Шесть фактов о квантовой физике, которые должен знать каждый

15 Июля 2015 в 16:30, Илья Хель 66 578 просмотров 59

Квантмех

Неподготовленного слушателя квантовая физика пугает с самого начала знакомства. Она странная и нелогичная, даже для физиков, которые имеют с ней дело каждый день. Но она не непонятная. Если вас интересует квантовая физика, на самом деле есть шесть ключевых понятий из нее, которые необходимо удерживать в уме. Нет, они мало связаны с квантовыми явлениями. И это не мысленные эксперименты. Просто намотайте их на ус, и квантовую физику будет намного проще понять.

Все состоит из волн — и частиц тоже

Квантовые волны

Есть много мест, с которых можно начать это обсуждение, и вот это так же хорошо, как другие: все в нашей Вселенной обладает одновременно природой частиц и волн. Если бы можно было сказать о магии так: «Все это волны, и только волны», это было бы замечательным поэтическим описанием квантовой физики. На самом деле все в этой вселенной обладает волновой природой.

Конечно, также все во Вселенной имеет природу частиц. Звучит странно, но это экспериментальный факт.

Описывать реальные объекты как частицы и волны одновременно будет несколько неточным. Собственно говоря, объекты, описываемые квантовой физикой, не являются частицами и волнами, а скорее принадлежат третьей категории, которая наследует свойства волн (частоту и длину волны, вместе с распространением в пространстве) и некоторые свойства частиц (их можно пересчитать и локализовать с определенной степенью). Это приводит к оживленным дебатам в физическом сообществе на тему того, будет ли вообще корректно говорить о свете как о частице; не потому, что есть противоречие в том, обладает ли свет природой частиц, а потому, что называть фотоны «частицами», а не «возбуждениями квантового поля» — значит, вводить студентов в заблуждение. Впрочем, это касается и того, можно ли называть электроны частицами, но такие споры останутся в кругах сугубо академических.

Эта «третья» природа квантовых объектов отражается в запутанном иногда языке физиков, которые обсуждают квантовые явления. Бозон Хиггса был обнаружен на Большом адронном коллайдере в качестве частицы, но вы наверняка слышали словосочетание «поле Хиггса», такой делокализованной вещи, которая заполняет все пространство. Это происходит, поскольку при определенных условиях вроде экспериментов со столкновением частиц более уместно обсуждать возбуждения поля Хиггса, нежели определять характеристики частицы, тогда как при других условиях вроде общих обсуждений того, почему у определенных частиц есть масса, более уместно обсуждать физику в терминах взаимодействия с квантовым полем вселенских масштабов. Это просто разные языки, описывающие одни и те же математические объекты.

Квантовая физика дискретна

Кристалл света

Все в названии физики — слово «квантум» происходит от латинского «сколько» и отражает тот факт, что квантовые модели всегда включают что-то приходящее в дискретных величинах. Энергия, содержащаяся в квантовом поле, приходит в кратных величинах некой фундаментальной энергии. Для света это ассоциируется с частотой и длиной волны света — высокочастотный свет с короткой волной обладает огромной характерной энергией, тогда как низкочастотный свет с длинной волной обладает небольшой характерной энергией.

В обоих случаях между тем полная энергия, заключенная в отдельном световом поле, целочисленно кратна этой энергии — 1, 2, 14, 137 раз — и не встретить странных долей вроде полутора, «пи» или квадратному корню из двух. Это свойство также наблюдается в дискретных энергетических уровнях атомов, и энергетические зоны конкретны — некоторые величины энергий допускаются, остальные нет. Атомные часы работают благодаря дискретности квантовой физики, используя частоту света, связанного с переходом между двумя разрешенными состояниями в цезии, которая позволяет сохранить время на уровне, необходимом для осуществления «второго скачка».

Сверхточная спектроскопия также может быть использована для поиска вещей вроде темной материи и остается частью мотивации для работы института низкоэнергетической фундаментальной физики.

Это не всегда очевидно — даже некоторые вещи, которые квантовые в принципе, вроде излучения черного тела связаны с непрерывными распределениями. Но при ближайшем рассмотрении и при подключении глубокого математического аппарата квантовая теория становится еще более странной.

Квантовая физика является вероятностной

кости

Одним из самых удивительных и (исторически, по крайней мере) противоречивых аспектов квантовой физики является то, что невозможно с уверенностью предсказать исход одного эксперимента с квантовой системой. Когда физики предсказывают исход определенного эксперимента, их предсказание носит форму вероятности нахождения каждого из конкретных возможных результатов, а сравнения между теорией и экспериментом всегда включают выведение распределения вероятностей из многих повторных экспериментов.

Математическое описание квантовой системы, как правило, принимает форму «волновой функции», представленной в уравнениях греческой буковой пси: Ψ. Ведется много дискуссий о том, что конкретно представляет собой волновая функция, и они разделили физиков на два лагеря: тех, кто видит в волновой функции реальную физическую вещь (онтические теоретики), и тех, кто считает, что волновая функция является исключительно выражением нашего знания (или его отсутствия) вне зависимости от лежащего ниже состояния отдельного квантового объекта (эпистемические теоретики).

В каждом классе основополагающей модели вероятность нахождения результата определяется не волновой функцией напрямую, а квадратом волновой функции (грубо говоря, все ей же; волновая функция — это сложный математический объект (а значит, включает воображаемые числа вроде квадратного корня или его отрицательного варианта), и операция получения вероятности немного сложнее, но «квадрата волновой функции» достаточно, чтобы понять основную суть идеи). Это известно как правило Борна в честь немецкого физика Макса Борна, впервые его вычислившего (в сноске к работе 1926 года) и удивившего многих людей уродливым его воплощением. Ведутся активные работы в попытках вывести правило Борна из более фундаментального принципа; но пока ни одна из них не была успешной, хотя и породила много интересного для науки.

Этот аспект теории также приводит нас к частицам, пребывающим в множестве состояний одновременно. Все, что мы можем предсказать, это вероятность, и до измерения с получением конкретного результата измеряемая система находится в промежуточном состоянии — состоянии суперпозиции, которое включает все возможные вероятности. А вот действительно ли система пребывает в множественных состояниях или находится в одном неизвестном — зависит от того, предпочитаете вы онтическую или эпистемическую модель. Обе они приводят нас к следующему пункту.

Квантовая физика нелокальна

ЭПР

Последний великий вклад Эйнштейна в физику не был широко признан как таковой, в основном потому, что он ошибался. В работе 1935 года, вместе с его молодыми коллегами Борисом Подольким и Натаном Розеном (работа ЭПР), Эйнштейн привел четкое математическое заявление чего-то, что беспокоило его уже некоторое время, того, что мы называем «запутанностью».

Работа ЭПР утверждала, что квантовая физика признала существование систем, в которых измерения, сделанные в широко удаленных местах, могут коррелировать так, чтобы исход одного определял другое. Они утверждали, что это означает, что результаты измерений должны быть определены заранее, каким-либо общим фактором, поскольку в ином случае потребовалась бы передача результата одного измерения к месту проведения другого со скоростью, превышающей скорость света. Следовательно, квантовая физика должна быть неполной, быть приближением более глубокой теории (теории «скрытой локальной переменной», в которой результаты отдельных измерений не зависят от чего-то, что находится дальше от места проведения измерений, чем может покрыть сигнал, путешествующий со скоростью света (локально), а скорее определяется неким фактором, общим для обеих систем в запутанной паре (скрытая переменная).

Все это считалось непонятной сноской больше 30 лет, так как, казалось, не было никакого способа проверить это, но в середине 60-х годов ирландский физик Джон Белл более детально проработал последствия работы ЭПР. Белл показал, что вы можете найти обстоятельства, при которых квантовая механика предскажет корреляции между удаленными измерениями, которые будут сильнее любой возможной теории вроде предложенных Э, П и Р. Экспериментально это проверил в 70-х годах Джон Клозер и Ален Аспект в начале 80-х — они показали, что эти запутанные системы не могут быть потенциально объяснены никакой теорией локальной скрытой переменной.

Наиболее распространенный подход к пониманию этого результата заключается в предположении, что квантовая механика нелокальна: что результаты измерений, выполненных в определенном месте, могут зависеть от свойств удаленного объекта так, что это нельзя объяснить с использованием сигналов, движущихся на скорости света. Это, впрочем, не позволяет передавать информацию со сверхсветовой скоростью, хотя было проведено множество попыток обойти это ограничение с помощью квантовой нелокальности.

Квантовая физика (почти всегда) связана с очень малым

Физика

У квантовой физики есть репутация странной, поскольку ее предсказания кардинально отличаются от нашего повседневного опыта. Это происходит, поскольку ее эффекты проявляются тем меньше, чем больше объект — вы едва ли увидите волновое поведение частиц и того, как уменьшается длина волны с увеличением момента. Длина волны макроскопического объекта вроде идущей собаки настолько смехотворно мала, что если вы увеличите каждый атом в комнате до размеров Солнечной системы, длина волны пса будет размером с один атом в такой солнечной системе.

Это означает, что квантовые явления по большей части ограничены масштабами атомов и фундаментальных частиц, массы и ускорения которых достаточно малы, чтобы длина волны оставалась настолько малой, что ее нельзя было бы наблюдать прямо. Впрочем, прикладывается масса усилий, чтобы увеличить размер системы, демонстрирующей квантовые эффекты.

Квантовая физика — не магия

Физика

Предыдущий пункт весьма естественно подводит нас к этому: какой бы странной квантовая физика ни казалась, это явно не магия. То, что она постулирует, странное по меркам повседневной физики, но она строго ограничена хорошо понятными математическими правилами и принципами.

Поэтому если кто-то придет к вам с «квантовой» идеей, которая кажется невозможной, — бесконечная энергия, волшебная целительная сила, невозможные космические двигатели — это почти наверняка невозможно. Это не значит, что мы не можем использовать квантовую физику, чтобы делать невероятные вещи: мы постоянно пишем о невероятных прорывах с использованием квантовых явлений, и они уже порядком удивили человечество, это лишь означает, что мы не выйдем за границы законов термодинамики и здравого смысла.

Если вышеуказанных пунктов вам покажется мало, считайте это лишь полезной отправной точкой для дальнейшего обсуждения.

Шесть фактов о квантовой физике, которые должен знать каждый

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

59 комментариев

  1. Nikolay-01

    Дуализм свойств частиц микромира может быть объяснен их слоисто-оболочечной структурой. Подробности на сайте Николая Михайлова
    (http://nikolay-mikhailov.weebly.com)

    • Sommer

      Опять ты рекламируешь антинаучный бредовый сайт. Без доказательств и научных статей (white paper with peer review) этот сайт просто компиляция бредовых псевдонаучных сказок.

      • Nikolay-01

        А кто ты такой, что бы решать какая теория бред, а какая не бред?
        Может ты нобелевский лауреат в области физики?
        Или ты слесарь-сантехник, но взял на себя эту функцию.

        • Sommer

          Я здравый смысл. Если ты не понял, что я написал первый раз, пишу еще раз:

          Без доказательств и научных статей (white paper with peer review) этот сайт просто компиляция бредовых псевдонаучных сказок.

          • Nikolay-01

            Что мне делать с твоей "white paper", повесить на грудь как орден?
            Это для тебя важны рейтинги, публикации и т.д., а мне важна научная истина.

            • Sommer

              "научная истина"

              Научная истина и достигаеться с white paper.

              Или ты хочешь, что бы мировая наука тебе поверила БЕЗ доказательств?

            • Sommer

              "Что мне делать с твоей "white paper", повесить на грудь как орден?
              Это для тебя важны рейтинги, публикации и т.д., а мне важна научная истина."

              Мне тебя очень жаль, если ты думаешь, что научные статьи нужны для рейтинга. Ты, опять же, походу нихрена в науке не смыслишь.

        • Jen Shrader Lawrence

          Не, а смысл строить теории самому. Я могу много каких теорий понапридумывать. Только вот будут ли они науно доказуемы или что то наподобие.? По крайней мере, большинство людей опирается уже на научно доказанные истины и теории, и исходят именно от них, оперируя опять таки научными фактами

          • Sommer

            " Я могу много каких теорий понапридумывать"

            Это будут гипотезы, а не теории.

      • watson

        Походу, это его сайт, и он и есть тот Николай Михайлов.
        Его бред у меня ассоциируется с жуликами, которые приходят к пенсионеркам домой и втюхивают фильтры для воды, предварительно добавив в кран зелёнку.

        • Sommer

          ну да, это псевдонаучные шарлатаны. Я не знаю какая у них цель, ибо гранты им никто не даст. Видать просто самопиар и самоутверждение. Хотя мировая наука смотрит на эти бредни с ухмылкой :)

          • Nikolay-01

            Как и ожидалось, сразу слетелись все борцы с инакомыслием, которых специально нанимают следить за такими сайтами.

            • Sommer

              Это не инакомыслие, это не принятие твоих гипотез БЕЗ доказательств. Где доказательства? Где научные статьи (white paper with peer review)?

            • Sommer

              "которых специально нанимают следить за такими сайтами."

              Кто нанимает?

              • Nikolay-01

                Ну раз вы есть, значит кому-то это надо.

                • Sommer

                  Это научный сайт. Ты вбрасываешь псевдонаучный бред без доказательств. Что ты ожидал? Что тебе все поверят на слово?

          • Nikolay-01

            Мировая наука - это ты что ли?

            • Sommer

              это всемирно признанные white paper with peer review.

              Ты походу даже не знаешь, что это такое. Великий ученый блин ))

            • Sommer

              Я вижу ты тяжелый случай. Давай по-другому. Экспериментальные и матиматические доказательства твоих гипотез есть?

              • Nikolay-01

                Вот это уже нормальный подход, без истерик и надрыва. Успокойся, почитай (желательно все и в той последовательности как они даны на сайте), возможно найдешь там ответы на свои вопросы.

                • Sommer

                  Покажи мне экспериментальные и матиматические доказательства твоих гипотез. Какие другие независемые (желательно зарубежные) группы ученых смогли повторить твой эксперимент? Покажие научные статьи white paper with peer review.

                  Где все это?

                • Sommer

                  так же приведы статьти на авторитетные научные журналы, типа science или другие авторитетные издания и газеты, желательно зарубежные.

                  Без всего этого твои гипотезы это просто антинаучные сказки.

                  • Nikolay-01

                    Ну да, принеси нам все это в готовом виде на блюдечке с голубой каемочкой, а мы потом решим, что с этим делать, так?

                    • Sommer

                      А как ты думал наука работает? Кидаешь ссылочку на сайт и получаешь нобеля? :)

                    • Sommer

                      поэтому я и говорю, без доказательств твой сайт пустышка. Смысла в нем нету

                      • Nikolay-01

                        Я уже говорил тебе, почитай сообщения на сайте, там все есть, а ты опять свое гнешь.

                        • Sommer

                          мне не нужно ничего читать, если нету статей авторитетных журналов или научных статьей с пиир ревью. Они за меня отбирают псевонаучные бредни от научных вещей.

                          • Sacred_oleg

                            С авторитетностью надо быть немного поосторожней. Социальную инженерию никто не отменял, и даже статьи в саенс надо оценивать критически.
                            А ссылки на работы других ученых часто используются в качестве риторического приема - найти кого-то, кто исследовал предмет твоей текущей статьи, не то что бы очень сложно..) (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  2. Supreme inside

    Сколько можно превозносить этого вредителя Энштейна? Про настоящих учёных и совсем не слышали? (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  3. ivkis

    Не "воображаемые" числа, а мнимые.

  4. hulitolku

    А если поделить квант на двое?

    • BATOU

      Вы предполагаете что он размножается как дождевой червь - делением лопатой? (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

    • Sommer

      как бы нельзя его поделить

      • hulitolku

        с чего вы так решили?

        • Sommer

          Квант (от лат. quantum — «сколько») — неделимая порция какой-либо величины в физике; общее название определенных порций энергии (квант энергии), момента количества движения (углового момента), его проекции и других величин, которыми характеризуют физические свойства микросистем.

          • hulitolku

            Раньше атом тоже считался неделимым.

            • Sommer

              это не аргумент

            • BATOU

              Тебе же описали что значит "квант". Если гипотетически разделить квант, то он перестанет быть квантом... "Пока" квант не делим - он квант. Живи с этим. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

            • BATOU

              Тебе же описали что значит "квант". Если гипотетически разделить квант, то он перестанет быть квантом... Квантами гипотетически станут его куски. "Пока" квант не делим - он квант. Живи с этим. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

            • charm.strenge

              А он и не Делимый .. Только Что называть =Атомом !
              Есть Пакет из Трех Атомов =
              Атом Дефекта -Атом Избытка ,атом с нулевой кривизной .
              ДА +НЕТ +ИЛИ .
              Все Атомы Триплета на Одной Матрице =ДА =4х4 . Четыре узла -Четыре разных Меры ,четыре =Такта .
              Так что По А+Томус ..Это =ДА =Атом дефекта http://img0.liveinternet.ru/images/attach/c/11/116/669/116669432_large_yadra.jpg
              обозначен Красным как Примитив .
              Он в Отличии от ИЛИ =атома Рацио http://graph.power.nstu.ru/wolchin/umm/Graphbook/book/001/027/70/70.gif
              Не Рациональный ,а Иррациональный . рационального в нем =четыре узла 4х4. все остальное скачет от забора до обеда .
              Это к чему ?? Делят Рацио Атом и Атом избытка . так как они все сидят На Атоме дефекта .он начало Материя или Структура которая совершает работу . А вот Потенциал Ничто .Это не структурный =Материальный потенциал из Триплета +дырка ( всех участников должно быть 4 Это физ минимум =Атома =4х4).
              Это Потенциал Ничто который не есть Материя ( структура = ИЛИ +ДА +НЕТ +Дырка) тот вообще за горизонтом мысли ..потому что наука еще не ушла с поля =РАЦИО.. на Поле Избытка а оттуда на поле Дефекта .. Мы понимаем только то что пролито =проявлено Рацио доминантом =ИЛИ . А Это Четвертый вид от Потенциала Ничто =0+Да +Нет +ИЛИ .
              А Живем в ИЛИ +ДА +НЕТ +Дырка ..

  5. tabasko

    Я бы даже назвал это квантовой субстанцией дя простоты понимания. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  6. Xinorbit

    вранье, нету ни каких волн! есть только частицы, пишите всякую туфту, неподтвержденную фактами! позор вам!

    • Sommer

      эл.-магн волн не существует? :)

    • BATOU

      Фанатики атакуют... (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

    • charm.strenge

      Ну ! Частицы ! Много частиц по которым Бегает Волна . и что Нет Волны !!!
      Вопрос в Позе .. Да Атом в Доминанте . частицы Это то что Больше =АТОМА .
      Атом Это Иррациональный Объем Предела по Дефекту с позиции =Структура .. Окружности Как Центры везде .
      А Этот Дефект в Потенциальном эллиптическом Примитиве . как Гиперболический картинки в Рациональных Аналогах ..Здесь http://www.new-idea.narod.ru/last.htm
      Только Здесь Эти примитивы выполнены с позиции Ресурса Рацио .в Позитиве . а По факту их Не видно на поле Наблюдателя . но они присутствуют как Образ и подобие в Среде на основе =РАЦИО (ИЛИ)
      Атом . на котором возможны Частицы http://img0.liveinternet.ru/images/attach/c/11/116/669/116669432_large_yadra.jpg Иррациональный Атом =Дефекта ,знак =ДА!
      За ним Атом Избытка =НЕТ и Атом Рацио =ИЛИ .Это все Атомные пределы на основе Матрицы ДА =4х4 . как Избыток и как ИЛИ .

  7. Astronom Sirius

    очень интересная и загадочная наука

  8. maxzl

    Ещё есть одно очень важное понимание, я так считаю.
    Во вселенной не может существовать одновременно двух абсолютно одинаковых квантовых состояний.
    А также есть понятие устойчивости квантового состояния, оно определяет какое из двух квантовых состояний разложится, а какое останется. Важно в понимании передачи информации. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

    • charm.strenge

      Ну правильно ..Но суть в том . что Должен Быть Носитель . генератор Этого узора . или генерация .
      Обычно Стабилизатором Для Прыгающих От Забора До Обеда = Атомов =Дефекта и Избытка . есть Атом =РАЦИО .Это Все Атомы на основе пакета Принципа Триплета =4х4 .
      Но суть в Том . что Это Принцип . а По факту по Ключу =Сущее .Всех участников должно быть всегда =четыре .Это физический Минимум -Атома .
      Дефект =ДА http://img0.liveinternet.ru/images/attach/c/11/116/669/116669432_large_yadra.jpg
      Это Атом Дефекта =Иррацио ..рацио в нем только четыре узла все остальное скачет от забора до обеда .
      Потом в Триплете =Атом Избытка ..тоже Знак =НЕТ Тоже Иррацио тоже от Забора До Обеда пакет =4х4 только избыток
      http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b2/Reuleaux-tetrahedron-intersection.png
      Ну и наш =Стабилизатор .которым пролит Этот генератор Тонкой Материи = ДА+НЕТ ..Это Рацио =Знак =ИЛИ
      http://graph.power.nstu.ru/wolchin/umm/Graphbook/book/001/027/70/70.gif
      Вот Триплет .но всех согласно Пакета Принципа .Должно Быть =4х4 .
      пишем . ИЛИ +ДА +НЕТ + Дырка . Это вторая Система отсчета . а Первая( по которой построен Образ и Подобие второй системы отсчета от Рацио ...)
      Пишем ; 0 + Да +Нет + ИЛИ Здесь Наше Рацио =Предел .Материальный Предел ..которым все залито и пролито ..
      Отсюда ; Двух Одинаковых ..нет но Это для Иррацио =ДА и НЕТ . А Для Рацио которое ИЛИ на основе нулевой кривизны ..Здесь Оптима = растет ..от статистики проявления плотности события на основе Рацио .
      Отсюда Что у Нас Разложится . Только Большее на меньшее .Потому что В первой системе отсчета =все события Текут Из Большего к меньшему .Это для всех СО Отсчета . А мы то на поле ..ИЛИ +ДА +НЕТ + ДЫРКА .
      А Это Строка ресурса = 4х4 +дискретно +относительно + случайно .
      И случай нужно проявлять ..ресурсом который нужно аккумулировать как квантум =количество .потому что пакет Качество уже запечатлен в 4х4 .Это кирпич . Дефекта Избытка - Рацио .
      Значит по Любому Информация пока Будет висеть На рацио ..
      Работать с Атомом -Дефекта и Избытка ..еще не умеют . Или умеют но Избежать Эффекта Полостных систем не могут ..это когда Информация была .В одной локации а потом спонтанно поперлась не известно куда .. создавать там свой АСК -грибковой информационной генерации плесени .
      Так что все пока на =ИЛИ =Рацио -Доминанте ..как пределе который никуда не скачит как Первые два =ДА и НЕТ .

  9. ilik54

    Хорошо бы ещё ввести во все эти основы и понятия по квантовой физике "Теорию уровней мироздания". Тогда все вопросы и закавыки будут сняты, и всё станет логично, закономерно и очень красиво. В частности эта теория гласит - идеализм низшего уровня является материализмом высшего уровня. И так до бесконечности, как вверх, так и вниз по уровням. По сути, это подтверждение фрактальности всего мира. Это является главным в понимание сути мироздания – всё в нашем энергетическом мире материально, только всё зависит от уровней. А невозможность это подтвердить говорит о нашей слабой контрольно-измерительной аппаратуре. Материализм идеального мира доступен нам, пока, на подсознательном уровне.

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.