Fizikia ya classical, ambayo ilikuwepo kabla ya uvumbuzi wa mechanics ya quantum, inaelezea asili kwa kiwango cha kawaida (macroscopic). Nadharia nyingi katika fizikia ya zamani zinaweza kutolewa kama makadirio yanayofanya kazi kwenye mizani ambayo tunaifahamu. Fizikia ya quantum(yeye pia mechanics ya quantum) hutofautiana na sayansi ya classical ukweli kwamba nishati, kasi, kasi ya angular na kiasi kingine mfumo uliounganishwa mdogo kwa maadili tofauti (quantization). Vitu vina sifa maalum wote kwa namna ya chembe na kwa namna ya mawimbi (uwili wa chembe ya wimbi). Pia katika sayansi hii kuna mipaka ya usahihi ambayo kiasi kinaweza kupimwa (kanuni ya kutokuwa na uhakika).
Tunaweza kusema kwamba baada ya kuibuka kwa fizikia ya quantum katika sayansi halisi Ah, aina fulani ya mapinduzi ilifanyika, ambayo ilifanya iwezekane kufikiria upya na kuchambua sheria zote za zamani ambazo hapo awali zilizingatiwa ukweli usiobadilika. Je, ni nzuri au mbaya? Labda ni nzuri, kwa sababu sayansi ya kweli haipaswi kusimama.
Walakini, "mapinduzi ya quantum" yakawa aina ya pigo kwa wanafizikia shule ya zamani ambao ilibidi wakubaliane na ukweli kwamba kile walichokiamini hapo awali kiligeuka kuwa nadharia potovu na za kizamani ambazo zilihitaji marekebisho ya haraka na kurekebishwa ukweli mpya. Wanafizikia wengi walikubali kwa shauku mawazo haya mapya kuhusu sayansi inayojulikana, wakitoa mchango wao katika utafiti, maendeleo na utekelezaji wake. Leo, fizikia ya quantum inaweka mienendo kwa sayansi yote kwa ujumla. Miradi ya majaribio ya hali ya juu (kama Collider Kubwa ya Hadron) iliibuka shukrani kwake.
Ufunguzi
Ni nini kinachoweza kusemwa juu ya misingi ya fizikia ya quantum? Hatua kwa hatua iliibuka kutoka nadharia mbalimbali, iliyoundwa kuelezea matukio ambayo hayawezi kuendana nayo fizikia ya classical, kwa mfano, ufumbuzi wa Max Planck mwaka wa 1900 na mtazamo wake kwa tatizo la mionzi ya wengi matatizo ya kisayansi, pamoja na mawasiliano kati ya nishati na mzunguko katika karatasi ya Albert Einstein ya 1905 inayoelezea athari za picha za umeme. Nadharia ya awali ya fizikia ya quantum ilirekebishwa kikamilifu katikati ya miaka ya 1920 na Werner Heisenberg, Max Born na wengine. Nadharia ya kisasa imeundwa katika dhana mbalimbali maalum za hisabati. Katika mmoja wao kazi ya hesabu(au utendaji wa wimbi) hutupa maelezo ya kina kuhusu uwezekano wa ukubwa wa eneo la mapigo.
Utafiti wa kisayansi wimbi kiini cha mwanga ilianza zaidi ya miaka 200 iliyopita, wakati kubwa na kutambuliwa wanasayansi wa hilo wakati walipendekeza, kuendeleza na kuthibitisha nadharia ya mwanga kulingana na uchunguzi wao wenyewe wa majaribio. Waliita wimbi.
Mnamo 1803, mwanasayansi maarufu wa Kiingereza Thomas Young alifanya jaribio lake maarufu mara mbili, kama matokeo ambayo aliandika kazi maarufu "Juu ya Asili ya Nuru na Rangi," ambayo ilichukua jukumu kubwa katika malezi. mawazo ya kisasa kuhusu matukio haya yanayojulikana kwetu sote. Jaribio hili lilicheza jukumu muhimu kwa ujumla kukubalika kwa nadharia hii.
Majaribio kama haya mara nyingi huelezewa katika vitabu mbalimbali, kwa mfano, "Misingi ya Fizikia ya Quantum kwa Dummies." Majaribio ya kisasa na overclocking chembe za msingi, kwa mfano, utafutaji wa Higgs boson katika Large Hadron Collider (kifupi LHC) unafanywa kwa usahihi ili kupata uthibitisho wa vitendo nadharia nyingi za kinadharia za quantum.
Hadithi
Mnamo 1838, Michael Faraday aligundua miale ya cathode kwa furaha ya ulimwengu wote. Masomo haya ya kusisimua yalifuatiwa na taarifa juu ya tatizo la mionzi inayoitwa "mwili mweusi" (1859), iliyotolewa na Gustav Kirchhoff, pamoja na dhana maarufu ya Ludwig Boltzmann kwamba nishati inasema yoyote. mfumo wa kimwili pia inaweza kuwa tofauti (1877). Hapo ndipo nadharia ya quantum ilionekana, iliyoandaliwa na Max Planck (1900). Inachukuliwa kuwa moja ya misingi ya fizikia ya quantum. Wazo la kijasiri kwamba nishati inaweza kutolewa na kufyonzwa katika "quanta" (au pakiti za nishati) inalingana kabisa na mifumo inayozingatiwa ya mionzi nyeusi ya mwili.
Albert Einstein, maarufu ulimwenguni kote, alitoa mchango mkubwa kwa fizikia ya quantum. Akivutiwa na nadharia za quantum, aliendeleza yake mwenyewe. Nadharia ya jumla relativity - hiyo ndiyo inaitwa. Ugunduzi katika fizikia ya quantum pia uliathiri maendeleo nadharia maalum uhusiano. Wanasayansi wengi katika nusu ya kwanza ya karne iliyopita walianza kusoma sayansi hii kwa maoni ya Einstein. Wakati huo alikuwa ameendelea, kila mtu alimpenda, kila mtu alikuwa na hamu naye. Haishangazi, kwa kuwa ilifunika "mashimo" mengi katika classical sayansi ya kimwili(ingawa pia aliunda mpya), alitoa msingi wa kisayansi wa kusafiri kwa wakati, telekinesis, telepathy na ulimwengu sambamba.
Jukumu la mwangalizi
Tukio lolote au hali inategemea moja kwa moja kwa mwangalizi. Hii ndio kawaida jinsi misingi ya fizikia ya quantum inavyoelezewa kwa ufupi kwa watu walio mbali na sayansi halisi. Walakini, kwa kweli kila kitu ni ngumu zaidi.
Hii inafaa kabisa na mila nyingi za uchawi na za kidini, ambazo tangu zamani zimesisitiza juu ya uwezo wa watu kushawishi matukio yanayowazunguka. Kwa njia fulani, hii pia ni msingi wa maelezo ya kisayansi mtazamo wa ziada, kwa sababu sasa taarifa kwamba mtu (mtazamaji) anaweza kushawishi matukio ya kimwili kwa nguvu ya mawazo haionekani kuwa ya upuuzi.
Kila moja thamani ya jumla ya tukio au kitu kilichozingatiwa kinalingana na eigenvector ya mwangalizi. Ikiwa wigo wa opereta (mtazamaji) ni tofauti, kitu kinachozingatiwa kinaweza tu kufikia eigenvalues tofauti. Hiyo ni, kitu cha uchunguzi, pamoja na sifa zake, imedhamiriwa kabisa na mwendeshaji huyu.
Tofauti na mechanics ya kawaida ya kawaida (au fizikia), utabiri wa wakati mmoja wa viambatisho vya kuunganisha kama vile nafasi na kasi hauwezi kufanywa. Kwa mfano, elektroni zinaweza (pamoja na uwezekano fulani) kuwa iko takriban katika eneo fulani la nafasi, lakini eneo lao sahihi la hisabati halijulikani.
Mtaro wa msongamano wa uwezekano wa mara kwa mara, ambao mara nyingi huitwa "mawingu", unaweza kuchorwa karibu na kiini cha atomi ili kubaini mahali ambapo elektroni inaweza kupatikana. uwezekano mkubwa. Kanuni ya Kutokuwa na uhakika ya Heisenberg inathibitisha kutokuwa na uwezo wa kupata chembe kwa usahihi kutokana na kasi yake ya kuunganisha. Baadhi ya miundo katika nadharia hii ni ya asili ya kimahesabu isiyo dhahiri kabisa na haimaanishi umuhimu wa kiutendaji. Hata hivyo, mara nyingi hutumiwa kuhesabu mwingiliano tata katika ngazi ya mambo mengine ya hila. Kwa kuongezea, tawi hili la fizikia liliruhusu wanasayansi kudhani uwezekano wa uwepo wa kweli wa walimwengu wengi. Labda tutaweza kuwaona hivi karibuni.
Kazi za wimbi
Sheria za fizikia ya quantum ni pana sana na tofauti. Zinaingiliana na wazo la kazi za wimbi. Baadhi maalum huunda kuenea kwa uwezekano ambao kwa asili ni mara kwa mara au huru kwa wakati, kwa mfano, wakati katika nafasi ya kusimama ya wakati wa nishati inaonekana kutoweka kuhusiana na kazi ya wimbi. Hii ni moja ya athari za fizikia ya quantum, ambayo ni ya msingi kwake. Ukweli wa kuvutia ni kwamba jambo la wakati limerekebishwa kwa kiasi kikubwa katika sayansi hii isiyo ya kawaida.
Nadharia ya upotoshaji
Walakini, kuna njia kadhaa za kuaminika za kukuza suluhu zinazohitajika kufanya kazi na fomula na nadharia katika fizikia ya quantum. Njia moja kama hiyo, inayojulikana kama "nadharia ya kupotosha", hutumia matokeo ya uchambuzi kwa mfano wa msingi wa mitambo ya quantum. Iliundwa kuleta matokeo kutoka kwa majaribio ili kukuza zaidi mfano tata, ambayo inahusiana na mfano rahisi zaidi. Hivi ndivyo kujirudia kunatokea.
Mbinu hii ni muhimu hasa katika nadharia machafuko ya quantum, ambayo ni maarufu sana kwa kutafsiri matukio mbalimbali katika ukweli wa microscopic.
Kanuni na sheria
Sheria za mechanics ya quantum ni za msingi. Wanasema kuwa nafasi ya kupelekwa kwa mfumo ni ya msingi kabisa (inayo bidhaa ya scalar) Taarifa nyingine ni kwamba athari zinazozingatiwa na mfumo huu ni wakati huo huo waendeshaji wa kipekee wanaoathiri vekta katika mazingira haya. Walakini, hazituelezi ni nafasi gani ya Hilbert au waendeshaji wapo wakati huu. Wanaweza kuchaguliwa ipasavyo ili kupata maelezo ya kiasi mfumo wa quantum.
Maana na ushawishi
Tangu kuanzishwa kwa sayansi hii isiyo ya kawaida, mambo mengi ya kupinga angavu na matokeo ya utafiti wa mechanics ya quantum yamesababisha mjadala mwingi wa kifalsafa na tafsiri nyingi. Hata maswali ya kimsingi, kama vile sheria za kuhesabu amplitudes na usambazaji wa uwezekano, yanastahili heshima kutoka kwa umma na wanasayansi wengi wakuu.
Kwa mfano, mara moja alibainisha kwa huzuni kwamba hakuwa na uhakika kabisa kwamba mwanasayansi yeyote hata alielewa mechanics ya quantum. Kulingana na Steven Weinberg, kwa sasa hakuna tafsiri ya mechanics ya quantum ambayo ingefaa kila mtu. Hii inaonyesha kwamba wanasayansi wameunda "monster" ambaye kuwepo kwao wenyewe hawawezi kuelewa kikamilifu na kuelezea. Walakini, hii haidhuru kwa njia yoyote umuhimu na umaarufu wa sayansi hii, lakini inavutia wataalam wachanga ambao wanataka kutatua shida ngumu na zisizoeleweka.
Kwa kuongezea, mechanics ya quantum ilitulazimisha kufikiria tena lengo sheria za kimwili Ulimwengu, ambao hauwezi lakini kufurahi.
Tafsiri ya Copenhagen
Kulingana na tafsiri hii, ufafanuzi wa kawaida sababu inayojulikana kwetu kutoka fizikia ya classical, hawana haja tena. Kulingana na nadharia za quantum, sababu katika ufahamu wetu wa kawaida haipo kabisa. Matukio yote ya mwili yanaelezewa ndani yao kutoka kwa mtazamo wa mwingiliano wa chembe ndogo za msingi kwenye kiwango cha subatomic. Eneo hili, licha ya kutowezekana kwake, linaahidi sana.
Saikolojia ya Quantum
Ni nini kinachoweza kusemwa juu ya uhusiano kati ya fizikia ya quantum na ufahamu wa mwanadamu? Hii imeandikwa kwa uzuri katika kitabu kilichoandikwa na Robert Anton Wilson mnamo 1990 kiitwacho Quantum Psychology.
Kulingana na nadharia iliyoainishwa katika kitabu hicho, michakato yote inayotokea katika ubongo wetu imedhamiriwa na sheria zilizoelezewa katika nakala hii. Hiyo ni, hii ni aina ya jaribio la kurekebisha nadharia ya fizikia ya quantum kwa saikolojia. Nadharia hii inachukuliwa kuwa parascientific na haitambuliwi na jumuiya ya wasomi.
Kitabu cha Wilson kinajulikana kwa ukweli kwamba yeye hutoa seti ya mbinu mbalimbali na watendaji ambao, kwa kiwango kimoja au kingine, wanathibitisha nadharia yake. Kwa njia moja au nyingine, msomaji lazima aamue mwenyewe ikiwa anaamini au la uhalali wa majaribio kama haya ya kutumia hisabati na hisabati. mifano ya kimwili kwa wanadamu.
Kitabu cha Wilson kilionekana na wengine kama jaribio la kuhalalisha fikira za fumbo na kukiunganisha na uundaji wa fizikia mpya uliothibitishwa kisayansi. Kazi hii isiyo ya kawaida na ya kipaji imebaki katika mahitaji kwa zaidi ya miaka 100. Kitabu kinachapishwa, kutafsiriwa na kusomwa kote ulimwenguni. Nani anajua, labda na maendeleo ya mechanics ya quantum mtazamo utabadilika jumuiya ya kisayansi kwa saikolojia ya quantum.
Hitimisho
Shukrani kwa hili nadharia ya ajabu, ambayo hivi karibuni ikawa sayansi tofauti, tuliweza kuchunguza ukweli unaozunguka katika ngazi chembe ndogo ndogo. Hiki ndicho kiwango kidogo kuliko vyote kinachowezekana, kisichoweza kufikiwa kabisa na mtazamo wetu. Kile ambacho wanafizikia walijua hapo awali kuhusu ulimwengu wetu kinahitaji marekebisho ya haraka. Hakika kila mtu anakubaliana na hili. Ikawa dhahiri kuwa chembe tofauti inaweza kuingiliana na kila mmoja kwa umbali usioweza kufikiria kabisa, ambao tunaweza tu kupima kwa kutumia fomula changamano za hisabati.
Kwa kuongeza, mechanics ya quantum (na fizikia ya quantum) imethibitisha uwezekano wa kuwepo kwa seti. ukweli sambamba, kusafiri kwa wakati na mambo mengine ambayo katika historia yote yalizingatiwa kuwa hatima tu sayansi ya uongo. Bila shaka hii ni mchango mkubwa sio tu kwa sayansi, bali pia kwa mustakabali wa ubinadamu.
Kwa wapenzi picha ya kisayansi ulimwengu, sayansi hii inaweza kuwa rafiki na adui. Ukweli ni kwamba nadharia ya quantum inafungua fursa pana kwa ajili ya uvumi mbalimbali juu ya mada ya parascientific, kama ilivyoonyeshwa tayari katika mfano wa mojawapo ya njia mbadala. nadharia za kisaikolojia. Baadhi ya wachawi wa kisasa, wasomi na wafuasi wa harakati mbadala za kidini na kiroho (mara nyingi wanasaikolojia) wanageukia. miundo ya kinadharia sayansi hii ili kuthibitisha mantiki na ukweli wa nadharia zake za fumbo, imani na mazoea.
Hii ni kesi isiyokuwa ya kawaida wakati uvumi rahisi wa wananadharia na wa kufikirika fomula za hisabati kuongozwa na ukweli mapinduzi ya kisayansi na kuundwa sayansi mpya, ambayo ilivuka kila kitu kilichojulikana hapo awali. Kwa kiasi fulani, fizikia ya quantum ilikanusha sheria za mantiki ya Aristotle, kwa sababu ilionyesha kuwa wakati wa kuchagua "ama-au" kuna chaguo moja zaidi (na labda kadhaa).
Ikiwa ghafla umegundua kuwa umesahau misingi na postulates ya mechanics ya quantum au hujui hata ni aina gani ya mechanics, basi ni wakati wa kuburudisha kumbukumbu yako ya habari hii. Baada ya yote, hakuna mtu anayejua ni lini mechanics ya quantum inaweza kuwa muhimu maishani.
Ni bure kwamba unatabasamu na dharau, ukifikiria kuwa hautawahi kushughulika na mada hii maishani mwako. Baada ya yote, mechanics ya quantum inaweza kuwa muhimu kwa karibu kila mtu, hata wale walio mbali sana nayo. Kwa mfano, una usingizi. Kwa mechanics ya quantum hii sio shida! Soma kitabu cha maandishi kabla ya kulala - na utalala usingizi mzito kwenye ukurasa wa tatu. Au unaweza kuita bendi yako nzuri ya rock hiyo. Kwa nini isiwe hivyo?
Utani kando, wacha tuanze mazungumzo mazito ya kiasi.
Wapi kuanza? Kwa kweli, kuanzia na quantum ni nini.
Quantum
Quantum (kutoka kwa Kilatini quantum - "kiasi gani") ni sehemu isiyoweza kugawanywa ya idadi fulani ya mwili. Kwa mfano, wanasema - quantum ya mwanga, quantum ya nishati au quantum ya shamba.
Ina maana gani? Hii inamaanisha kuwa haiwezi kuwa kidogo. Wanaposema kwamba kiasi fulani kinahesabiwa, wanaelewa hilo thamani iliyopewa inachukua idadi ya maadili maalum, tofauti. Kwa hivyo, nishati ya elektroni katika atomi imehesabiwa, mwanga husambazwa katika "sehemu", yaani, kwa quanta.
Neno "quantum" lenyewe lina matumizi mengi. Kiasi cha mwanga ( uwanja wa sumakuumeme) ni fotoni. Kwa mlinganisho, quanta ni chembe au quasiparticles sambamba na maeneo mengine ya mwingiliano. Hapa tunaweza kukumbuka boson maarufu ya Higgs, ambayo ni quantum ya uwanja wa Higgs. Lakini bado hatuendi kwenye misitu hii.
Mechanics ya quantum kwa dummies Je, mechanics inawezaje kuwa quantum?
Kama ulivyoona, katika mazungumzo yetu tulitaja chembe mara nyingi. Unaweza kuwa umezoea ukweli kwamba mwanga ni wimbi ambalo hueneza kwa kasi tu Na . Lakini ikiwa unatazama kila kitu kutoka kwa mtazamo ulimwengu wa quantum, yaani, ulimwengu wa chembe, kila kitu kinabadilika zaidi ya kutambuliwa.
Quantum mechanics ni sehemu fizikia ya kinadharia, sehemu ya nadharia ya quantum ambayo inaelezea matukio ya kimwili katika hali halisi ngazi ya msingi- kiwango cha chembe.
Athari ya matukio kama haya yanalinganishwa kwa ukubwa na Planck ya mara kwa mara, na mechanics ya classical Newton na electrodynamics iligeuka kuwa haifai kabisa kwa maelezo yao. Kwa mfano, kulingana na nadharia ya classical Elektroni, inayozunguka kwa kasi ya juu karibu na kiini, lazima iangaze nishati na hatimaye kuanguka kwenye kiini. Hii, kama tunavyojua, haifanyiki. Ndio maana mechanics ya quantum iligunduliwa - matukio ya wazi ilihitajika kuielezea kwa njia fulani, na ikawa nadharia haswa ambayo maelezo yalikubalika zaidi, na data yote ya majaribio "iliungana."
Japo kuwa! Kwa wasomaji wetu sasa kuna punguzo la 10%.
Historia kidogo
Kuzaliwa kwa nadharia ya quantum ilitokea mwaka wa 1900, wakati Max Planck alizungumza katika mkutano wa Jumuiya ya Kimwili ya Ujerumani. Planck alisema nini basi? Na ukweli kwamba mionzi ya atomi ni tofauti, na sehemu ndogo zaidi nishati ya mionzi hii ni sawa na
Wapi h- Planck ni mara kwa mara, nu - frequency.
Kisha Albert Einstein, akianzisha dhana ya "quantum ya mwanga", alitumia hypothesis ya Planck kuelezea athari ya photoelectric. Niels Bohr alisisitiza kuwepo kwa hali ya kusimama katika atomi viwango vya nishati, na Louis de Broglie alianzisha wazo la uwili wa chembe-wimbi, yaani, kwamba chembe (corpuscle) pia ina mali ya wimbi. Schrödinger na Heisenberg walijiunga na sababu hiyo, na mwaka wa 1925 uundaji wa kwanza wa mechanics ya quantum ilichapishwa. Kwa kweli, mechanics ya quantum iko mbali na nadharia kamili; Inapaswa pia kutambuliwa kuwa mechanics ya quantum, pamoja na mawazo yake, haina uwezo wa kueleza maswali yote yanayowakabili. Inawezekana kabisa kwamba itabadilishwa na nadharia ya juu zaidi.
Wakati wa mpito kutoka kwa ulimwengu wa quantum hadi ulimwengu wa mambo tunayozoea, sheria za mechanics ya quantum kawaida hubadilishwa kuwa sheria za mechanics ya zamani. Tunaweza kusema kwamba mechanics classical ni kesi maalum quantum mechanics, wakati hatua inafanyika katika ulimwengu wetu unaojulikana na unaojulikana. Hapa miili husogea kwa utulivu katika muafaka wa kumbukumbu usio wa inertial kwa kasi ya chini sana kuliko kasi ya mwanga, na kwa ujumla kila kitu kinachozunguka ni shwari na wazi. Ikiwa unataka kujua nafasi ya mwili katika mfumo wa kuratibu, hakuna shida ikiwa unataka kupima msukumo, unakaribishwa.
Mechanics ya quantum ina njia tofauti kabisa ya suala hilo. Inayo matokeo ya kipimo kiasi cha kimwili ni uwezekano wa asili. Hii ina maana kwamba wakati thamani fulani inabadilika, matokeo kadhaa yanawezekana, ambayo kila mmoja ana uwezekano fulani. Wacha tutoe mfano: sarafu inazunguka kwenye meza. Wakati anazunguka, hayuko katika aina fulani hali fulani(vichwa-mkia), lakini ina uwezekano tu wa kuishia katika mojawapo ya majimbo haya.
Hapa tunakaribia hatua kwa hatua Mlinganyo wa Schrödinger Na Kanuni ya kutokuwa na uhakika ya Heisenberg.
Kulingana na hadithi, Erwin Schrödinger, mnamo 1926, akizungumza kwenye semina ya kisayansi juu ya mada ya pande mbili za chembe-mawimbi, alikosolewa na mwanasayansi fulani mwandamizi. Akikataa kuwasikiliza wazee wake, baada ya tukio hili Schrödinger alianza kikamilifu kuendeleza mlingano wa wimbi kuelezea chembe ndani ya mfumo wa quantum mechanics. Na alifanya hivyo kwa ustadi! Mlinganyo wa Schrödinger (mlinganyo wa msingi wa mechanics ya quantum) ni:
Aina hii milinganyo - mlinganyo wa hali moja wa Schrödinger - ulio rahisi zaidi.
Hapa x ni umbali au uratibu wa chembe, m ni wingi wa chembe, E na U ni jumla yake na nishati inayowezekana. Suluhisho la equation hii ni kazi ya wimbi (psi)
Kazi ya wimbi ni dhana nyingine ya msingi katika mechanics ya quantum. Kwa hivyo, mfumo wowote wa quantum ambao uko katika hali fulani una kazi ya wimbi inayoelezea hali hii.
Kwa mfano, wakati wa kutatua equation ya Schrödinger stationary ya mwelekeo mmoja, kazi ya wimbi inaelezea nafasi ya chembe katika nafasi. Kwa usahihi zaidi, uwezekano wa kupata chembe katika hatua fulani katika nafasi. Kwa maneno mengine, Schrödinger alionyesha kwamba uwezekano unaweza kuelezewa na mlinganyo wa wimbi! Kukubaliana, tunapaswa kuwa na mawazo ya hili kabla!
Lakini kwa nini? Kwa nini tunapaswa kukabiliana na uwezekano huu wa ajabu na kazi za wimbi, wakati, inaonekana, hakuna kitu rahisi zaidi kuliko kuchukua tu na kupima umbali wa chembe au kasi yake.
Kila kitu ni rahisi sana! Hakika, katika macrocosm hii ni kweli - tunapima umbali kwa usahihi fulani na kipimo cha tepi, na hitilafu ya kipimo imedhamiriwa na sifa za kifaa. Kwa upande mwingine, tunaweza kuamua kwa usahihi kwa jicho umbali wa kitu, kwa mfano, kwenye meza. Kwa hali yoyote, tunafautisha kwa usahihi nafasi yake katika chumba kuhusiana na sisi na vitu vingine. Katika ulimwengu wa chembe, hali ni tofauti kimsingi - hatuna zana za kipimo za kupima kwa usahihi idadi inayohitajika. Baada ya yote, chombo cha kupimia kinawasiliana moja kwa moja na kitu kinachopimwa, na kwa upande wetu, kitu na chombo ni chembe. Ni kutokamilika huku, kutowezekana kwa msingi kwa kuzingatia mambo yote yanayofanya juu ya chembe, pamoja na ukweli wenyewe wa kubadilisha hali ya mfumo chini ya ushawishi wa kipimo, ambayo ni msingi wa kanuni ya kutokuwa na uhakika ya Heisenberg.
Wacha tutoe uundaji wake rahisi zaidi. Hebu fikiria kwamba kuna chembe fulani, na tunataka kujua kasi yake na kuratibu.
Katika muktadha huu, Kanuni ya Kutokuwa na uhakika ya Heisenberg inasema kuwa haiwezekani kupima kwa usahihi nafasi na kasi ya chembe kwa wakati mmoja. . Kimahesabu imeandikwa hivi:
Hapa delta x ni kosa katika kuamua kuratibu, delta v ni kosa katika kuamua kasi. Hebu tusisitize - kanuni hii inaonyesha kwamba kwa usahihi zaidi tunaamua kuratibu, chini ya usahihi tutajua kasi. Na ikiwa tutaamua kasi, hatutakuwa nayo wazo dogo kuhusu mahali ambapo chembe iko.
Kuna utani mwingi na anecdotes juu ya mada ya kanuni ya kutokuwa na uhakika. Hapa kuna mmoja wao:
Polisi anamsimamisha mwanafizikia wa quantum.
- Bwana, unajua jinsi ulivyokuwa unasonga haraka?
- Hapana, lakini najua mahali nilipo.
Na, bila shaka, tunakukumbusha! Ikiwa ghafla, kwa sababu fulani, kutatua equation ya Schrödinger kwa chembe kwenye kisima kinachowezekana hakukuruhusu kulala, wasiliana na wataalamu ambao walilelewa. mechanics ya quantum kwenye midomo!
Fizikia ni siri zaidi ya sayansi zote. Fizikia inatupa ufahamu wa ulimwengu unaotuzunguka. Sheria za fizikia ni kamilifu na zinatumika kwa kila mtu bila ubaguzi, bila kujali mtu au hali ya kijamii.
Nakala hii inalenga watu zaidi ya miaka 18
Je, tayari umefikisha miaka 18?
Ugunduzi wa kimsingi katika uwanja wa fizikia ya quantum
Isaac Newton, Nikola Tesla, Albert Einstein na wengine wengi ni viongozi wakuu wa ubinadamu katika ulimwengu wa ajabu wanafizikia ambao, kama manabii, walifunua kwa wanadamu siri kubwa zaidi za ulimwengu na uwezekano wa kudhibiti matukio ya kimwili. Vichwa vyao vyenye kung'aa vilikata giza la ujinga wa wengi wasio na akili na, kama nyota inayoongoza, walionyesha njia ya ubinadamu katika giza la usiku. Mmoja wa viongozi kama hao katika ulimwengu wa fizikia alikuwa Max Planck, baba wa fizikia ya quantum.
Max Planck sio tu mwanzilishi wa fizikia ya quantum, lakini pia mwandishi wa nadharia maarufu duniani ya quantum. Nadharia ya quantum ni sehemu muhimu zaidi ya fizikia ya quantum. Kwa maneno rahisi, nadharia hii inaelezea harakati, tabia na mwingiliano wa microparticles. Mwanzilishi wa fizikia ya quantum pia alituletea mengine mengi kazi za kisayansi, ambayo ikawa msingi wa fizikia ya kisasa:
- nadharia ya mionzi ya joto;
- nadharia maalum ya uhusiano;
- utafiti katika thermodynamics;
- utafiti katika uwanja wa macho.
Nadharia za fizikia ya Quantum kuhusu tabia na mwingiliano wa chembechembe ndogo zikawa msingi wa fizikia ya vitu vilivyofupishwa, fizikia ya chembe, na nishati ya juu. Nadharia ya Quantum inatufafanulia kiini cha matukio mengi katika ulimwengu wetu - kutoka kwa utendaji wa elektroniki. kompyuta kwa muundo na tabia ya miili ya mbinguni. Max Planck, muundaji wa nadharia hii, shukrani kwa ugunduzi wake alituruhusu kuelewa kiini cha kweli vitu vingi katika kiwango cha chembe za msingi. Lakini uumbaji wa nadharia hii ni mbali na sifa pekee ya mwanasayansi. Akawa wa kwanza kugundua sheria ya msingi ya Ulimwengu - sheria ya uhifadhi wa nishati. Mchango wa Max Planck kwa sayansi ni vigumu kukadiria. Kwa kifupi, uvumbuzi wake ni muhimu sana kwa fizikia, kemia, historia, mbinu na falsafa.
Nadharia ya uwanja wa Quantum
Kwa kifupi, nadharia ya uwanja wa quantum ni nadharia ya kuelezea chembe ndogo, pamoja na tabia zao katika nafasi, mwingiliano na kila mmoja na mwingiliano. Nadharia hii inasoma tabia ya mifumo ya quantum ndani ya kinachojulikana digrii za uhuru. Jina hili zuri na la kimapenzi halimaanishi chochote kwa wengi wetu. Kwa dummies, digrii za uhuru ni idadi ya kuratibu huru zinazohitajika ili kuonyesha mwendo mfumo wa mitambo. Kwa maneno rahisi, digrii za uhuru ni sifa za mwendo. Ugunduzi wa kuvutia katika uwanja wa mwingiliano wa chembe za msingi ulikamilishwa na Steven Weinberg. Aligundua kinachojulikana kama mkondo wa upande wowote - kanuni ya mwingiliano kati ya quarks na leptons, ambayo alipokea. Tuzo la Nobel mwaka 1979.
Nadharia ya quantum ya Max Planck
Katika miaka ya tisini ya karne ya kumi na nane Mwanafizikia wa Ujerumani Max Planck alianza kusoma mionzi ya joto na hatimaye akapata fomula ya usambazaji wa nishati. Nadharia ya quantum, ambayo ilizaliwa wakati wa masomo haya, iliweka msingi wa fizikia ya quantum, na vile vile nadharia ya uwanja wa quantum, iliyogunduliwa mnamo 1900. Nadharia ya quantum ya Planck ni kwamba wakati mionzi ya joto nishati inayozalishwa hutolewa na kufyonzwa sio mara kwa mara, lakini mara kwa mara, quantumly. 1900, asante ugunduzi huu, ambayo Max Planck alikamilisha, ikawa mwaka wa kuzaliwa kwa mechanics ya quantum. Inafaa pia kutaja formula ya Planck. Kwa kifupi, asili yake ni kama ifuatavyo - ni msingi wa uhusiano kati ya joto la mwili na mionzi yake.
Nadharia ya mitambo ya Quantum ya muundo wa atomiki
Nadharia ya quantum mitambo ya muundo wa atomiki ni moja ya nadharia za msingi dhana katika fizikia ya quantum, na katika fizikia kwa ujumla. Nadharia hii inatuwezesha kuelewa muundo wa vitu vyote vya kimwili na kuinua pazia la usiri juu ya mambo ambayo yanajumuisha. Na hitimisho kulingana na nadharia hii ni zisizotarajiwa kabisa. Wacha tuangalie kwa ufupi muundo wa atomi. Kwa hivyo, atomi imeundwa na nini hasa? Atomi ina kiini na wingu la elektroni. Msingi wa atomi, kiini chake, kina karibu misa yote ya atomi yenyewe - zaidi ya asilimia 99. Punje ina kila wakati malipo chanya, na inafafanua kipengele cha kemikali, ambayo chembe ni sehemu yake. Jambo la kufurahisha zaidi juu ya kiini cha atomi ni kwamba ina karibu wingi wote wa atomi, lakini wakati huo huo inachukua moja tu ya elfu kumi ya ujazo wake. Nini kinafuata kutoka kwa hii? Na hitimisho linalojitokeza ni lisilotarajiwa kabisa. Hii ina maana kwamba kuna moja tu ya elfu kumi ya dutu mnene katika atomi. Na nini kinachukua kila kitu kingine? Na kila kitu kingine katika atomi ni wingu la elektroni.
Wingu la elektroniki sio mara kwa mara na, kwa kweli, hata dutu ya nyenzo. Wingu la elektroni ni uwezekano tu wa elektroni kuonekana kwenye atomi. Hiyo ni, kiini kinachukua moja tu ya elfu kumi katika atomi, na iliyobaki ni utupu. Na ikiwa utazingatia kwamba vitu vyote vinavyotuzunguka, kutoka kwa vumbi hadi miili ya mbinguni, sayari na nyota zinafanywa kwa atomi, zinageuka kuwa nyenzo za kila kitu ni zaidi ya asilimia 99 tupu. Nadharia hii inaonekana ya kushangaza kabisa, na mwandishi wake, angalau, mtu mwenye makosa, kwa sababu vitu vilivyopo karibu vina msimamo thabiti, vina uzito na vinaweza kuguswa. Inawezaje kujumuisha utupu? Je, kosa limeingia katika nadharia hii ya muundo wa maada? Lakini hakuna makosa hapa.
Vitu vyote vya nyenzo huonekana kuwa mnene tu kwa sababu ya mwingiliano kati ya atomi. Vitu vina uthabiti thabiti na mnene tu kwa sababu ya mvuto au msukumo kati ya atomi. Hii hutoa wiani na ugumu kimiani kioo vitu vya kemikali, ambayo kila kitu kinajumuisha. Lakini, hatua ya kuvutia, wakati wa kubadilisha, kwa mfano, hali ya joto mazingira, vifungo kati ya atomi, yaani, mvuto wao na kukataa kunaweza kudhoofisha, ambayo inaongoza kwa kudhoofika kwa kimiani ya kioo na hata uharibifu wake. Hii inaelezea mabadiliko mali za kimwili vitu wakati moto. Kwa mfano, chuma inapokanzwa, inakuwa kioevu na inaweza kutengenezwa kwa sura yoyote. Na wakati barafu inapoyeyuka, uharibifu wa latiti ya kioo husababisha mabadiliko katika hali ya dutu, na kutoka imara hugeuka kuwa kioevu. Hii mifano wazi kudhoofisha vifungo kati ya atomi na, kwa sababu hiyo, kudhoofisha au uharibifu wa kimiani ya kioo, na kuruhusu dutu kuwa amofasi. Na sababu ya metamorphoses ya ajabu kama hii ni kwamba vitu vinajumuisha moja tu ya elfu kumi ya maada mnene, na iliyobaki ni utupu.
Na vitu vinaonekana kuwa thabiti kwa sababu tu mahusiano yenye nguvu kati ya atomi, inapodhoofika, dutu hii hubadilika. Kwa hivyo, nadharia ya quantum ya muundo wa atomiki inaturuhusu kutazama ulimwengu unaotuzunguka kwa njia tofauti kabisa.
Mwanzilishi wa nadharia ya atomiki, Niels Bohr, aliweka mbele dhana ya kuvutia kwamba elektroni katika atomi haitoi nishati kila wakati, lakini tu wakati wa mpito kati ya trajectories ya harakati zao. Nadharia ya Bohr ilisaidia kuelezea michakato mingi ya ndani ya atomiki, na pia ilifanya mafanikio katika uwanja wa sayansi kama kemia, ikielezea mipaka ya jedwali iliyoundwa na Mendeleev. Kulingana na, kipengele cha mwisho kinachoweza kuwepo kwa wakati na nafasi kina nambari ya serial mia moja thelathini na saba, na vipengele kuanzia mia moja thelathini na nane haviwezi kuwepo, kwa kuwa kuwepo kwao kunapingana na nadharia ya uhusiano. Pia, nadharia ya Bohr ilielezea asili ya vile jambo la kimwili, kama mwonekano wa atomiki.
Hizi ni taswira ya mwingiliano wa atomi za bure zinazotokea wakati nishati inatolewa kati yao. Matukio kama haya ni ya kawaida kwa vitu vya gesi, mvuke na vitu katika hali ya plasma. Kwa hivyo, nadharia ya quantum ilifanya mapinduzi katika ulimwengu wa fizikia na kuruhusu wanasayansi kuendeleza sio tu katika uwanja wa sayansi hii, lakini pia katika uwanja wa wengi. sayansi zinazohusiana: kemia, thermodynamics, optics na falsafa. Na pia kuruhusu ubinadamu kupenya ndani ya siri za asili ya mambo.
Bado kuna mengi ambayo ubinadamu unahitaji kugeuza katika ufahamu wake ili kutambua asili ya atomi na kuelewa kanuni za tabia na mwingiliano wao. Baada ya kuelewa haya, tutaweza kuelewa asili ya ulimwengu unaotuzunguka, kwa sababu kila kitu kinachotuzunguka, kutoka kwa vumbi hadi jua lenyewe, na sisi wenyewe, sote tuna atomi, asili yake ambayo ni ya kushangaza na ya kushangaza. na kuficha siri nyingi.
Katika makala hii tutatoa vidokezo muhimu juu ya kusoma fizikia ya quantum kwa dummies. Wacha tujibu ni nini kinapaswa kuwa mbinu kujifunza fizikia ya quantum kwa Kompyuta.
Fizikia ya quantum- Hii ni nidhamu ngumu ambayo sio kila mtu anaweza kuisimamia kwa urahisi. Walakini, fizikia kama somo ni ya kufurahisha na muhimu, ndiyo sababu fizikia ya quantum (http://www.cyberforum.ru/quantum-physics/) hupata mashabiki wake ambao wako tayari kuisoma na mwishowe kupata faida za vitendo. Ili iwe rahisi kujifunza nyenzo, unahitaji kuanza tangu mwanzo, yaani, na vitabu rahisi zaidi vya fizikia vya quantum kwa Kompyuta. Hii itawawezesha kupata msingi mzuri kwa ujuzi, na wakati huo huo, ni vizuri kuunda ujuzi wako katika kichwa chako.
Anza elimu binafsi unahitaji fasihi nzuri. Ni fasihi ndio jambo la kuamua katika mchakato wa kupata maarifa na kuhakikisha ubora wake. Nia maalum mechanics ya quantum inaamsha, na wengi huanza masomo yao nayo. Kila mtu anapaswa kujua fizikia, kwa sababu ni sayansi ya maisha, ambayo inaelezea taratibu nyingi na kuwafanya kueleweka kwa wengine.
Tafadhali kumbuka kuwa unapoanza kusoma fizikia ya quantum, lazima uwe na ujuzi wa hisabati na fizikia, kwani bila wao hautaweza. Itakuwa nzuri ikiwa utapata fursa ya kuwasiliana na mwalimu wako ili kupata majibu ya maswali yako. Ikiwa hii haiwezekani, unaweza kujaribu kufafanua hali hiyo kwenye vikao maalum. Mijadala inaweza pia kuwa muhimu sana katika kujifunza.
Unapoamua juu ya uchaguzi wa kitabu cha kiada, lazima uwe tayari kwa ukweli kwamba ni ngumu sana na itabidi sio kuisoma tu, lakini chunguza kila kitu kilichoandikwa ndani yake. Ili kwamba mwishoni mwa mafunzo huna wazo kwamba hii yote ni ujuzi usiohitajika kwa mtu yeyote, jaribu kuunganisha nadharia na mazoezi kila wakati. Pia ni muhimu kuamua mapema kusudi ambalo ulianza kujifunza fizikia ya quantum, ili kuzuia kuibuka kwa mawazo juu ya ubatili wa ujuzi uliopatikana. Watu huangukia katika makundi mawili: watu wanaofikiri fizikia ya quantum ni somo la kuvutia na muhimu na wale ambao hawana. Chagua mwenyewe ni kategoria gani na uamue ipasavyo ikiwa fizikia ya quantum ina nafasi katika maisha yako au la. Unaweza kubaki katika kiwango cha mwanzo katika kusoma fizikia ya quantum, au unaweza kufikia mafanikio ya kweli, yote mikononi mwako.
Kwanza kabisa, chagua vifaa vya kuvutia na vya hali ya juu kwenye fizikia. Unaweza kupata baadhi yao kwa kutumia viungo hapa chini.
Na hiyo ni yote kwa sasa! Jifunze fizikia ya quantum kwa njia ya kuvutia na usiwe dummie!
Kwa watu wengi, fizikia inaonekana kuwa ya mbali na ya kutatanisha, na fizikia ya quantum hata zaidi. Lakini nataka kukufungulia pazia hili siri kubwa, kwa sababu kwa kweli kila kitu kinageuka kuwa cha kushangaza, lakini kinafunua.
Na pia fizikia ya quantum ni somo nzuri kuzungumza na watu wenye akili.
Fizikia ya Quantum imerahisishwa
Kwanza unahitaji kuteka moja katika kichwa chako mstari mkubwa kati ya microworld na macroworld, kwa sababu dunia hizi ni tofauti kabisa. Kila kitu unachojua kuhusu nafasi unayoifahamu na vitu vilivyomo ni uongo na haikubaliki katika fizikia ya quantum.
Kwa kweli, chembechembe ndogo hazina kasi wala nafasi maalum hadi wanasayansi waziangalie. Taarifa hii inaonekana kuwa ya ujinga kwetu, ilionekana hivyo kwa Albert Einstein, lakini hata mwanafizikia mkubwa kuungwa mkono.
Ukweli ni kwamba utafiti umethibitisha kwamba ukiangalia mara moja chembe iliyochukua nafasi fulani, kisha ugeuke na kutazama tena, utaona kwamba chembe hii tayari imechukua nafasi tofauti kabisa.
Hizi chembe naughty
Kila kitu kinaonekana kuwa rahisi, lakini tunapoangalia chembe sawa, inasimama. Hiyo ni, chembe hizi hutembea tu wakati hatuwezi kuiona.
Kiini ni kwamba kila chembe (kulingana na nadharia ya uwezekano) ina kiwango cha uwezekano wa kuwa katika nafasi moja au nyingine. Na tunapogeuka na kisha kugeuka tena, tunaweza kukamata chembe katika nafasi zake zozote zinazowezekana kwa usahihi kulingana na kiwango cha uwezekano.
Kulingana na utafiti, chembe hiyo ilitafutwa ndani maeneo mbalimbali, kisha akaacha kumwangalia, kisha akatazama tena jinsi msimamo wake unavyobadilika. Matokeo yake yalikuwa ya kushangaza tu. Kwa muhtasari, wanasayansi waliweza kuunda kiwango cha uwezekano ambapo hii au chembe hiyo inaweza kupatikana.
Kwa mfano, neutron ina uwezo wa kuwa katika nafasi tatu. Baada ya kufanya utafiti, unaweza kupata kwamba katika nafasi ya kwanza itakuwa na uwezekano wa 15%, kwa pili - 60%, katika tatu - 25%.
Hakuna mtu bado ameweza kukanusha nadharia hii, kwa hivyo, isiyo ya kawaida, ndiyo sahihi zaidi.
Macroworld na microworld
Ikiwa tunachukua kitu kutoka kwa macrocosm, tutaona kwamba pia ina kiwango cha uwezekano, lakini ni tofauti kabisa. Kwa mfano, uwezekano kwamba unageuka na kupata simu yako upande wa pili wa dunia ni karibu sifuri, lakini bado upo.
Kisha swali linatokea: vipi kesi kama hizo bado hazijarekodiwa? Hili linafafanuliwa na ukweli kwamba uwezekano huo ni mdogo sana hivi kwamba wanadamu wangelazimika kungoja miaka mingi ambayo sayari yetu na ulimwengu wote mzima bado haujaishi ili kuona tukio kama hilo. Inabadilika kuwa simu yako ina uwezekano wa 100% kuishia pale ulipoiona.
Uchimbaji wa quantum
Kuanzia hapa tunaweza kuja kwa dhana ya quantum tunnel. Hili ni wazo la mpito wa taratibu wa kitu kimoja (kuiweka takribani sana) hadi mahali tofauti kabisa bila mvuto wowote wa nje.
Hiyo ni, kila kitu kinaweza kuanza na nyutroni moja, ambayo kwa wakati mmoja huanguka katika uwezekano huo wa karibu sifuri wa kuwa mahali tofauti kabisa, na nyutroni zaidi ziko mahali tofauti, uwezekano unakuwa juu zaidi.
Kwa kweli, mabadiliko kama haya yatachukua miaka mingi kama sayari yetu haijaishi, lakini, kulingana na nadharia ya fizikia ya quantum, quantum tunnel hufanyika.
Soma pia: