų naudojimo faktas tikrai reikš, kad įsilaužėlis yra.
Teleportacija
Tai mokslinė fantastika, nieko daugiau. Tačiau tai buvo atlikta, bet ne dalyvaujant žmonėms, o dalyvaujant didelėms molekulėms. Tačiau čia ir slypi problema. Kiekviena žmogaus kūno molekulė turi būti nuskaityta iš dviejų pusių. Tačiau vargu ar tai įvyks artimiausiu metu. Yra ir kita problema: kai tik nuskenuoji dalelę, pagal kvantinės fizikos dėsnius, ją pakeičiate, tai yra negalite padaryti tikslios kopijos.
Čia atsiranda objektų tarpusavio ryšys. Jis sujungia du objektus, tarsi jie būtų vienas. Mes nuskaitysime vieną dalelės pusę, o kita pusė padarys teleportuojamą kopiją. Tai bus tiksli kopija, nes mes matavome ne pačios dalelės, o jos atitikmenį. Tai reiškia, kad dalelė, kurią išmatavome, bus sunaikinta, tačiau tiksli jos kopija bus atgaivinta dviguba.
Dievo dalelės
Mokslininkai naudoja labai didžiulį savo kūrinį – Didįjį hadronų greitintuvą – norėdami ištirti kai ką itin mažo, bet labai svarbaus – pagrindines daleles, kurios, kaip manoma, yra mūsų visatos atsiradimo pagrindas.
Pasak mokslininkų, Dievo dalelės suteikia masę elementarioms dalelėms (elektronams, kvarkams ir gliuonams). Ekspertai mano, kad Dievo dalelės turėtų persmelkti visą erdvę, tačiau kol kas šių dalelių egzistavimas neįrodytas.
Šių dalelių radimas padėtų fizikams suprasti, kaip visata atsigavo po Didžiojo sprogimo ir pavirto į tai, ką apie ją žinome šiandien. Tai taip pat padėtų paaiškinti, kaip materija balansuoja su antimedžiaga. Trumpai tariant, šių dalelių išskyrimas padės viską paaiškinti.
WikiHow veikia kaip wiki, o tai reiškia, kad daugelis mūsų straipsnių yra parašyti kelių autorių. Norėdami sukurti šį straipsnį, 11 žmonių, kai kurie anoniminiai, laikui bėgant stengėsi jį redaguoti ir tobulinti.
Kvantinė fizika (dar žinoma kaip kvantinė teorija arba kvantinė mechanika) yra atskira fizikos šaka, nagrinėjanti medžiagos ir energijos elgsenos ir sąveikos aprašymą elementariųjų dalelių, fotonų ir kai kurių medžiagų lygmenyje esant labai žemai temperatūrai. Kvantinis laukas apibrėžiamas kaip dalelės „veiksmas“ (arba kai kuriais atvejais kampinis impulsas), kurio dydis neviršija mažos fizinės konstantos, vadinamos Planko konstanta.
Žingsniai
Plancko konstanta
- Pavyzdžiui, elektrono, prijungto prie atomo ar molekulės, kampinis impulsas yra kvantuojamas ir gali įgyti tik tokias vertes, kurios yra sumažintos Plancko konstantos kartotinės. Šis kvantavimas padidina elektrono orbitą sveikojo pirminio kvantinio skaičiaus serija. Priešingai, netoliese esančių nesurištų elektronų kampinis impulsas nėra kvantuojamas. Planko konstanta taip pat naudojama kvantinėje šviesos teorijoje, kur fotonas yra šviesos kvantas, o materija sąveikauja su energija per elektronų perėjimą tarp atomų arba surišto elektrono „kvantinį šuolį“.
- Planko konstantos vienetai taip pat gali būti vertinami kaip energijos momento laikas. Pavyzdžiui, dalelių fizikos srityje virtualios dalelės vaizduojamos kaip dalelių masė, kuri spontaniškai išnyra iš vakuumo labai mažame plote ir atlieka tam tikrą vaidmenį jų sąveikoje. Šių virtualių dalelių gyvenimo trukmė yra kiekvienos dalelės energija (masė). Kvantinė mechanika turi didelę dalykinę sritį, tačiau Planko konstanta yra kiekvienoje matematinėje jos dalyje.
-
Sužinokite apie sunkiąsias daleles. Sunkiosios dalelės pereina nuo klasikinės prie kvantinės energijos. Net jei laisvasis elektronas, turintis tam tikrų kvantinių savybių (pavyzdžiui, sukimasis), kaip nesurištas elektronas artėja prie atomo ir sulėtėja (galbūt dėl fotonų emisijos iš jo), jis pereina nuo klasikinio prie kvantinio elgesio, nes energija nukrenta žemiau jonizacijos energijos. Elektronas jungiasi prie atomo, o jo kampinį impulsą atomo branduolio atžvilgiu riboja jo galinčios užimti orbitos kvantinė vertė. Šis perėjimas yra staigus. Jis gali būti lyginamas su mechanine sistema, kuri keičia savo būseną iš nestabilios į stabilią, arba jos elgesys keičiasi iš paprastos į chaotišką, arba netgi su raketiniu laivu, kuris sulėtėja ir eina žemiau atsiskyrimo greičio ir užima skrieja aplink kokią nors žvaigždę ar kitą dangaus objektą. Priešingai, fotonai (kurie yra nesvarūs) tokio perėjimo nevykdo: jie tiesiog kerta erdvę nepakitę, kol sąveikauja su kitomis dalelėmis ir išnyksta. Jei pažvelgsite į naktinį dangų, kai kurių žvaigždžių fotonai skraido nepakitę ilgus šviesmečius, tada sąveikauja su elektronu, esančiu jūsų tinklainėje esančioje molekulėje, išskirdami savo energiją ir tada išnyksta.
Pradėkite mokydami apie fizinę Planko konstantos sampratą. Kvantinėje mechanikoje Planko konstanta yra veiksmo kvantas, žymimas kaip h... Panašiai sąveikaujančioms elementarioms dalelėms – kvantinis kampinis pagreitis yra redukuota Plancko konstanta (Planko konstanta padalyta iš 2 π) žymima kaip ħ ir vadinamas „h su juosta“. Planko konstantos reikšmė itin maža, ji sujungia tuos impulso momentus ir veiksmų pavadinimus, kurie turi bendresnę matematinę sampratą. vardas Kvantinė mechanika reiškia, kad kai kurie fiziniai dydžiai, tokie kaip kampinis momentas, gali tik keistis diskretiškai o ne nuolatinis ( cm. analoginis) būdas.
1803 m. Tomas Jungas nukreipė šviesos spindulį į nepermatomą ekraną su dviem plyšiais. Vietoj tikėtinų dviejų šviesos ruožų projekciniame ekrane jis pamatė keletą ruoželių, tarsi būtų trukdžiai (persidengę) dvi šviesos bangos iš kiekvienos plyšio. Tiesą sakant, būtent šiuo momentu gimė kvantinė fizika, tiksliau, jos įkūrimo klausimai. XX ir XXI amžiuje buvo įrodyta, kad ne tik šviesa, bet bet kuri elementari dalelė ir net kai kurios molekulės elgiasi kaip banga, kaip kvantai, tarsi vienu metu pereitų per abu plyšius. Tačiau jei prie plyšių pastatysite jutiklį, kuris nustato, kas tiksliai vyksta su dalele šioje vietoje ir pro kurią plyšį ji vis tiek praeina, tada projekciniame ekrane atsiranda tik dvi juostelės, tarsi stebėjimo faktas (netiesioginė įtaka) sunaikina bangų funkciją ir objektas elgiasi kaip materija. ( vaizdo įrašą)
Heisenbergo neapibrėžtumo principas – kvantinės fizikos pagrindas!
1927 m. atradimo dėka tūkstančiai mokslininkų ir studentų pakartoja tą patį paprastą eksperimentą, siųsdami lazerio spindulį per siaurėjantį plyšį. Logiškai mąstant, projekciniame ekrane matomas lazerio pėdsakas siaurėja ir jau sumažėjus tarpui. Tačiau tam tikru momentu, kai tarpas tampa pakankamai siauras, lazerio taškas staiga pradeda platėti ir platėti, driekiasi per visą ekraną ir blėsta, kol tarpas išnyksta. Tai yra akivaizdžiausias kvantinės fizikos kvintesencijos įrodymas – Wernerio Heisenbergo, išskirtinio teorinio fiziko, neapibrėžtumo principas. Jos esmė ta, kad kuo tiksliau nustatome vieną iš porinių kvantinės sistemos charakteristikų, tuo neapibrėžtesnė tampa antroji charakteristika. Šiuo atveju kuo tiksliau pagal siaurėjantį plyšį nustatome lazerio fotonų koordinates, tuo neapibrėžtesnis tampa šių fotonų impulsas. Makrokosmose taip pat galime išmatuoti tikslią skrendančio kardo vietą jį paėmę arba jo kryptį, bet ne tuo pačiu metu, nes tai prieštarauja vienas kitam ir trukdo vienas kitam. (, vaizdo įrašą)
Kvantinis superlaidumas ir Meisnerio efektas
1933 metais Walteris Meissneris atrado įdomų reiškinį kvantinėje fizikoje: superlaidininke, atšaldytame iki minimalios temperatūros, iš jo išstumiamas magnetinis laukas. Šis reiškinys vadinamas Meisnerio efektu. Jei ant aliuminio (ar kito superlaidininko) uždedamas paprastas magnetas ir atšaldomas skystu azotu, magnetas pakils ir pakils ore, nes „matys“ savo tokio paties poliškumo magnetinį lauką, išstumtą iš atvėsusio aliuminio. , ir tos pačios magnetų pusės yra atstumiamos ... (, vaizdo įrašą)
Kvantinis supertakumas
1938 metais Piotras Kapitsa skystą helią atšaldė iki artimos nuliui temperatūros ir nustatė, kad medžiaga prarado klampumą. Šis reiškinys kvantinėje fizikoje vadinamas superskysčiu. Jei ant stiklinės dugno bus pilamas atvėsęs skystas helis, jis vis tiek ištekės iš jos palei sienas. Tiesą sakant, tol, kol helis pakankamai atvėsęs, išsiliejimui nėra jokių apribojimų, nesvarbu, kokia talpyklos forma ar dydis. XX amžiaus pabaigoje ir 21 amžiaus pradžioje superskystas tam tikromis sąlygomis buvo aptiktas ir vandenilyje bei įvairiose dujose. (, vaizdo įrašą)
Kvantinis tunelis
1960 metais Ivoras Gayeveris atliko elektrinius eksperimentus su superlaidininkais, atskirtais mikroskopine nelaidžio aliuminio oksido plėvele. Paaiškėjo, kad, priešingai nei fizika ir logika, dalis elektronų vis tiek praeina pro izoliaciją. Tai patvirtino teoriją apie kvantinio tunelio efekto galimybę. Tai taikoma ne tik elektrai, bet ir bet kokioms elementarioms dalelėms, jos pagal kvantinę fiziką taip pat yra bangos. Jie gali pereiti kliūtis, jei šių kliūčių plotis yra mažesnis už dalelės bangos ilgį. Kuo siauresnė kliūtis, tuo dažniau pro jas prasiskverbia dalelės. (, vaizdo įrašą)
Kvantinis įsipainiojimas ir teleportacija
1982 m. fizikas Alainas Aspe, būsimasis Nobelio premijos laureatas, nusiuntė du vienu metu sukurtus fotonus į daugiakrypčius jutiklius, kad nustatytų jų sukimąsi (poliarizaciją). Paaiškėjo, kad vieno fotono sukimosi matavimas akimirksniu paveikia antrojo fotono sukimosi padėtį, kuri tampa priešinga. Taigi buvo įrodyta elementariųjų dalelių kvantinio įsipainiojimo ir kvantinės teleportacijos galimybė. 2008 metais mokslininkams pavyko išmatuoti kvantiniu būdu susipynusių fotonų būseną 144 kilometrų atstumu ir jų sąveika vis tiek pasirodė esanti momentinė, tarsi jie būtų toje pačioje vietoje arba nebūtų erdvės. Manoma, kad jei tokie kvantiškai susipynę fotonai atsidurs priešingose visatos dalyse, tai jų sąveika vis tiek bus momentinė, nors šviesa tą patį atstumą įveikia per keliasdešimt milijardų metų. Įdomu tai, kad, pasak Einšteino, fotonams, keliaujantiems šviesos greičiu, nėra laiko. Ar tai sutapimas? Ateities fizikai taip nemano! (, vaizdo įrašą)
Kvantinis Zeno efektas ir laiko sustojimas
1989 m. mokslininkų grupė, vadovaujama Davido Winelando, stebėjo, kokiu greičiu berilio jonai pereina tarp atominių lygių. Paaiškėjo, kad pats jonų būsenos matavimo faktas sulėtino jų perėjimą tarp būsenų. XXI amžiaus pradžioje atliekant panašų eksperimentą su rubidžio atomais pavyko pasiekti 30 kartų sulėtėjimą. Visa tai yra kvantinio Zeno efekto patvirtinimas. Jo prasmė ta, kad pats nestabilios dalelės būsenos matavimo faktas kvantinėje fizikoje sulėtina jos skilimo greitį ir teoriškai gali jį visiškai sustabdyti. (, Angliškas vaizdo įrašas)
Atidėtas kvantinis trintukas
1999 metais Marlano Scali vadovaujama mokslininkų komanda nukreipė fotonus per du plyšius, už kurių stovėjo prizmė, paverčianti kiekvieną išeinantį fotoną į kvantiniu būdu susipynusių fotonų pora ir padalijanti juos dviem kryptimis. Pirmasis išsiuntė fotonus į pagrindinį detektorių. Antroji kryptis siuntė fotonus į 50% atšvaitų ir detektorių sistemą. Paaiškėjo, kad jei fotonas iš antrosios krypties pasiekė detektorius, apibrėžiančius plyšį, iš kurio jis išskrido, tada pagrindinis detektorius užfiksavo jo suporuotą fotoną kaip dalelę. Jei fotonas iš antrosios krypties pasiekė detektorius, kurie nenustatė plyšio, iš kurio jis išskrido, tai pagrindinis detektorius savo suporuotą fotoną užfiksavo kaip bangą. Ne tik vieno fotono matavimas atsispindėjo jo kvantinėje poroje, bet tai atsitiko ir už atstumo ir laiko ribų, nes antrinė detektorių sistema fotonus fiksavo vėliau nei pagrindinė, tarsi ateitis nulemtų praeitį. Manoma, kad tai yra pats neįtikėtiniausias eksperimentas ne tik kvantinės fizikos, bet ir viso mokslo istorijoje, nes jis griauna daugelį įprastų pasaulėžiūros pagrindų. (, Angliškas vaizdo įrašas)
Kvantinė superpozicija ir Šriodingerio katė
2010 m. Aaronas O'Connellas įdėjo nedidelę metalinę plokštelę į nepermatomą vakuuminę kamerą, kurią atvėsino iki beveik absoliutaus nulio. Tada jis davė impulsą lėkštei vibruoti. Tačiau padėties jutiklis parodė, kad plokštė vibravo ir tuo pat metu buvo tyli, o tai tiksliai atitiko teorinę kvantinę fiziką. Tai buvo pirmasis, kuris įrodė superpozicijos principą makroobjektuose. Izoliuotomis sąlygomis, kai nėra kvantinių sistemų sąveikos, objektas vienu metu gali būti neribotame skaičiuje bet kokių galimų pozicijų, tarsi jis nebebūtų materialus. (, vaizdo įrašą)
Kvantinė Češyro katė ir fizika
2014 m. Tobias Denkmire ir jo kolegos neutronų srautą padalijo į du pluoštus ir atliko sudėtingų matavimų seriją. Paaiškėjo, kad tam tikromis aplinkybėmis neutronai gali būti viename pluošte, o jų magnetinis momentas – kitame pluošte. Taip pasitvirtino Češyro katės šypsenos kvantinis paradoksas, kai dalelės ir jų savybės, mūsų suvokimu, gali būti skirtingose erdvės vietose, tarsi pasakoje „Alisa stebuklų šalyje“ atskirta nuo katės šypsena. Dar kartą kvantinė fizika pasirodė paslaptingesnė ir labiau stebinanti nei bet kuri pasaka! (, video angliškai.)
Ačiū, kad skaitėte! Dabar jūs tapote šiek tiek protingesni, ir nuo to mūsų pasaulis šiek tiek pašviesėjo. Pasidalinkite šio straipsnio nuoroda su draugais ir pasaulis taps dar geresnis!
29.10.2016Nepaisant šiandienos temos skambumo ir paslaptingumo, mes stengsimės tai pasakyti ką tiria kvantinė fizika, paprastais žodžiais tariant, kokie kvantinės fizikos skyriai turi būti ir kam iš esmės reikalinga kvantinė fizika.
Toliau pateikta medžiaga yra prieinama visiems.
Prieš kalbant apie kvantinės fizikos studijas, derėtų prisiminti, kaip viskas prasidėjo...
Iki XIX amžiaus vidurio žmonija ėmė nagrinėti problemas, kurių nepavyko išspręsti naudojant klasikinės fizikos aparatą.
Nemažai reiškinių atrodė „keistai“. Į atskirus klausimus atsakymo niekaip nepavyko.
1850-aisiais Williamas Hamiltonas, manydamas, kad klasikinė mechanika negali tiksliai apibūdinti šviesos spindulių judėjimo, siūlo savo teoriją, kuri į mokslo istoriją įėjo Hamiltono-Jacobi formalizmo pavadinimu, kuris buvo pagrįstas. šviesos bangų teorijos postulatas.
1885 m., ginčydamasis su draugu, šveicarų fizikas Johanas Balmeris išvedė empirinę formulę, kuri leido labai tiksliai apskaičiuoti spektrinių linijų bangos ilgius.
Balmeris tuo metu negalėjo paaiškinti atskleistų modelių priežasčių.
1895 m. Wilhelmas Rentgenas, tyrinėdamas katodinius spindulius, atrado spinduliuotę, kurią pavadino rentgeno spinduliais (vėliau pervadinta į spindulius), pasižyminčią galingu skvarbiu pobūdžiu.
Po metų, 1896 m., Henri Becquerel, tyrinėdamas urano druskas, atrado spontanišką spinduliuotę su panašiomis savybėmis. Naujasis reiškinys buvo vadinamas radioaktyvumu.
1899 metais buvo įrodytas rentgeno spindulių banginis pobūdis.
1 nuotrauka. Kvantinės fizikos pradininkai Maxas Planckas, Erwinas Schrödingeris, Nielsas Bohras
1901 m. atsirado pirmasis planetinis atomo modelis, kurį pasiūlė Jeanas Perrinas. Deja, pats mokslininkas šios teorijos atsisakė, neradęs jai patvirtinimo elektrodinamikos teorijos požiūriu.
Po dvejų metų mokslininkas iš Japonijos Hantaro Nagaoka pasiūlė kitą planetinį atomo modelį, kurio centre turėtų būti teigiamai įkrauta dalelė, aplink kurią orbitomis suktųsi elektronai.
Tačiau ši teorija neatsižvelgė į elektronų skleidžiamą spinduliuotę, todėl negalėjo, pavyzdžiui, paaiškinti spektrinių linijų teorijos.
Apmąstydamas atomo struktūrą, 1904 m. Josephas Thomsonas pirmą kartą išaiškino valentingumo sąvoką fiziniu požiūriu.
Kvantinės fizikos gimimo metai, ko gero, gali būti pripažinti 1900-aisiais, susiejant su jais Maxo Plancko kalbą Vokietijos fizikų susirinkime.
Planckas pasiūlė teoriją, kuri sujungė daugybę iki šiol skirtingų fizinių sąvokų, formulių ir teorijų, įskaitant Boltzmanno konstantą, jungiančią energiją ir temperatūrą, Avogadro skaičių, Wieno poslinkio dėsnį, elektronų krūvį, Boltzmanno spinduliuotės dėsnį...
Jis taip pat pristatė veiksmo kvanto sąvoką (antroji, po Boltzmanno konstantos, yra pagrindinė konstanta).
Tolesnė kvantinės fizikos raida yra tiesiogiai susijusi su Hendriko Lorentzo, Alberto Einsteino, Ernsto Rutherfordo, Arnoldo Sommerfeldo, Maxo Borno, Nielso Bohro, Erwino Schrödingerio, Louis de Broglie, Wernerio Heisenbergo, Wolfgango Pauli, Paulo Diraco ir daugelio kitų vardais. pirmoje pusėje dirbusių XX a.
Mokslininkams pavyko sužinoti neregėto gylio elementariųjų dalelių prigimtį, ištirti dalelių ir laukų sąveiką, atskleisti materijos kvarkinę prigimtį, išvesti bangų funkciją, paaiškinti pagrindines diskretiškumo (kvantavimo) ir bangos-dalelių dvilypumo sąvokas.
Kvantinė teorija, kaip niekas kitas, priartino žmoniją prie pagrindinių visatos dėsnių supratimo, pakeitė įprastas sąvokas tikslesnėmis, privertė permąstyti daugybę fizinių modelių.
Ką tiria kvantinė fizika?
Kvantinė fizika aprašo medžiagos savybes mikroreiškinių lygmenyje, tyrinėdama mikroobjektų (kvantinių objektų) judėjimo dėsnius.
Kvantinės fizikos studijų dalykas sudaro kvantinius objektus, kurių matmenys yra 10–8 cm ar mažesni. Tai:
- molekulės,
- atomai,
- atomų branduoliai,
- elementariosios dalelės.
Pagrindinės mikroobjektų charakteristikos yra ramybės masė ir elektros krūvis. Vieno elektrono (me) masė yra 9,1 10 −28 g.
Palyginimui, miuono masė yra 207 me, neutrono - 1839 me, protono - 1836 me.
Kai kurios dalelės visiškai neturi ramybės masės (neutrinas, fotonas). Jų masė yra 0 me.
Bet kurio mikroobjekto elektrinis krūvis yra elektronų krūvio kartotinis, lygus 1,6 · 10 -19 C. Kartu su įkrautais yra neutralūs mikroobjektai, kurių krūvis lygus nuliui.
2 nuotrauka. Kvantinė fizika privertė persvarstyti tradicinius požiūrius į bangų, laukų ir dalelių sąvokas
Sudėtingo mikroobjekto elektrinis krūvis yra lygus jį sudarančių dalelių krūvių algebrinei sumai.
Mikroobjektų savybės apima suktis(pažodžiui išvertus iš anglų kalbos – „sukti“).
Paprastai jis interpretuojamas kaip kvantinio objekto kampinis impulsas, kuris nepriklauso nuo išorinių sąlygų.
Nugara sunku rasti tinkamą vaizdą realiame pasaulyje. Dėl savo kvantinės prigimties jis negali būti laikomas besisukančiu. Klasikinė fizika negali apibūdinti šio objekto.
Sukimosi buvimas turi įtakos mikroobjektų elgsenai.
Sukimo buvimas įveda reikšmingų ypatybių į mikropasaulio objektų elgseną, kurių dauguma - nestabilūs objektai - spontaniškai suyra, virsdami kitais kvantiniais objektais.
Stabilūs mikroobjektai, tarp kurių yra neutrinai, elektronai, fotonai, protonai, taip pat atomai ir molekulės, gali irti tik veikiami galingos energijos.
Kvantinė fizika visiškai sugeria klasikinę fiziką, laikydama ją ribojančiu atveju.
Tiesą sakant, kvantinė fizika plačiąja prasme yra šiuolaikinė fizika.
Neįmanoma suvokti, ką kvantinė fizika aprašo mikrokosmose. Dėl šios priežasties, priešingai nei klasikinės fizikos aprašyti objektai, sunku įsivaizduoti daugelį kvantinės fizikos nuostatų.
Nepaisant to, naujos teorijos leido pakeisti mūsų idėjas apie bangas ir daleles, apie dinaminį ir tikimybinį aprašymą, apie nuolatinį ir diskretišką.
Kvantinė fizika nėra tik išgalvota teorija.
Tai teorija, kuri sugebėjo nuspėti ir paaiškinti neįtikėtinai daug reiškinių – nuo atomų branduoliuose vykstančių procesų iki makroskopinių efektų kosminėje erdvėje.
Kvantinė fizika, skirtingai nei klasikinė fizika, tiria materiją fundamentaliame lygmenyje, pateikdama supančios tikrovės reiškinių interpretacijas, kurių tradicinė fizika nepajėgi duoti (pavyzdžiui, kodėl atomai išlieka stabilūs, ar elementariosios dalelės tikrai yra elementarios).
Kvantinė teorija suteikia mums galimybę apibūdinti pasaulį tiksliau, nei buvo priimta prieš jos atsiradimą.
Kvantinės fizikos svarba
Teoriniai pokyčiai, sudarantys kvantinės fizikos esmę, yra taikomi tiek neįsivaizduojamai didžiulių kosminių objektų, tiek itin mažų elementariųjų dalelių tyrimams.
Kvantinė elektrodinamika panardina mus į fotonų ir elektronų pasaulį, daugiausia dėmesio skiriant jų sąveikos tyrimui.
Kondensuotos medžiagos kvantinė teorija pagilina žinias apie superskysčius, magnetus, skystuosius kristalus, amorfines kietąsias medžiagas, kristalus ir polimerus.
3 nuotrauka. Kvantinė fizika suteikė žmonijai daug tikslesnį mus supančio pasaulio aprašymą.
Pastarųjų dešimtmečių moksliniai tyrimai buvo sutelkti į elementariųjų dalelių kvarko struktūros tyrimą nepriklausomoje kvantinės fizikos šakoje. kvantinė chromodinamika.
Nereliatyvistinė kvantinė mechanika(tas, kuris nepatenka į Einšteino reliatyvumo teorijos rėmus) tiria mikroskopinius objektus, judančius įprastai mažu greičiu (mažesniu nei), molekulių ir atomų savybes, jų struktūrą.
Kvantinė optika užsiima faktų, susijusių su šviesos kvantinių savybių pasireiškimu (fotocheminiai procesai, šiluminė ir stimuliuojama spinduliuotė, fotoelektrinis efektas), moksliniu tyrimu.
Kvantinio lauko teorija yra vienijantis skyrius, apimantis reliatyvumo teorijos ir kvantinės mechanikos idėjas.
Kvantinės fizikos rėmuose sukurtos mokslinės teorijos davė galingą impulsą plėtoti kvantinę elektroniką, technologijas, kietųjų kūnų kvantinę teoriją, medžiagų mokslą ir kvantinę chemiją.
Be minėtų žinių šakų atsiradimo ir plėtros būtų buvę neįmanoma sukurti erdvėlaivių, branduolinių ledlaužių, mobiliojo ryšio ir daugybės kitų naudingų išradimų.
