Kvantinė fizika statusas T sritis fizika atitikmenys: англ. quantum physics vok. Quantenphysik, f rus. квантова фізика f pranc. physique quantique, f … Fizikos terminų žodynas
Цей термін має й інші значення, див. Стаціонарний стан. Стаціонарним станом (від латів. stationarius, що стоїть на місці, нерухомий) називається стан квантової системи, при якому її енергія та інші динамічні … Вікіпедія
- … Вікіпедія
Має наступні підрозділи (список неповний): Квантова механіка Алгебраїчна квантова теорія Квантова теорія поля Квантова електродинаміка Квантова хромодинаміка Квантова термодинаміка Квантова гравітація Теорія суперструн Див.
Квантова механіка Принцип невизначеності Введення... Математичне формулювання... Основа … Вікіпедія
Фізика. 1. Предмет і структура фізики Ф. наука, що вивчає найпростіші і водночас наиб. загальні властивості та закони руху навколишніх об'єктів матеріального світу. Внаслідок цієї спільності немає явищ природи, які мають фіз. властивостей … Фізична енциклопедія
Фізика гіперядер розділ фізики на стику ядерної фізики та фізики елементарних частинок, в якому предметом дослідження виступають ядроподібні системи, що містять крім протонів та нейтронів інші елементарні частки гіперони. Також… … Вікіпедія
Розділ фізики, що вивчає динаміку частинок у прискорювачах, а також численні технічні завдання, пов'язані зі спорудженням та експлуатацією прискорювачів частинок. Фізика прискорювачів включає питання, пов'язані з отриманням і накопиченням частинок … Вікіпедія
Фізика кристалів Кристал кристалографія Кристалічна решітка Типи кристалічних решіток Дифракція в кристалах Зворотні грати Осередок Вігнера Зейтца Зона Бріллюена Структурний фактор базису Атомний фактор розсіювання Типи зв'язків у… Вікіпедія
Квантова логіка розділ логіки, необхідний міркування про пропозиції, які враховують принципи квантової теорії. Ця галузь досліджень була заснована у 1936 році роботою Гаріта Бірхофа та Джона фон Неймана, які намагалися… … Вікіпедія
Книжки
- Квантова фізика, Мартінсон Леонід Карлович. Докладно викладено теоретичний та експериментальний матеріал, що лежить в основі квантової фізики. Велику увагу приділено фізичному змісту основних квантових понять та математичному...
- Квантова фізика, Шеддад Каїд-Сала Феррон. Весь наш світ і все, що в ньому знаходиться – будинки, дерева і навіть люди! - Складається з крихітних частинок. Книга "Квантова фізика" із серії "Перші книжки про науку" розповість про невидиме для нашого…
Наука
Квантова фізика працює з вивченням поведінки найменших речей у нашому Всесвіті: субатомних частинок. Це відносно нова наука, лише на початку 20 століття вона стала такою після того, як фізиків став цікавити питання, чому вони не можуть пояснити деякі ефекти радіації. Один із новаторів того часу Макс Планк (Max Planck) при дослідженні крихітних частинок з енергією використовував термін "кванти", звідси й пішла назва "квантова фізика". Планк зазначив, що кількість енергії, що міститься в електронах, не є довільною, а відповідає стандартам "квантової" енергії. Один із перших результатів практичного застосування цього знання став винахід транзистора.
На відміну від негнучких законів стандартної фізики правила квантової фізики можна порушувати. Коли вчені вважають, що мають справу з одним із аспектів дослідження матерії та енергії, з'являється новий поворот подій, що нагадує їм про те, наскільки непередбачуваною буває робота в цій галузі. Проте, навіть якщо не повністю розуміють те, що відбувається, можуть використовувати результати своєї роботи для розробки нових технологій, які часом можуть бути названі не інакше, як фантастичними.
У майбутньому квантова механіка зможе допомогти зберегти військові секрети, а також забезпечити безпеку та захистити ваш банківський рахунок від кібер-злодіїв. Вчені зараз працюють на квантових комп'ютерах, можливості яких виходять далеко за межі звичайного ПК. Розділені на субатомні частки, предмети в мить легко можуть бути перенесені з одного місця на інше.І, можливо, квантова фізика зможе дати відповідь на інтригуюче питання щодо того, з чого складається всесвіт і як зародилося життя.
Нижче наведено факти, як квантова фізика може змінити світ. Як сказав Нільс Бор (Niels Bohr): "Той, хто не шокований квантовою механікою, просто ще не зрозумів принципу її роботи".
Управління турбулентністю
Незабаром, можливо, завдяки квантовій фізиці можна усунути турбулентні зони, через які ви проливаєте сік у літаку. Шляхом створення квантової турбулентності в ультрахолодних атомах газу в лабораторії бразильські вчені, можливо, зрозуміють роботу турбулентних зон, з якими стикаються літаки та човни. Протягом століть турбулентність ставила в глухий кут вчених через труднощі її відтворення в лабораторних умовах.
Турбулентність викликається згустками газу чи рідини, але у природі здається ніби вона формується хаотично і формується несподівано. Хоча турбулентні зони можуть утворюватися у воді та в повітрі, вчені виявили, що вони також можуть формуватися і в умовах ультрахолодних атомів газу або серед надплинного гелію. За допомогою вивчення цього явища в контрольованих лабораторних умовах, вчені одного чудового дня зможуть точно передбачати місце появи турбулентних зон, і, можливо, контролювати їх у природі.
Спінтроніка
Новий магнітний напівпровідник, розроблений в Массачусетському технологічному інституті, може призвести до появи ще швидше енергоефективного електронного пристрою в майбутньому. Ця технологія, що називається «спінтроніка», використовує спиновий стан електронів для передачі та зберігання інформації. У той час, як звичайні електронні схеми використовують лише зарядовий стан електрона, спинтроніка користується перевагами спінового спрямування електрона.
Обробка інформації за допомогою схем спинтроніки дозволить даним накопичуватися відразу з двох напрямків одночасно, що також зменшить розмір електронних схем. Цей новий матеріал впроваджує електрон у напівпровідник на основі його спінової орієнтації. Електрони проходять через напівпровідник та стають готовими бути спін-детекторами на стороні виходу. Вчені стверджують, що нові напівпровідники можуть працювати за кімнатної температури і є оптично прозорими, що означає можливість роботи з сенсорними екранами та сонячними батареями. Вони також вважають, що це допоможе винахідникам вигадати ще більш функціональні пристрої.
Паралельні світи
Ви ніколи не замислювалися про те, яким би було наше життя, якщо ми мали змогу подорожувати в часі? Ви б убили Гітлера? Чи приєдналися б до римських легіонів для того, щоб побачити давній світ? Тим не менш, поки ми всі фантазуємо на тему, щоб ми зробили, якби ми мали змогу повернутися в минуле, вчені з каліфорнійського університету Санта-Барбари вже очищають шлях до відновлення образ минулих років.
В експерименті 2010 року вченим вдалося довести, що об'єкт може одночасно існувати у двох різних світах. Вони ізолювали крихітні шматочки металу і в спеціальних умовах виявили, що він рухався і стояв на місці одночасно. Проте, хтось може порахувати це спостереження маренням, викликаним перевтомою, все ж таки фізики кажуть, що спостереження за об'єктом дійсно показують, що він розпадається у Всесвіті на дві частини – одну з них ми бачимо, а іншу ні. Теорії паралельних світів в один голос свідчать, що будь-який об'єкт розпадається.
Наразі вчені намагаються з'ясувати, як можна "перестрибнути" момент розпаду та увійти в той світ, який нам не бачимо. Ця подорож до паралельних всесвітів у часі теоретично має працювати, оскільки квантові частинки рухаються і вперед, і назад у часі. Тепер все, що вчені повинні зробити – це побудувати машину часу за допомогою квантових частинок.
Квантові точки
Незабаром квантові фізики зможуть допомогти лікарям виявляти ракові клітини в організмі і точно визначати, куди вони поширилися. Вчені виявили, що деякі дрібні напівпровідникові кристали, які називають квантовими точками, можуть світитися під впливом ультрафіолетового випромінювання, а також їх вдалося сфотографувати за допомогою спеціального мікроскопа. Потім їх поєднали з особливим, "привабливим" для ракових клітин матеріалом. При попаданні в організм квантові точки, що світяться, притягувалися до ракових клітин, показуючи тим самим, лікарям, де саме шукати. Світло триває досить тривалий час, і для вчених процес налаштування точок під характеристики конкретного виду раку відносно нескладний.
Хоча високотехнологічна наука, безумовно, несе відповідальність за багато медичних досягнень, людина протягом століть залежить від багатьох інших засобів боротьби із захворюванням.
Молитва
Важко уявити, що може бути спільного між корінним американцем, цілителем-шаманом та піонерами квантової фізики. Проте, між ними все ж таки є щось спільне. Нільс Бор, один з ранніх дослідників цієї дивної галузі науки, вважав, що багато з того, що ми називаємо реальністю, залежить від "ефекту спостерігача", тобто зв'язок між тим, що відбувається, і як ми це бачимо. Ця тема породила розвиток серйозних дебатів між фахівцями квантової фізики, проте експеримент, проведений Бором понад півстоліття тому, підтвердив його припущення.
Все це означає, що наша свідомість впливає на реальність і може її змінити. Слова молитви і ритуали церемонії шамана-цілителя, що повторюються, можуть бути спробами змінити напрям "хвилі", яка створює реальність. Більшість обрядів проводяться також у присутності численних спостерігачів, вказуючи на те, що чим більше "хвиль зцілення" походить від спостерігачів, тим сильніше вони впливають на реальність.
Взаємозв'язок об'єктів
Взаємозв'язок об'єктів може в подальшому вплинути на сонячну енергію. Взаємозв'язок об'єктів має на увазі квантову взаємозалежність атомів, розділених у реальному фізичному просторі. Фізики вважають, що взаємозв'язок може утворитися у частині рослин, відповідальних за фотосинтез, або перетворення світла на енергію. Структури, відповідальні за фотосинтез, хромофори, можуть перетворювати 95 відсотків світла, що одержується в енергію.
Наразі вчені вивчають, як цей взаємозв'язок на квантовому рівні може вплинути на створення сонячної енергії в надії створення ефективних природних сонячних елементів. Фахівці також виявили, що водорості можуть використовувати деякі положення квантової механіки для переміщення енергії, що отримується від світла, а також зберігати її в двох місцях одночасно.
Квантові обчислення
Інший не менш важливий аспект квантової фізики може бути застосований у комп'ютерній сфері, де особливий тип надпровідного елемента дає комп'ютер безпрецедентну швидкість і силу. Дослідники пояснюють, що елемент веде себе як штучні атоми, оскільки вони можуть лише отримати, або втратити енергію шляхом переміщення між дискретними рівнями енергії. Найскладніший за будовою атом має п'ять рівнів енергії. Ця складна система («кудит») має значні переваги в порівнянні з роботою попередніх атомів, у яких було лише два рівні енергії («кубіт»). Кудити та кубити це частина бітів, що використовуються у стандартних комп'ютерах. Квантові комп'ютери у своїй роботі будуть використовувати принципи квантової механіки, що дозволить їм виконувати обчислення набагато швидше і точніше, порівняно з традиційними комп'ютерами.
Існує, однак, проблема, яка може виникнути, якщо квантові обчислення стануть реальністю – криптографія чи кодування інформації.
Квантова криптографія
Вся інформація, починаючи від номера вашої кредитної картки і закінчуючи надсекретними військовими стратегіями, є в мережі інтернету, а кваліфікований хакер з достатньою кількістю знань і потужним комп'ютером може спустошити ваш банківський рахунок або надати світову безпеку загрозі. Спеціальне кодування тримає цю інформацію під секретом, а комп'ютерні фахівці постійно працюють над створенням нових, безпечніших методів кодування.
Кодування інформації всередині окремої частки світла (фотон) давно є метою квантової криптографії. Здавалося, що вчені Торонто вже дуже близько підійшли до створення цього методу, оскільки їм вдалося закодувати відео. Шифрування включає рядки з нулів і одиниць, які і є «ключом». Додавання ключа кодує інформацію один раз, додавання його повторно, декодує її. Якщо сторонній людині вдається отримати ключ, інформація може бути зламана. Але навіть якщо ключі будуть використані на квантовому рівні, вже сам факт їх застосування напевно має на увазі наявність хакера.
Телепортація
Це наукова фантастика, не більше. Однак, вона була здійснена, але не за участю людини, а за участю великих молекул. Але в цьому й полягає проблема. Кожна молекула в організмі людини має бути відсканована з обох боків. Але це навряд чи станеться найближчим часом. Є ще одна проблема: як тільки ви скануєте частинку, за законами квантової фізики, ви змінюєте її, тобто у вас немає можливості зробити її точну копію.
Ось де проявляється взаємозв'язок об'єктів. Вона пов'язує два об'єкти так, ніби вони є єдиним цілим. Ми скануємо одну половину частинки, а копія, що телепортується, буде зроблена іншою половиною. Це буде точна копія, оскільки ми не виміряли саму частинку, ми вимірювали її двійника. Тобто частка, яку ми виміряли, буде зруйнована, але її точну копію реанімовано її двійником.
Частки Бога
Вчені використовують дуже величезне своє творіння – великий адронний колайдер – для того, щоб досліджувати щось вкрай маленьке, але дуже важливе – фундаментальні частинки, які, як гадають, лежать в основі зародження нашого Всесвіту.
Частинки Бога – це те, що, як стверджують вчені, дає масу елементарним частинкам (електронам, кваркам та глюонам). Фахівці вважають, що частинки Бога мають пронизувати весь простір, але досі існування цих частинок не доведено.
Виявлення цих частинок допомогло б фізикам зрозуміти, як Всесвіт оговтався після Великого Вибуху і перетворився на те, що нам відомо про нього сьогодні. Це також допомогло б пояснити, як речовина балансує з антиречовиною. Іншими словами, виділення цих часток допоможе пояснити все.
WikiHow працює за принципом вікі, а це означає, що багато наших статей написані кількома авторами. При створенні цієї статті над її редагуванням та покращенням працювали, у тому числі анонімно, 11 осіб.
Квантова фізика (вона ж квантова теорія або квантова механіка) – це окремий напрямок фізики, який займається описом поведінки та взаємодії матерії та енергії на рівні елементарних частинок, фотонів та деяких матеріалів за дуже низьких температур. Квантове поле визначається як «дія» (або в деяких випадках кутовий момент) частки, що за розміром знаходиться в межах величини крихітної фізичної константи, яка називається постійною планкою.
Кроки
постійна Планка
- Наприклад, момент імпульсу електрона, прив'язаного до атома або молекули, квантується і може приймати тільки значення кратні наведеній постійної планці. Це квантування підвищує орбіталь електрона на серію цілого первинного квантового числа. На відміну від цього момент імпульсу незв'язаних електронів, що знаходяться поруч, не квантується. Постійна Планка також застосовується в квантовій теорії світла, де квантом світла є фотон, і матерія взаємодіє з енергією через переход електронів між атомами або «квантового стрибка» пов'язаного електрона.
- Одиниці постійної планки також можна розглядати як час моменту енергії. Наприклад, у предметній області фізики елементарних частинок, віртуальні частинки представлені, як маса частинок, які спонтанно виникають із вакууму на дуже малій ділянці та відіграють роль у їх взаємодії. Межа життя цих віртуальних частинок – це енергія (маса) кожної частки. Квантова механіка має велику предметну область, але у кожній її математичній частині присутня постійна Планка.
-
Дізнайтеся про важкі частинки.Тяжкі частинки проходять від класичного до квантового енергетичного переходу. Навіть якщо вільний електрон, який володіє деякими квантовими властивостями (таким як обертання), як незв'язаний електрон, наближається до атома і сповільнюється (можливо, через випромінювання ним фотонів), він переходить від класичного до квантової поведінки, тому що його енергія опускається нижче енергії іонізації. Електрон пов'язується з атомом та її момент імпульсу стосовно атомному ядру обмежується тим квантовим значенням орбіталі, що він може зайняти. Цей перехід раптовий. Його можна порівняти з механічною системою, яка змінює свій стан від нестабільного до стабільного, або її поведінка змінюється з простого на хаотичне, або можна навіть порівняти з ракетним кораблем, який сповільнюється і йде нижче швидкості відриву, і займає орбіту навколо якоїсь зірки або іншого небесного об'єкту. На відміну від них, фотони (які невагомі) такий перехід не здійснюють: вони просто перетинають простір без змін доти, доки не взаємодіють з іншими частинками і не зникають. Якщо ви подивитеся в нічне небо, фотони від деяких зірок без змін пролітають довгі світлові роки, потім взаємодіють з електроном у молекулі вашої сітківки, випромінюючи свою енергію, а потім зникаючи.
Почніть з вивчення фізичного поняття постійної планки.У квантовій механіці, постійна Планка – це квант дії, що позначається як h. Аналогічно, для елементарних частинок, що взаємодіють, квант моменту імпульсу- це наведена постійна Планка (постійна Планка поділена на 2 π) позначається як ħ і називається "h з межею". Значення постійної Планки надзвичайно мало, вона поєднує ті моменти імпульсу та позначення дій, що мають більш загальну математичну концепцію. Назва квантова механікапередбачає, що деякі фізичні величини, подібні до моменту імпульсу можуть змінюватися тільки дискретно, а не безперервним ( див.аналоговим) способом.
В 1803 Томас Юнг направив пучок світла на непрозору ширму з двома прорізами. Замість очікуваних двох смужок світла на проекційному екрані він побачив кілька смуг, начебто відбулася інтерференція (накладання) двох хвиль світла з кожного прорізу. Фактично саме в цей момент зародилася квантова фізика, вірніше питання її основи. У XX і XXI століттях було показано, що не лише світло, але будь-яка одиночна елементарна частка і навіть деякі молекули поводяться як хвиля, як кванти, ніби проходячи через обидві щілини одночасно. Однак якщо поставити біля щілин датчик, який визначає, що саме відбувається з часткою в цьому місці і через яку саме щілину вона все-таки проходить, то на проекційному екрані з'являються лише дві смуги, немов факт спостереження (непрямого впливу) руйнує функцію хвиль і об'єкт веде себе як матерія. ( відео)
Принцип невизначеності Гейзенберга - фундамент квантової фізики!
Завдяки відкриттю 1927 року тисячі вчених і студентів повторюють один і той же простий експеримент, пропускаючи лазерний промінь через щілину, що звужується. Логічно, видимий слід від лазера на проекційному екрані стає все вже й слідом за зменшенням зазору. Але в певний момент, коли щілина стає досить вузькою, пляма від лазера раптом починає ставати ширшою і ширшою, розтягуючись по екрану і тьмяніючи поки що щілина не зникне. Це очевидний доказ квінтесенції квантової фізики - принципу невизначеності Вернера Гейзенберга, видатного фізика-теоретика. Суть його в тому, що чим точніше ми визначаємо одну з парних характеристик квантової системи, тим невизначенішою стає друга характеристика. В даному випадку, чим точніше ми визначаємо щілиною координати фотонів лазера, що звужується, тим невизначенішим стає імпульс цих фотонів. У макросвіті ми також можемо виміряти або точне місце розташування меча, взявши його в руки, або його напрям, але ніяк не одночасно, так як це суперечить і заважає один одному. ( , відео)
Квантова надпровідність та ефект Мейснера
У 1933 році Вальтер Мейснер виявив цікаве явище у квантовій фізиці: в охолодженому до мінімальних температур надпровіднику магнітне поле витісняється за його межі. Це явище отримало назву ефект Мейснера. Якщо звичайний магніт покласти на алюміній (або інший надпровідник), а потім його охолодити рідким азотом, то магніт злетить і зависне в повітрі, так як "бачитиме" витіснене з охолодженого алюмінію своє ж магнітне поле тієї ж полярності, а однакові сторони магнітів відштовхуються . ( , відео)
Квантова надплинність
В 1938 Петро Капіца охолодив рідкий гелій до близької до нуля температури і виявив, що у речовини зникла в'язкість. Це явище в квантовій фізиці отримало назву надплинність. Якщо охолоджений рідкий гелій налити на дно склянки, він все одно випливе з нього по стінках. Фактично, поки гелій досить охолоджений для нього немає меж, щоб розлитися, незалежно від форми та розміру ємності. Наприкінці XX і на початку XXI століть надплинність за певних умов була також виявлена у водню та різних газів. ( , відео)
Квантовий тунелінг
У 1960 році Айвор Джайєвер проводив електричні досліди з надпровідниками, розділеними мікроскопічною плівкою непровідного струму оксиду алюмінію. З'ясувалося, що всупереч фізиці та логіці частина електронів все одно проходить через ізоляцію. Це підтвердило теорію можливості квантового тунельного ефекту. Він поширюється як на електрику, а й будь-які елементарні частинки, вони ж хвилі відповідно до квантової фізики. Вони можуть проходити перешкоди наскрізь, якщо ширина цих перешкод менша за довжину хвилі частинки. Що перешкода вже, то частіше частки проходять крізь них. ( , відео)
Квантова заплутаність та телепортація
У 1982 році фізик Ален Аспэ, майбутній лауреат Нобелівської премії, направив два одночасно створені фотони на різноспрямовані датчики визначення їх спина (поляризації). Виявилося, що вимірювання спини одного фотона миттєво впливає на положення спини другого фотона, який стає протилежним. Так було доведено можливість квантової заплутаності елементарних частинок і квантова телепортація. У 2008 році вченим вдалося виміряти стан квантово-заплутаних фотонів на відстані 144 кілометрів і взаємодія між ними все одно виявилася миттєвою, якби вони були в одному місці або не було простору. Вважається, що якщо такі квантово-заплутані фотони виявляться у протилежних ділянках всесвіту, то взаємодія між ними все одно буде миттєвою, хоча світло ця відстань долає за десятки мільярдів років. Цікаво, але згідно з Ейнштейном для фотонів часу, що летять зі швидкістю світла, теж немає. Чи це збіг? Тож не думають фізики майбутнього! ( , відео)
Квантовий ефект Зенона та зупинка часу
В 1989 група вчених під керівництвом Девіда Вайнленда спостерігала за швидкістю переходу іонів берилію між атомними рівнями. З'ясувалося, що факт виміру стану іонів уповільнював їх перехід між станами. На початку XXI століття у подібному експерименті з атомами рубідії вдалося досягти 30-кратного уповільнення. Все це є підтвердженням квантового ефекту Зенона. Його сенс у тому, що сам факт виміру стану нестабільної частки в квантовій фізиці уповільнює швидкість її розпаду і теоретично може його повністю зупинити. ( , відео англ.)
Квантова гумка з відкладеним вибором
У 1999 році група вчених під керівництвом Марлана Скалі направляла фотони через дві щілини, за якими стояла призма, що конвертує кожен фотон, що виходить, у пару квантово-заплутаних фотонів і розділяючи їх на два напрямки. Перше надсилало фотони на основний детектор. Другий напрямок відправляла фотони на систему 50%-відбивачів та детекторів. З'ясувалося, якщо фотон з другого напряму досягав детектори, що визначають щілину, з якої він вилетів, то основний детектор фіксував його парний фотон як частинку. Якщо фотон з другого напряму досягав детектори не визначальні щілину, з якої він вилетів, то основний детектор фіксував його парний фотон як хвилю. Не тільки вимір одного фотона відбивався на його квантово-заплутаній парі, але й це відбувалося поза відстанню та часом, адже вторинна система детекторів фіксувала фотони пізніше за основне, як би майбутнє визначало минуле. Вважається, що це найнеймовірніший експеримент у історії квантової фізики, а й у історії всієї науки, оскільки він підриває багато звичні основи світогляду. ( , відео англ.)
Квантова суперпозиція та кіт Шредінгера
У 2010 році Аарон О’Коннелл помістив невелику металеву пластину у непрозору вакуумну камеру, яку охолодив майже до абсолютного нуля. Потім він надав імпульс пластини, щоб вона вібрувала. Однак датчик положення показав, що пластина вібрувала і була спокійна одночасно, що відповідало теоретичної квантової фізики. Цим уперше було доведено принцип суперпозиції на макрооб'єктах. В ізольованих умовах, коли не відбувається взаємодії квантових систем, об'єкт може одночасно перебувати в необмеженій кількості будь-яких можливих положень, ніби він більше не був матеріальним. ( , відео)
Квантовий Чеширський кіт та фізика
У 2014 році Тобіас Денкмайр та його колеги розділили потік нейтронів на два пучки та провели серію складних вимірювань. З'ясувалося, що за певних обставин нейтрони можуть бути в одному пучку, а їх магнітний момент в іншому пучку. Таким чином був підтверджений квантовий парадокс посмішки Чеширського кота, коли частки та їх властивості можуть знаходитися на наше сприйняття у різних частинах простору, як посмішка окремо від кота до казки «Аліса в країні чудес». В черговий раз квантова фізика виявилася загадковою і дивовижною за будь-яку казку! ( , відео англ.)
Дякуємо за читання! Тепер ви стали трохи розумнішими і від цього наш світ трохи посвітлішав. Поділіться посиланням на цю статтю з друзями і світ стане ще кращим!
29.10.2016Незважаючи на звучність і загадковість сьогоднішньої теми, ми намагатимемося розповісти, що вивчає квантова фізика, простими словамиЯкі розділи квантової фізики мають місце і навіщо потрібна квантова фізика в принципі.
Пропонований нижче матеріал доступний для розуміння будь-кому.
Перш ніж говорити про те, що вивчає квантова фізика, буде доречно згадати, з чого все починалося.
До середини XIX століття людство впритул зайнялося вивченням проблем, вирішити які за допомогою апарату класичної фізики було неможливо.
Низка явищ здавалися «дивними». Окремі питання взагалі не знаходили відповіді.
У 1850-і роки Вільям Гамільтон, вважаючи, що класична механіка не здатна точно описати рух світлових променів, пропонує власну теорію, що увійшла в історію науки під назвою формалізм Гамільтона-Якобі, в основі якої лежав постулат про хвильову теорію світла.
У 1885 р., посперечавшись із приятелем, швейцарський і фізик Йоган Бальмер вивів емпірично формулу, яка дозволяла розрахувати довжини хвиль спектральних ліній з дуже високою точністю.
Пояснити причини виявлених закономірностей Бальмер тоді не зміг.
У 1895 р. Вільгельм Рентген при дослідженні катодних променів відкрив випромінювання, назване ним X-променями (згодом перейменованими в промені), що характеризується сильним проникаючим характером.
Ще через рік – 1896 року – Анрі Беккерель, вивчаючи солі урану, відкрив мимовільне випромінювання з аналогічними властивостями. Нове явище було названо радіоактивністю.
У 1899 була доведена хвильова природа рентгенівських променів.
Фото 1. Родоначальники квантової фізики Макс Планк, Ервін Шредінгер, Нільс Бор
1901 рік ознаменувався появою першої планетарної моделі атома, запропонованої Жаном Перреном. На жаль, вчений сам відмовився від цієї теорії, не знайшовши їй підтвердження з позицій теорії електродинаміки.
Через два роки вчений з Японії Хантаро Нагаока запропонував чергову планетарну модель атома, в центрі якого мала бути позитивно заряджена частка, навколо якої по орбітах оберталися б електрони.
Ця теорія, проте, не враховувала випромінювання, що випускається електронами, тому не могла, наприклад, пояснити теорію спектральних ліній.
Розмірковуючи над будовою атома, в 1904 Джозеф Томсон вперше інтерпретував поняття валентності з фізичної точки зору.
Роком народження квантової фізики, мабуть, можна визнати 1900, пов'язуючи з ним виступ Макса Планка на засіданні Німецького фізичного.
Саме Планк запропонував теорію, що об'єднала безліч досі розрізнених фізичних понять, формул і теорій, включаючи постійну Больцмана, що ув'язує енергію і температуру, число Авогадро, закон усунення Вина, заряд електрона, закон випромінювання -Больцмана.
Їм же введено в ужиток поняття кванта дії (друга – після постійної Больцмана – фундаментальна постійна).
Подальший розвиток квантової фізики безпосередньо пов'язаний з іменами Хендріка Лоренца, Альберта Ейнштейна, Ернста Резерфорда, Арнольда Зоммерфельда, Макса Борна, Нільса Бора, Ервіна Шредінгера, Луї де Бройля, Вернера Гейзенберга, Вольфганга Пау творили у першій половині ХХ століття.
Вченим вдалося з небувалою глибиною пізнати природу елементарних частинок, вивчити взаємодії частинок та полів, виявити кваркову природу матерії, вивести хвильову функцію, пояснити фундаментальні поняття дискретності (квантування) та корпускулярно-хвильового дуалізму.
Квантова теорія як ніяка інша наблизила людство до розуміння фундаментальних законів світобудови, замінила звичні поняття точнішими, змусила переосмислити дуже багато фізичних моделей.
Що вивчає квантова фізика?
Квантова фізика визначає характеристики матерії лише на рівні мікроявлень, досліджуючи закони руху мікрооб'єктів (квантових об'єктів).
Предмет вивчення квантової фізикистановлять квантові об'єкти, що мають розміри 10 -8 см і менше. Це:
- молекули,
- атоми,
- атомні ядра,
- елементарні частки.
Головні характеристики мікрооб'єктів - маса спокою та електричний заряд. Маса одного електрона (me) дорівнює 9,1 · 10 -28 г.
Для порівняння – маса мюона дорівнює 207 me, нейтрону – 1839 me, протону 1836 me.
Деякі частинки взагалі немає маси спокою (нейтрино, фотон). Їхня маса становить 0 me.
Електричний заряд будь-якого мікрооб'єкта кратний величині заряду електрона, що дорівнює 1,6 · 10 -19 Кл. Поряд із зарядженими існують нейтральні мікрооб'єкти, заряд яких дорівнює нулю.
Фото 2. Квантова фізика змусила переглянути традиційні погляди на поняття хвилі, поля та частки
Електричний заряд складного мікрооб'єкта дорівнює алгебраїчній сумі зарядів його частинок.
До властивостей мікрооб'єктів належить спин(У дослівному перекладі з англійської - "обертатися").
Його прийнято інтерпретувати як який залежить від зовнішніх умов момент імпульсу квантового об'єкта.
Спину складно підібрати адекватний образ у реальному світі. Його не можна уявляти обертовим дзиґом через його квантову природу. Класична фізика описати цей об'єкт не спроможна.
Присутність спини впливає на поведінку мікрооб'єктів.
Наявність спина вносить суттєві особливості у поведінку об'єктів мікросвіту, більшість яких – нестабільних об'єктів – мимоволі розпадається, перетворюючись на інші квантові об'єкти.
Стабільні мікрооб'єкти, яких відносять нейтрино, електрони, фотони, протони, і навіть атоми і молекули, здатні розпадатися лише під впливом потужної енергії.
Квантова фізика повністю вбирає класичну фізику, розглядаючи її своїм граничним випадком.
Практично квантова фізика і є – у сенсі – сучасної фізикою.
Те, що описує квантова фізика у мікросвіті, сприйняти неможливо. Через це багато положень квантової фізики важко уявити, на відміну від об'єктів, що описуються класичною фізикою.
Незважаючи на це нові теорії дозволили змінити наші уявлення про хвилі та частинки, про динамічний та ймовірнісний опис, про безперервний та дискретний.
Квантова фізика – це просто новомодна теорія.
Це теорія, яка зуміла передбачити та пояснити неймовірну кількість явищ – від процесів, що протікають в атомних ядрах, до макроскопічних ефектів у космічному просторі.
Квантова фізика – на відміну від фізики класичної – вивчає матерію на фундаментальному рівні, даючи інтерпретації явищам навколишньої дійсності, які традиційна фізика дати не здатна (наприклад, чому атоми зберігають стійкість або чи елементарні частинки є елементарними).
Квантова теорія дає нам можливість описувати світ більш точно, ніж це було прийнято до її виникнення.
Значення квантової фізики
Теоретичні напрацювання, що становлять сутність квантової фізики, застосовні на дослідження як неймовірно великих космічних об'єктів, і виключно малих за розмірами елементарних частинок.
Квантова електродинаміказанурює нас у світ фотонів та електронів, наголошуючи на вивченні взаємодій між ними.
Квантова теорія конденсованих середовищпоглиблює наші знання про надплинні рідини, магнетики, рідкі кристали, аморфні тіла, кристали і полімери.
Фото 3. Квантова фізика дала людству набагато точніший опис навколишнього світу
Наукові дослідження останніх десятиліть зосереджені на вивченні кваркової структури елементарних частинок у рамках самостійної гілки квантової фізики. квантової хромодинаміки.
Нерелятивістська квантова механіка(Та, що знаходиться за рамками теорії відносності Ейнштейна) вивчає мікроскопічні об'єкти, що рухаються з умовно невисокою швидкістю (менше, ніж ), властивості молекул та атомів, їх будову.
Квантова оптиказаймається науковою опрацюванням фактів, пов'язаних із проявом квантових властивостей світла (фотохімічних процесів, теплового та вимушеного випромінювань, фотоефекту).
Квантова теорія поляє об'єднуючим розділом, що увібрав у собі ідеї теорії відносності та квантової механіки.
Наукові теорії, розроблені в рамках квантової фізики, надали потужного імпульсу розвитку, квантової електроніки, техніки, квантової теорії твердого тіла, матеріалознавства, квантової хімії.
Без появи та розвитку зазначених галузей знання було б неможливим створення космічних кораблів, атомних криголамів, мобільного зв'язку та багатьох інших корисних винаходів.
