Вступ до квантової механіки
З Вікіпедії, безкоштовно encyclopedia
Квантова механіка — це дослідження матерії та її взаємодії з енергією в масштабі атомних і субатомних частинок. Навпаки, класична фізика пояснює матерію та енергію лише в масштабі, знайомому людському досвіду, включаючи поведінку астрономічних тіл, таких як Місяць. Класична фізика все ще використовується в більшій частині сучасної науки та техніки. Однак наприкінці 19 століття вчені виявили явища як у великому (макро), так і в малому (мікро) світах, які класична фізика не могла пояснити[1]. Прагнення вирішити невідповідності між явищами, що спостерігаються, і класичною теорією призвело до двох великих революцій у фізиці, які призвели до зміни початкової наукової парадигми: теорії відносності та розвитку квантової механіки[2]. У цій статті описано, як фізики виявили обмеження класичної фізики та розробили основні поняття квантової теорії, яка прийшла їй на зміну на початку 20-го століття. Він описує ці поняття приблизно в тому порядку, в якому вони були вперше виявлені. Для більш повної історії предмета див. Історія квантової механіки.
Світло в деяких аспектах поводиться як частинки, а в інших — як хвилі. Матерія — «матеріал» Всесвіту, що складається з таких частинок, як електрони й атоми — також демонструє хвилеподібну поведінку. Деякі джерела світла, як-от неонові лампи, випромінюють світло лише певних частот — невеликий набір чистих кольорів, які визначаються атомною структурою неону. Квантова механіка показує, що світло, разом з усіма іншими формами електромагнітного випромінювання, приходить у вигляді дискретних одиниць, які називаються фотонами, і передбачає його спектральну енергію (що відповідає чистим кольорам) та інтенсивність його світлових променів. Окремий фотон — це квант, або найменша спостережувана частинка електромагнітного поля. Частковий фотон ніколи не спостерігається експериментально. У більш широкому сенсі квантова механіка показує, що багато властивостей об’єктів, таких як положення, швидкість і кутовий момент, які здавалися безперервними в зменшеному вигляді класичної механіки, виявляються (у дуже крихітному, збільшеному масштабі) квантова механіка) квантований. Такі властивості елементарних частинок повинні приймати одне з набору малих дискретних допустимих значень, і оскільки розрив між цими значеннями також невеликий, розриви очевидні лише в дуже крихітних (атомних) масштабах.
Багато аспектів квантової механіки суперечать інтуїції[3] і можуть здаватися парадоксальними, оскільки вони описують поведінку, яка зовсім відрізняється від тієї, що спостерігається у великих масштабах. За словами квантового фізика Річарда Фейнмана, квантова механіка має справу з «природою, якою вона є — абсурдом»[4]. Одним з основних «парадоксів» є очевидна невідповідність між законами Ньютона та квантовою механікою, яку можна пояснити за допомогою теореми Еренфеста, яка показує, що середні значення, отримані з квантової механіки (наприклад, положення та імпульс), підкоряються класичним законам[5]. Однак теорема Еренфеста далеко не в змозі пояснити всі спостережувані неінтуїтивні явища (квантові дивацтва), а скоріше є математичним вираженням принципу відповідності.
Наприклад, принцип невизначеності квантової механіки означає, що чим точніше визначено одне вимірювання (наприклад, положення частинки), тим менш точним повинно стати інше додаткове вимірювання, що відноситься до тієї ж частинки (наприклад, її швидкість).
Іншим прикладом є заплутаність, коли вимірювання будь-якого двозначного стану частинки (наприклад, світла, поляризованого вгору чи вниз), виконане на будь-якій із двох «заплутаних» частинок, які знаходяться дуже далеко одна від одної, призводить до наступного вимірювання іншої частинки. завжди бути іншим із двох значень (наприклад, поляризованим у протилежному напрямку).
Останнім прикладом є надтекучість, коли рідкий гелій у контейнері, охолоджений майже до абсолютного нуля за температурою, спонтанно (повільно) тече вгору та над отвором контейнера проти сили тяжіння.