Κβαντική μηχανική. Τι είναι ένας κβαντικός μηχανικός

Οι βασικές αρχές της κβαντικής μηχανικής είναι η αρχή της αβεβαιότητας V. Heisenberg και η αρχή της συμπληρωματικότητας του Ν. Bora.

Σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας, είναι αδύνατο να προσδιοριστεί η ταυτόχρονα η θέση του σωματιδίου και της ώθησης. Όσο με μεγαλύτερη ακρίβεια η θέση, ή η συντεταγμένη, τα σωματίδια, τόσο πιο αβέβαιη γίνεται η ώθηση του. Αντίστροφα, όσο πιο ακριβέστερα η ώθηση καθορίζεται, τόσο πιο αβέβαιη η θέση του παραμένει.

Μπορείτε να απεικονίσετε αυτήν την αρχή με τη βοήθεια της εμπειρίας του T. Jung στις παρεμβολές. Αυτή η εμπειρία δείχνει ότι όταν το φως περνά μέσα από το σύστημα δύο μικρών οπών με στενή στενές σε μια αδιαφανή οθόνη, συμπεριφέρεται ως ευθεία πολλαπλασιαστική σωματίδια, αλλά ως αλληλεπιδρώνταν τα κύματα, με αποτέλεσμα την επιφάνεια που βρίσκεται πίσω από την οθόνη, υπάρχει ένα πρότυπο παρεμβολής με τη μορφή εναλλασσόμενου φωτός και Σκοτεινές λωρίδες. Εάν μόνο μία οπή είναι εναλλακτικά ανοιχτή, το πρότυπο παρεμβολής της κατανομής του φωτονίου εξαφανίζεται.

Μπορείτε να αναλύσετε τα αποτελέσματα αυτής της εμπειρίας χρησιμοποιώντας το επόμενο πνευματικό πείραμα. Προκειμένου να προσδιοριστεί η θέση του ηλεκτρονίου, πρέπει να ανάβει, δηλαδή, να στείλει ένα φωτόνιο σε αυτό. Σε περίπτωση σύγκρουσης δύο στοιχειωδών σωματιδίων, μπορούμε να υπολογίσουμε με ακρίβεια τις συντεταγμένες του ηλεκτρονίου (ο τόπος καθορίζεται όπου ήταν κατά τη στιγμή της σύγκρουσης). Ωστόσο, λόγω της σύγκρουσης, το ηλεκτρόνιο θα αλλάξει αναπόφευκτα την τροχιά του, καθώς ως αποτέλεσμα της σύγκρουσης θα μεταφερθεί στην ώθηση από το φωτόνιο. Επομένως, αν ορίσουμε τη συντεταγμένη του ηλεκτρονίου, τότε ταυτόχρονα χάνουμε τη γνώση της τροχιάς της επόμενης κίνησης του. Το πείραμα σκέψης στη σύγκρουση ενός ηλεκτρονίου και ενός φωτονίου είναι παρόμοιο με το κλείσιμο μιας από τις οπές στην εμπειρία του Jung: Μια σύγκρουση με ένα φωτόνιο είναι παρόμοιο με το κλείσιμο μιας από τις οπές στην οθόνη: στην περίπτωση αυτού Κλείσιμο, το πρότυπο παρεμβολής καταστρέφεται ή η ίδια τροχιά ηλεκτρονίων γίνεται αβέβαιη.

Την αξία της αρχής της αβεβαιότητας. Ο λόγος της αβεβαιότητας σημαίνει ότι οι αρχές και οι νόμοι της κλασικής δυναμικής του Newton δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να περιγράψουν τις διαδικασίες που περιλαμβάνουν μικροσυστήματα.

Ουσιαστικά, η αρχή αυτή σημαίνει άρνηση καθοριστικής προσδιορισμίδας και αναγνώρισης του κύριου ρόλου των ατυχημάτων στις διαδικασίες που περιλαμβάνουν μικροελεργίες. Στην κλασική περιγραφή, η έννοια της τύχης χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη συμπεριφορά των στοιχείων στατιστικών συνόλων και είναι μόνο ένα συνειδητό θύμα της πληρότητας της περιγραφής στο όνομα της απλούστευσης της λύσης του προβλήματος. Στο μικρόμετρο Ακριβής πρόβλεψη συμπεριφορά αντικειμένων που δίνουν τις τιμές του παραδοσιακού του για Κλασική περιγραφή Οι παράμετροι είναι γενικά αδύνατες. Με την ευκαιρία αυτή, εξακολουθούν να διεξάγονται ζωντανές συζητήσεις: υποστηρικτές του κλασικού ντετερμινισμού, δεν αρνείται τη δυνατότητα χρήσης εξισώσεων Κβαντική μηχανική Για πρακτικούς υπολογισμούς, βλέπουν το αποτέλεσμα της ελλιπής κατανόησής μας για τους νόμους που ήταν απρόβλεπτες για εμάς με τη συμπεριφορά των μικρο-διαλέξεων. Η προσκόλληση αυτής της προσέγγισης ήταν ο Α. Αϊνστάιν. Ως ιδρυτής της σύγχρονης φυσικής επιστήμης, οδηγώντας την αναθεώρηση εκείνων που φαινόταν από τις ασυνήθιστες θέσεις της κλασικής προσέγγισης, δεν θεωρεί δυνατή την εγκατάλειψη της αρχής του ντετερμινισμού στη φυσική επιστήμη. Η θέση του Α. Αϊνστάιν και οι υποστηρικτές του σε αυτό το ζήτημα μπορούν να διατυπωθούν σε μια γνωστή και πολύ διαμορφωμένη δήλωση ότι είναι πολύ δύσκολο να πιστέψουμε στην ύπαρξη του Θεού, κάθε φορά που υπάρχει ένα χύτευση οστών για να αποφασίσει για το Συμπεριφορά μικρο-διαλέξεων. Ωστόσο, μέχρι στιγμής δεν έχουν βρεθεί πειραματικά γεγονότα, τα οποία δείχνουν την ύπαρξη εσωτερικών μηχανισμών που διαχειρίζονται την "τυχαία" συμπεριφορά των μικροεκλεκτικών.

Πρέπει να τονιστεί ότι η αρχή της αβεβαιότητας δεν συνδέεται με ορισμένα μειονεκτήματα στο σχεδιασμό των οργάνων μέτρησης. Είναι θεμελιωδώς αδύνατο να δημιουργηθεί μια συσκευή που θα μετρήσει εξίσου με ακρίβεια τη συντεταγμένη και τον παλμό των μικροσωματιδίων. Η αρχή της αβεβαιότητας εκδηλώνεται από το διχαλισμό της φύσης του Corpuscular Wave.

Από την αρχή της αβεβαιότητας, ακολουθεί επίσης ότι στην κβαντική μηχανική, απορρίπτεται η κύρια δυνατότητα εκτέλεσης μετρήσεων και παρατηρήσεων αντικειμένων και παρατηρήσεων διαδικασιών που δεν επηρεάζουν την εξέλιξη του συστήματος που μελετώνται στην κλασική φυσική επιστήμη.

Η αρχή της αβεβαιότητας είναι μια ειδική περίπτωση πιο συνηθισμένη σε σχέση με την αρχή της συμπληρωματικότητας. Από την αρχή της συμπληρωματικότητας, προκύπτει ότι αν μπορούμε να παρατηρήσουμε τη μία πλευρά του φυσικού φαινομένου σε οποιοδήποτε πείραμα, τότε ταυτόχρονα στερούμαστε την ευκαιρία να παρατηρήσουμε ένα πρόσθετο φαινόμενο στην πρώτη κατεύθυνση. Πρόσθετες ιδιότητεςΟι οποίες εκδηλώνονται μόνο σε διαφορετικά πειράματα που διεξάγονται σε αμοιβαία αποκλειστικές συνθήκες, μπορεί να υπάρχει θέση και παλμός σωματιδίων, κύματος και εξαερισμού ουσίας ή ακτινοβολίας.

Σημαντικό στην κβαντική μηχανική έχει την αρχή της υπέρθεσης. Η αρχή της υπέρθεσης (η αρχή της επικάλυψης) είναι η υπόθεση ότι το αποτέλεσμα που προκύπτει αντιπροσωπεύει την ποσότητα των αποτελεσμάτων που προκαλούνται από κάθε επιρροή φαινόμενο ξεχωριστά. Ένα από τα απλούστερα παραδείγματα είναι ένας κανόνας παραλληλόγραμμου, σύμφωνα με τον οποίο υπάρχουν δύο δυνάμεις που δρουν στο σώμα. Στο μικρόμετρο, η αρχή της υπέρθεσης αποτελεί θεμελιώδη αρχή που, μαζί με την αρχή της αβεβαιότητας, αποτελεί τη βάση της μαθηματικής συσκευής της κβαντικής μηχανικής. Σε σχετικιστική κβαντική μηχανική, που περιλαμβάνει τον αμοιβαίο μετασχηματισμό των στοιχειωδών σωματιδίων, η αρχή υπέρθεσης θα πρέπει να συμπληρωθεί με την αρχή του σούπερ; Για παράδειγμα, με μια εμφάνιση ενός ηλεκτρονίου και ενός ποζιτρονίου, η αρχή της υπέρθεσης συμπληρώνεται από την αρχή της εξοικονόμησης Ηλεκτρικό φορτίο - Πριν και μετά τον μετασχηματισμό, το ποσό των χρεώσεων χρέωσης πρέπει να είναι σταθερό. Δεδομένου ότι τα έξοδα του Ηλεκτρονικού Ολέκτου και το ποζιτρόνιο είναι ίσες και αμοιβαία αντίθετες, θα πρέπει να συμβεί ένα μη φορτισμένο σωματίδιο, το οποίο είναι η εξόντωση του φωτονίου που γεννήθηκε σε αυτή τη διαδικασία.

Κβαντική μηχανική

Δ Χ ⋅ Δ P x ⩾ ℏ 2 (\\ displayStyle \\ delta x \\ cdot \\ delta p_ (x) \\ geqslant (\\ frac (\\ hbar) (2))))

Εισαγωγή Μαθηματικά θεμέλια

Δείτε επίσης: Πύλη: Φυσική

Κβαντική μηχανική - Τμήμα θεωρητικής φυσικής που περιγράφουν Φυσικά φαινόμεναστην οποία η δράση είναι συγκρίσιμη σε μέγεθος με μια σταθερή σανίδα. Οι προβλέψεις της κβαντικής μηχανικής μπορούν να διαφέρουν σημαντικά από τις προβλέψεις της κλασικής μηχανικής. Δεδομένου ότι η μόνιμη ράβδος είναι μια εξαιρετικά μικρή τιμή σε σύγκριση με τη δράση αντικειμένων σε μακροσκοπική κίνηση, οι κβαντικές επιδράσεις εκδηλώνονται κυρίως σε μικροσκοπικές κλίμακες. Αν ένα Σωματική δράση Τα συστήματα είναι πολύ πιο μόνιμα μπαρ, η κβαντική μηχανική εισέρχεται οργανικά με την κλασική μηχανική. Με τη σειρά του, ο κβαντικός μηχανικός είναι μη σχετικιστική προσέγγιση (δηλαδή η προσέγγιση των μικρών ενεργειών σε σύγκριση με την ενέργεια των υπόλοιπων τεράστιων σωματιδίων του συστήματος) της θεωρίας του κβαντικού πεδίου.

Κλασική μηχανική, που περιγράφει καλά μακροσκοπικές κλίμακες, δεν είναι σε θέση να περιγράψει όλα τα φαινόμενα στο επίπεδο των μορίων, των ατόμων, των ηλεκτρονίων και των φωτονίων. Η κβαντική μηχανική περιγράφει επαρκώς τις κύριες ιδιότητες και τη συμπεριφορά των ατόμων, των ιόντων, των μορίων, συμπυκνωμένων μέσων και άλλων συστημάτων με μια πυρηνική δομή ηλεκτρονίων. Οι κβαντικές μηχανικές είναι επίσης ικανές να περιγράψουν: τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων, των φωτονίων, καθώς και άλλα στοιχειώδη σωματίδια, αλλά πιο ακριβή σχετικιστική, η αμετάβλητη περιγραφή των μετασχηματισμών στοιχειωδών σωματιδίων είναι κατασκευασμένο μέσα Κβαντική θεωρία Πεδία. Τα πειράματα επιβεβαιώνουν τα αποτελέσματα που λαμβάνονται από την κβαντική μηχανική.

Οι κύριες έννοιες των κβαντικών κινηματικών είναι οι έννοιες του παρατηρούμενου και του κράτους.

Οι κύριες εξισώσεις της κβαντικής δυναμικής - η εξίσωση Schrödinger, η εξίσωση Neimane, η εξίσωση Lindblad, η εξίσωση Heisenberg και η εξίσωση Pauli.

Οι εξισώσεις κβαντικών μηχανικών συνδέονται στενά με πολλά τμήματα των μαθηματικών, όπως: η θεωρία των φορέων, η θεωρία πιθανοτήτων, η λειτουργική ανάλυση, οι αλγεβές του χειριστή, η θεωρία των ομάδων.

Ιστορία

Στη συνάντηση της γερμανικής φυσικής κοινωνίας, ο Max Planck διαβάζει το ιστορικό του άρθρο "Στη θεωρία της κατανομής ενέργειας ακτινοβολίας σε ένα κανονικό φάσμα"στην οποία εισήγαγε την καθολική σταθερά H (\\ displaystyle h). Είναι η ημερομηνία αυτής της εκδήλωσης, 14 Δεκεμβρίου 1900, θεωρούν συχνά τα γενέθλια της κβαντικής θεωρίας.

Για να εξηγηθεί η δομή του ατόμου Niels Bor, το 1913 η ύπαρξη ακινητικών κρατών ενός ηλεκτρονίου στην οποία η ενέργεια μπορεί να λάβει μόνο διακριτές τιμές. Αυτή η προσέγγιση, που αναπτύχθηκε από τον Arnold Zommerfeld και άλλους φυσικούς, αναφέρεται συχνά ως η παλιά κβαντική θεωρία (1900-1924). Διακριτικό χαρακτηριστικό Η παλιά κβαντική θεωρία είναι ένας συνδυασμός κλασσικής θεωρίας με πρόσθετες υποθέσεις αντιφατικές.

• Τα καθαρά συστήματα του συστήματος περιγράφονται από μηδενικούς φορείς σύνθετου διαχωριστικού χώρου hilbert H (\\ displaystyle h), και φορείς | Ψ 1⟩ (\\ leaddstyle | \\ psi _ (1) \\ Rangle) και | Ψ 2⟩ (\\ relippleStyle | \\ psi _ (2) \\ Rangle) Περιγράψτε την ίδια κατάσταση εάν και μόνο πότε | Ψ 2⟩ \u003d C | Ψ 1⟩ (\\ psi _ (2) \\ rngle \u003d c | \\ psi _ (1) \\ rngle)όπου C (\\ displaystyle c) - αυθαίρετο σύνθετο αριθμό.
• Κάθε παρατηρούμενη μπορεί να είναι σαφής να συγκρίνει έναν γραμμικό χειριστή αυτοδιακόπου. Κατά τη μέτρηση του παρατηρήσιμου A ^ (\\ DisplayStyle (\\ HAT (A))), με μια καθαρή κατάσταση του συστήματος | ψι (\\ leadingstyle | \\ psi \\ rangle) Κατά μέσο όρο, αποδεικνύεται ότι είναι ίσος

⟨A⟩ \u003d ⟨| | | A ^ ψ * ⟨| ψι \u003d ⟨ψ Ψίζ Ψ (\\ le \\ rangle \\ rangle \u003d (\\ lang (\\ langle \\ psi | (\\ hat (a)) \\ psi \\ rangle) \\ psi \\ rangle) (\\ langle \\ psi | \\ psi \\ rangle)) \u003d (\\ frac (\\ langle \\ Psi (\\ καπέλο (α)) | \\ psi \\ rangle) (\\ langle \\ psi | \\ psi \\ rangle)))

όπου μέσω ⟨Ψ | Φ⟩ (\\ displayStyle \\ langle \\ psi | \\ phi \\ rangle) δηλώνει κλιματισμό φορείς | ψι (\\ leadingstyle | \\ psi \\ rangle) και | Φ⟩ (\\ DisplayStyle | \\ Phi \\ Rangle).

• Η εξέλιξη της καθαρής κατάστασης του Hamiltonian System καθορίζεται από την εξίσωση Schrödinger

I ℏ ∂ ∂ t | Ψί \u003d H ^ | ψι (\\ displayStyle i \\ hbar (\\ μερικό) (\\ μερικό) (\\ μερικό t)) | \\ psi \\ rangle \u003d (\\ hat (h)) | \\ psi \\ rangle)

Οπου H ^ (\\ displayStyle (\\ καπέλο (h))) - Hamiltonian.

Οι κύριες συνέπειες αυτών των διατάξεων:

• Κατά τη μέτρηση οποιουδήποτε κβαντικού παρατηρήσιμου, είναι δυνατόν να ληφθούν μόνο ορισμένες σταθερές τιμές ίσες με τις δικές του τιμές του χειριστή του - που παρατηρήθηκε.
• Παρατηρούνται ταυτόχρονα μετρήσιμα (δεν επηρεάζουν τα αποτελέσματα μέτρησης του άλλου) εάν και μόνο εάν οι αντίστοιχοι αυτοκόλλητοι χειριστές είναι διατεταγείς.

Αυτές οι διατάξεις σας επιτρέπουν να δημιουργήσετε μια μαθηματική συσκευή κατάλληλη για να περιγράψει ένα ευρύ φάσμα καθηκόντων στην κβαντική μηχανική των hamiltonian systems σε καθαρές καταστάσεις. Όχι όλες οι καταστάσεις των κβαντικών μηχανικών συστημάτων, ωστόσο, είναι καθαρά. Στη γενική περίπτωση, η κατάσταση του συστήματος αναμιγνύεται και περιγράφεται από τη μήτρα πυκνότητας για την οποία η εξίσωση Schrödinger είναι αληθινή εξίσωση Nimanan (για τα Hamiltonian Systems). Περαιτέρω γενίκευση της κβαντικής μηχανικής στη δυναμική των ανοικτών, μη-pecked και τα διαχυτικά κβαντικά συστήματα οδηγεί στην εξίσωση Lindblad.

Στατική εξίσωση Schredinger

Αφήστε το πλάτος της πιθανότητας να βρεθεί ένα σωματίδιο στο σημείο Μ.. Η σταθερή εξίσωση Schrödinger επιτρέπει τον προσδιορισμό.
Λειτουργία Ψ (r →) (\\ displayStyle \\ psi ((\\ vec (r)))) ικανοποιεί την εξίσωση:

- ℏ 2 2 m ∇ 2 ψ + u (r →) ψ \u003d e ψ (\\ displayStyle - ((\\ hbar) ^ (2) \\ πάνω από 2m) (\\ nabla) ^ (\\, 2) \\ psi + u ( (\\ Vec (r))) \\ psi \u003d e \\ psi)

Οπου ∇ 2 (\\ displayStyle (\\ nabla) ^ (\\, 2))- Λαϊκό χειριστή, και U \u003d u (r →) (\\ displayStyle u \u003d u ((\\ vec (r)))) - πιθανή ενέργεια σωματιδίων ως λειτουργία από.

Η λύση αυτής της εξίσωσης είναι ο κύριος καθήκον της κβαντικής μηχανικής. Αξίζει να σημειωθεί ότι η ακριβής λύση της σταθερής εξίσωσης Schrödinger μπορεί να ληφθεί μόνο για πολλά, σχετικά απλά συστήματα. Μεταξύ αυτών των συστημάτων, μπορεί να διακριθεί ένας κβαντικός αρμονικός ταλαντωτής και ένα άτομο υδρογόνου. Για τα περισσότερα συστήματα πραγματικού κόσμου, μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορες κατά προσέγγιση μέθοδοι, όπως η θεωρία των διαταραχών.

Επίλυση σταθερής εξίσωσης

Ας e και u να είναι δύο μόνιμες ανεξάρτητες R → (\\ displayStyle (\\ vec (r))).
Ανάκτηση μιας σταθερής εξίσωσης ως εξής:

∇ 2 ψ (r →) + 2 m ℏ 2 (e-u) ψ (r →) \u003d 0 (\\ displayStyle (\\ nabla) ^ (\\, 2) \\ PSI ((\\ VEC (R))) + ( 2m \\ over (\\ hbar) ^ (2)) (ΕΕ) \\ PSI ((\\ VEC (R))) \u003d 0)

• Αν ένα E - U\u003e 0, έπειτα:

Ψ (r →) \u003d ένα e - ik → ⋅ r → + b ey → ⋅ r → (\\ plateStyle \\ psi (\\ vec (r))) \u003d ae ^ (- i (\\ VEC (k)) \\ cdot ( \\ VEC (R))) + BE ^ (\\ VEC (K)) \\ CDOT (\\ VEC (R)))) Οπου: k \u003d 2 m (e-u) ℏ (\\ displayStyle k \u003d (\\ frac (\\ sqrt (2m (e-u))) (\\ hbar))) - Μονάδα φορέα κύματος. Τα Α και Β είναι δύο μόνιμες, καθορισμένες οριακές συνθήκες.

• Αν ένα ΕΕ.< 0 , έπειτα:

Ψ (r →) \u003d C e-k → ⋅ r → → → → (\\ psi \\ psi (\\ vec (r))) \u003d cle → VEC (R))) + DE ^ ((\\ VEC (K)) \\ CDOT (\\ VEC (R)))) Οπου: k \u003d 2 m (u - e) ℏ (\\ displayStyle k \u003d (\\ frac (\\ sqrt (2m (u-e))) (\\ hbar)))) - Μονάδα φορέα κύματος. Οι C και D είναι δύο μόνιμες, ορίζονται επίσης από τις οριακές συνθήκες.

Η αρχή της αβεβαιότητας Geisenberg.

Η αναλογία αβεβαιότητας εμφανίζεται μεταξύ οποιουδήποτε κβαντικού παρατηρήσιμου, καθορισμένων μη σύνθετων φορέων.

Αβεβαιότητα μεταξύ της συντεταγμένης και της ώθησης

Αφήστε - η απόκλιση RMS της συντεταγμένης σωματιδίων M (\\ displaystyle m)κινείται κατά μήκος του άξονα X (\\ displayStyle x)και είναι η τυπική απόκλιση της ώθησης της. Αξίες Δ Χ (\\ displayStyle \\ delta x) και Δ P (\\ DisplayStyle \\ Delta P) που σχετίζονται με την ακόλουθη ανισότητα:

Δ Χ ρ ι Π Ρ και 2 (\\ DisplayStyle \\ Delta x \\ delta p \\ geqslant (\\ frac (\\ hbar) (2)))

Οπου H (\\ displaystyle h) - μόνιμο Planck, και ℏ \u003d Η 2 π. (\\ displayStyle \\ hbar \u003d (\\ frac (h) (2 \\ pi)).).

Σύμφωνα με τον λόγο αβεβαιότητας, είναι αδύνατο να ορίσεις απολύτως ταυτόχρονα τις συντεταγμένες και τον παλμό των σωματιδίων. Με αύξηση της ακρίβειας της μέτρησης συντεταγμένων, η μέγιστη ακρίβεια της μέτρησης παλμών μειώνεται και αντίστροφα. Αυτές οι παράμετροι για τις οποίες ένας τέτοιος ισχυρισμός είναι έγκυρος ονομάζονται κανονικά συζυγές.

Αυτή η κεντράρισμα στη μέτρηση που προέρχεται από το Ν. Babe είναι πολύ δημοφιλές. Ωστόσο, η αναλογία αβεβαιότητας εξουδετερώνεται θεωρητικά από τα αξιοθέατα του Schredinger και γεννήθηκε και δεν αφορά τη μέτρηση, αλλά κρατάει κρατικά: ισχυρίζεται ότι οι αντίστοιχες αναλογίες αβεβαιότητας εκτελούνται για κάθε πιθανή κατάσταση. Φυσικά, θα πραγματοποιηθεί για μετρήσεις. Εκείνοι. Αντί να "με αύξηση της ακρίβειας μέτρησης των συντεταγμένων, η μέγιστη ακρίβεια μέτρησης παλμών μειώνεται:" Σε συνθήκες όπου η αβεβαιότητα συντονισμού είναι μικρότερη, η αβεβαιότητα παλμού είναι μεγαλύτερη. "

Αβεβαιότητα μεταξύ ενέργειας και χρόνου

Ας είναι Δ E (\\ DisplayStyle \\ Delta E) - την τυπική απόκλιση κατά τη μέτρηση της ενέργειας μιας συγκεκριμένης κατάστασης του κβαντικού συστήματος και Δ Τ (\\ DisplayStyle \\ Delta t) - τη διάρκεια ζωής αυτής της κατάστασης. Τότε εκτελείται η ακόλουθη ανισότητα,

Δ ε ρ ι ⩾ ℏ 2. (\\ Displa \\ delta e \\ delta t \\ geqslant (\\ frac (\\ hbar) (2)).).

Με άλλα λόγια, η κατάσταση που ζει για λίγοδεν μπορεί να έχει μια καλά καθορισμένη ενέργεια.

Ταυτόχρονα, αν και ο τύπος αυτών των δύο αναλογιών αβεβαιότητας είναι παρόμοιος, αλλά η φύση τους (φυσική) είναι εντελώς διαφορετική.

Σίγουρα ακούσατε πολλές φορές σχετικά με Ανεξήγητα μυστικά Κβαντική φυσική και κβαντική μηχανική. Οι νόμοι της γοητεύουν μυστικιστές, και ακόμη και οι ίδιοι οι φυσικοί παραδέχονται ότι δεν τους καταλαβαίνουν εντελώς. Από τη μία πλευρά, είναι περίεργο να κατανοήσουμε αυτούς τους νόμους, αλλά από την άλλη πλευρά, δεν υπάρχει χρόνος να διαβάσετε τα πολλαπλάσια και σύνθετα βιβλία στη φυσική. Σας καταλαβαίνω πραγματικά, γιατί αγαπώ επίσης τη γνώση και αναζητώ την αλήθεια, αλλά ο χρόνος για όλα τα βιβλία στερείται καταστροφικά. Δεν είστε μόνοι, πολλοί περίεργοι άνθρωποι κερδίζουν στη γραμμή αναζήτησης: "Κβαντική Φυσική για Τσαγιές, Κβαντική Μηχανική για Τσαγιές, Κβαντική Φυσική για αρχάριους, Κβαντικής Μηχανικής για Αρχάριους, Βασικά της Κβαντικής Μηχανικής, Κβαντική Φυσική για Παιδιά, τι είναι η κβαντική μηχανική ". Είναι για εσάς αυτή τη δημοσίευση.

Θα γίνει κατανοητό από τις βασικές έννοιες και τα παράδοξα της κβαντικής φυσικής. Από το άρθρο θα μάθετε:

• Τι είναι η κβαντική φυσική και η κβαντική μηχανική;
• Τι είναι η παρεμβολή;
• Τι είναι η κβαντική σύγχυση (ή κβαντική τηλεμεταφορά για ανδρείκελα); (βλ. άρθρο)
• Τι Πειράματα μυαλού "Shroedinger` s Cat "; (βλ. άρθρο)

Οι κβαντικές μηχανικές αποτελούν μέρος της κβαντικής φυσικής.

Γιατί είναι τόσο δύσκολο να κατανοήσουμε αυτές τις επιστήμες; Η απάντηση είναι απλή: η κβαντική φυσική και η κβαντική μηχανική (μέρος της κβαντικής φυσικής) μελετούν τους νόμους του μικρομορίου. Και αυτοί οι νόμοι είναι απολύτως διαφορετικοί από τους νόμους του Macromir μας. Επομένως, είναι δύσκολο να φανταστούμε τι συμβαίνει με τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια στο μικρόμετρο.

Ένα παράδειγμα της διαφοράς μεταξύ των νόμων μακροοικονομικών και μικροειδών: Στο Macromir μας, αν βάζετε μια μπάλα σε ένα από τα 2 κουτιά, τότε σε ένα από αυτά θα είναι άδειο, και στην άλλη - η μπάλα. Αλλά στο μικρόμετρο (αν αντί μιας μπάλας - ένα άτομο), ένα άτομο μπορεί να είναι ταυτόχρονα σε δύο κουτιά. Αυτό επιβεβαιώνεται επανειλημμένα πειραματικά. Είναι πραγματικά δύσκολο να το φιλοξενήσετε στο κεφάλι σας; Αλλά δεν μπορείτε να διαφωνήσετε με τα γεγονότα.

Ένα ακόμη παράδειγμα. Φωτογράφισε ένα ταχέως βιαστικό κόκκινο σπορ αυτοκίνητο και είδε μια θολή οριζόντια λωρίδα στη φωτογραφία, σαν να το αυτοκίνητο τη στιγμή της φωτογραφίας ήταν από πολλά σημεία χώρου. Παρά το γεγονός ότι βλέπετε στη φωτογραφία, είστε ακόμα σίγουροι ότι το αυτοκίνητο είναι σε ένα δευτερόλεπτο όταν φωτογραφίζετε ήταν Σε ένα συγκεκριμένο μέρος στο διάστημα. Στον κόσμο των μικροειδών, όλα είναι λάθος. Ένα ηλεκτρόνιο που περιστρέφεται γύρω από τον πυρήνα του ατόμου δεν περιστρέφεται πραγματικά, αλλά είναι ταυτόχρονα σε όλα τα σημεία της σφαίρας γύρω από τον πυρήνα του ατόμου. Όπως ένα τραυματισμένο χαλαρό παλιό μαλλί. Αυτή η έννοια στη φυσική ονομάζεται "Ηλεκτρονικό σύννεφο" .

Μια μικρή εκδρομή στην ιστορία. Για πρώτη φορά για τον κβαντικό κόσμο, οι επιστήμονες σκέφτονται όταν το 1900 ο Γερμανός φυσικός Max Planck προσπάθησε να μάθει γιατί, όταν θερμαίνεται, τα μέταλλα αλλάζουν χρώμα. Ήταν αυτός που εισήγαγε την έννοια ενός κβαντικού. Πριν από αυτό, οι επιστήμονες πίστευαν ότι το φως εφαρμόζεται συνεχώς. Ο πρώτος που αντιλαμβάνεται σοβαρά το άνοιγμα της σανίδας ήταν σε οποιονδήποτε άγνωστο albert Encen. Συνειδητοποίησε ότι το φως δεν ήταν μόνο ένα κύμα. Μερικές φορές συμπεριφέρεται σαν ένα σωματίδιο. Ο Enstein έλαβε βραβείο Νόμπελ Για την ανακάλυψή του, το φως ακτινοβολείται από μερίδες, Quanta. Ένα κβαντικό φως ονομάζεται φωτόνιο ( photon, Wikipedia) .

Προκειμένου να διευκολυνθεί η κατανόηση των νόμων του κβαντικού Η φυσικη και Μηχανικός (Wikipedia), Είναι απαραίτητο κατά κάποιο τρόπο η αφηρημένη από τους συνηθισμένους νόμους της κλασσικής φυσικής. Και να φανταστεί ότι έχετε συναντήσει, όπως η Αλίκη, στο κουνελιού Nora, στη χώρα των θαυμάτων.

Και εδώ είναι ένα γελοιογραφία για παιδιά και ενήλικες. Συζητά για το θεμελιώδες πείραμα της κβαντικής μηχανικής με 2 υποδοχές και παρατηρητή. Διαρκεί μόνο 5 λεπτά. Κοιτάξτε τον προτού εμβαθύνουμε τα βασικά ερωτήματα και τις έννοιες της κβαντικής φυσικής.

Κβαντική φυσική για βίντεο τσαγιού. Στο κινούμενο σχέδιο, δώστε προσοχή στο "μάτι" του παρατηρητή. Έγινε ένα σοβαρό μυστήριο για τους επιστήμονες γιατρού.

Τι είναι η παρεμβολή;

Στην αρχή του κινουμένων σχεδίων, παρουσιάστηκε στο παράδειγμα του υγρού, καθώς τα κύματα συμπεριφέρονται - εναλλασσόμενες σκοτεινές και φωτεινές κάθετες λωρίδες εμφανίζονται στην οθόνη με τις υποδοχές. Και στην περίπτωση που η πλάκα "πυροβολούν" διακριτά σωματίδια (για παράδειγμα, βότσαλα), πετούν μέσα από 2 υποδοχές και πέφτουν στην οθόνη ακριβώς απέναντι από τα κενά. Και "τραβήξτε" στην οθόνη μόνο 2 κάθετες λωρίδες.

Φως παρεμβολής - Πρόκειται για μια "κύμα" συμπεριφορά φωτός όταν εμφανίζονται πολλές εναλλασσόμενες φωτεινές και σκούρες κάθετες λωρίδες στην οθόνη. Ακόμη αυτές τις κάθετες λωρίδες Το πρότυπο παρεμβολής καλείται.

Στο Macromir μας, παρατηρούμε συχνά ότι το φως συμπεριφέρεται σαν ένα κύμα. Εάν βάζετε ένα χέρι μπροστά από το κερί, τότε ο τοίχος δεν θα είναι μια σαφής σκιά του χεριού, αλλά με σπασμένα περιγράμματα.

Έτσι, όλα δεν είναι δύσκολα! Είναι πλέον σαφές ότι το φως έχει μια φύση κύματος και αν υπάρχουν 2 υποδοχές για να φωτιστούν με το φως, τότε θα δούμε την εικόνα παρεμβολής στην οθόνη. Τώρα εξετάστε το 2ο πείραμα. Αυτό είναι το διάσημο πείραμα Stern-Gerlacha (το οποίο πέρασε στις 20 του περασμένου αιώνα).

Η εγκατάσταση που περιγράφεται στο κινούμενα σχέδια δεν είναι ελαφρύ, αλλά "απολυθεί" με ηλεκτρόνια (ως ξεχωριστά σωματίδια). Στη συνέχεια, στις αρχές του περασμένου αιώνα, η φυσική του ολόκληρου κόσμου πίστευε ότι τα ηλεκτρόνια είναι στοιχειώδη σωματίδια της ύλης και δεν πρέπει να έχουν κύμα φύση, αλλά το ίδιο με τα βότσαλα. Μετά από όλα, τα ηλεκτρόνια είναι στοιχειώδη σωματίδια της ύλης, σωστά; Δηλαδή, αν "ρίχνουν" σε 2 ρωγμές, όπως βότσαλα, στη συνέχεια στην οθόνη για υποδοχές πρέπει να δούμε 2 κάθετες λωρίδες.

Αλλά ... το αποτέλεσμα ήταν εκπληκτικό. Οι επιστήμονες είδαν την εικόνα παρεμβολής - πολλές κάθετες λωρίδες. Δηλαδή, τα ηλεκτρόνια, καθώς και το φως, μπορούν επίσης να έχουν μια φύση κύματος, μπορεί να εμπλακεί. Και από την άλλη πλευρά, έγινε σαφές ότι το φως δεν είναι μόνο ένα κύμα, αλλά λίγο και ένα σωματίδιο - ένα φωτόνιο (από την ιστορική αναφορά στην αρχή του άρθρου που μάθαμε ότι το άνοιγμα του Enstein έλαβε το βραβείο Νόμπελ) .

Μπορεί να θυμάστε, μας είπαν στο σχολείο για τη φυσική "Vacicular and Wave Dualism"; Αυτό σημαίνει ότι όταν πρόκειται για πολύ μικρά σωματίδια (άτομα, ηλεκτρόνια) του μικροrorld, τότε Είναι και τα δύο κύματα και τα σωματίδια

Σήμερα, σήμερα είμαστε τόσο έξυπνοι και καταλαβαίνουμε ότι 2 πάνω από το πείραμα που περιγράφηκε - η λήψη των ηλεκτρονίων και ο φωτισμός του φωτός της υποδοχής είναι η ουσία του ίδιου πράγματος. Επειδή πυροβολούμε τις εγκοπές των κβαντικών σωματιδίων. Τώρα γνωρίζουμε ότι το φως και τα ηλεκτρόνια έχουν μια κβαντική φύση, τόσο κύματα όσο και σωματίδια ταυτόχρονα. Και στις αρχές του 20ού αιώνα, τα αποτελέσματα αυτού του πειράματος ήταν αίσθηση.

Προσοχή! Τώρα ας φτάσουμε σε ένα πιο λεπτό ζήτημα.

Γυάλουμε στις ρωγμές μας με μια ροή φωτονίων (ηλεκτρόνια) - και δείτε τις εγκοπές στο πρότυπο παρεμβολής οθόνης (κάθετες λωρίδες). Είναι ξεκάθαρο. Αλλά μας ενδιαφέρει να δούμε πώς κάθε ηλεκτρόνιο πετάει στην υποδοχή.

Πιθανώς, ένα ηλεκτρόνιο πετάει στην αριστερή αυλάκωση, το άλλο είναι σωστό. Στη συνέχεια, πρέπει να εμφανιστούν 2 κάθετες λωρίδες στην οθόνη ακριβώς απέναντι από τις υποδοχές. Γιατί η εικόνα παρεμβολής; Ίσως τα ηλεκτρόνια να αλληλεπιδρούν κάπως μεταξύ τους στην οθόνη μετά το άνοιγμα μέσω των υποδοχών. Και ως αποτέλεσμα, λαμβάνεται μια τέτοια εικόνα κύματος. Πώς εντοπίζουμε;

Θα ρίξουμε τα ηλεκτρόνια όχι μια δέσμη, αλλά μία προς μία. Ρίξτε, περιμένετε, ρίξτε τα εξής. Τώρα που ένα ηλεκτρόνιο πετάει ένα, δεν θα αλληλεπιδρά πλέον στην οθόνη με άλλα ηλεκτρόνια. Θα καταχωρήσουμε κάθε ηλεκτρόνιο στην οθόνη μετά τη ρίψη. Ένα ή δύο φυσικά δεν "αντλεί" μια σαφή εικόνα. Αλλά όταν τους στέλνουν πολύ στα slots, σημειώνουμε ... oh τρόμο - και πάλι "ζωγραφισμένα" την εικόνα των κυμάτων παρεμβολής!

Αρχίζουμε να τρελαθούν αργά. Μετά από όλα, περιμέναμε 2 κάθετες λωρίδες απέναντι από τα κενά! Αποδεικνύεται ότι όταν ρίξαμε τα φωτόνια ένα προς ένα, κάθε ένας από αυτούς πέρασε, σαν μετά από 2 ρωγμές ταυτόχρονα και παρεμποδίστηκε με τον εαυτό του. Μυθιστόρημα! Ας επιστρέψουμε στην εξήγηση αυτού του φαινομένου στο επόμενο τμήμα.

Τι είναι η περιστροφή και η υπέρθεση;

Τώρα γνωρίζουμε ποιες παρέμβλες. Αυτή είναι η συμπεριφορά των κυμάτων των μικρο-σωματιδίων - φωτονίων, ηλεκτρονίων, άλλων μικρών σωματιδίων (ας τα καλέσουμε φωτόνια από αυτή τη στιγμή στην απλότητα).

Ως αποτέλεσμα του πειράματος, όταν ρίξαμε σε 2 υποδοχές 1 Photon, συνειδητοποιήσαμε ότι πετάει σαν δύο ρωγμές ταυτόχρονα. Διαφορετικά, πώς να εξηγήσετε την εικόνα παρεμβολής στην οθόνη;

Αλλά πώς να παρουσιάσετε μια εικόνα που το φωτόνιο πετά μέσα από δύο ρωγμές ταυτόχρονα; Υπάρχουν 2 επιλογές.

• 1η επιλογή: Photon, όπως ένα κύμα (όπως το νερό) "κολυμπούν" μέσα από 2 slots ταυτόχρονα
• 2η επιλογή: Photon, όπως ένα σωματίδιο, πετά ταυτόχρονα στις 2ο τροχιές (ούτε και δύο, αλλά καθόλου ταυτόχρονα)

Κατ 'αρχήν, αυτές οι δηλώσεις είναι ισοδύναμες. Ήρθαμε στο "ενσωματωμένο στις τροχιές". Αυτή είναι η διαμόρφωση της κβαντικής μηχανικής από τον Richard Feynman.

Από το δρόμο, είναι Richard Feynman ανήκει σε μια γνωστή έκφραση ότι με αυτοπεποίθηση μπορεί να υποστηρίξει ότι η κβαντική μηχανική δεν καταλαβαίνει κανείς

Αλλά αυτή η έκφραση εργάστηκε στις αρχές του αιώνα. Αλλά τώρα είμαστε έξυπνοι και γνωρίζουμε ότι το φωτόνιο μπορεί να συμπεριφερθεί και ως σωματίδιο, και ως κύμα. Ότι μπορεί να ασκηθεί κατά κάποιο τρόπο να πετάμε ταυτόχρονα μετά από 2 υποδοχές. Επομένως, θα κατανοήσουμε εύκολα τον ακόλουθο σημαντική ισχυρισμό της κβαντικής μηχανικής:

Αυστηρά μιλώντας, ο κβαντικός μηχανικός μας λέει ποια είναι η συμπεριφορά του φωτονίου - ένας κανόνας και όχι μια εξαίρεση. Το οποιοδήποτε κβαντικό σωματίδιο είναι συνήθως σε πολλά κράτη ή σε πολλά σημεία χώρου ταυτόχρονα.

Τα αντικείμενα Macromir μπορούν να είναι μόνο σε μία συγκεκριμένη θέση σε μία συγκεκριμένη κατάσταση. Αλλά το κβαντικό σωματίδιο υπάρχει στους νόμους της. Και αυτή και τα πράγματα δεν είναι πριν από αυτό δεν τους καταλαβαίνουμε. Σε αυτό το σημείο.

Πρέπει απλώς να αναγνωρίσουμε ως Axiom ότι η "υπέρθεση" του κβαντικού αντικειμένου σημαίνει ότι μπορεί να είναι σε 2 ή περισσότερες τροχιές ταυτόχρονα, σε 2 ή περισσότερα σημεία ταυτόχρονα

Το ίδιο ισχύει και για μια άλλη παράμετρο του φωτονίου - πίσω (η δική του γωνιακή ορμή). Το Spin είναι ένα φορέα. Το κβαντικό αντικείμενο μπορεί να αντιπροσωπεύεται ως μικροσκοπικός μαγνήτης. Είμαστε συνηθισμένοι ότι ο φορέας μαγνητικού (spin) είτε κατευθύνεται προς τα πάνω, είτε κάτω. Αλλά το ηλεκτρόνιο ή το φωτόνιο μας λένε και πάλι: "Guys, μας νοιάζει τι είστε συνηθισμένοι, μπορούμε να είμαστε και στις δύο καταστάσεις της πλάτης αμέσως (διάνυσμα, φορέα, κάτω), όπως ακριβώς μπορούμε να είμαστε σε 2 τροχιές ταυτόχρονα ή σε 2 πόντους ταυτόχρονα! "

Τι είναι η "μέτρηση" ή "κατάρρευση της λειτουργίας κύματος";

Αφήσαμε λίγο - να καταλάβουμε περισσότερα ποια είναι η "μέτρηση" και ποια είναι η "κατάρρευση της λειτουργίας κύματος".

Λειτουργία κύματος - Αυτή είναι μια περιγραφή της κατάστασης ενός κβαντικού αντικειμένου (φωτονίου ή ηλεκτρονίων μας).

Ας υποθέσουμε ότι έχουμε ένα ηλεκτρόνιο, πετάει στον εαυτό του Σε μια απαράδεκτη κατάσταση, η περιστροφή κατευθύνεται και επάνω, και κάτω ταυτόχρονα. Πρέπει να μετρήσουμε την κατάστασή του.

Μετρούμε τη χρήση ενός μαγνητικού πεδίου: τα ηλεκτρόνια στα οποία η περιστροφή κατευθύνεται προς την κατεύθυνση πεδίου, αποκλίνει προς μία κατεύθυνση και τα ηλεκτρόνια των οποίων η περιστροφή κατευθύνεται έναντι του πεδίου σε άλλο. Περισσότερα φωτόνια μπορούν να σταλούν σε ένα φίλτρο πόλωσης. Εάν η περιστροφή (πόλωση) του φωτονίου +1 - περνά μέσα από το φίλτρο και αν -1, τότε όχι.

Να σταματήσει! Εδώ θα έχετε αναπόφευκτα μια ερώτηση: Πριν από τη μέτρηση, επειδή το ηλεκτρόνιο δεν είχε κάποια συγκεκριμένη κατεύθυνση της πλάτης, σωστά; Ήταν σε όλα τα κράτη την ίδια στιγμή;

Αυτό είναι το τσιπ και η αίσθηση της κβαντικής μηχανικής. Μέχρι να μετρήσετε την κατάσταση ενός κβαντικού αντικειμένου, μπορεί να περιστρέψει προς οποιαδήποτε κατεύθυνση (για να έχει οποιαδήποτε κατεύθυνση του φορέα της δικής της γωνιακής ορμής - περιστροφής). Αλλά αυτή τη στιγμή, όταν μετρήσατε την κατάστασή του, φαίνεται να λαμβάνει μια απόφαση, τι διάνυσμα περιστροφής να πάρει.

Εδώ είναι ένα τέτοιο δροσερό, αυτό το κβαντικό αντικείμενο - αποφασίζει για την κατάσταση του. Και δεν μπορούμε να προβλέψουμε εκ των προτέρων τι απόφαση θα πάρει όταν πετάει στο μαγνητικό πεδίο στο οποίο το μετρούμε. Η πιθανότητα να αποφασίσει να έχει ένα διάνυσμα "επάνω" ή "κάτω" - 50 κατά 50%. Αλλά μόλις αποφάσισε - είναι σε μια συγκεκριμένη κατάσταση με συγκεκριμένη κατεύθυνση της πλάτης. Ο λόγος για τη λύση του είναι η "μέτρησή μας"!

Αυτό ονομάζεται " Κατάρρευση της λειτουργίας κύματος ". Η λειτουργία WAVE πριν από τη μέτρηση ήταν αβέβαιη, δηλ. Ο φορέας περιστροφής ηλεκτρονίων ταυτόχρονα προς όλες τις κατευθύνσεις, αφού η μέτρηση του ηλεκτροκίνητου έγραψε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση του φορέα της πλάτης του.

Προσοχή! Εξαιρετική για την κατανόηση του Παραδείγματος Σύνδεσμος από το Macromir μας:

Διαδώστε το νόμισμα στο τραπέζι ως Γουλιά. Ενώ το κέρμα περιστρέφεται, το Νέο δεν έχει συγκεκριμένη τιμή - έναν αετό ή μια βιασύνη. Αλλά μόλις αποφασίσετε να "μετρήσετε" αυτή την αξία και να βάλετε το νόμισμα με το χέρι, είναι εδώ ότι η συγκεκριμένη κατάσταση του νομίσματος είναι αετός ή μια βιασύνη. Τώρα φανταστείτε ότι αυτό το νόμισμα κάνει μια απόφαση, ποια αξία σε σας "εμφάνιση" είναι ένας αετός ή μια βιασύνη. Επίσης συμπεριφέρονται επίσης και ηλεκτρονίων.

Και τώρα θυμηθείτε το πείραμα που εμφανίζεται στο τέλος του κινουμένων σχεδίων. Όταν τα φωτόνια περάσαμε μέσα από τα κενά, συμπεριφέρθηκαν σαν ένα κύμα και έδειξαν μια εικόνα παρεμβολής στην οθόνη. Και όταν οι επιστήμονες ήθελαν να διορθώσουν (μέτρο) τη στιγμή των φωτονίων να διαρρέουν μέσα από το κενό και να ρυθμίσουν την οθόνη "παρατηρητή", τα φωτόνια άρχισαν να συμπεριφέρονται, όχι σαν τα κύματα, αλλά ως σωματίδια. Και "Drew" στην οθόνη 2 κάθετες λωρίδες. Εκείνοι. Κατά τη διάρκεια της μέτρησης ή της παρατήρησης, τα ίδια τα κβαντικά αντικείμενα επιλέγουν, σε αυτό που τους δηλώνουν.

Μυθιστόρημα! Δεν είναι?

Αλλά αυτό δεν είναι όλα. Τελικά εμείς Πήρα στο πιο ενδιαφέρον.

Αλλά ... μου φαίνεται ότι οι πληροφορίες θα υπερφορτωθούν, έτσι 2 από αυτές τις έννοιες θα εξετάσουμε ξεχωριστές θέσεις:

• Τι ?
• Τι είναι ένα ψυχικό πείραμα.

Και τώρα, θέλετε τις πληροφορίες να αποσυντεθούν στα ράφια; Ελέγξτε το ντοκιμαντέρ που εκπονήθηκε από το Καναδικό Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής. Σε αυτό σε 20 λεπτά πολύ σύντομα και μέσα χρονολογική σειρά Θα σας ενημερώσετε για όλες τις ανακαλύψεις της κβαντικής φυσικής, ξεκινώντας από το άνοιγμα της Planka το 1900. Και στη συνέχεια πείτε ποια πρακτική ανάπτυξη εκτελείται τώρα με βάση τη γνώση Κβαντική φυσική: Από τις πιο ακριβείς ατομικές ώρες σε υπολογισμούς υπερ-ταχύτητας του κβαντικού υπολογιστή. Σας προτείνουμε να παρακολουθήσετε αυτή την ταινία.

Τα λέμε!

Σας εύχομαι όλοι η έμπνευση για όλα τα προγραμματισμένα σχέδια και τα έργα!

P.S.2 Γράψτε τις ερωτήσεις και τις σκέψεις σας στα σχόλια. Γράψτε, τι άλλες ερωτήσεις σχετικά με την κβαντική φυσική ενδιαφέρεστε;

P.S.3 Εγγραφείτε σε ένα blog - μια φόρμα για συνδρομή σε ένα άρθρο.

Η λέξη "Quantum" προέρχεται από τη Λατινική Ποσοστό.("Πόσο, όπως και πολλά") και τα αγγλικά Ποσοστό. ("Ποσότητα, τμήμα, κβαντικό"). Η "Μηχανική" είναι εδώ και πολύ καιρό που ονομάζεται επιστήμη για την κίνηση της ύλης. Κατά συνέπεια, ο όρος "κβαντικός μηχανικός" νοείται η επιστήμη της κίνησης της ύλης από μερίδες (ή, εκφράζοντας σύγχρονα Επιστημονικός Επιστήμη για την κίνηση ποσοστιαίοςύλη). Ο όρος "κβαντικό" εισήγαγε έναν Γερμανό φυσικό για να χρησιμοποιήσει το Max Planck ( εκ. Μόνιμο Planck) για να περιγράψει την αλληλεπίδραση του φωτός με άτομα.

Η κβαντική μηχανική συχνά αντιφάσκει στις έννοιες μας για την κοινή λογική. Και όλα γιατί ΚΟΙΝΗ ΛΟΓΙΚΗ Μας λέει πράγματα που λαμβάνονται από την καθημερινή εμπειρία και στην καθημερινή μας εμπειρία πρέπει να αντιμετωπίσουμε μόνο μεγάλα αντικείμενα και φαινόμενα του μακρομερή και στο επίπεδο ατομικής και υποτομεδής, τα σωματίδια υλικού συμπεριφέρονται αρκετά διαφορετικά. Η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg περιγράφει μόνο την έννοια αυτών των διαφορών. Στο Macromir, μπορούμε να εντοπίσουμε σημαντικά και χωρίς αμφιβολία (χωρικές συντεταγμένες) οποιουδήποτε αντικειμένου (για παράδειγμα, αυτό το βιβλίο). Δεν έχει σημασία αν χρησιμοποιούμε έναν κυβερνήτη, ραντάρ, σόναρ, φωτομετρία ή οποιαδήποτε άλλη μέθοδο μέτρησης, τα αποτελέσματα των μετρήσεων θα είναι αντικειμενικές και ανεξάρτητες από τη θέση του βιβλίου (φυσικά, με την επιφύλαξη της ακρίβειάς σας κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μέτρησης). Δηλαδή, κάποια αβεβαιότητα και ανακρίβεια είναι δυνατή - αλλά μόνο λόγω της αρετής Περιορισμένες ευκαιρίες Όργανα μέτρησης και σφάλματα παρατήρησης. Για να πάρετε πιο ακριβή και αξιόπιστα αποτελέσματα, αρκεί να κάνουμε μια πιο ακριβή συσκευή μέτρησης και να προσπαθήσουμε να το χρησιμοποιήσουμε χωρίς σφάλματα.

Τώρα, αντί των συντεταγμένων του βιβλίου, πρέπει να μετρήσουμε τις συντεταγμένες μικροσωματιδίων, όπως ένα ηλεκτρόνιο, τότε δεν μπορούμε πλέον να παραμελούμε τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ του οργάνου μέτρησης και του αντικειμένου μέτρησης. Τη δύναμη της γραμμής ή άλλου Συσκευή μέτρησης Το βιβλίο είναι αμελητέο και δεν επηρεάζει τα αποτελέσματα των μετρήσεων, αλλά για τη μέτρηση των χωρικών συντεταγμένων του ηλεκτρονίου, πρέπει να εκτελέσουμε ένα φωτόνιο, ένα άλλο ηλεκτρόνιο ή άλλο προς την κατεύθυνση του Στοιχειώδες σωματίδιο Συγκρίσιμη με μια μετρηθείσα ηλεκτρονικά ενέργειες και να μετρήσει την απόκλησή του. Αλλά το ίδιο το ηλεκτρόνιο, το οποίο είναι ένα αντικείμενο μέτρησης, ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης με αυτό το σωματίδιο θα αλλάξει τη θέση του στο διάστημα. Έτσι, ο ίδιος ο νόμος περί μέτρησης οδηγεί σε αλλαγή στη θέση του αντικειμένου που μετριέται και η ανακρίβεια της μέτρησης οφείλεται στο γεγονός της ίδιας της μέτρησης και όχι ο βαθμός ακρίβειας του χρησιμοποιούμενου οργάνου μέτρησης. Με ποια κατάσταση αναγκάζονται να βάλουμε στο μικρόμετρο. Η μέτρηση είναι αδύνατη χωρίς αλληλεπίδραση, αλλά αλληλεπίδραση - χωρίς να επηρεάζεται το μετρούμενο αντικείμενο και, ως αποτέλεσμα, στρέβλωση των αποτελεσμάτων μέτρησης.

Μόνο ένα πράγμα μπορεί να υποστηριχθεί για τα αποτελέσματα αυτής της αλληλεπίδρασης:

Χωρική συντεταγμένη αβεβαιότητα × Αβεβαιότητα ταχύτητας σωματιδίων\u003e Η./Μ.,

Ή, στη μαθηματική γλώσσα:

Δ Χ. × Δ v. > Η./Μ.

όπου δ. Χ.και δ. v - την αβεβαιότητα της χωρικής θέσης και της ταχύτητας του σωματιδίου, αντίστοιχα, h Σταθερή σανίδα, και Μ - Μάζα σωματιδίων.

Συνεπώς, εμφανίζεται αβεβαιότητα κατά τον προσδιορισμό των χωρικών συντεταγμένων όχι μόνο ενός ηλεκτρονίου, αλλά και οποιουδήποτε υποατομικού σωματιδίου και όχι μόνο συντεταγμένες, αλλά και άλλες ιδιότητες των σωματιδίων - όπως η ταχύτητα. Παρομοίως, το σφάλμα μέτρησης οποιουδήποτε τέτοιου ζεύγους προσδιορίζεται επίσης από τα αμοιβαία συνδεδεμένα χαρακτηριστικά σωματιδίων (ένα παράδειγμα άλλου ζεύγους - η ενέργεια που εκπέμπεται από το ηλεκτρόνιο και το μήκος του χρόνου για τον οποίο εκπέμπεται). Δηλαδή, αν, για παράδειγμα, διαχειριζόμαστε Υψηλή ακρίβεια μέτρησε τη χωρική θέση του ηλεκτρονίου, τότε εμείς Την ίδια στιγμήΈχουμε μόνο την πιο αόριστη ιδέα της ταχύτητάς του, και αντίστροφα. Φυσικά, με πραγματικές διαστάσεις, δεν φτάνει σε αυτά τα δύο άκρα, και η κατάσταση είναι πάντα κάπου στη μέση. Δηλαδή, αν καταφέραμε, για παράδειγμα, τη μέτρηση της θέσης του ηλεκτρονίου με ακρίβεια έως και 10 -6 m, τότε μπορούμε ταυτόχρονα να μετρήσουμε την ταχύτητά του μέσα καλύτερη περίπτωση, με ακρίβεια 650 m / s.

Λόγω της αρχής της αβεβαιότητας, η περιγραφή των αντικειμένων του κβαντικού μικροκροτλίου είναι διαφορετική, αντί της συνήθους περιγραφής των αντικειμένων του Νευτώπου Macromir. Αντί για χωρικές συντεταγμένες και ταχύτητες που χρησιμοποιήσαμε για να περιγράψουμε μια μηχανική κίνηση, για παράδειγμα, μια μπάλα Τραπέζι μπιλιάρδου, στην κβαντική μηχανική, τα αντικείμενα περιγράφονται από το λεγόμενο Λειτουργία κύματος.Η Crest "Waves" αντιστοιχεί στη μέγιστη πιθανότητα να βρεθούν ένα σωματίδιο στο διάστημα κατά τη διάρκεια της μέτρησης. Η κίνηση ενός τέτοιου κύματος περιγράφεται από την εξίσωση Schrödinger, η οποία μας λέει επίσης πώς αλλάζει η κατάσταση του κβαντικού συστήματος με την πάροδο του χρόνου.

Το πρότυπο των κβαντικών συμβάντων σε ένα μικροκροτίδιο, βαμμένο από την εξίσωση Schrödinger, είναι τέτοιο ώστε τα σωματίδια να φορτωθούν με ξεχωριστά παλιρροϊκά κύματα που διαδίδονται στην επιφάνεια του χώρου των ωκεανών. Με την πάροδο του χρόνου, η κορυφή του κύματος (η αντίστοιχη κορυφή της πιθανότητας εξεύρεσης ενός σωματιδίου, όπως ένα ηλεκτρόνιο, στο διάστημα) κινείται στο διάστημα σύμφωνα με τη λειτουργία κύματος, η οποία είναι η λύση αυτού Διαφορική εξίσωση. Συνεπώς, το γεγονός ότι παραδοσιακά αντιπροσωπεύονται από ένα σωματίδιο, σε κβαντικό επίπεδο, παρουσιάζει ορισμένα χαρακτηριστικά που είναι εγγενή στα κύματα.

Συντονισμός των κυμάτων και των εγκλειστικών ιδιοτήτων των αντικειμένων του μικρομορίου ( εκ. Η σχέση του de broglie) ήταν εφικτός αφού οι φυσικοί συμφωνεί να εξετάσουν τα αντικείμενα του κβαντικού κόσμου όχι από σωματίδια και όχι κύματα, αλλά από κάτι ενδιάμεσο και διαθέτουν τόσο κύματα όσο και θλιβερές ιδιότητες. Στη Νευτώνεια Μηχανική δεν υπάρχουν ανάλογα σε τέτοια αντικείμενα. Αν και με μια τέτοια απόφαση των παραδεμάτων στην κβαντική μηχανική όλα είναι αρκετά ακόμα ( εκ. Bella theorem), Το καλύτερο μοντέλο Για να περιγράψουμε τις διαδικασίες που εμφανίζονται στο μικρόμετρο, κανείς δεν έχει προτείνει ακόμα.

Εάν ξαφνικά συνειδητοποιήσατε ότι είχαν ξεχάσει τα θεμέλια και τα αξιοθέατα της κβαντικής μηχανικής ή δεν γνωρίζουν τι είδους μηχανική είναι αυτό, τότε ήρθε η ώρα να ανανεώσετε αυτές τις πληροφορίες στη μνήμη. Μετά από όλα, κανείς δεν ξέρει πότε ένας κβαντικός μηχανικός μπορεί να έρθει σε εύχρηστη ζωή.

Σε μάταιο, θα καπνίζετε και θα αντανακλάμε, σκεφτείτε ότι ποτέ δεν θα πρέπει να το αντιμετωπίσετε στη ζωή καθόλου. Μετά από όλα, η κβαντική μηχανική μπορεί να είναι χρήσιμη για σχεδόν κάθε άτομο, ακόμη και απείρως απομακρυσμένο από αυτήν. Για παράδειγμα, έχετε αϋπνία. Για την κβαντική μηχανική, αυτό δεν είναι πρόβλημα! Διαβάστε το βιβλίο πριν από τον ύπνο - και κοιμάστε τη σελίδα σκλήρυνσης ήδη για το τρίτο. Ή μπορείτε να καλέσετε τη δροσερή ροκ μπάντα σας. Γιατί όχι?

Αστεία στο πλάι, ξεκινήστε μια σοβαρή κβαντική συνομιλία.

Πού να ξεκινήσετε; Φυσικά, με αυτό που ένα κβαντικό είναι.

Ποσοστό

Το κβαντικό (από το Latin Quantum - πόσοι ") είναι ένα αδιαίρετο τμήμα κάποιου είδους φυσικής ποσότητας. Για παράδειγμα, λένε - ένα κβαντικό φως, ένα κβαντικό ενέργειας ή ένα κβαντικό πεδίο.

Τι σημαίνει? Αυτό σημαίνει ότι δεν είναι πλέον δυνατό. Όταν λένε ότι κάποια αξία είναι κβαντική, είναι κατανοητό ότι αυτή η τιμή λαμβάνει ορισμένες ορισμένες, διακριτές τιμές. Έτσι, η ενέργεια ηλεκτρονίων στο κβαντικό άτομο, το φως διανέμεται από τα "τμήματα", δηλαδή, Quanta.

Ο όρος "Quantum" έχει πολλές εφαρμογές. Κβαντικό φως ( Ηλεκτρομαγνητικό πεδίο) είναι ένα φωτόνιο. Με την αναλογία, το Quanta ονομάζεται σωματίδια ή κυλισσσιές που αντιστοιχούν σε άλλα πεδία αλληλεπίδρασης. Εδώ μπορείτε να θυμηθείτε το περίφημο Boson Higgs, το οποίο είναι ένα κβαντικό πεδίο Higgs. Αλλά σε αυτά τα συντρίμμια, δεν ανεβαίνουμε.

Κβαντική μηχανική για "βραστήρες"

Πώς μπορούν οι μηχανικοί να είναι κβαντικοί;

Όπως έχετε ήδη παρατηρήσει, αναφέρθηκε τα σωματίδια στη συνομιλία μας. Ίσως είστε συνηθισμένοι στο γεγονός ότι το φως είναι ένα κύμα που απλά εξαπλώνεται σε ταχύτητες. από . Αλλά αν κοιτάξετε τα πάντα, από την άποψη του κβαντικού κόσμου, δηλαδή ο κόσμος των σωματιδίων, όλα αλλάζουν πέρα \u200b\u200bαπό την αναγνώριση.

Η κβαντική μηχανική είναι ένα τμήμα της θεωρητικής φυσικής, το οποίο αποτελεί μια κβαντική θεωρία που περιγράφει φυσικά φαινόμενα στο στοιχείο του στοιχειώδους επιπέδου - επίπεδο σωματιδίων.

Η επίδραση αυτών των φαινομένων είναι σε μεγάλο βαθμό συγκρίσιμη με μια σταθερή σανίδα, και Κλασική Μηχανική Το Newton και η ηλεκτροδυναμική αποδείχθηκε εντελώς ακατάλληλα για την περιγραφή τους. Για παράδειγμα, σύμφωνα με την κλασική θεωρία του ηλεκτρονίου, περιστρέφοντας με μεγάλη ταχύτητα γύρω από τον πυρήνα, θα πρέπει να εκπέμπει ενέργεια και τελικά να πέσει στον πυρήνα. Αυτό, όπως γνωρίζετε, δεν συμβαίνει. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ήρθαν με ένα κβαντικό μηχανικό - ανοιχτά φαινόμενα που χρειάστηκαν για να εξηγήσουμε με κάποιο τρόπο και αποδείχθηκε ακριβώς η θεωρία, στην οποία η εξήγηση ήταν πιο αποδεκτή, και όλα τα πειραματικά δεδομένα "συγκλίνουν".

Παρεμπιπτόντως! Για τους αναγνώστες μας τώρα υπάρχει έκπτωση 10%

Ένα κομμάτι ιστορίας

Η γέννηση της κβαντικής θεωρίας συνέβη το 1900, όταν ο Max Plank μίλησε σε μια συνάντηση της γερμανικής φυσικής κοινωνίας. Τι έκανε η έκθεση Plank; Και το γεγονός ότι η ακτινοβολία των ατόμων είναι διακριτικά και το μικρότερο μέρος της ενέργειας αυτής της ακτινοβολίας ισούται με

Όπου η είναι μια σταθερή σανίδα, η Nu - συχνότητα.

Στη συνέχεια, ο Albert Einstein, η εισαγωγή της έννοιας του "κβαντικού φωτός" χρησιμοποίησε μια υπόθεση σανίδων για να εξηγήσει το φαινόμενο φωτογραφίας. Ο Nils Bor διατήρησε την ύπαρξη σταθερών ενεργειακών επιπέδων στο Atom και ο Louis de Broglil ανέπτυξε την ιδέα του δυαδικού κυματοειδούς κύματος, δηλαδή ότι το σωματίδιο (Corpus) έχει επίσης τις ιδιότητες κύματος. Ο Schrödinger και ο Heisenberg εντάχθηκαν στην υπόθεση και εδώ, το 1925 δημοσιεύεται η πρώτη διατύπωση της κβαντικής μηχανικής. Στην πραγματικότητα, η κβαντική μηχανική απέχει πολύ από την ολοκλήρωση της θεωρίας, αναπτύσσεται ενεργά και τώρα. Θα πρέπει επίσης να αναγνωριστεί ότι η κβαντική μηχανική με τις παραδοχές της δεν έχει την ευκαιρία να εξηγήσουν όλες τις ερωτήσεις που να σταθούν πριν από αυτήν. Είναι πιθανό ότι μια πιο προηγμένη θεωρία θα έρθει να την αντικαταστήσει.

Όταν μετακινείται από τον κόσμο του κβαντικού στον κόσμο των συνήθων πραγμάτων, οι νόμοι της κβαντικής μηχανικής μετατρέπονται φυσικά στους νόμους της μηχανικής κλασική. Μπορεί να ειπωθεί ότι οι κλασσικοί μηχανικοί είναι Ιδιωτική περίπτωση Κβαντική μηχανική όταν η δράση πραγματοποιείται στο οικείο και μητρική μου Macromir. Εδώ τα σώματα μετακινούνται ήρεμα σε μη αδρανειακά συστήματα αναφοράς με ταχύτητα, πολύ χαμηλότερη ταχύτητα φωτός και γενικά - όλα είναι ήρεμοι και κατανοητό. Εάν θέλετε να μάθετε τη θέση του σώματος στο σύστημα συντεταγμένων - δεν υπάρχουν προβλήματα, θέλετε να μετρήσετε την ώθηση - πάντα παρακαλώ.

Ένας κβαντικός μηχανικός έχει μια εντελώς διαφορετική προσέγγιση στην ερώτηση. Σε αυτό, τα αποτελέσματα μέτρησης φυσικές ποσότητες Είμαστε πιθανοτικοί. Αυτό σημαίνει ότι κατά την αλλαγή μιας αξίας, είναι δυνατά διάφορα αποτελέσματα, καθένα από τα οποία αντιστοιχεί σε μια ορισμένη πιθανότητα. Ας δώσουμε ένα παράδειγμα: το κέρμα περιστρέφεται στο τραπέζι. Ενώ είναι περιστρέφεται, δεν έχει νόημα (Eagle-River), αλλά μόνο η πιθανότητα σε ένα από αυτά τα κράτη να είναι.

Εδώ προσεγγίζουμε ομαλά Εξίσωση Schrödinger και Η αρχή της αβεβαιότητας Heisenberg..

Σύμφωνα με το θρύλο του Erwin Schrödinger, το 1926 μιλώντας σε ένα Επιστημονικό σεμινάριο Με μια παρουσίαση σχετικά με το θέμα του διχαλισμού του Corpusular-Wave, επικρίθηκε από έναν ορισμένο ανώτερο επιστήμονα. Αρνείται να ακούσει τους πρεσβύτερους, Schrödinger μετά από αυτό το περιστατικό που ασχολείται ενεργά με την ανάπτυξη μιας εξίσωσης κύματος για την περιγραφή των σωματιδίων εντός της κβαντικής μηχανικής. Και αντιμετώπισα λαμπρά! Η εξίσωση Schrödinger (η βασική εξίσωση της κβαντικής μηχανικής) έχει τη μορφή:

Αυτό το είδος Εξισώσεις - Η μονοδιάστατη σταθερή εξίσωση Schrödinger είναι η ευκολότερη.

Εδώ το x είναι η απόσταση ή η συντεταγμένη του σωματιδίου, m είναι η μάζα των σωματιδίων, e και u -, αντίστοιχα, η πλήρης και πιθανή ενέργεια του. Λύση αυτής της εξίσωσης - λειτουργία κύματος (PSI)

Η λειτουργία Wave είναι μια άλλη θεμελιώδης έννοια στην κβαντική μηχανική. Έτσι, σε οποιοδήποτε κβαντικό σύστημα σε κάποια κατάσταση, υπάρχει μια λειτουργία κύματος που περιγράφει αυτή την κατάσταση.

Για παράδειγμα, Κατά την επίλυση μιας μονοδιάστατης σταθερής εξίσωσης Schrödinger, η λειτουργία WAVE περιγράφει τη θέση του σωματιδίου στο διάστημα. Ακριβώς, η πιθανότητα να βρεθεί ένα σωματίδιο σε ένα συγκεκριμένο σημείο χώρου. Με άλλα λόγια, ο Schrödinger έδειξε ότι η πιθανότητα μπορεί να περιγραφεί από την εξίσωση κύματος! Συμφωνείτε, πριν από αυτό ήταν απαραίτητο να σκεφτείτε!

Μα γιατί? Γιατί πρέπει να αντιμετωπίσουμε αυτές τις ακατανόητες πιθανότητες και τις λειτουργίες κύματος, όταν φαινόταν, δεν υπάρχει τίποτα ευκολότερο από το να πάρετε και να μετρήσετε την απόσταση από το σωματίδιο ή την ταχύτητά του.

Όλα είναι πολύ απλά! Πράγματι, στο Macromir, είναι πραγματικά - μετρούμε την απόσταση με μια ρουλέτα με κάποια ακρίβεια και το σφάλμα μέτρησης καθορίζεται από το χαρακτηριστικό του οργάνου. Από την άλλη πλευρά, μπορούμε να προσδιορίσουμε πρακτικά την απόσταση από το στοιχείο, για παράδειγμα, στον πίνακα. Σε κάθε περίπτωση, διαφοροποιούμε ακριβώς τη θέση του στο δωμάτιο σε σχέση με εμάς και άλλα αντικείμενα. Στον κόσμο των σωματιδίων, η κατάσταση είναι θεμελιωδώς διαφορετική - είμαστε απλά σωματικά δεν υπάρχουν εργαλεία μέτρησης για να μετρήσετε με ακρίβεια τις επιθυμητές τιμές. Μετά από όλα, το εργαλείο μέτρησης έρχεται σε άμεση επαφή με το μετρούμενο αντικείμενο και στην περίπτωσή μας το αντικείμενο και το εργαλείο είναι σωματίδια. Είναι αυτή η ατέλεια που είναι η αρχή της ανικανότητας να ληφθούν υπόψη όλοι οι παράγοντες που ενεργούν για το σωματίδιο, καθώς και το ίδιο το γεγονός ότι η αλλαγή της κατάστασης του συστήματος υπό τη δράση της μέτρησης και υπογραμμίζει την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg.

Ας δώσουμε την πιο απλή διατύπωση. Φανταστείτε ότι υπάρχει κάποιο σωματίδιο, και θέλουμε να γνωρίζουμε την ταχύτητα και τον συντονισμό της.

Στο πλαίσιο αυτό, η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg διαβάζει: είναι αδύνατο να μετρηθεί με ακρίβεια τη θέση και την ταχύτητα του σωματιδίου ταυτόχρονα . Μαθηματικά, αυτό είναι γραμμένο ως εξής:

Εδώ το Delta X είναι το σφάλμα του προσδιορισμού της συντεταγμένης, το Delta V είναι το σφάλμα καθορισμού ταχύτητας. Υπογραμμίζουμε - αυτή η αρχή υποδηλώνει ότι όσο ακριβέστερα ορίζουμε τη συντεταγμένη, τόσο λιγότερο ακριβής την ταχύτητα. Και αν ορίσει την ταχύτητα, δεν θα έχουμε την παραμικρή έννοια του πού βρίσκεται το σωματίδιο.

Υπάρχουν πολλά αστεία και αστεία για την αρχή της αβεβαιότητας. Εδώ είναι ένα από αυτά:

Ένας αστυνομικός σταματά την κβαντική φυσική.
- Κύριε, ξέρετε, πόσο γρήγορα κινούσατε;
- Όχι, αλλά ξέρω σίγουρα πού είμαι

Και, φυσικά, σας υπενθυμίζουμε! Εάν ξαφνικά για κάποιο λόγο, η λύση της εξίσωσης Schrödinger για ένα σωματίδιο σε ένα πιθανό λάκκο δεν σας δίνει να κοιμηθείτε, να επικοινωνήσετε - επαγγελματίες που καλλιεργούνται με Κβαντική μηχανική Στο στόμα!