Kvantinė fizika statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. kvantová fyzika vok. Quantenphysik, f rus. kvantová fyzika, f pranc. physique quantique, f ... Fizikos terminų žodynas
Tento výraz má iné významy, pozri Stacionárny stav. Stacionárny stav (z lat. stationarius nehybne stáť, nehybne) je stav kvantového systému, v ktorom je jeho energia a iné dynamické ... Wikipedia
- ... Wikipedia
Má nasledujúce podsekcie (zoznam je neúplný): Kvantová mechanika Algebraická kvantová teória Kvantová teória poľa Kvantová elektrodynamika Kvantová chromodynamika Kvantová termodynamika Kvantová gravitácia Teória superstrun Pozri tiež ... ... Wikipedia
Kvantová mechanika Princíp neurčitosti Úvod ... Matematický vzorec ... Základ ... Wikipedia
FYZIKA. 1. Predmet a štruktúra fyziky F. veda, ktorá študuje najjednoduchšie a zároveň naib. všeobecné vlastnosti a zákony pohybu objektov hmotného sveta okolo nás. Vzhľadom na túto spoločnú vlastnosť neexistujú žiadne prírodné javy, ktoré by nemali fyzické. vlastnosti... Fyzická encyklopédia
Fyzika hyperjadier je odbor fyziky na rozhraní jadrovej fyziky a fyziky elementárnych častíc, v ktorom sú predmetom skúmania jadrové systémy obsahujúce okrem protónov a neutrónov aj ďalšie elementárne častice hyperónov. Tiež ... ... Wikipedia
Oblasť fyziky, ktorá študuje dynamiku častíc v urýchľovačoch, ako aj početné technické problémy spojené s konštrukciou a prevádzkou urýchľovačov častíc. Fyzika urýchľovača zahŕňa otázky súvisiace s produkciou a akumuláciou častíc ... Wikipedia
Kryštálová fyzika Kryštalografia kryštálov Kryštalická mriežka Typy kryštálových mriežok Difrakcia v kryštáloch Reverzná mriežka Wigner Seitzova bunka Brillouinova zóna Faktor základnej štruktúry Faktor atómového rozptylu Typy väzieb v ... ... Wikipedia
Kvantová logika je časť logiky potrebná na uvažovanie o vetách, ktoré zohľadňujú princípy kvantovej teórie. Táto oblasť výskumu bola založená v roku 1936 dielom Garita Bierhofa a Johna von Neumanna, ktorí sa pokúsili ... ... Wikipedia
knihy
- Kvantová fyzika, Martinson Leonid Karlovich. Podrobne je prezentovaný teoretický a experimentálny materiál, ktorý je základom kvantovej fyziky. Veľká pozornosť sa venuje fyzikálnemu obsahu základných kvantových pojmov a matematických ...
- Kvantová fyzika, Sheddad Qaid-Sala Ferron. Celý náš svet a všetko, čo je v ňom - domy, stromy a dokonca aj ľudia! - pozostáva z drobných častíc. Kniha "Kvantová fyzika" zo série "Prvé knihy o vede" povie o neviditeľnom pre naše ...
Veda
Kvantová fyzika funguje tak, že študuje správanie najmenších vecí v našom vesmíre: subatomárnych častíc. Ide o relatívne novú vedu, až na začiatku 20. storočia sa ňou stala po tom, čo sa fyzici začali zaujímať o otázku, prečo nevedia vysvetliť niektoré účinky žiarenia. Jeden z inovátorov tej doby, Max Planck, použil termín „kvantá“ na štúdium drobných častíc s energiou, odtiaľ názov „kvantová fyzika“. Planck poznamenal, že množstvo energie obsiahnuté v elektrónoch nie je ľubovoľné, ale je v súlade s „kvantovými“ energetickými štandardmi. Jedným z prvých výsledkov praktickej aplikácie týchto poznatkov bol vynález tranzistora.
Na rozdiel od nepružných zákonov štandardnej fyziky sa pravidlá kvantovej fyziky dajú porušiť. Keď vedci veria, že sa zaoberajú jedným aspektom štúdia hmoty a energie, objaví sa nový obrat udalostí, ktorý im pripomína, aká nepredvídateľná môže byť práca v tejto oblasti. Tí však, aj keď úplne nerozumejú tomu, čo sa deje, môžu využiť výsledky svojej práce na rozvoj nové technológie, ktoré sa niekedy nedajú nazvať nič menej ako fantastické.
V budúcnosti môže kvantová mechanika pomôcť udržať vojenské tajomstvá v bezpečí a ochrániť váš bankový účet pred kybernetickými zlodejmi. Vedci v súčasnosti pracujú na kvantových počítačoch, ktorých možnosti ďaleko presahujú bežné PC. Rozdelené na subatomárne častice položky sa dajú jednoducho preniesť z jedného miesta na druhé mihnutím oka. A možno kvantová fyzika dokáže odpovedať na najzaujímavejšiu otázku o tom, z čoho sa skladá vesmír a ako vznikol život.
Nižšie sú uvedené fakty o tom, ako môže kvantová fyzika zmeniť svet. Ako povedal Niels Bohr: "Každý, kto nie je šokovaný kvantovou mechanikou, jednoducho nechápe, ako funguje."
Riadenie turbulencií
Čoskoro sa snáď vďaka kvantovej fyzike podarí eliminovať turbulentné zóny, ktoré spôsobujú, že sa vám v lietadle rozlieva šťava. Vytvorením kvantovej turbulencie v ultrachladných atómoch plynu v laboratóriu môžu brazílski vedci pochopiť turbulentné zóny, do ktorých lietadlá a lode narážajú. Turbulencie po stáročia mátajú vedcov, pretože je ťažké ich replikovať v laboratórnych podmienkach.
Turbulencie sú spôsobené kvapkami plynu alebo kvapaliny, ale v prírode sa zdá, že vznikajú náhodne a neočakávane. Hoci sa turbulentné zóny môžu vytvárať vo vode a vo vzduchu, vedci zistili, že sa môžu vytvárať aj v prítomnosti ultrachladných atómov plynu alebo supratekutého hélia. Štúdiom tohto javu v kontrolovaných laboratórnych podmienkach budú vedci jedného dňa schopní presne predpovedať, kde sa objavia turbulentné zóny, a možno ich aj kontrolovať v prírode.
Spintronika
Nový magnetický polovodič vyvinutý na MIT by mohol v budúcnosti viesť k ešte rýchlejšiemu energeticky efektívnemu elektronickému zariadeniu. Táto technológia, nazývaná spintronika, využíva stav spinu elektrónov na prenos a ukladanie informácií. Zatiaľ čo konvenčné elektronické obvody využívajú iba stav nabitia elektrónu, spintronika využíva smer rotácie elektrónu.
Spracovanie informácií pomocou spintronických obvodov umožní hromadenie údajov z dvoch smerov naraz, čo tiež zníži veľkosť elektronických obvodov. Tento nový materiál implantuje elektrón do polovodiča na základe jeho spinovej orientácie. Elektróny prechádzajú cez polovodič a sú pripravené na spinové detektory na výstupnej strane. Vedci tvrdia, že nové polovodiče môžu pracovať pri izbovej teplote a sú opticky priehľadné, čo znamená, že môžu pracovať s dotykovými obrazovkami a solárnymi panelmi. Tiež veria, že to pomôže vynálezcom prísť s ešte funkčnejšími zariadeniami.
Paralelné svety
Premýšľali ste niekedy nad tým, aký by bol náš život, keby sme mali možnosť cestovať v čase? Zabili by ste Hitlera? Alebo by ste sa pridali k rímskym légiám, aby ste videli staroveký svet? Napriek tomu, zatiaľ čo všetci fantazírujeme o tom, čo by sme urobili, keby sme mali možnosť vrátiť sa v čase, vedci z Kalifornskej univerzity v Santa Barbare už uvoľňujú cestu k obnove nevraživosti z minulých rokov.
V experimente v roku 2010 vedci dokázali, že objekt môže súčasne existovať v dvoch rôznych svetoch. Izolovali malý kúsok kovu a za špeciálnych podmienok zistili, že sa hýbe a zároveň stojí na mieste. Niekto však môže toto pozorovanie považovať za klam spôsobený prepracovaním, no fyzici tvrdia, že pozorovania objektu skutočne ukazujú, že sa vo vesmíre rozpadá na dve časti – jednu z nich vidíme a druhú nie. Teórie paralelných svetov jednomyseľne hovoria, že úplne akýkoľvek objekt sa rozpadne.
Teraz sa vedci snažia prísť na to, ako „preskočiť“ moment rozpadu a vstúpiť do sveta, ktorý nevidíme. Toto cestovanie do paralelných vesmírov v čase by teoreticky malo fungovať, keďže kvantové častice sa pohybujú v čase dopredu aj dozadu. Teraz všetko, čo vedci musia urobiť, je postaviť stroj času pomocou kvantových častíc.
Kvantové bodky
Čoskoro budú kvantoví fyzici schopní pomôcť lekárom odhaliť rakovinové bunky v tele a určiť, kde sa rozšírili. Vedci zistili, že niektoré malé polovodičové kryštály, nazývané kvantové bodky, môžu žiariť, keď sú vystavené ultrafialovému žiareniu, a boli tiež odfotografované pomocou špeciálneho mikroskopu. Potom ich spojili so špeciálnym materiálom „atraktívnym“ pre rakovinové bunky. Po vstupe do tela boli k rakovinovým bunkám priťahované svetelné kvantové bodky, čím lekári presne ukázali, kam sa majú pozerať. Žiara pokračuje pomerne dlho a pre vedcov je proces úpravy bodov pre charakteristiky konkrétneho typu rakoviny pomerne jednoduchý.
Zatiaľ čo špičková veda je určite zodpovedná za mnohé pokroky v medicíne, ľudia boli po stáročia závislí na mnohých iných spôsoboch boja proti chorobám.
Modlitba
Je ťažké si predstaviť, čo môžu mať spoločné domorodí Američania, liečivý šaman a priekopníci kvantovej fyziky. Stále je však medzi nimi niečo spoločné. Niels Bohr, jeden z prvých objaviteľov tejto podivnej oblasti vedy, veril, že veľa z toho, čo nazývame realitou, závisí od „efektu pozorovateľa“, teda vzťahu medzi tým, čo sa deje, a tým, ako to vidíme. Táto téma vyvolala medzi odborníkmi na kvantovú fyziku serióznu diskusiu, avšak experiment uskutočnený Bohrom pred viac ako polstoročím potvrdil jeho predpoklad.
To všetko znamená, že naše vedomie ovplyvňuje realitu a dokáže ju zmeniť. Opakujúce sa slová modlitby a rituály obradu šamana-liečiteľa môžu byť pokusmi zmeniť smer „vlny“, ktorá vytvára realitu. Väčšina obradov sa tiež vykonáva v prítomnosti početných pozorovateľov, čo naznačuje, že čím viac „vĺn uzdravenia“ z pozorovateľov vyžaruje, tým silnejšie ovplyvňujú realitu.
Vzťah predmetov
Vzájomné prepojenie objektov môže mať ďalej obrovský vplyv na slnečnú energiu. Vzájomné prepojenie objektov implikuje kvantovú vzájomnú závislosť atómov oddelených v reálnom fyzickom priestore. Fyzici sa domnievajú, že v častiach rastlín zodpovedných za fotosyntézu alebo premenu svetla na energiu môžu vzniknúť vzájomné prepojenia. Štruktúry zodpovedné za fotosyntézu, chromofóry, dokážu premeniť 95 percent prijatého svetla na energiu.
Vedci teraz študujú, ako by tento vzťah na kvantovej úrovni mohol ovplyvniť tvorbu slnečnej energie v nádeji, že vytvoria efektívne prírodné solárne články. Zistili tiež, že riasy môžu využiť niektoré ustanovenia kvantovej mechaniky na presun energie prijatej zo svetla, ako aj na jej uloženie na dvoch miestach súčasne.
Kvantové počítanie
Ďalší nemenej dôležitý aspekt kvantovej fyziky možno aplikovať na počítačovú oblasť, kde špeciálny typ supravodivého prvku dodáva počítaču nevídanú rýchlosť a výkon. Vedci vysvetľujú, že prvok sa správa ako umelé atómy, pretože energiu môžu buď získať alebo stratiť pohybom medzi jednotlivými energetickými úrovňami. Najzložitejší atóm má päť úrovní energie. Tento komplexný systém ("kudit") má značné výhody oproti práci predchádzajúcich atómov, ktoré mali len dve úrovne energie ("qubit"). Qubits a qubits sú súčasťou bitov používaných v štandardných počítačoch. Kvantové počítače budú pri svojej práci využívať princípy kvantovej mechaniky, čo im umožní vykonávať výpočty oveľa rýchlejšie a presnejšie ako tradičné počítače.
Je tu však problém, ktorý by mohol nastať, ak by sa kvantové výpočty stali realitou – kryptografia alebo kódovanie informácií.
Kvantová kryptografia
Všetky informácie, od čísla vašej kreditnej karty až po prísne tajné vojenské stratégie, sú na internete a šikovný hacker s dostatkom vedomostí a výkonným počítačom môže vyprázdniť váš bankový účet alebo ohroziť bezpečnosť sveta. Špeciálne kódovanie udržuje tieto informácie v tajnosti a počítačoví špecialisti neustále pracujú na vytváraní nových, bezpečnejších metód kódovania.
Kódovanie informácie v rámci jednej častice svetla (fotónu) bolo dlho cieľom kvantovej kryptografie. Zdalo sa, že vedci z University of Toronto boli už veľmi blízko k vytvoreniu tejto metódy, keďže sa im video podarilo zakódovať. Šifrovanie zahŕňa reťazce núl a jednotiek, ktoré sú „kľúčom“. Pridaním kľúča sa informácie zakódujú, ďalším pridaním sa dekódujú. Ak sa cudzincovi podarí získať kľúč, informácie môžu byť hacknuté. Ale aj keď sa kľúče používajú na kvantovej úrovni, samotná skutočnosť ich použitia bude určite znamenať prítomnosť hackera.
Teleportácia
Toto je sci-fi, nič viac. Uskutočnilo sa to však, ale nie za účasti ľudí, ale za účasti veľkých molekúl. Ale v tom je problém. Každá molekula v ľudskom tele musí byť skenovaná z dvoch strán. Ale je nepravdepodobné, že sa to stane tak skoro. Je tu ďalší problém: akonáhle naskenujete časticu, podľa zákonov kvantovej fyziky ju zmeníte, to znamená, že nemôžete urobiť jej presnú kópiu.
Tu prichádza na rad vzájomné prepojenie predmetov. Spája dva objekty, akoby boli jedným. Naskenujeme jednu polovicu častice a teleportovateľnú kópiu vytvorí druhá polovica. Toto bude presná kópia, keďže sme nemerali samotnú časticu, merali sme jej náprotivok. To znamená, že častica, ktorú sme namerali, bude zničená, ale jej presná kópia je oživená jej dvojníkom.
Častice Boha
Vedci používajú svoj veľmi obrovský výtvor – Veľký hadrónový urýchľovač – na skúmanie niečoho extrémne malého, ale veľmi dôležitého – základných častíc, o ktorých sa predpokladá, že sú základom zrodu nášho vesmíru.
Častice Boha sú to, čo podľa vedcov dáva hmotnosť elementárnym časticiam (elektróny, kvarky a gluóny). Odborníci sa domnievajú, že častice Boha by mali preniknúť do celého priestoru, no doteraz nebola existencia týchto častíc dokázaná.
Nájdenie týchto častíc by pomohlo fyzikom pochopiť, ako sa vesmír zotavil z Veľkého tresku a premenil sa na to, čo o ňom dnes vieme. Pomohlo by to tiež vysvetliť, ako sa hmota vyrovnáva s antihmotou. Stručne povedané, izolácia týchto častíc pomôže vysvetliť všetko.
WikiHow funguje ako wiki, čo znamená, že veľa našich článkov je napísaných viacerými autormi. Na vytvorení tohto článku pracovalo 11 ľudí, niektorí anonymní, na jeho úprave a vylepšení.
Kvantová fyzika (alias kvantová teória alebo kvantová mechanika) je samostatný odbor fyziky, ktorý sa zaoberá popisom správania a interakcie hmoty a energie na úrovni elementárnych častíc, fotónov a niektorých materiálov pri veľmi nízkych teplotách. Kvantové pole je definované ako „akcia“ (alebo v niektorých prípadoch moment hybnosti) častice, ktorá je v rámci veľkosti malej fyzikálnej konštanty nazývanej Planckova konštanta.
Kroky
Planckova konštanta
- Napríklad moment hybnosti elektrónu viazaného na atóm alebo molekulu je kvantovaný a môže nadobudnúť iba hodnoty, ktoré sú násobkami redukovanej Planckovej konštanty. Toto kvantovanie zvyšuje orbitál elektrónu o sériu celočíselného primárneho kvantového čísla. Na rozdiel od toho moment hybnosti neviazaných elektrónov nachádzajúcich sa v blízkosti nie je kvantovaný. Planckova konštanta sa používa aj v kvantovej teórii svetla, kde fotón je kvantum svetla a hmota interaguje s energiou prechodom elektrónov medzi atómami alebo „kvantovým skokom“ viazaného elektrónu.
- Jednotky Planckovej konštanty možno považovať aj za čas momentu energie. Napríklad v oblasti časticovej fyziky sú virtuálne častice reprezentované ako množstvo častíc, ktoré sa spontánne vynárajú z vákua na veľmi malej ploche a zohrávajú úlohu pri ich interakcii. Životnosť týchto virtuálnych častíc je energia (hmotnosť) každej častice. Kvantová mechanika má rozsiahlu oblasť, ale Planckova konštanta je prítomná v každej jej matematickej časti.
-
Prečítajte si o ťažkých časticiach.Ťažké častice prechádzajú z klasického prechodu na kvantovú energiu. Aj keď sa voľný elektrón, ktorý má nejaké kvantové vlastnosti (napríklad rotáciu), ako neviazaný elektrón priblíži k atómu a spomalí sa (pravdepodobne v dôsledku emisie fotónov z neho), prechádza z klasického na kvantové správanie, pretože jeho energia klesne pod ionizačnú energiu. Elektrón sa viaže na atóm a jeho moment hybnosti vo vzťahu k atómovému jadru je obmedzený kvantovou hodnotou orbitálu, ktorý môže zaberať. Tento prechod je náhly. Dá sa prirovnať k mechanickému systému, ktorý mení svoj stav z nestabilného na stabilný, alebo sa jeho správanie mení z jednoduchého na chaotické, alebo ho možno dokonca prirovnať k raketovej lodi, ktorá spomaľuje a ide pod rýchlosť oddeľovania a zaberá obieha okolo nejakej hviezdy alebo iného nebeského objektu. Naproti tomu fotóny (ktoré sú bez tiaže) takýto prechod nevykonajú: jednoducho prejdú priestorom nezmenené, kým neinteragujú s inými časticami a nezmiznú. Ak sa pozriete na nočnú oblohu, fotóny z niektorých hviezd letia nezmenené dlhé svetelné roky, potom interagujú s elektrónom v molekule vo vašej sietnici, vyžarujú svoju energiu a potom zmiznú.
Začnite učením sa o fyzikálnom koncepte Planckovej konštanty. V kvantovej mechanike je Planckova konštanta kvantum akcie, označované ako h... Podobne pre interagujúce elementárne častice, kvantum moment hybnosti je redukovaná Planckova konštanta (Planckova konštanta delená 2 π) sa označuje ako ħ a nazýva sa "h s barom". Hodnota Planckovej konštanty je extrémne malá, kombinuje tie momenty hybnosti a označenia akcií, ktoré majú všeobecnejší matematický koncept. názov kvantová mechanika znamená, že niektoré fyzikálne veličiny ako moment hybnosti sa môžu len meniť diskrétne skôr ako nepretržité ( cm. analógovým) spôsobom.
V roku 1803 Thomas Jung nasmeroval lúč svetla na nepriehľadnú obrazovku s dvoma štrbinami. Namiesto očakávaných dvoch pruhov svetla na premietacej ploche videl niekoľko pruhov, ako keby došlo k interferencii (prekrývaniu) dvoch vĺn svetla z každého slotu. V skutočnosti sa práve v tomto momente zrodila kvantová fyzika, alebo skôr otázky pri jej založení. V XX. a XXI. storočí sa ukázalo, že nielen svetlo, ale aj každá jednotlivá elementárna častica a dokonca aj niektoré molekuly sa správajú ako vlna, ako kvantá, akoby prechádzali oboma štrbinami súčasne. Ak však do blízkosti štrbín dáte senzor, ktorý určí, čo presne sa s časticou v tomto mieste stane a ktorou štrbinou ešte prejde, tak sa na premietacej ploche objavia len dva pásiky, ako keby fakt pozorovania (nepriamy vplyv) ničí vlnovú funkciu a objekt sa správa ako hmota. ( video)
Heisenbergov princíp neistoty – základ kvantovej fyziky!
Vďaka objavu z roku 1927 tisíce vedcov a študentov opakujú rovnaký jednoduchý experiment vyslaním laserového lúča cez zužujúcu sa štrbinu. Logicky sa viditeľná stopa z lasera na projekčnom plátne zužuje a to už po zmenšení medzery. Ale v určitom momente, keď sa štrbina dostatočne zúži, sa laserová škvrna zrazu začne rozširovať a rozširovať, naťahovať sa cez obrazovku a stmavovať, až štrbina zmizne. Toto je najzrejmejší dôkaz kvintesencie kvantovej fyziky – princíp neurčitosti Wernera Heisenberga, vynikajúceho teoretického fyzika. Jej podstatou je, že čím presnejšie určíme jednu z párových charakteristík kvantového systému, tým neistejšia sa stane druhá charakteristika. V tomto prípade, čím presnejšie určíme súradnice laserových fotónov zužujúcou sa štrbinou, tým neistejšia bude hybnosť týchto fotónov. V makrokozme môžeme tiež zmerať buď presné miesto lietajúceho meča jeho zdvihnutím, alebo jeho smer, ale nie súčasne, pretože si to odporuje a navzájom sa prekáža. (, video)
Kvantová supravodivosť a Meissnerov jav
V roku 1933 Walter Meissner objavil zaujímavý jav v kvantovej fyzike: v supravodiči ochladenom na minimálne teploty sa z neho vytlačí magnetické pole. Tento jav sa nazýva Meissnerov efekt. Ak je obyčajný magnet umiestnený na hliník (alebo iný supravodič) a potom ochladený tekutým dusíkom, magnet vzlietne a vznáša sa vo vzduchu, pretože „uvidí“ svoje vlastné magnetické pole rovnakej polarity vytlačené z chladeného hliníka. a rovnaké strany magnetov sa odpudzujú ... (, video)
Kvantová supratekutosť
V roku 1938 Pyotr Kapitsa ochladil kvapalné hélium na teplotu blízku nule a zistil, že látka stratila svoju viskozitu. Tento jav sa v kvantovej fyzike nazýva supratekutosť. Ak sa vychladené tekuté hélium naleje na dno pohára, bude z neho stále vytekať po stenách. V skutočnosti, pokiaľ je hélium dostatočne ochladené, neexistuje žiadny limit na rozliatie, bez ohľadu na tvar alebo veľkosť nádoby. Koncom 20. a začiatkom 21. storočia sa supratekutosť za určitých podmienok nachádzala aj vo vodíku a rôznych plynoch. (, video)
Kvantové tunelovanie
V roku 1960 Ivor Gayever uskutočnil elektrické experimenty so supravodičmi oddelenými mikroskopickým filmom nevodivého oxidu hlinitého. Ukázalo sa, že na rozdiel od fyziky a logiky časť elektrónov izoláciou predsa len prejde. Tým sa potvrdila teória o možnosti efektu kvantového tunelovania. Platí to nielen pre elektrinu, ale aj pre akékoľvek elementárne častice, sú to aj vlny podľa kvantovej fyziky. Môžu prechádzať cez prekážky, ak je šírka týchto prekážok menšia ako vlnová dĺžka častice. Čím je prekážka užšia, tým častejšie cez ňu častice prechádzajú. (, video)
Kvantové zapletenie a teleportácia
V roku 1982 fyzik Alain Aspe, budúci laureát Nobelovej ceny, poslal dva súčasne vytvorené fotóny do viacsmerných senzorov, aby určili ich rotáciu (polarizáciu). Ukázalo sa, že meranie rotácie jedného fotónu okamžite ovplyvňuje polohu rotácie druhého fotónu, ktorá sa stáva opačnou. Bola teda dokázaná možnosť kvantového prepletenia elementárnych častíc a kvantovej teleportácie. V roku 2008 sa vedcom podarilo zmerať stav kvantovo previazaných fotónov vo vzdialenosti 144 kilometrov a interakcia medzi nimi sa stále ukázala ako okamžitá, akoby boli na rovnakom mieste alebo tam nebol priestor. Predpokladá sa, že ak sa takéto kvantovo zapletené fotóny ocitnú v opačných častiach vesmíru, potom bude interakcia medzi nimi stále okamžitá, hoci svetlo prekoná rovnakú vzdialenosť za desiatky miliárd rokov. Je zvláštne, že podľa Einsteina nie je čas na to, aby fotóny cestovali rýchlosťou svetla. Je to náhoda? Fyzici budúcnosti si to nemyslia! (, video)
Kvantový Zeno efekt a zastavenie času
V roku 1989 skupina vedcov vedená Davidom Winelandom pozorovala rýchlosť, akou ióny berýlia prechádzajú medzi atómovými úrovňami. Ukázalo sa, že už samotný fakt merania stavu iónov spomalil ich prechod medzi stavmi. Na začiatku XXI storočia bolo možné v podobnom experimente s atómami rubídia dosiahnuť 30-násobné spomalenie. To všetko je potvrdením kvantového Zeno efektu. Jeho význam spočíva v tom, že už samotný fakt merania stavu nestabilnej častice v kvantovej fyzike spomaľuje rýchlosť jej rozpadu a teoreticky ju môže úplne zastaviť. (, Anglické video)
Odložená kvantová guma
V roku 1999 tím vedcov pod vedením Marlana Scaliho nasmeroval fotóny cez dve štrbiny, za ktorými stál hranol, ktorý premieňa každý odchádzajúci fotón na pár kvantovo zapletených fotónov a rozdeľuje ich do dvoch smerov. Prvý poslal fotóny do hlavného detektora. Druhý smer poslal fotóny do systému 50% reflektorov a detektorov. Ukázalo sa, že ak fotón z druhého smeru dosiahol detektory definujúce štrbinu, z ktorej vyletel, potom hlavný detektor zaznamenal jeho spárovaný fotón ako časticu. Ak fotón z druhého smeru dosiahol detektory, ktoré neurčovali štrbinu, z ktorej vyletel, potom hlavný detektor zaznamenal jeho spárovaný fotón ako vlnu. Nielenže sa meranie jedného fotónu odrazilo na jeho kvantovo previazanom páre, ale stalo sa tak aj mimo vzdialenosti a času, pretože sekundárny systém detektorov zaznamenal fotóny neskôr ako hlavný, akoby budúcnosť určovala minulosť. Verí sa, že ide o najneuveriteľnejší experiment nielen v histórii kvantovej fyziky, ale aj v histórii celej vedy, pretože podkopáva mnohé z bežných základov svetonázoru. (, anglické video)
Kvantová superpozícia a Schrödingerova mačka
V roku 2010 Aaron O'Connell umiestnil malú kovovú platňu do nepriehľadnej vákuovej komory, ktorú ochladil takmer na absolútnu nulu. Potom dal impulz platni, aby zavibrovala. Snímač polohy však ukázal, že platňa vibrovala a zároveň bola tichá, čo bolo presne v súlade s teoretickou kvantovou fyzikou. Toto ako prvé dokázalo princíp superpozície na makroobjektoch. V izolovaných podmienkach, keď nedochádza k interakcii kvantových systémov, môže byť objekt súčasne v neobmedzenom počte možných pozícií, ako keby už nebol hmotný. (, video)
Kvantová cheshireská mačka a fyzika
V roku 2014 Tobias Denkmire a jeho kolegovia rozdelili tok neutrónov na dva lúče a vykonali sériu zložitých meraní. Ukázalo sa, že za určitých okolností môžu byť neutróny v jednom zväzku a ich magnetický moment v inom zväzku. Potvrdil sa tak kvantový paradox úsmevu cheshireskej mačky, keď častice a ich vlastnosti môžu byť podľa nášho vnímania v rôznych častiach vesmíru ako úsmev oddelený od mačky v rozprávke „Alenka v krajine zázrakov“. Opäť sa ukázalo, že kvantová fyzika je záhadnejšia a prekvapivejšia ako ktorákoľvek rozprávka! (, video v angličtine.)
Ďakujem za čítanie! Teraz ste sa stali o niečo múdrejšími a náš svet sa vďaka tomu trochu rozjasnil. Zdieľajte odkaz na tento článok so svojimi priateľmi a svet bude ešte lepší!
29.10.2016Napriek zvučnosti a tajomnosti dnešnej témy sa pokúsime povedať čo študuje kvantová fyzika, jednoducho povedané, aké úseky kvantovej fyziky majú miesto a prečo je kvantová fyzika v princípe potrebná.
Nižšie ponúkaný materiál je k dispozícii na pochopenie každému.
Predtým, ako začneme chváliť, čo študuje kvantová fyzika, bude vhodné pripomenúť si, ako to všetko začalo...
V polovici 19. storočia sa ľudstvo vyrovnalo so štúdiom problémov, ktoré nebolo možné vyriešiť pomocou aparátu klasickej fyziky.
Množstvo javov pôsobilo „čudne“. Jednotlivé otázky nenašli odpoveď vôbec.
V 50. rokoch 19. storočia William Hamilton v domnení, že klasická mechanika nedokáže presne opísať pohyb svetelných lúčov, navrhuje vlastnú teóriu, ktorá vošla do dejín vedy pod názvom Hamiltonov-Jacobiho formalizmus, ktorý bol založený na tzv. postulát vlnovej teórie svetla.
V roku 1885, po spore s priateľom, Švajčiar a fyzik Johann Balmer odvodil empirický vzorec, ktorý umožnil vypočítať vlnové dĺžky spektrálnych čiar s veľmi vysokou presnosťou.
Dôvody odhalených vzorov si Balmer vtedy nevedel vysvetliť.
V roku 1895 Wilhelm Roentgen pri štúdiu katódových lúčov objavil žiarenie, ktoré nazval röntgenové (neskôr premenované na lúče), ktoré sa vyznačovalo silným prenikavým charakterom.
O rok neskôr, v roku 1896, Henri Becquerel pri štúdiu uránových solí objavil spontánne žiarenie s podobnými vlastnosťami. Nový jav sa nazýval rádioaktivita.
V roku 1899 bola preukázaná vlnová povaha röntgenových lúčov.
Foto 1. Priekopníci kvantovej fyziky Max Planck, Erwin Schrödinger, Niels Bohr
V roku 1901 sa objavil prvý planetárny model atómu, ktorý navrhol Jean Perrin. Bohužiaľ, sám vedec opustil túto teóriu a nenašiel jej potvrdenie z hľadiska teórie elektrodynamiky.
O dva roky neskôr vedec z Japonska Hantaro Nagaoka navrhol ďalší planetárny model atómu, v strede ktorého by sa mala nachádzať kladne nabitá častica, okolo ktorej by sa po dráhach otáčali elektróny.
Táto teória však nezohľadňovala žiarenie vyžarované elektrónmi, a preto nemohla napríklad vysvetliť teóriu spektrálnych čiar.
Uvažujúc o štruktúre atómu, v roku 1904 Joseph Thomson prvýkrát interpretoval pojem valencie z fyzikálneho hľadiska.
Za rok zrodu kvantovej fyziky možno možno považovať rok 1900, čo súvisí s prejavom Maxa Plancka na stretnutí nemeckej fyziky.
Bol to Planck, kto navrhol teóriu, ktorá zjednotila mnohé doteraz nesúrodé fyzikálne koncepty, vzorce a teórie, vrátane Boltzmannovej konštanty, spájajúcej energiu a teplotu, Avogadroho čísla, Wienovho zákona posunu, náboja elektrónu, Boltzmannovho zákona žiarenia...
Zaviedol tiež koncept kvanta akcie (druhá, po Boltzmannovej konštante, je základná konštanta).
Ďalší vývoj kvantovej fyziky priamo súvisí s menami Hendrik Lorentz, Albert Einstein, Ernst Rutherford, Arnold Sommerfeld, Max Born, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Louis de Broglie, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Paul Dirac a mnoho ďalších. ktorý pôsobil v prvej polovici 20. storočia.
Vedcom sa podarilo spoznať podstatu elementárnych častíc s bezprecedentnou hĺbkou, študovať interakcie častíc a polí, odhaliť kvarkovú povahu hmoty, odvodiť vlnovú funkciu, vysvetliť základné pojmy diskrétnosti (kvantizácia) a vlnovo-časticovej duality.
Kvantová teória, ako žiadna iná, priblížila ľudstvo k pochopeniu základných zákonov vesmíru, nahradila zaužívané pojmy presnejšími, prinútila prehodnotiť obrovské množstvo fyzikálnych modelov.
Čo študuje kvantová fyzika?
Kvantová fyzika popisuje vlastnosti hmoty na úrovni mikrojavov, pričom skúma zákonitosti pohybu mikroobjektov (kvantových objektov).
Predmet kvantovej fyziky tvoria kvantové objekty s rozmermi 10–8 cm alebo menej. toto:
- molekuly,
- atómy,
- atómové jadrá,
- elementárne častice.
Hlavnými charakteristikami mikroobjektov sú pokojová hmotnosť a elektrický náboj. Hmotnosť jedného elektrónu (me) je 9,1 10 −28 g.
Pre porovnanie, hmotnosť miónu je 207 me, neutrónu je 1839 me, protónu je 1836 me.
Niektoré častice nemajú vôbec žiadnu pokojovú hmotnosť (neutríno, fotón). Ich hmotnosť je 0 me.
Elektrický náboj akéhokoľvek mikroobjektu je násobkom náboja elektrónu rovnajúcemu sa 1,6 · 10 −19 C. Spolu s nabitými existujú neutrálne mikroobjekty, ktorých náboj je rovný nule.
Foto 2. Kvantová fyzika prinútená prehodnotiť tradičné názory na koncepty vĺn, polí a častíc
Elektrický náboj komplexného mikroobjektu sa rovná algebraickému súčtu nábojov jeho častíc.
Medzi vlastnosti mikroobjektov patrí točiť(v doslovnom preklade z angličtiny - "točiť").
Zvyčajne sa interpretuje ako moment hybnosti kvantového objektu, ktorý nezávisí od vonkajších podmienok.
Zadná strana sa ťažko hľadá adekvátny obraz v reálnom svete. Nemožno ho považovať za kolovrátok kvôli jeho kvantovej povahe. Klasická fyzika nedokáže opísať tento objekt.
Prítomnosť rotácie ovplyvňuje správanie mikroobjektov.
Prítomnosť spinu vnáša do správania objektov v mikrosvete významné črty, z ktorých väčšina – nestabilné objekty – sa spontánne rozpadá a mení sa na iné kvantové objekty.
Stabilné mikroobjekty, ktoré zahŕňajú neutrína, elektróny, fotóny, protóny, ako aj atómy a molekuly, sú schopné rozpadu iba pod vplyvom silnej energie.
Kvantová fyzika úplne pohlcuje klasickú fyziku a považuje ju za jej limitujúci prípad.
V skutočnosti je kvantová fyzika – v širšom zmysle – moderná fyzika.
Je nemožné vnímať, čo kvantová fyzika opisuje v mikrokozme. Z tohto dôvodu sú mnohé ustanovenia kvantovej fyziky ťažko predstaviteľné, na rozdiel od objektov opísaných klasickou fyzikou.
Napriek tomu nové teórie umožnili zmeniť naše predstavy o vlnách a časticiach, o dynamickom a pravdepodobnostnom popise, o spojitom a diskrétnom.
Kvantová fyzika nie je len vymyslená teória.
Ide o teóriu, ktorá dokázala predpovedať a vysvetliť neskutočné množstvo javov – od procesov prebiehajúcich v atómových jadrách až po makroskopické javy vo vesmíre.
Kvantová fyzika, na rozdiel od klasickej fyziky, študuje hmotu na základnej úrovni a poskytuje interpretácie javov okolitej reality, ktoré tradičná fyzika nedokáže poskytnúť (napríklad, prečo atómy zostávajú stabilné alebo či sú elementárne častice skutočne elementárne).
Kvantová teória nám dáva možnosť opísať svet presnejšie, ako bolo akceptované pred jeho vznikom.
Význam kvantovej fyziky
Teoretický vývoj, ktorý tvorí podstatu kvantovej fyziky, je použiteľný na štúdium nepredstaviteľne obrovských vesmírnych objektov a extrémne malých elementárnych častíc.
Kvantová elektrodynamika nás ponorí do sveta fotónov a elektrónov s dôrazom na štúdium interakcií medzi nimi.
Kvantová teória kondenzovanej hmoty prehlbuje naše znalosti o supratekutinách, magnetoch, tekutých kryštáloch, amorfných pevných látkach, kryštáloch a polyméroch.
Foto 3. Kvantová fyzika dala ľudstvu oveľa presnejší popis sveta okolo nás.
Vedecký výskum sa v posledných desaťročiach zameral na štúdium kvarkovej štruktúry elementárnych častíc v rámci nezávislého odboru kvantovej fyziky - kvantová chromodynamika.
Nerelativistická kvantová mechanika(tá, ktorá je mimo rámca Einsteinovej teórie relativity) študuje mikroskopické objekty pohybujúce sa konvenčne nízkou rýchlosťou (menej ako), vlastnosti molekúl a atómov, ich štruktúru.
Kvantová optika sa zaoberá vedeckým štúdiom skutočností spojených s prejavom kvantových vlastností svetla (fotochemické procesy, tepelné a stimulované žiarenie, fotoelektrický efekt).
Kvantová teória poľa je zjednocujúca sekcia, ktorá zahŕňa myšlienky teórie relativity a kvantovej mechaniky.
Vedecké teórie vyvinuté v rámci kvantovej fyziky dali silný impulz rozvoju kvantovej elektroniky, technológie, kvantovej teórie pevných látok, materiálovej vedy a kvantovej chémie.
Bez vzniku a rozvoja vyššie uvedených oblastí vedomostí by nebolo možné vytvoriť vesmírne lode, jadrové ľadoborce, mobilnú komunikáciu a mnoho ďalších užitočných vynálezov.
