Klassikaline füüsika, mis eksisteeris enne kvantmehaanika leiutamist, kirjeldab loodust tavalisel (makroskoopilisel) skaalal. Enamikku klassikalise füüsika teooriaid saab tuletada meile tuttavatel skaaladel töötavate lähendustena. Kvantfüüsika(ta on ka kvantmehaanika) erineb klassikaline teadus asjaolu, et energia, impulss, nurkimpulss ja muud suurused ühendatud süsteem piiratud diskreetsete väärtustega (kvantimine). Objektidel on eriomadused nii osakeste kui ka lainete kujul (laineosakeste duaalsus). Ka selles teaduses on suuruste mõõtmise täpsusel piirid (määramatuse printsiip).
Võime öelda, et pärast kvantfüüsika tekkimist aastal täppisteadused Ah, toimus omamoodi revolutsioon, mis võimaldas ümber mõelda ja analüüsida kõiki vanu seadusi, mida varem peeti muutumatuteks tõdedeks. Kas see on hea või halb? Võib-olla on see hea, sest tõeline teadus ei tohiks kunagi paigal seista.
“Kvantrevolutsioon” sai aga füüsikutele omamoodi löögiks vana kool kes pidid leppima tõsiasjaga, et see, millesse nad varem uskusid, osutus vaid ekslike ja arhailiste teooriate kogumiks, mis vajasid kiiret läbivaatamist ja kohandamist. uus reaalsus. Enamik füüsikuid võttis need uued ideed tuntud teaduse kohta entusiastlikult vastu, andes oma panuse selle uurimisse, arendamisse ja rakendamisse. Tänapäeval määrab kvantfüüsika kogu teaduse kui terviku dünaamika. Täiustatud eksperimentaalsed projektid (nagu Large Hadron Collider) tekkisid just tänu temale.
Avamine
Mida saab öelda kvantfüüsika aluste kohta? See tekkis järk-järgult erinevaid teooriaid, mille eesmärk on selgitada nähtusi, mis ei saa olla kooskõlas klassikaline füüsika Näiteks Max Plancki lahendus 1900. aastal ja tema lähenemine paljude inimeste kiirgusprobleemile. teaduslikud probleemid, samuti energia ja sageduse vastavust Albert Einsteini 1905. aasta fotoelektrilisi efekte selgitavas dokumendis. Varase kvantfüüsika teooria vaatasid 1920. aastate keskel põhjalikult läbi Werner Heisenberg, Max Born jt. Kaasaegne teooria sõnastatud mitmesugustes spetsiaalselt välja töötatud matemaatilistes kontseptsioonides. Ühes neist aritmeetiline funktsioon(või lainefunktsioon) annab meile põhjalikku teavet impulsi asukoha tõenäosusamplituudi kohta.
Teaduslikud uuringud valguse laine olemus sai alguse rohkem kui 200 aastat tagasi, kui suur ja tunnustatud selle teadlased Ajal, mil nad pakkusid välja, arendasid ja tõestasid valgusteooriat, tuginedes nende endi eksperimentaalsetele vaatlustele. Nad nimetasid seda laineks.
Aastal 1803 viis kuulus inglise teadlane Thomas Young läbi oma kuulsa topelteksperimendi, mille tulemusena kirjutas ta kuulsa teose "Valguse ja värvi olemusest", millel oli kujunemisel tohutu roll. kaasaegsed ideed nendest meile kõigile tuttavatest nähtustest. See eksperiment mängis oluline roll selle teooria üldiselt aktsepteeritud.
Selliseid katseid kirjeldatakse sageli erinevates raamatutes, näiteks "Kvantfüüsika alused mannekeenidele". Kaasaegsed katsed koos kiirendamisega elementaarosakesed Näiteks Higgsi bosoni otsimine suurest hadronipõrgetisest (lühendatult LHC) toimub just selleks, et leida praktiline kinnitus palju puhtalt teoreetilisi kvantteooriaid.
Lugu
1838. aastal avastas Michael Faraday katoodkiired kogu maailma rõõmuks. Nendele sensatsioonilistele uuringutele järgnes Gustav Kirchhoffi avaldus niinimetatud "musta keha" kiirguse probleemi kohta (1859), samuti Ludwig Boltzmanni kuulus oletus, et mis tahes kiirguse energiaseisundid füüsiline süsteem võib olla ka diskreetne (1877). Alles siis ilmus kvanthüpotees, mille töötas välja Max Planck (1900). Seda peetakse üheks kvantfüüsika aluseks. Julge idee, et energiat saab nii emiteerida kui ka absorbeerida diskreetsetes "kvantides" (või energiapakettides), sobib täpselt musta keha kiirguse vaadeldud mustritega.
Kogu maailmas kuulus Albert Einstein andis kvantfüüsikasse suure panuse. Kvantteooriatest muljet avaldades töötas ta välja oma. Üldine teooria relatiivsusteooria – nii seda nimetatakse. Arengut mõjutasid ka avastused kvantfüüsikas eriline teooria suhtelisus. Paljud teadlased hakkasid eelmise sajandi esimesel poolel seda teadust Einsteini ettepanekul uurima. Sel ajal oli ta arenenud, ta meeldis kõigile, kõik olid temast huvitatud. Pole üllatav, kuna see hõlmas nii palju "auke" klassikas füüsiline teadus(kuigi ta lõi ka uusi), pakkus teaduslikku alust ajas rändamise, telekineesi, telepaatia ja paralleelmaailmad.
Vaatleja roll
Iga sündmus või seisund sõltub otseselt vaatlejast. Tavaliselt selgitatakse täppisteadustest kaugetele inimestele lühidalt kvantfüüsika põhitõdesid. Tegelikkuses on aga kõik palju keerulisem.
See sobib suurepäraselt paljude okultsete ja religioossete traditsioonidega, mis on juba ammusest ajast nõudnud inimeste võimet mõjutada neid ümbritsevaid sündmusi. Mõnes mõttes on see ka aluseks teaduslik seletus ekstrasensoorne taju, sest praegu ei tundu absurdne väide, et inimene (vaatleja) on võimeline füüsilisi sündmusi mõttejõuga mõjutama.
Iga puhasväärtus vaadeldava sündmuse või objekti kohta vastab vaatleja omavektorile. Kui operaatori (vaatleja) spekter on diskreetne, saab vaadeldav objekt saavutada ainult diskreetseid omaväärtusi. See tähendab, et nii vaatlusobjekti kui ka selle omadused määrab täielikult see operaator.
Erinevalt tavapärasest klassikalisest mehaanikast (või füüsikast) ei saa konjugeeritud muutujaid, nagu asend ja impulss, üheaegselt ennustada. Näiteks võivad elektronid (teatud tõenäosusega) paikneda ligikaudu teatud ruumipiirkonnas, kuid nende matemaatiliselt täpne asukoht on tegelikult teadmata.
Konstantse tõenäosusega tiheduse kontuure, mida sageli nimetatakse "pilvedeks", saab joonistada ümber aatomi tuuma, et mõista, kus elektron võib asuda. kõige tõenäolisemalt. Heisenbergi määramatuse põhimõte tõestab suutmatust osakest täpselt määrata, arvestades selle konjugeeritud impulsi. Mõned selle teooria mudelid on puhtalt abstraktse arvutusliku iseloomuga ja neil ei ole praktilist tähtsust. Neid kasutatakse aga sageli arvutamiseks keerulised interaktsioonid muude peente asjade tasandil. Lisaks võimaldas see füüsika haru teadlastel eeldada paljude maailmade tegelikku olemasolu. Võib-olla saame neid varsti näha.
Lainefunktsioonid
Kvantfüüsika seadused on väga ulatuslikud ja mitmekesised. Need kattuvad lainefunktsioonide ideega. Mõned erilised loovad tõenäosuste leviku, mis on olemuslikult konstantne või ajast sõltumatu, näiteks siis, kui energia statsionaarses asendis tundub aeg lainefunktsiooni suhtes kaduvat. See on üks kvantfüüsika mõjudest, mis on selle jaoks põhiline. Huvitav fakt on see, et aja fenomeni on selles ebatavalises teaduses põhjalikult muudetud.
Perturbatsiooni teooria
Kvantfüüsika valemite ja teooriatega töötamiseks vajalike lahenduste väljatöötamiseks on aga mitmeid usaldusväärseid viise. Kasutatakse üht sellist meetodit, mida üldiselt tuntakse kui "häirusteooriat". analüüsi tulemus elementaarse kvantmehaanilise mudeli jaoks. See loodi selleks, et tuua eksperimentide tulemusi veelgi rohkem arendada keeruline mudel, mis on seotud lihtsama mudeliga. Nii selgub rekursioon.
See lähenemine on eriti oluline teoreetiliselt kvantkaos, mis on äärmiselt populaarne erinevate sündmuste tõlgendamiseks mikroskoopilises reaalsuses.
Reeglid ja seadused
Kvantmehaanika reeglid on põhilised. Nad väidavad, et süsteemi juurutamisruum on absoluutselt põhiline (see on skalaarkorrutis). Teine väide on, et selle süsteemi poolt täheldatud mõjud on samal ajal ainulaadsed operaatorid, mis mõjutavad vektoreid selles keskkonnas. Kuid nad ei ütle meile, millises Hilberti ruumis või millised operaatorid eksisteerivad Sel hetkel. Neid saab vastavalt hankida kvantitatiivne kirjeldus kvantsüsteem.
Tähendus ja mõju
Alates selle ebatavalise teaduse loomisest on paljud kvantmehaanika uurimise intuitiivsed aspektid ja tulemused esile kutsunud palju filosoofilisi arutelusid ja palju tõlgendusi. Isegi põhimõttelised küsimused, nagu erinevate amplituudide ja tõenäosusjaotuste arvutamise reeglid, väärivad avalikkuse ja paljude juhtivate teadlaste austust.
Näiteks märkis ta kord kurvalt, et pole üldse kindel, kas ükski teadlane kvantmehaanikast üldse aru saab. Steven Weinbergi sõnul puudub hetkel kvantmehaanika tõlgendus, mis sobiks kõigile. See viitab sellele, et teadlased on loonud "koletise", mille olemasolu nad ise ei suuda täielikult mõista ja selgitada. See aga ei kahjusta kuidagi selle teaduse asjakohasust ja populaarsust, vaid meelitab selle juurde noori spetsialiste, kes soovivad lahendada tõeliselt keerulisi ja arusaamatuid probleeme.
Lisaks sundis kvantmehaanika meid eesmärgi täielikult ümber mõtlema füüsikalised seadused Universum, mis ei saa muud kui rõõmustada.
Kopenhaageni tõlgendus
Selle tõlgenduse kohaselt standardmääratlus meile teadaolevast põhjuslikkusest klassikaline füüsika, pole enam vaja. Kvantteooriate kohaselt pole põhjuslikkust meie tavapärases arusaamises üldse olemas. Kõik füüsikalised nähtused on neis seletatud kõige väiksemate elementaarosakeste vastasmõju vaatenurgast subatomilisel tasandil. See piirkond on vaatamata oma näilisele ebatõenäolisusele äärmiselt paljutõotav.
Kvantpsühholoogia
Mida saab öelda kvantfüüsika ja inimteadvuse vahelise seose kohta? Sellest on ilusti kirjutatud Robert Anton Wilsoni 1990. aastal kirjutatud raamatus nimega Quantum Psychology.
Raamatus välja toodud teooria kohaselt on kõik meie ajus toimuvad protsessid määratud käesolevas artiklis kirjeldatud seadustega. See tähendab, et see on omamoodi katse kohandada kvantfüüsika teooriat psühholoogiaga. Seda teooriat peetakse parateaduslikuks ja akadeemiline ringkond seda ei tunnusta.
Wilsoni raamat on tähelepanuväärne selle poolest, et ta pakub komplekti erinevaid tehnikaid ja praktikud, kes ühel või teisel määral tõestavad tema hüpoteesi. Nii või teisiti peab lugeja ise otsustama, kas ta usub selliste katsete paikapidavust või mitte. füüsilised mudelid humanitaarteaduste juurde.
Mõned pidasid Wilsoni raamatut katseks õigustada müstilist mõtlemist ja siduda see teaduslikult tõestatud uudsete füüsika formuleeringutega. See väga mittetriviaalne ja geniaalne teos on püsinud nõudlusena rohkem kui 100 aastat. Raamatut avaldatakse, tõlgitakse ja loetakse kõikjal maailmas. Kes teab, võib-olla kvantmehaanika arenguga suhtumine muutub teadusringkond kvantpsühholoogiale.
Järeldus
Tänu sellele imeline teooria, millest sai peagi omaette teadus, saime uurida ümbritsev reaalsus tasemel subatomilised osakesed. See on väikseim tase kõigist võimalikest, meie tajule täiesti kättesaamatu. See, mida füüsikud meie maailmast varem teadsid, vajab kiiret ülevaatamist. Absoluutselt kõik nõustuvad sellega. Selgeks sai see erinevad osakesed võivad üksteisega suhelda täiesti mõeldamatutel vahemaadel, mida saame mõõta ainult keeruliste matemaatiliste valemite abil.
Lisaks on kvantmehaanika (ja kvantfüüsika) tõestanud hulga olemasolu võimalikkust paralleelreaalsused, ajarännak ja muu, mida läbi ajaloo peeti vaid saatuseks Ulme. See on kahtlemata tohutu panus mitte ainult teadusesse, vaid ka inimkonna tulevikku.
Armastajatele teaduslik pilt maailmas, see teadus võib olla nii sõber kui vaenlane. Fakt on see, et kvantteooria avab laiad võimalused mitmesugusteks spekulatsioonideks parateaduslikel teemadel, nagu on juba näidatud ühe alternatiivi näites psühholoogilised teooriad. Mõned kaasaegsed okultistid, esoteerikud ning alternatiivsete religioossete ja vaimsete liikumiste pooldajad (enamasti psühhokultid) pöörduvad teoreetilised konstruktsioonid seda teadust, et põhjendada selle müstiliste teooriate, uskumuste ja tavade ratsionaalsust ja tõesust.
See on pretsedenditu juhtum, kui teoreetikute lihtsad spekulatsioonid ja abstraktsed matemaatilised valemid viis tõeliseni teaduslik revolutsioon ja loodud uus teadus, mis tõmbas maha kõik, mis varem oli teada. Mingil määral lükkas kvantfüüsika Aristotelese loogika seadused ümber, sest näitas, et “kas-või” valikul on veel üks (ja võib-olla ka mitu) alternatiivset võimalust.
Kui mõistsite järsku, et olete unustanud kvantmehaanika põhitõed ja postulaadid või isegi ei tea, mis mehaanika see on, siis on aeg värskendada oma mälu selle teabe kohta. Lõppude lõpuks ei tea keegi, millal võib kvantmehaanikast elus kasu olla.
Asjata irvitate ja irvitate, mõeldes, et te ei pea kunagi oma elus selle teemaga tegelema. Lõppude lõpuks võib kvantmehaanika olla kasulik peaaegu kõigile inimestele, isegi neile, kes on sellest lõpmatult kaugel. Näiteks on teil unetus. Kvantmehaanika jaoks pole see probleem! Lugege õpikut enne magamaminekut – ja jääte kolmandal leheküljel sügavasse unne. Või võite oma lahedat rokkbändi nii nimetada. Miks mitte?
Kui naljad kõrvale jätta, alustame tõsist kvantvestlust.
Kust alustada? Muidugi, alustades sellest, mis on kvant.
Kvant
Kvant (ladina keelest quantum - "kui palju") on mõne füüsilise suuruse jagamatu osa. Näiteks öeldakse – valguskvant, energiakvant või väljakvant.
Mida see tähendab? See tähendab, et seda lihtsalt ei saa vähem olla. Kui nad ütlevad, et mingi kogus on kvantifitseeritud, saavad nad sellest aru antud väärtus omandab mitmeid konkreetseid, diskreetseid väärtusi. Seega kvantiseeritakse elektroni energia aatomis, valgus jaotub "osadena", see tähendab kvantides.
Mõistel "kvant" on palju kasutusvõimalusi. Valguse kvant ( elektromagnetväli) on footon. Analoogiliselt on kvantid osakesed või kvaasiosakesed, mis vastavad teistele interaktsiooniväljadele. Siin võib meenutada kuulsat Higgsi bosonit, mis on Higgsi välja kvant. Kuid me ei lähe veel nendesse džunglitesse.
Mannekeenide kvantmehaanika Kuidas saab mehaanika olla kvant?
Nagu olete juba märganud, mainisime oma vestluses palju kordi osakesi. Võib-olla olete harjunud, et valgus on laine, mis lihtsalt levib kiirusega Koos . Aga kui vaadata kõike vaatenurgast kvantmaailm, ehk osakeste maailm, kõik muutub tundmatuseni.
Kvantmehaanika on sektsioon teoreetiline füüsika, kvantteooria komponent, mis kirjeldab füüsikalisi nähtusi tegelikkuses algtase– osakeste tase.
Selliste nähtuste mõju on suurusjärgus võrreldav Plancki konstandiga ja klassikaline mehaanika Newton ja elektrodünaamika osutusid nende kirjeldamiseks täiesti sobimatuteks. Näiteks vastavalt klassikaline teooria Suurel kiirusel ümber tuuma pöörlev elektron peab kiirgama energiat ja lõpuks langema tuumale. Seda, nagu me teame, ei juhtu. Sellepärast leiutati kvantmehaanika - avatud nähtused seda oli vaja kuidagi selgitada ja see osutus täpselt teooriaks, mille raames seletus oli kõige vastuvõetavam, ja kõik katseandmed "ühinesid".
Muideks! Meie lugejatele on nüüd 10% allahindlus
Natuke ajalugu
Kvantteooria sündis aastal 1900, kui Max Planck esines Saksa Füüsika Seltsi koosolekul. Mida Planck siis ütles? Ja asjaolu, et aatomite kiirgus on diskreetne, ja väikseim osa selle kiirguse energia on võrdne
Kus h - Plancki konstant, nu - sagedus.
Seejärel kasutas Albert Einstein, kes tutvustas "valguse kvanti" mõistet, Plancki hüpoteesi fotoelektrilise efekti selgitamiseks. Niels Bohr postuleeris statsionaarsete tingimuste olemasolu aatomis energiatasemed ja Louis de Broglie arendas välja idee laine-osakeste duaalsusest, st et osakesel (kehal) on ka laine omadused. Schrödinger ja Heisenberg ühinesid eesmärgiga ning 1925. aastal avaldati esimene kvantmehaanika formuleering. Tegelikult pole kvantmehaanika kaugeltki täielik teooria; see areneb praegu aktiivselt. Samuti tuleks tunnistada, et kvantmehaanika oma eeldustega ei suuda selgitada kõiki tema ees seisvaid küsimusi. On täiesti võimalik, et see asendatakse arenenuma teooriaga.
Kvantmaailmast meile tuttavate asjade maailma üleminekul muunduvad kvantmehaanika seadused loomulikult klassikalise mehaanika seadusteks. Võime öelda, et klassikaline mehaanika on erijuhtum kvantmehaanika, kui tegevus toimub meile tuttavas ja tuttavas makromaailmas. Siin liiguvad kehad rahulikult mitteinertsiaalsetes võrdlusraamides valguse kiirusest palju väiksema kiirusega ning üldiselt on kõik ümberringi rahulik ja selge. Kui soovite teada keha asukohta koordinaatsüsteemis, pole probleemi; kui soovite mõõta impulssi, olete teretulnud.
Kvantmehaanika lähenemine sellele küsimusele on täiesti erinev. See sisaldab mõõtmistulemusi füüsikalised kogused on oma olemuselt tõenäosuslikud. See tähendab, et teatud väärtuse muutumisel on võimalikud mitmed tulemused, millest igaühel on teatud tõenäosus. Toome näite: laual keerleb münt. Sel ajal, kui ta keerleb, ei ole ta mingis teatud olek(heads-tails), kuid sellel on ainult tõenäosus, et satub ühte neist olekutest.
Siin me tasapisi läheneme Schrödingeri võrrand Ja Heisenbergi määramatuse printsiip.
Legendi järgi kritiseeris Erwin Schrödingerit 1926. aastal teaduslikul seminaril laine-osakeste duaalsuse teemal teatud vanemteadlane. Keeldudes kuulamast oma vanemaid, hakkas Schrödinger pärast seda juhtumit aktiivselt välja töötama lainevõrrandit osakeste kirjeldamiseks kvantmehaanika raames. Ja ta tegi seda suurepäraselt! Schrödingeri võrrand (kvantmehaanika põhivõrrand) on järgmine:
Seda tüüpi võrrandid - ühemõõtmeline statsionaarne Schrödingeri võrrand - kõige lihtsam.
Siin on x osakese kaugus või koordinaat, m on osakese mass, E ja U on selle kogu ja potentsiaalne energia. Selle võrrandi lahendus on lainefunktsioon (psi)
Lainefunktsioon on kvantmehaanika teine põhikontseptsioon. Niisiis, igal kvantsüsteemil, mis on mingis olekus, on lainefunktsioon, mis kirjeldab seda olekut.
Näiteks, ühemõõtmelise statsionaarse Schrödingeri võrrandi lahendamisel kirjeldab lainefunktsioon osakese asukohta ruumis. Täpsemalt osakese leidmise tõenäosus teatud ruumipunktis. Teisisõnu näitas Schrödinger, et tõenäosust saab kirjeldada lainevõrrandiga! Nõus, oleksime pidanud sellele varem mõtlema!
Aga miks? Miks me peame tegelema nende kummaliste tõenäosustega ja lainefunktsioonid, kui näib, et pole midagi lihtsamat kui lihtsalt osakese kauguse või selle kiiruse võtmine ja mõõtmine.
Kõik on väga lihtne! Tõepoolest, makrokosmoses see tõesti nii on - me mõõdame mõõdulindiga teatud täpsusega vahemaid ja mõõtmisvea määravad seadme omadused. Teisest küljest saame peaaegu täpselt silma järgi määrata kauguse objektist, näiteks lauast. Igal juhul eristame täpselt selle asukohta ruumis meie ja teiste objektide suhtes. Osakeste maailmas on olukord põhimõtteliselt teistsugune – meil lihtsalt pole füüsiliselt mõõtmisvahendeid vajalike koguste täpseks mõõtmiseks. Mõõteriist puutub ju mõõdetava objektiga vahetult kokku ja meie puhul on nii objekt kui instrument osakesed. Just see ebatäiuslikkus, põhimõtteline võimatus arvesse võtta kõiki osakest mõjutavaid tegureid, aga ka tõsiasi, et süsteemi olek muutub mõõtmise mõjul, on Heisenbergi määramatuse printsiibi aluseks.
Anname selle lihtsaima sõnastuse. Kujutagem ette, et mingi osake on olemas ja me tahame teada selle kiirust ja koordinaati.
Selles kontekstis väidab Heisenbergi määramatuse printsiip, et osakese asukohta ja kiirust üheaegselt täpselt mõõta on võimatu. . Matemaatiliselt on see kirjutatud nii:
Siin on delta x viga koordinaadi määramisel, delta v on viga kiiruse määramisel. Rõhutame – see põhimõte viitab sellele, et mida täpsemalt me koordinaadi määrame, seda vähem täpselt saame teada kiirust. Ja kui kiiruse määrame, siis seda meil ei ole vähimatki mõtet selle kohta, kus osake asub.
Määramatuse printsiibi teemal on palju nalju ja anekdoote. Siin on üks neist:
Politseinik peatab kvantfüüsiku.
- Sir, kas sa tead, kui kiiresti sa liikusid?
- Ei, aga ma tean täpselt, kus ma olen.
Ja loomulikult tuletame teile meelde! Kui äkki ei lase Schrödingeri võrrandi lahendamine potentsiaalses kaevus oleva osakese jaoks mingil põhjusel magada, võtke ühendust spetsialistidega, kes said kvantmehaanika huultel!
Füüsika on kõigist teadustest kõige salapärasem. Füüsika annab meile arusaamise ümbritsevast maailmast. Füüsikaseadused on absoluutsed ja kehtivad eranditult kõigile, olenemata isikust või sotsiaalsest staatusest.
See artikkel on mõeldud üle 18-aastastele isikutele
Kas olete juba 18-aastaseks saanud?
Fundamentaalsed avastused kvantfüüsika vallas
Isaac Newton, Nikola Tesla, Albert Einstein ja paljud teised on inimkonna suured teejuhid hämmastav maailm füüsikud, kes nagu prohvetid paljastasid inimkonnale universumi suurimad saladused ja füüsikaliste nähtuste kontrollimise võimalused. Nende heledad pead lõikasid läbi ebamõistliku enamuse teadmatuse pimeduse ja näitasid nagu juhttäht ööpimeduses teed inimkonnale. Üks selliseid teejuhte füüsikamaailmas oli Max Planck, kvantfüüsika isa.
Max Planck pole mitte ainult kvantfüüsika rajaja, vaid ka maailmakuulsa kvantteooria autor. Kvantteooria on kvantfüüsika kõige olulisem komponent. Lihtsamalt öeldes kirjeldab see teooria mikroosakeste liikumist, käitumist ja vastastikmõju. Kvantfüüsika rajaja tõi meieni ka palju muud teaduslikud tööd, millest said kaasaegse füüsika nurgakivid:
- soojuskiirguse teooria;
- erirelatiivsusteooria;
- termodünaamika alased uuringud;
- uuringud optika valdkonnas.
Kvantfüüsika teooriad mikroosakeste käitumise ja vastastikmõjude kohta said aluseks kondenseerunud aine füüsikale, osakeste füüsikale ja kõrged energiad. Kvantteooria selgitab meile paljude meie maailma nähtuste olemust – alates elektroonika toimimisest. arvutid taevakehade ehitusele ja käitumisele. Max Planck, selle teooria looja, võimaldas tänu oma avastusele meil mõista tõeline olemus palju asju elementaarosakeste tasemel. Kuid selle teooria loomine pole kaugeltki teadlase ainus teene. Temast sai esimene, kes avastas Universumi põhiseaduse – energia jäävuse seaduse. Max Plancki panust teadusesse on raske üle hinnata. Lühidalt öeldes on tema avastused hindamatud füüsika, keemia, ajaloo, metoodika ja filosoofia jaoks.
Kvantvälja teooria
Lühidalt öeldes on kvantväljateooria teooria, mis kirjeldab mikroosakesi, aga ka nende käitumist ruumis, omavahelist interaktsiooni ja vastastikust muundumist. See teooria uurib kvantsüsteemide käitumist nn vabadusastmete piires. See ilus ja romantiline nimi ei tähenda paljudele meist tegelikult midagi. Mannekeenide puhul on vabadusastmed sõltumatute koordinaatide arv, mida on vaja liikumise näitamiseks mehaaniline süsteem. Lihtsamalt öeldes on vabadusastmed liikumise omadused. Huvitavad avastused elementaarosakeste interaktsiooni valdkonnas saavutas Steven Weinberg. Ta avastas nn neutraalse voolu - kvarkide ja leptonite vastastikuse mõju põhimõtte, mille eest ta sai Nobeli preemia aastal 1979.
Max Plancki kvantteooria
Kaheksateistkümnenda sajandi üheksakümnendatel Saksa füüsik Max Planck hakkas uurima soojuskiirgust ja sai lõpuks energiajaotuse valemi. Nende uuringute käigus sündinud kvanthüpotees pani aluse 1900. aastal avastatud kvantfüüsikale ja ka kvantväljateooriale. Plancki kvantteooria on, et millal soojuskiirgus toodetud energia eraldub ja neeldub mitte pidevalt, vaid episoodiliselt, kvantitatiivselt. 1900, aitäh see avastus, mille Max Planck saavutas, sai kvantmehaanika sünniaastaks. Mainimist väärib ka Plancki valem. Lühidalt on selle olemus järgmine – see põhineb kehatemperatuuri ja selle kiirguse vahelisel suhtel.
Aatomi struktuuri kvantmehaaniline teooria
Aatomistruktuuri kvantmehaaniline teooria on üks põhiteooriad mõisted kvantfüüsikas ja füüsikas üldiselt. See teooria võimaldab meil mõista kõigi materiaalsete asjade struktuuri ja kergitab saladuseloori selle üle, millest asjad tegelikult koosnevad. Ja selle teooria põhjal tehtud järeldused on üsna ootamatud. Vaatleme lühidalt aatomi struktuuri. Niisiis, millest aatom tegelikult koosneb? Aatom koosneb tuumast ja elektronide pilvest. Aatomi alus, selle tuum, sisaldab peaaegu kogu aatomi enda massi - rohkem kui 99 protsenti. Kernel on alati olnud positiivne laeng ja see määratleb keemiline element, mille osaks on aatom. Aatomituuma juures on kõige huvitavam see, et see sisaldab peaaegu kogu aatomi massi, kuid võtab samal ajal enda alla vaid kümnetuhandiku selle mahust. Mis sellest järeldub? Ja järeldus, mis välja tuleb, on üsna ootamatu. See tähendab, et aatomis on ainult üks kümnetuhandik tihedast ainest. Ja mis võtab kõik muu? Ja kõik muu aatomis on elektronipilv.
Elektrooniline pilv ei ole pidev ja tegelikult isegi mitte materiaalne aine. Elektronipilv on lihtsalt elektronide ilmumise tõenäosus aatomis. See tähendab, et tuum hõivab aatomis vaid kümnetuhandiku ja ülejäänu on tühjus. Ja kui arvestada, et kõik meid ümbritsevad objektid, alates tolmukübemetest kuni taevakehad, planeedid ja tähed koosnevad aatomitest, selgub, et kõik materiaalne on tegelikult enam kui 99 protsenti tühi. See teooria tundub täiesti uskumatu ja selle autor vähemalt ekslik inimene, sest ümberkaudsetel asjadel on kindel konsistents, kaalu ja käega katsuda. Kuidas saab see koosneda tühjusest? Kas sellesse aine struktuuri teooriasse on sisse pugenud viga? Kuid siin pole viga.
Kõik materiaalsed asjad tunduvad tihedad ainult tänu aatomite vastastikmõjule. Asjadel on tahke ja tihe konsistents ainult tänu aatomitevahelisele külgetõmbele või tõrjumisele. See annab tiheduse ja kõvaduse kristallvõre keemilised ained, millest kõik materjal koosneb. Aga, huvitav punkt, kui muudate näiteks temperatuuritingimusi keskkond, võivad aatomitevahelised sidemed, st nende külgetõmbe- ja tõukejõud nõrgeneda, mis viib kristallvõre nõrgenemiseni ja isegi selle hävimiseni. See seletab muutust füüsikalised omadused ained kuumutamisel. Näiteks raua kuumutamisel muutub see vedelaks ja seda saab vormida mis tahes kujuga. Ja kui jää sulab, põhjustab kristallvõre hävimine aine oleku muutumist ja tahkest ainest muutub see vedelaks. See ilmekaid näiteid aatomite vaheliste sidemete nõrgenemine ja selle tulemusena kristallvõre nõrgenemine või hävimine ning aine amorfseks muutumine. Ja selliste salapäraste metamorfooside põhjuseks on just see, et ained koosnevad vaid ühest kümnetuhandikosast tihedast ainest ja ülejäänu on tühjus.
Ja ained tunduvad tahked vaid põhjusel tugevad sidemed aatomite vahel, nõrgendamisel aine muutub. Seega võimaldab aatomistruktuuri kvantteooria vaadata meid ümbritsevat maailma hoopis teistmoodi.
Aatomiteooria rajaja Niels Bohr pakkus välja huvitava kontseptsiooni, et aatomis olevad elektronid ei kiirga energiat pidevalt, vaid ainult nende liikumistrajektooride vahelise ülemineku hetkel. Bohri teooria aitas selgitada paljusid aatomisiseseid protsesse ning tegi läbimurdeid ka sellistes teadusvaldkondades nagu keemia, selgitades Mendelejevi loodud tabeli piire. Vastavalt sellele on viimane element, mis on võimeline eksisteerima ajas ja ruumis seerianumber sada kolmkümmend seitse ja elemendid alates sajast kolmkümmend kaheksa ei saa eksisteerida, kuna nende olemasolu on vastuolus relatiivsusteooriaga. Samuti selgitas Bohri teooria sellise olemust füüsiline nähtus, nagu aatomispektrid.
Need on vabade aatomite interaktsioonispektrid, mis tekivad nende vahel energia eraldumisel. Sellised nähtused on iseloomulikud gaasilistele, aurulistele ja plasma olekus olevatele ainetele. Seega tegi kvantteooria füüsikamaailmas revolutsiooni ja võimaldas teadlastel edeneda mitte ainult selle teaduse, vaid ka paljude teiste alal. seotud teadused: keemia, termodünaamika, optika ja filosoofia. Ja võimaldas ka inimkonnal tungida asjade olemuse saladustesse.
Inimkonnal on veel palju vaja oma teadvuses ümber pöörata, et mõista aatomite olemust ning mõista nende käitumise ja vastasmõju põhimõtteid. Olles seda mõistnud, suudame mõista meid ümbritseva maailma olemust, sest kõik, mis meid ümbritseb, alates tolmukübemetest kuni päikeseni ja meie ise, koosnevad kõik aatomitest, mille olemus on salapärane ja hämmastav. ja peidab endas palju saladusi.
Selles artiklis anname kasulikke näpunäiteidõppimise kohta mannekeenide kvantfüüsika. Vastame, milline peaks olema lähenemine Kvantfüüsika õppimine algajatele.
Kvantfüüsika- See on üsna keeruline distsipliin, mida kõik ei saa kergesti omandada. Sellegipoolest on füüsika õppeainena huvitav ja kasulik, mistõttu leiab kvantfüüsika (http://www.cyberforum.ru/quantum-physics/) oma fänne, kes on valmis seda õppima ja lõpuks praktilist kasu saama. Materjali õppimise hõlbustamiseks tuleb alustada päris algusest ehk kõige lihtsamatest algajatele mõeldud kvantfüüsika õpikutest. See võimaldab teil saada hea alus teadmiste jaoks ja samas on hea oma teadmisi oma peas struktureerida.
Alusta eneseharimine vajate head kirjandust. See on kirjandus otsustav tegur teadmiste saamise protsessis ja tagab nende kvaliteedi. Eriline huvi kvantmehaanika kutsub esile ja paljud alustavad sellega oma õpinguid. Füüsikat peaks teadma igaüks, sest see on eluteadus, mis seletab paljusid protsesse ja teeb need teistele arusaadavaks.
Pane tähele, et kvantfüüsikat õppima asudes peavad sul olema teadmised matemaatikast ja füüsikast, sest ilma nendeta sa lihtsalt ei tule toime. Hea, kui teil on võimalus oma õpetajaga oma küsimustele vastuste leidmiseks ühendust võtta. Kui see pole võimalik, võite proovida olukorda spetsialiseeritud foorumites selgitada. Foorumid võivad olla õppimisel väga kasulikud.
Kui otsustate õpiku valiku üle, peate olema valmis selleks, et see on üsna keeruline ja peate seda mitte ainult lugema, vaid süvenema kõigesse, mis selles kirjas on. Et koolituse lõpus ei tekiks mõtet, et see kõik on kellegi jaoks tarbetu teadmine, proovi iga kord teooriat praktikaga siduda. Samuti on oluline eelnevalt kindlaks teha, mis eesmärgil kvantfüüsikat õppima asusite, et vältida mõtete tekkimist omandatud teadmiste kasutusest. Inimesed jagunevad kahte kategooriasse: inimesed, kes arvavad, et kvantfüüsika on huvitav ja kasulik aine, ja need, kes seda ei tee. Valige ise, millisesse kategooriasse te kuulute, ja määrake vastavalt sellele, kas kvantfüüsikal on teie elus koht või mitte. Kvantfüüsika õppimisel võite alati jääda algaja tasemele või saavutada tõeline edu, kõik teie kätes.
Kõigepealt vali tõeliselt huvitavad ja kvaliteetsed füüsikaalased materjalid. Mõned neist leiate allolevate linkide abil.
Ja selleks korraks ongi kõik! Õppige kvantfüüsikat huvitaval viisil ja ärge jääge mannekeeniks!
Paljudele inimestele tundub füüsika nii kauge ja segane ning kvantfüüsika veelgi enam. Kuid ma tahan teile selle loori avada suur mõistatus, sest tegelikkuses osutub kõik kummaliseks, aga lahtiharutavaks.
Ja ka kvantfüüsika on suurepärane teema, millest arukate inimestega rääkida.
Kvantfüüsika on tehtud lihtsaks
Kõigepealt peate selle oma peas joonistama suur rida mikromaailma ja makromaailma vahel, sest need maailmad on täiesti erinevad. Kõik, mida teate teile tuttava ruumi ja selles olevate objektide kohta, on vale ja kvantfüüsikas vastuvõetamatu.
Tegelikult pole mikroosakestel kiirust ega kindlat asukohta enne, kui teadlased neid vaatavad. See väide tundub meile lihtsalt absurdne, tundus nii Albert Einsteinile, aga isegi suurepärane füüsik taganes.
Fakt on see, et uuringud on tõestanud, et kui vaatate üks kord osakest, mis oli teatud positsioonil, ja seejärel pöörake kõrvale ja vaatate uuesti, näete, et see osake on juba võtnud täiesti erineva positsiooni.
Need ulakad osakesed
Kõik tundub lihtne, kuid kui me vaatame sama osakest, siis see jääb seisma. See tähendab, et need osakesed liiguvad ainult siis, kui me seda ei näe.
Põhiolemus seisneb selles, et igal osakesel (vastavalt tõenäosusteooriale) on ühes või teises asendis viibimise tõenäosuste skaala. Ja kui me ära pöörame ja siis uuesti pöörame, saame osakese tabada mis tahes võimalikus asendis täpselt vastavalt tõenäosusskaalale.
Uuringu kohaselt otsiti osakest sisse erinevad kohad, siis lõpetas tema jälgimise ja vaatas siis uuesti, kuidas tema asend muutus. Tulemus oli lihtsalt vapustav. Kokkuvõttes suutsid teadlased tõesti luua tõenäosusskaala, kus see või teine osake võiks paikneda.
Näiteks neutronil on võime olla kolmes asendis. Pärast uuringute läbiviimist võite avastada, et esimeses positsioonis on see tõenäosus 15%, teises - 60%, kolmandas - 25%.
Keegi pole veel suutnud seda teooriat ümber lükata, nii et kummalisel kombel on see kõige õigem.
Makromaailm ja mikromaailm
Kui me võtame objekti makrokosmosest, siis näeme, et sellel on ka tõenäosusskaala, kuid see on täiesti erinev. Näiteks tõenäosus, et pöörate kõrvale ja leiate oma telefoni teiselt poolt maailma, on peaaegu null, kuid see on siiski olemas.
Siis tekib küsimus: kuidas selliseid juhtumeid pole veel fikseeritud? Seda seletatakse asjaoluga, et tõenäosus on nii väike, et inimkond peaks sellise sündmuse nägemiseks ootama nii palju aastaid, kui meie planeet ja kogu universum pole veel elanud. Selgub, et teie telefon jõuab peaaegu 100% tõenäosusega täpselt sinna, kus te seda nägite.
Kvanttunneldamine
Siit jõuame kvanttunneli kontseptsioonini. See on kontseptsioon ühe objekti järkjärgulisest üleminekust (väga jämedalt öeldes) täiesti teise kohta ilma väliste mõjudeta.
See tähendab, et kõik võib alata ühest neutronist, mis ühel hetkel langeb sellesse samasse peaaegu nulli, et olla täiesti teises kohas, ja mida rohkem neutroneid on teises kohas, seda suuremaks see tõenäosus muutub.
Muidugi võtab selline üleminek aega sama palju aastaid, kui meie planeet pole veel elanud, kuid kvantfüüsika teooria kohaselt kvanttunneldamine leiab aset.
Loe ka: