Шест факти за квантовата физика, която всеки трябва да знае

Неподготвен слушател квантова физика плаши от началото на запознанства. Това е странно и нелогично, дори и за физиците, които се занимават с него всеки ден. Но това не е неразбираем. Ако се интересувате от квантова физика, всъщност, има шест основни понятия от това, което е необходимо, за да имате предвид. Не, те имат малко общо с квантовата явления. И това не се смята, че експерименти. Просто ги увийте в главите си, и квантовата физика ще бъде много по-лесно да се разбере.

Има много места, за да започна тази дискусия, а това е толкова добра, колкото другите: всичко в нашата вселена има и характера на частици и вълни. Ако можеше да се каже за магията на това: "Всички на тази вълна, и само на вълните", че би било прекрасно поетично описание на квантовата физика. Всъщност, всичко в тази вселена има вълна природата.

Разбира се, както всичко във Вселената е естеството на частиците. Това звучи странно, но това е експериментален факт.

Тази "трета" характер на квантовата обекти е отразено в понякога объркващи езика на физиците, които обсъждат квантовата явления. Хигс бозонът е била открита в Големия адронен ускорител като частица, но вие вероятно сте чували фразата "полето на Хигс", като делокализираният нещо, което изпълва цялото пространство. Това е така, защото, при определени условия, като например експерименти с сблъскване частици е по-подходящ за обсъждане на полето за възбуждане на Хигс, вместо да определят характеристиките на частиците, докато в други условия, като например обща дискусия защо някои частици имат маса, по-уместно да се обсъди физиката по отношение на взаимодействието с кванта поле на универсалната мащаб. Това е просто различен език, описвайки същите математически обекти.

Всичко в името на физиката - думата "Quantum" произлиза от латинската дума "колко" и отразява факта, че моделите на квантовата винаги са нещо идва в отделни малки количества. Енергията, която се съдържа в квантовата полето, идва в кратни на някои фундаментални енергия. За светлината е свързана с честотата и дължината на вълната на светлина - светлината с кратко с висока честота на вълната има голям характеристика на енергия, докато нискочестотна светлина с дължина на вълната характеристика има нисък разход на енергия.

И в двата случая между общата енергия, която се съдържа в отделен светлина област, неразделна кратно на тази енергия - 1, 2, 14, 137 пъти - без да виждат странен вид половина акции, "пи" или корен квадратен от две. Това свойство също се наблюдава в дискретни енергийните нива на атома и специфичните енергийни ленти - някои количества енергия право, други не са. Атомните часовници работят дискретност поради квантовата физика, въз основа на честотата на светлината, свързано с преминаването между двете страни допускат в цезий, който позволява да се спести време на ниво, необходими за изпълнение на "втори скок".

Прецизно спектроскопия може да се използва за търсене на неща, като тъмната материя и е част от мотивацията за Института за ниско потребление на енергия за фундаменталната физика.

Тя не винаги е ясно - дори и някои неща, които по принцип квантов, подобно на абсолютно черно тяло радиация, свързани с непрекъснати разпределения. Но при по-внимателно вглеждане и чрез свързване дълбоко математически апарат на квантовата теория става още по-странно.

Един от най-невероятните и (в исторически план най-малко) спорни аспекти на квантовата физика е, че е невъзможно да се предскаже със сигурност резултатът от един единствен експеримент с квантова система. Когато физика предскаже изхода от даден експеримент, тя е под формата на вероятност прогноза за намирането на всеки от възможните конкретни резултати и сравнението между теория и експеримент винаги включва извеждане вероятностно разпределение на многобройни повтарящи се експерименти.

Математическо описание на квантовата система обикновено е под формата на "вълновата функция", представена в уравнения гръцки бук пси: Ψ. Има много спорове за това какво точно е вълновата функция, и те споделиха физиците на два лагера: тези, които виждате на вълновата функция на реална физическа нещо (онтичния теоретици), както и тези, които вярват, че вълновата функция е чисто израз на нашето знание (или отсъствие), независимо от основното състояние на отделния квантов обект (епистемични теоретичния).

Във всеки клас, основното модел на вероятността за намиране резултатът не се определя от функцията вълна директно и квадрата на вълновата функция (грубо казано, всичко това е, функцията на вълната - е сложен математически обект (и, следователно, включва въображаеми номера като квадратен корен или отрицателните версии), и операция получаване вероятно малко по-сложно, но "квадрата на вълновата функция" е достатъчно, за да се разбере основната същност на идеята). Това е известно като правилото на Борн след немския физик Макс Борн, за първи път, за да се изчисли, че (в бележка под линия към 1926 г.), и изненада много хора, грозно си въплъщение. Активна работа в опита си да се оттегли по-често Borna основен принцип от; но досега никой от тях не е била успешна, въпреки че е генерирал много голям интерес за науката.

Този аспект на теорията също ни води до частиците, които отсядат в редица държави едновременно. Всичко, което може да се предскаже вероятността, и измерването да се получи специфичен резултат, измерен чрез системата е в междинно състояние - състоянието на наслагване, която включва всички възможни вероятност. Но дали системата е всъщност в няколко държави или в един непознат - това зависи от това какво предпочитате онтичния или епистемично модел. И двамата ни води към следващата точка.

Последният голям принос за физика на Айнщайн не е широко признат като такъв, най-вече, защото той не е наред. Работата през 1935 г., заедно с младите си колеги Борис Podolko и Natanom Rozenom (EPR работа), Айнщайн даде ясна математическа изявление на нещо, което го притесняваше за известно време, което ние наричаме "объркване".

EPR хартия твърди, че квантовата физика е признал съществуването на системи, в които се правят измервания в широко отдалечени места, може да се съпостави, така че резултатът от един към друг е определено. Те твърдят, че това означава, че измерванията трябва да се определят предварително от който и да е общ фактор, тъй като в противен случай ще се изисква резултат предаване на едно измерване на мястото на другия със скорост, превишаваща скоростта на светлината. Следователно, квантова физика трябва да е непълна, да бъде по-дълбоко приблизителна теория (Теория "скрит локална променлива", в която отделните резултати от измервания не зависят от нещо, което е по-далеч от мястото, размерите, отколкото могат да покрият скорост сигнал за пътуване на светлината (локално), а по-скоро тя се определя от някои фактор общ и за двете системи в объркващ двойка (скрити променливи).

Всичко това се счита за неизвестен бележка под линия в продължение на повече от 30 години, тъй като че ли нямаше никакъв начин да се провери това, но в средата на 60-те години, ирландски физик Джон Бел е работил по-подробно последиците от EPR работата. Бел показа, че може да намерите обстоятелства, при които квантовата механика прогнозират съответствието между отдалечени измервания, които са по-силни от всяка възможна теория като предложената E, P и R. Експериментално е проверено по 70-те години Джон Klozer и Ален Аспект в началото на 80- х - те са показали, че тези сложни системи не могат да се обяснят с някаква теория на потенциално местно скрита променлива.

Най-често срещаният подход към разбирането на този резултат е да се предположи, че квантовата механика нелокални: че измерванията, направени на определено място може да зависят от свойствата на отдалечен обект, така че да не може да се обясни с помощта на сигналите, които се движат със скоростта на светлината. Това, обаче, не позволява да се предава информация при свръхсветлинна скорост, въпреки че е имало много опити да се получи около това ограничение, като с помощта на квантовата извън населено място.

В квантовата физика, има репутацията на странен, тъй като неговите прогнози са коренно различни от ежедневния ни опит. Това е така, защото последиците от нея са по-малки, толкова повече обекта - едва ли може да се види поведението вълна от частици и как намалява дължината на вълната с увеличаване на инерция. Дължината на вълната на микроскопичен обект като използвате куче е толкова абсурдно малък, че ако увеличите всеки атом в една стая с размера на слънчевата система, дължината на вълната на кучето ще бъде с размерите на един атом в тази слънчева система.

Това означава, че квантовата явления са по-голямата част ограничен до размера на атома и основните частици, маса и ускорение, които са достатъчно малки, за да остане на дължината на вълната е толкова малка, че не може да се наблюдава директно. Обаче, теглото на приложеното усилие да се увеличи размера на системата, което показва квантовите ефекти.

Предходната алинея е съвсем естествено ни довежда до това: без значение колко странно квантовата физика може да изглежда, това очевидно не е магия. Това, което тя постулира странно по стандартите на ежедневието физика, но тя е строго ограничена до добре разбрани математически правила и принципи.

Така че, ако някой идва при вас с "квантов" идея, която изглежда невъзможно - безкрайна енергия, магическа лечебна сила, космически двигатели невъзможно - това е почти сигурно невъзможно. Това не означава, че не можем да използваме квантовата физика да направи невероятни неща: ние винаги пиша за невероятните пробиви, използващи квантовата явления, а те вече са по-скоро изненадан човечеството, това само означава, че ние не трябва да излизат извън границите на законите на термодинамиката и здравия разум ,

Ако горните точки ще изглежда малко, то полезна отправна точка за по-нататъшно обсъждане разгледа.