Основатель квантовой механики: Бомба Макса Планка — ТАСС

По горизонтали здесь отложена длина волны, а по вертикали — интенсивность. Чем выше кривая, тем больше излучения испускает нагретое тело с данной длиной волны: можно заметить, что нагретый до 5000 кельвинов (это те же градусы Цельсия, но с отсчетом от -273 °C, абсолютного нуля) предмет сильнее всего светится желтым, а вот при нагреве «всего» до 3000 кельвинов максимум приходится на область инфракрасного излучения. Подобные графики к моменту начала работы Макса Планка уже умели получать при помощи специальных приборов-спектрографов, однако найти для них удачное математическое описание не получалось. Черная кривая на картинке соответствует одной из существовавших до Планка моделей — видно, что она очень плохо соответствует реальности.

Задача о спектре нагретого тела была важна для металлургии и производства электрических лампочек, но с фундаментальной точки зрения казалась многим исследователям чем-то второстепенным. Более того, всю физику многие ученые считали фактически законченной и построенной на сочетании нескольких больших теорий. Это были атомно-молекулярная теория, электродинамика и ньютонова механика — все вместе объясняло большую часть наблюдаемых в мире процессов, от движения планет до работы парового двигателя.

Но когда Макс Планк 14 декабря на заседании Немецкого физического общества представил свою формулу и впервые смог корректно вывести экспериментальные кривые спектров из теоретических соображений, под стройное здание классической физики была фактически заложена бомба. Доклад «К теории распределения энергии излучения нормального спектра» (Zur des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspektrum) содержал идею о том, что испускающие электромагнитное излучение в форме света и инфракрасных лучей атомы отдают энергию вовне не непрерывным потоком, а порциями, квантами. Это была настолько революционная идея, что даже сам Макс Планк поначалу недооценил ее потенциал.

Кстати, оригинальное издание доклада Планка в тот день — на сегодня раритет, цена которого составляет свыше 22 тысяч долларов.

1905 год

1905 год стал звездным для самого, пожалуй, известного в мире ученого — Альберта Эйнштейна. Ранее мало кому известный служащий патентного бюро практически одномоментно публикует три статьи, вошедшие в историю физики: первая — по теории относительности, вторая — по анализу броуновского движения (хаотичное перемещение частиц по действием ударов отдельных молекул) и третья, за которую дали Нобелевскую премию, — с теоретическим описанием фотоэффекта.

Фотоэффект, открытый изначально Генрихом Герцем и изученный Александром Столетовым, заключается в испускании металлами электронов под действием падающего света. Это явление Альберт Эйнштейн объяснил при помощи тех самых квантов излучения, которые сам Макс Планк рассматривал в качестве разве что удачного математического приема. Согласно Эйнштейну, кванты, будучи реальными частицами электромагнитного излучения, передают свою энергию электронам в веществе и выбивают эти электроны наружу.

Несмотря на то что теория Эйнштейна хорошо описывала экспериментальные данные, многие ученые отнеслись к ней скептически. Блестящий физик-экспериментатор Роберт Милликен, до этого поставивший тонкие и точные опыты по измерению заряда электрона, потратил около десяти лет на проверку предсказаний Эйнштейна, но в итоге был вынужден признать реальность квантов.

Примириться с существованием квантов было непросто и самому Планку. Он, равно как и многие другие физики, считал, что деление излучения на некие порции противоречит классической теории электромагнетизма (с ее электромагнитными волнами) и целому ряду экспериментальных данных, из которых также следовала волновая природа света. Работа Планка по спектру нагретого тела стала первым аргументом против использования классической физики для описания микромира, а статья Эйнштейна про фотоэффект и его теоретическое описание — вторым. Далее последовали попытки разных физиков создать модель атома; на этом этапе необходимость строить новую физику стала очевидной уже практически для всех специалистов.

1910-й и около

Электроны были открыты в конце XIX века, и практически сразу стало понятно, что эти частицы входят в состав атомов. Возник вопрос: если атом вовсе не элементарен, а включает в себя электроны, то как же он устроен?

Опыты британского физика Эрнеста Резерфорда в 1909 году показали, что в атомах явно должно быть некое положительно заряженное, очень маленькое и при этом массивное ядро. На основе этого ученый пришел в 1911 году к модели, в которой ядро окружают вращающиеся вокруг электроны. Но проблема этой теории заключается в том, что движущиеся по окружности заряженные электроны по законам электродинамики обязаны излучать электромагнитные волны. Атомы, во-первых, будут буквально светиться, а во-вторых, излучающий электрон очень быстро теряет энергию и должен упасть на ядро. Ни того ни другого, как можно заметить без всяких опытов, не наблюдается; кризис в науке с открытием атомного ядра обострился настолько, что в 1911 году пришлось собрать международный конгресс по теме «Излучение и кванты» с участием почти всех ученых мировой величины.

И хотя к этому моменту квантовая механика еще не получила своего математического аппарата, плодотворность идеи о квантовании энергии стала очевидна по крайней мере большинству ведущих физиков мира.

1920-е

Спустя еще полтора десятка лет квантовая механика приобрела свой математический аппарат, а число указывающих на существование квантования энергии экспериментов существенно возросло. И хотя поначалу Макс Планк не мог свыкнуться с тем, что материя на микроскопическом уровне все-таки не является непрерывной (он долгое время сомневался и в существовании атомов), появление идеи о волновой функции — разработка Эрвина Шредингера — все-таки отчасти примирило великого теоретика с квантовомеханической картиной мира.

Волновая функция стала заменой классическим частицам, которые имеют четко очерченные границы и которые можно представить, например, в виде твердых шариков. Волновые функции распределены по всему пространству, и благодаря этому понятию любой объект можно представить не как частицу, а как волну, которая способна, например, рассеиваться на препятствиях или даже проникать под барьеры, непроницаемые с точки зрения классической физики. Если бы квантовая механика работала не в масштабе микромира, а на привычных нам расстояниях, положенная на стол книга могла бы самопроизвольно провалится («туннелировать») сквозь столешницу, да и протянув к ней руку мы бы встретили желаемое лишь с определенной вероятностью. Эти странные свойства квантового мира уже не вытекают напрямую из формулы Планка для спектра нагретых тел, но они являются логическим следствием из той новой физики, которая началась с этой формулы.

После формирования основ квантовой механики последовали исследования в области строения атомного ядра (это привело к ядерному реактору и ядерному оружию), физики полупроводников (на этом выросла вся современная электроника) и квантовой химии. В середине XX века квантовая механика дополнилась теорией, описывающей кроме электромагнетизма еще и два вида взаимодействий внутри атомного ядра и между элементарными частицами. Так появилась Стандартная модель, ставшая самым фундаментальным описанием строения материи. Квантовая механика позволила создать лазеры, оптоволоконные линии связи и микропроцессоры; она позволила понять, почему светят звезды и как возникла Вселенная.

Макс Планк дожил до преклонного возраста (он скончался в возрасте 89 лет, в 1947 году), пережив нацистов и Вторую мировую войну. После прихода Гитлера к власти физик попытался стать защитником науки, которому чужда всякая политика, но это закончилось тем, что с Планком прекратил общение Эйнштейн (того не устроила слишком пассивная позиция Планка), а сам ученый стал мишенью для нападок со стороны сторонников «арийской физики»: те отрицали и квантовую механику, и теорию относительности как продукты «еврейской физики». Старший сын Планка погиб в Первую мировую войну, а обе его дочери умерли при родах. В 1945 году второго сына Макса Планка казнили за участие в антигитлеровском заговоре, сам физик чуть не погиб при бомбардировках, но после окончания войны стал главой Общества кайзера Вильгельма, объединения ведущих научно-исследовательских институтов Германии. Дом и личная библиотека Планка погибли во время воздушного налета на Берлин.

На его могильной плите выбиты только имя и фамилия ученого и численное значение постоянной Планка.

В 1948 году, вскоре после его смерти, на основе этой организации было основано Общество научных исследований имени Макса Планка, состоящее ныне из 80 институтов и научно-исследовательских организаций.

 Алексей Тимошенко

История квантовой механики

Замечание 1

Квантовая механика создавалась в течение первых трех десятилетий 20-го века. В число ее основателей вошли такие ученые, как А. Эйнштейн, М. Планк, Н. Бор, Луи де Бройль, В. Паули, П. Дирак и др.

Зарождение квантовой механики: формула Планка и исследования Эйнштейна

Свое начало история квантовой механики берет в 1900 г. с предложения физика М. Планка вывода о соотношении температуры тела и испускаемого им излучения.

Планк сделал предположение, что излучение испускают атомные осцилляторы, но при этом их энергия может существовать в качестве небольших дискретных порций, названных Эйнштейном квантами. Энергия у каждого кванта пропорциональна частоте излучения.

Формула Планка стала следствием формулы Рэлея-Джинса, удовлетворительно описывающей излучение только в отношении длинных волн. С убыванием длины волны данная формула начинает сильно расходиться с эмпирическими данными и в пределе давать бесконечную энергию излучения, что приводит к «ультрафиолетовой катастрофе».

Планк делает предположение, противоречащее принципам классической физики об электромагнитном излучении, в частности, что оно испускается энергетически порциально, а величина каждой порции квантов при этом может быть связана с частотой излучения таким выражением:

$E=\bar{h}\omega$

Коэффициент пропорциональности $\bar h $ в дальнейшем был назван постоянной Планка. Это предположение позволило получить теоретическое объяснение наблюдаемому спектру излучения.

Точность формулы Планка подтверждает не только непосредственная эмпирическая проверка, но и следствие, вытекающее из нее. В частности, таким следствием становится закон Стефана-Больцмана.

Более того, из формулы Планка также выводятся и приблизительные формулы, такие как, например:

• формула Вина;
• формула Рэлея — Джинса.

Несмотря на успех и популярность данной формулы в научных кругах, долгое время допущения Планка оставались до конца непонятными, поскольку противоречили классической физике.

Продвинуться в этом направлении удалось А. Эйнштейну в попытке объяснить некоторые аспекты фотоэлектрического эффекта (1905 г.). При этом он рассматривал процесс испускания поверхностью металла электронов, когда на нее падает ультрафиолетовое излучение.

Готовые работы на аналогичную тему

Наряду с тем, Эйнштейн отметил интересный парадокс: свет, распространение которого ученые долгое время отмечали в виде непрерывных волн, при излучении и поглощении начинает проявлять дискретные свойства.

Исследования Н. Бора

В 1913 г. Н. Бор распространяет квантовую теорию на атомы, параллельно объясняя частоту волн, испускаемых ими при возбуждении от пламени или электрического разряда. Согласно предположению Бора, электроны способны находиться только на некоторых дискретных орбитах (тех, которые соответствуют разным энергетическим уровням). При этом так называемый «перескок» электрона с одной орбиты на другую (с меньшей энергией) будет сопровождаться испусканием фотона, чья энергия определяется как разность энергий двух орбит.

Боровская модель атома (названная также моделью Бора) была предложена ученым в 1913 г. В качестве основы он берет планетарную модель атома, ранее предложенную Резерфордом. Определенную проблему представлял тот факт, что, согласно классической электродинамике, электрон в модели Резерфорда при движении вокруг ядра должен очень быстро и непрерывно излучать энергию, иначе может ее потерять и упасть на ядро.

Для преодоления этой проблемы Бор принимает допущение, что электроны в атоме способны двигаться только по определенным орбитам (стационарным), при нахождении на которых они не будут излучать энергию. Поглощение энергии или ее излучение будет происходить только при переходе с одной орбиты на другую. Стационарными являются лишь те орбиты, при движении по которым момент количества движения у электрона будет равным целому числу постоянных Планка

$m_evr=n\bar{h}$

Модель атома Бора, таким образом, установила особую взаимосвязь различных линий спектров, характерных для вещества, испускающего излучение. Модель атома бора, несмотря на первоначальный успех, в скором времени потребовала определенных модификаций (существовали некоторые расхождения теории с экспериментом).

Более того, квантовая теория в те времена еще не обеспечивала систематическим решением многие задачи. Однако уже тогда ученые отметили неспособность классической физики объяснить характер поведения электрона, в частности, почему он, двигаясь с ускорением, не падает на ядро, теряя энергию в процессе излучения электромагнитных волн.

Открытие Л. де Бройля в квантовой механике

В 1924 г. проявилась новая особенность квантовой теории, когда физик Л. де Бройль предложил новую радикальную гипотезу о волновом характере поведения материи. Гипотеза заключалась в следующем: электрон при определенных обстоятельствах может вести себя подобно волне.

Согласно идее де Бройля, установленный для фотонов волновой характер распространения обладает свойством универсальности и должен проявляться для любой частицы с импульсом $p$.

Формула де Бройля выражает непосредственную зависимость длины волны $\lambda$ (связанной с движущейся частицей вещества) от импульса $p$ частицы. При этом энергия $E$ зависит от частоты $v$. Такая зависимость проявляется в форме релятивистских инвариантных соотношений: $\lambda=\frac {h}{p}$

$E=hv$, где $h$ — это постоянная Планка.

Второй вариант формул де Бройля имеет вид:

$p =\frac{h}{2\pi}k=\bar{h}k$

$E=\bar{h}\omega$

Где $ k=\frac{2 \pi}{\lambda} n$ — это волновой вектор с модулем $k=\frac{2\pi }{\lambda}$, представляющим волновое число длин волн, укладывающихся на $2\pi$ единицах длины.

$\omega=2\pi v$ — частота (циклическая)

$n$ — единичный вектор в направлении распространения волны.

Физикам удалось подслушать «болтовню» двух атомов / Наука / Независимая газета

Сугубо теоретические гипотезы квантовой механики находят все более широкое применение в современной технике

Постоянный ток сканирующего туннельного микроскопа вызывает возбуждение атома титана, передаваемое связанному с ним соседнему атому. Иллюстрация Physorg

Английское слово flip означает и подошвы сандалий-тапочек без задников, а еще ласты и плавники, а также хвосты некоторых китов, с помощью которых те совершают свои характерные скачки из воды (за что и получили название «флипперы»).

Один из отцов-основателей квантовой физики, австриец Эрвин Шредингер ратовал за связанность между собой элементов квантового мира, которую назвал мудреным словом энтенглмент (англ. tangle – спутанность, клубок ниток). Например, два фотона или электрона сохраняют общее для них квантовое состояние даже при удалении друг от друга на приличное расстояние.

Сегодня оба понятия реализуются в виде различных экспериментальных схем и разработок. Один из примеров «разговора» между двумя спинами (осями магнитного вращения) привели в журнале Science физики университетов в голландском Дельфте и немецком Аахене. В комментарии к их статье говорится, что «ученые подслушали разговор-chatting двух атомов».

Американский физик Джордж Гамов объяснил механизм альфа-распада, то есть вылетания атомов гелия из ядра, предположив наличие туннельного эффекта, то есть прохождения объектов под энергетическим барьером. Он также выдвинул гипотезу Большого взрыва. Доказательством реальности этой идеи стало открытие космического микроволнового фона (СМВ – Cosmic Microwave Background), температура которого чуть выше абсолютного нуля.

Еще одним воплощением идей Гамова стал сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), представляющий собой остро заточенный зонд-стило, по которому подается постоянный ток (DC – Direct Current). При достаточном приближении стила к поверхности ток начинает течь по подбарьерному туннелю, что позволяет получать контуры молекул и даже переносить с места на место атомы.

Все эти технические достижения были использованы применительно к атомам титана на поверхности оксида магния. Однако мощности микроволнового излучения не хватает, чтобы связать воедино два атома с их спинами. Немецкие и голландский физики применили непосредственное возбуждение одного из атомов титана с помощью DC. Результатом этого стали быстрые «флипы» спинов связанных между собой атомов (entangled). Авторы работы назвали этот эффект когерентным разговором (chat) спаренных атомов титана, вернее их спинов. В Дельфте и Аахене удалось точно определить критическую частоту, при которой происходит связывание спинов двух атомов.

По другую сторону Атлантики, в Западном университете канадского Лондона в провинции Онтарио, тоже задались целью точного определения частот, возбуждающих нейроны улитки внутреннего уха. Канадцы, которым помогали шведские коллеги из университета города Уппсала, использовали точную физику для совершенствования имплантов, помогающих людям, утерявшим слух.

Квантовую физику долгие годы сотрясали яростные споры, касающиеся природы фотонов и электронов. Альберт Эйнштейн полагал, что фотоны суть корпускулы, то есть «тельца», за что формально и получил Нобелевскую премию. Его оппоненты утверждали волновой характер излучений. В конечном итоге было предложено понятие «волновой пакет», название которого подчеркивает двойственность квантовых процессов.

Сотрудники Института неорганической химии в Цюрихе предложили делать не привычные всем сферы из светоулавливающего перовскита, а нанокубики (cubes). Это, как выяснилось, повышает эффективность трансформации световой энергии. Достижение оказалось столь значительным, что редакция журнала Nature вынесла его на обложку одного из недавних номеров. Новый кубо-сферический бинарный продукт из цезия и свинца с бромом (CsPbBr3), а также сфер железного окисида Fe3O4 с натрий-гадолинием и фтором (NaGdF4) демонстрирует суперсвечение с очень быстрым угасанием – 22 пикосекунды (22 х 10–12 с).

Интерес журнала к работе объясняется тем, что новый бинарный конструкт открывает путь к функционально полезным мезоструктурам перовскита. Они будут использоваться в качестве сверхъярких источников света в квантово-оптических компьютерах.

Квантовая механика | New-Science.ru

Квантовая механика — это математическая и физическая теория, описывающая структуру и эволюцию во времени и пространстве физических явлений в масштабе атома и ниже. Она была обнаружена, когда физики хотели описать поведение атомов и обмен энергии между светом и материей в таком масштабе и во всех деталях.

С ним связано несколько имен, и в первую очередь Планк и Эйнштейн, которые первыми поняли, что обмен световой энергией, а затем и сама энергия, может существовать только в количественной форме в связи с их работой по излучению черного тела и фотоэлектрическому эффекту. Бор расширил квантовые постулаты Планка и Эйнштейна от света к материи, предложив модель, воспроизводящую спектр атома водорода.

Шаг за шагом были найдены правила расчета свойств атомов, молекул и их взаимодействия со светом, когда с 1925 по 1927 год целая серия работ нескольких физиков и математиков придала форму двум общим теориям, применимым к этим задачам:

• волновая механика де Бройля и особенно Шредингера;
• матричная механика Гейзенберга, Борна и Джордана.

Эти две механики были объединены Шредингером с физической точки зрения и фон Нейманом с математической точки зрения. Наконец, Дирак сформулировал синтез или, скорее, полное обобщение этих двух механик, которые мы теперь называем квантовой механикой.

Квантовая механика, примененная к таким частицам, как электрон, или к электромагнитному полю, излучающему свет, показывает в реальности, что эти два объекта не являются ни реальными волнами, ни реальными частицами.

Как показал Эйнштейн, энергия, присутствующая в световой волне, на самом деле находится в форме дискретных неделимых пакетов, фотонов. Точно так же электроны проявляют волновые аспекты, как предсказывал де Бройль, и с ними можно проводить эксперименты по дифракции и интерференции. Эта ситуация часто описывается термином «дуальность волна-частица» для вещества и света и иллюстрируется экспериментом Фейнмана с двойной щелью.

Нильс Бор попытался построить физическую интерпретацию, отражающую эту странную двойственность: это теория Принцип дополнительности. Она основана на неравенстве Гейзенберга.

Суть квантовой механики основана на использовании амплитуд вероятности для характеристики всех возможных физических процессов в квантовой механике. Именно эти процессы могут распространяться в форме волны, но физические величины, связанные с этими процессами, часто квантованы и поэтому дискретны. Так обстоит дело с энергией электронов в атоме.

Фундаментальным уравнением квантовой механики является уравнение Шредингера.

Квантовый мир странен, в нем царит вероятностная неопределенность, и в основном он указывает на структуру, лежащую в основе явлений, которая находится за пределами пространства и времени. Это то, что, кажется, демонстрируют квантовая запутанность и эффект ЭПР. Возникновение классического мира из квантового мира до сих пор не совсем понятно. Это одна из целей теории декогеренции, объясняющая это возникновение.

Дирак — это… Что такое Дирак?

         Соч.: The principles of quantum mechanics, 4 ed.; Oxf., 1958; The quantum theory of the emission and absorption of radiation, «Proceedings of the Royal Society A», 1927, v. 114, № 767, p. 243; The quantum theory of electron, там же, 1928, v. 117, № 778, p. 610; v. 118, p. 351; Théorie du positron, в кн.: Rapports et discussions du Conseil physique de I’lnstitut international physique Solvay, v. 7, Brux., 1934; в рус. пер. — Теория электронов и протонов, «Успехи физических наук», 1930, т. 10, в. 5—6; Теория электронов и позитронов, в кн.: Гейзенберг В., Шредингер Э., Дирак П. А., Современная квантовая механика. Три нобелевских доклада, Л. — М., 1934; Принципы квантовой механики, М., 1960; Лекции по квантовой механике, М., 1968; Лекции по квантовой теории поля, М., 1971.

         И. Д. Рожанский.

        П. Дирак.

Квантовая механика — наиболее таинственная из теорий учёных

Спецпроекты ЛГ / Научная среда / Теории, которые изменили мир

Электрон как обман трудящихся

В XX веке физики вернулись к вроде бы давно забытому Аристотелю. Для великого учёного Античности были характерны рассуждения типа: «Облака поднимаются вверх, потому что это им свойственно». Несколько столетий спустя великий физик Макс Планк заявил, что электрон не падает на ядро атома, потому что траектория его орбит так уж устроена – есть разрешённые орбиты, а есть запрещённые. Что касается электрона, то ясности в отношении него не прибавилось и в начале XXI века. Академик Людвиг Фадеев, самый цитируемый российский учёный, жёстко заявляет, что невозможно сказать, как выглядит электрон и как он «летает» вокруг ядра, просто есть математическое описание, довольно точное, а как на самом деле всё устроено, неизвестно.

В начале XX века француз Луи де Бройль придумал так называемый волновой дуализм, то есть, по его мнению, если говорить о законах микромира, то все обитающие там частицы – фотоны или электроны – имеют двойную природу – они и частицы, и волны. На что гениальный советcкий физик Лев Ландау заметил: «И волна, и частица – это обман трудящихся!»

…А ведь в конце XIX века казалось, что здание физической науки построено полностью и окончательно. Эрнест Резерфорд построил планетарную модель атома, которую и сейчас учат школьники. Если бы дело происходило в какой-нибудь Древней Греции, то чувства глубокого удовлетворения хватило бы учёным лет на пятьсот, не меньше. Но, к сожалению или к счастью, к XX веку был уже создан мощнейший экспериментальный и теоретический инструментарий, и научный поиск остановить было невозможно.

На квантовые эффекты наткнулись, изучая излучение так называемых чёрных дыр. Это астрономические объекты с громадной плотностью и такой гигантской силой притяжения, что, казалось бы, излучение такой дыры не может вырваться наружу. А на поверку выходило совсем не так. Учёные всего мира ломали головы, как бы объяснить непонятное поведение чёрных дыр. Из тупика их вывел Макс Планк, немецкий физик, ставший родоначальником квантовой механики.

На заседании Немецкого физического общества Макс Планк зачитал свою историческую статью «К теории распределения энергии излучения в нормальном спектре», в которой он ввёл универсальную постоянную «h». Именно дату этого события, 14 декабря 1900 года, считают днём рождения квантовой физики.

Квантовая гипотеза Планка состояла в том, что для случая элементарных частиц любая энергия поглощается или испускается только дискретными порциями (квантами). Когда электрон спокойно крутится на какой-то орбите, то он ничего не излучает. Когда же перескакивает с орбиты на орбиту, то излучает кванты энергии. Вот за открытие этих квантов энергии Планку позднее присудили Нобелевскую премию.

Квант энергии, или квант действия, был назван постоянной Планка и обозначается буквой «h». Постоянная Планка отражает глубинное строение Вселенной и носит универсальный характер. Теория Планка безошибочно описывала события микромира, несмотря на противоречие привычному здравому смыслу.

Уже в наше время стало ясно, что весь этот разговор об орбитах не имеет никакого отношения к квантовой действительности. Однако энергия заблуждения толкала физиков к дальнейшему изучению квантового мира, тем более что открытые Максом Планком странности микромира настолько озадачили величайших физиков, что они целые конференции и семинары посвящали яростным спорам о том, как устроена Вселенная, и «играет ли Господь Бог в орлянку» или нет. Именно об этом спорили между собой два великих физика – Эйнштейн и Нильс Бор. А великий советский физик Лев Ландау во время своей зарубежной командировки курсировал между двумя великими спорщиками и по просьбе Бора пытался убедить Эйнштейна, что тот не прав. Эйнштейн построил свою теорию относительности как гармоническое продолжение классической физики, а квантовая физика Планка и Бора её если не ломала, то жёстко ограничивала. Всю оставшуюся жизнь Эйнштейн посвятил попыткам создания Общей теории поля, то есть некоей объединительной модели, которая могла бы снять противоречия теории относительности и квантовой механики. Но у него ничего не вышло. Возможно, по этой причине он скверно вёл себя со своими близкими, особенно с женщинами.

Эйнштейн упорно считал, что квантовая механика или неверна, или по крайней мере неполна, что она «не может служить удовлетворительным исходным пунктом для дальнейшего развития».

В 1935 году Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном написал статью «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?», в которой описал мысленный эксперимент. Впоследствии он был назван парадоксом Эйнштейна – Подольского – Розена, сокращённо ЭПР.

Нильс Бор, который трактовал законы квантовой механики как вероятностные (по этому поводу Эйнштейн и острил, что Бог не станет кидать монету, чтобы определить, куда лететь электрону), и такой подход назвали копенгагенской трактовкой, так как Бор был родом из Дании.

Бор ответил Эйнштейну своей статьёй с точно таким же названием, но противоположной по смыслу.

С тех пор много раз ставились натурные эксперименты, моделирующие ЭПР-парадокс, которые были должны или подтвердить, что законы квантового мира вероятностны, или опровергнуть Бора и доказать их детерминированность, то есть подтвердить правоту Эйнштейна. И каждый новый эксперимент, всё более и более точный, то опровергал, то подтверждал правоту одной из сторон.

Молодой французский учёный-оптик Алан Аспе поставил удивительный эксперимент, результаты которого просто невероятны.

Представьте себе, что вы посылаете из Москвы две телеграммы. Одну в Копенгаген, Нильсу Бору, другую в Берлин, Максу Планку. В момент получения телеграммы Макс Планк каким-то чудом узнаёт, что Нильс Бор в Копенгагене (а до него расстояние дальше, чем до Берлина) вот-вот получит такую же телеграмму и даже узнаёт её содержание. Вы не верите своим глазам и ушам и выстреливаете серию телеграмм. И всё повторяется – в Берлине заранее знают о телеграмме в Копенгаген и о том, что в ней написано.

В эксперименте Аспе роль телеграмм играли фотоны, которые принимались и анализировались фотодетекторами. И хотя их разделяло очень большое расстояние, каждый детектор каким-то таинственным образом узнавал о том, что происходит с другим.

Эксперимент Аспе всколыхнул интерес к парадоксам квантовой механики. Физики вспомнили о квантовой нелокальности мира, то есть идее ученика Эйнштейна Дэвида Бома о том, что на квантовом уровне всё едино. Таким образом, Бом ушёл от «обмана трудящихся», пресловутого дуализма. В его трактовке свойства частицы у электрона отражают конкретный местный «пейзаж», а волновые показывают его принадлежность к некоей вселенской… так и просится слово «Матрица». Именно его и произнёс Макс Планк, но только с эпитетом «Божественная». Лейбниц употреблял другой термин – «монада», а буддистская теория мироустройства выражается ещё более мудрёно. Но смысл один – глубинное единство всех объектов во Вселенной.

Спасти «котэ» Шрёдингера!

Очень упорным человеком был Эйнштейн. Он спорил не только с Бором и Ландау, но ещё с одним великим учёным, австрийцем Эрвином Шрёдингером. Шрёдингер написал самое главное уравнение квантовой механики, носящее его имя. Написал, а не вывел – именно так и было. Потому что Шрёдингер просто подогнал свою формулу под результаты экспериментов, без каких-либо дедукций. Переменную величину в этом уравнении назвали «пси-функцией». После этого уже нельзя говорить «электрон». Он не электрон, а волновая функция.

Переписка Эйнштейна и Шрёдингера наполнена забавными образными ориентирами. Эйнштейн доказывал своё, приводя аналогию некоей квантовой системы с бочкой с порохом. Он пишет Шрёдингеру, что пси-функция будет описывать своего рода смесь взорвавшейся и невзорвавшейся систем и никакая интерпретация не позволит «преобразовать эту функцию в адекватное отражение реального положения вещей».

Шрёдингер ответил ему в том же духе, но более «кровожадно». Он описал комнату, в которой находится атом урана в состоянии деления, помещённый в «склянку с синильной кислотой». «Эта склянка – и ещё прискорбное обстоятельство – некий кот также находится внутри комнаты».

И дальше жестокосердный физик рисует жуткую картину, когда атом взорвётся, склянка разобьётся и яд распространится по комнате: «По прошествии часа пси-функция всей системы будет содержать смесь в равных долях кота мёртвого и кота живого, sit venia verbo (с позволения сказать)».

Шрёдингер спорил и с Эйнштейном, и с Бором. Но лучше бы он не писал про несчастного кота. Весь учёный мир ринулся спасать обречённого «котэ». Чтобы это сделать, нужно было решить проблему квантового изменения. Суть в том, что пока имеет место квантовая суперпозиция, то шансы на спасение ещё есть. Никто не знает, жив «котэ» или нет. Как только мы измеряем, то есть открываем пресловутую комнату, то происходит редукция, то есть упрощение волновой пси- функции. Вся проблема в том, как узнать, что происходит внутри комнаты, не влияя на события. Если возможно узнать насчёт здоровья «котэ», не оказывая воздействия на атом урана и на склянку с ядом, то можно спасти животное. Если нет – увы.

Копенгагенская трактовка, которой придерживался Нильс Бор и ещё один великий физик Вернер Гейзенберг, утверждала, что любое измерение или просто наблюдение влияет на измеряемый процесс. Летит себе электрон или фотон, вполне счастливый, находясь в квантовой суперпозиции, которая содержит в себе все возможные его состояния, и лиха не ведает, но стоит лишь взглянуть в его сторону или попытаться измерить, как происходит редукция волновой функции и … «котэ» погибает!

Чтобы не терзать читателя, скажу, что совсем недавно физики из американского университета в Беркли ухитрились провести такой тончайший эксперимент, который позволил подглядеть, что происходит в квантовой системе, не влияя на неё. Эти благородные защитники животных спасли наконец кота Шрёдингера!

Такой Мультиверс нам не нужен!

Если ты, читатель, думаешь, что на этом парадоксы и загадки квантового мира исчерпаны, то глубоко заблуждаешься. Вероятностное толкование квантовых законов в рамках копенгагенской трактовки не нравилось не одному лишь Эйнштейну. Американский учёный Хью Эверетт предложил по-иному взглянуть на процесс коллапса (редукции) волновой функции. Похоже, он попал под влияние знаменитого физика Ричарда Фейнмана, который предложил решать уравнение волновой функции таким образом, чтобы измеряемый фотон летел не по какой-либо одной возможной траектории, а по всем сразу. Эверетт обобщил идею Фейнмана и предложил считать, что каждой такой траектории соответствует своя параллельная вселенная. Честно говоря, не хочется верить в такую возможность. Это уже чересчур, на мой взгляд. Создатели теории Мультиверса (Многомирия), как бы чувствуя запредельную фантастичность своей трактовки, поясняют, что они вовсе не имеют в виду реальное существование параллельных вселенных. Просто в их интерпретации наблюдатель, производящий измерение, при расчёте каждой траектории фотона как бы расщепляется… Час от часу не легче!

Однако и теория Мультиверса не самое невероятное, о чём можно рассказать применительно к квантовым парадоксам и загадкам. Чего стоит квантовая телепортация или квантовая сцепленность!

Самое удивительное всё же состоит в том, что современные учёные преодолевают все эти интеллектуальные ловушки и всё ближе подходят к созданию квантовых компьютеров, которые настолько изменят наш мир, что ни в сказке сказать ни пером описать!.. Но это – тема для отдельного разговора.

Не стоит разочаровываться в науке и научном методе из-за странностей квантового мира. Ведь когда-нибудь кажущиеся нам непонятными парадоксы и загадки прояснятся и станут понятными даже ребёнку. Ну а пока можно перефразировать Аристотеля: «Электроны и фотоны так себя ведут, потому что им это свойственно!»

gaz.wiki — gaz.wiki

Navigation

• Main page

Languages

• Deutsch
• Français
• Nederlands
• Русский
• Italiano
• Español
• Polski
• Português
• Norsk
• Suomen kieli
• Magyar
• Čeština
• Türkçe
• Dansk
• Română
• Svenska

Эйнштейн, Бор и война за квантовую теорию

Нильс Бор (слева) с Альбертом Эйнштейном в конце 1920-х годов, когда квантовая механика только зарождалась Фото: Эмилио Сегре Visual Archives / AIP / SPL

Что реально?: Незавершенные поиски смысла квантовой физики Адам Беккер Базовый: 2018.

Около 90 лет назад в физике разразился ад. Возникла квантовая теория — отчасти в результате ожесточенных столкновений между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором.Это бросило вызов самой природе науки и, возможно, продолжает это делать, серьезно обостряя отношения между теорией и природой реальности. Адам Беккер, научный писатель и астрофизик, исследует эту запутанную историю в «Что реально? .

Беккер ставит под сомнение гегемонию копенгагенской интерпретации квантовой механики. Эта теория, выдвинутая Бором и Вернером Гейзенбергом в 1920-х годах, утверждает, что физические системы имеют только вероятности, а не конкретные свойства, пока они не будут измерены.Беккер утверждает, что попытка понять, как эта интерпретация отражает мир, в котором мы живем, — это упражнение в непрозрачности. Показывая, что на эволюцию науки влияют исторические события, в том числе социологические, культурные, политические и экономические факторы, он исследует альтернативные объяснения. Он утверждает, что если бы в 1920-х годах события развивались иначе, наш взгляд на физику мог бы быть совсем другим.

Беккер задерживается на Сольвеевской конференции 1927 года в Брюсселе, где 29 блестящих ученых собрались, чтобы обсудить зарождающуюся квантовую теорию.Здесь разногласия между Бором, Эйнштейном и другими, включая Эрвина Шредингера и Луи де Бройля, достигли апогея. В то время как Бор предположил, что сущности (такие как электроны) имеют вероятности только в том случае, если они не наблюдаются, Эйнштейн утверждал, что они обладают независимой реальностью, что послужило основанием для его знаменитого утверждения о том, что «Бог не играет в кости». Спустя годы он добавил глянец: «То, что мы называем наукой, имеет единственную цель — определить, что есть». Внезапно на карту был поставлен научный реализм — идея, согласно которой подтвержденные научные теории примерно отражают реальность.

Квантовые явления многих сбивали с толку. Первой была дуальность волна-частица, в которой свет может действовать как частицы, а частицы, такие как электроны, интерферируют, как световые волны. Согласно Бору, система ведет себя как волна или частица в зависимости от контекста, но вы не можете предсказать, что она будет делать.

Во-вторых, Гейзенберг показал, что неопределенность, например, относительно положения и импульса частицы, является неотъемлемой частью физики. В-третьих, Бор утверждал, что у нас может быть только вероятностное знание системы: в мысленном эксперименте Шредингера кошка в коробке одновременно мертва и жива, пока ее не увидят.В-четвертых, частицы могут запутаться. Например, две частицы могут иметь противоположные спины, независимо от того, насколько они далеко друг от друга: если вы измеряете, что одна из них вращается вверх, вы сразу узнаете, что другая вращается вниз. (Эйнштейн назвал это «жутким действием на расстоянии».)

Беккер объясняет, как эти наблюдения бросают вызов локальности, причинности и детерминизму. В классическом мире бильярдных шаров, снарядов и яблок, падающих с деревьев, это никогда не было проблемой.

Просеивая историю, Беккер показывает, как Бор, как антиреалист, привлек на свою сторону многих начинающих физиков, включая Гейзенберга, Вольфганга Паули и Макса Борна. Эйнштейн, однако, настойчиво утверждал, что копенгагенская интерпретация была неполной. Он предположил, что в основе квантовых явлений могут быть скрытые переменные или процессы; или, возможно, «пилотные волны», предложенные де Бройлем, управляют поведением частиц. В 1932 году математик Джон фон Нейман доказал, что в квантовой механике не может быть скрытых переменных. Хотя математически он верен, спустя десятилетия выяснилось, что он ошибочен. Но ущерб был нанесен: потенциально жизнеспособные альтернативы, предложенные Эйнштейном и де Бройлем, остались относительно неизученными.Копенгагенская интерпретация утвердилась к 1930-м годам, и в современных учебниках утверждается, что точка зрения Бора «победила».

Таким образом, Сольвеевская конференция может рассматриваться как противостояние двух математически эквивалентных, но фундаментально разных парадигм: инструменталистского взгляда Бора на квантовую физику и реалистического взгляда Эйнштейна. В науке доминирующая парадигма определяет, какие эксперименты проводятся, как они интерпретируются и по какому пути следует исследовательская программа.

Но что, если в поле выбрана неправильная парадигма? Беккер показывает, как в 1950-х и 1960-х годах горстка физиков стряхнула пыль с теорий Эйнштейна и де Бройля и превратила их в полноценную интерпретацию, способную изменить статус-кво.Дэвид Бом утверждал, что частицы в квантовых системах существуют независимо от того, наблюдаются они или нет, и что у них есть предсказуемые положения и движения, определяемые пилотными волнами. Затем Джон Белл показал, что опасения Эйнштейна по поводу локальности и неполноты копенгагенской интерпретации обоснованы. Именно он опроверг доказательство фон Неймана, обнаружив, что оно исключает лишь узкий класс теорий скрытых переменных.

Научное сообщество хладнокровно восприняло идеи Бома. Бывший наставник Дж.Роберт Оппенгеймер сказал: «Если мы не можем опровергнуть Бома, мы должны согласиться игнорировать его». И, как показывает Беккер, левые взгляды Бома привели к появлению в Комитете Палаты представителей по антиамериканской деятельности и последующему остракизму.

Современник Бома, физик Хью Эверетт, бросил еще один вызов копенгагенской интерпретации. В 1957 году Эверетт решил решить «проблему измерения» в квантовой теории — противоречие между вероятностной природой частиц на квантовом уровне и их «коллапсом» при измерении в одно состояние на макроскопическом уровне.

Многовидовая интерпретация Эверетта не утверждала коллапса. Вместо этого вероятности раздваиваются в момент измерения на параллельные вселенные — например, одну, в которой кошка Шредингера жива, и другую, в которой она мертва. Хотя бесконечное количество непроверяемых вселенных некоторым кажется ненаучным, многие физики сегодня считают эту теорию важной.

Книга имеет несколько мелких недочетов. Беккер уделяет слишком много места недавним приложениям, основанным на исследованиях Белла, и слишком мало новым достижениям в философии науки.Тем не менее он, как и космолог Шон Кэрролл в своей книге The Big Picture (2016 г. Это ключевой момент, когда влиятельные ученые, такие как Нил де Грасс Тайсон, считают эту дисциплину пустой тратой времени.

Что реально? — это аргумент в пользу непредвзятости. Беккер напоминает нам, что нам нужно смирение, когда мы исследуем мириады интерпретаций и повествований, объясняющих одни и те же данные.

Неужели мы все это время неправильно интерпретируем квантовую механику?

На протяжении почти столетия понятие «реальность» было туманным. Законы квантовой физики, кажется, предполагают, что частицы проводят большую часть своего времени в призрачном состоянии, не имея даже базовых свойств, таких как определенное местоположение, и вместо этого существуют одновременно везде и нигде. Только когда частица измеряется, она внезапно материализуется, как бы выбирая свое положение, как будто при броске игральных костей.

Оригинальный рассказ перепечатан с разрешения Quanta Magazine , редакционно-независимого подразделения SimonsFoundation.org *, чья миссия состоит в том, чтобы улучшить понимание науки общественностью путем освещения исследований и тенденций в математике, физических науках и науках о жизни. * Эта идея о том, что природа по своей природе вероятностна — что частицы не обладают твердыми свойствами, а только вероятностями, пока они не наблюдаются, — прямо подразумевается стандартными уравнениями квантовой механики.Но теперь серия удивительных экспериментов с жидкостями возродила старый скептицизм по поводу этого мировоззрения. Странные результаты подогревают интерес к почти забытой версии квантовой механики, которая никогда не отказывалась от идеи единой конкретной реальности.

В экспериментах используется капля масла, которая отскакивает от поверхности жидкости. Капля мягко разбрызгивает жидкость при каждом отскоке. В то же время рябь от прошлых отскоков влияет на его курс. Взаимодействие капли с ее собственными волнами, которые образуют так называемую пилотную волну, заставляет ее проявлять поведение, которое ранее считалось характерным для элементарных частиц, включая поведение, рассматриваемое как свидетельство того, что эти частицы распространяются в пространстве, как волны, без какого-либо конкретного местоположения. , пока они не будут измерены.

Частицы квантового масштаба, кажется, делают то, чего не делают объекты человеческого масштаба. Они могут туннелировать через барьеры, спонтанно возникать или аннигилировать и занимать дискретные уровни энергии. Это новое исследование показывает, что капли масла, управляемые пилотными волнами, также проявляют эти квантовые свойства.

Некоторым исследователям эти эксперименты предполагают, что квантовые объекты так же определены, как капли, и что они тоже управляются пилотными волнами — в данном случае жидкообразными волнами в пространстве и времени.Эти аргументы вдохнули новую жизнь в детерминированную (в отличие от вероятностной) теорию микроскопического мира, впервые предложенную и отвергнутую при рождении квантовой механики.

«Это классическая система, которая демонстрирует поведение, которое раньше считалось исключительным для квантовой области, и мы можем сказать, почему», — сказал Джон Буш, профессор прикладной математики Массачусетского технологического института, который в последнее время руководил несколькими прыгунами. -капельные эксперименты. «Чем больше вещей мы поймем и сможем дать физическое обоснование, тем труднее будет отстоять точку зрения« квантовая механика — это магия ».

Магические измерения

Ортодоксальный взгляд на квантовую механику, известный как «Копенгагенская интерпретация» в честь города датского физика Нильса Бора, одного из ее архитекторов, утверждает, что частицы воспроизводят все возможные реальности одновременно. Каждая частица представлена ​​«волной вероятности», взвешивающей эти различные возможности, и волна коллапсирует до определенного состояния только тогда, когда частица измеряется. Уравнения квантовой механики не касаются того, как свойства частицы затвердевают в момент измерения или как в такие моменты реальность выбирает, какую форму принять.Но расчеты работают. Как сказал Сет Ллойд, квантовый физик из Массачусетского технологического института, «квантовая механика противоречит здравому смыслу, и мы просто должны принять ее».

Когда свет освещает пару щелей на экране (вверху), два перекрывающихся волновых фронта в некоторых местах взаимодействуют и компенсируются между ними, создавая интерференционную картину. Картина появляется даже тогда, когда частицы выстреливаются в сторону экрана одна за другой (внизу), как если бы каждая частица проходила через обе щели одновременно, как волна.

Классический эксперимент в квантовой механике, который, кажется, демонстрирует вероятностную природу реальности, включает пучок частиц (таких как электроны), движущихся одна за другой к паре щелей в экране.Когда никто не отслеживает траекторию каждого электрона, кажется, что он проходит через обе щели одновременно. Со временем электронный луч создает волнообразную интерференционную картину из ярких и темных полос на другой стороне экрана. Но когда детектор помещается перед одной из щелей, его измерение заставляет частицы терять волнообразную вездесущность, коллапсировать в определенные состояния и проходить через одну или другую щель. Интерференционная картина исчезает. Великий физик 20-го века Ричард Фейнман сказал, что этот эксперимент с двумя щелями «заключает в себе сердце квантовой механики» и «его невозможно, абсолютно невозможно объяснить каким-либо классическим способом.

Некоторые физики сейчас не согласны. «Квантовая механика очень успешна; никто не утверждает, что это неправильно », — сказал Пол Милевски, профессор математики Университета Бата в Англии, который разработал компьютерные модели динамики прыгающих капель. «Мы считаем, что на самом деле может быть более фундаментальная причина того, почему [квантовая механика] выглядит именно так».

Квантовая физика, долгий путь к ее пониманию

Вернер Гейзенберг вспомнил свои долгие беседы с Нильсом Бором, которые длились до поздней ночи.В своей книге « Физика и философия: революция в современной науке » 1958 года физик рассказал, как после этих разговоров он часто гулял в ближайшем парке и твердил себе про себя: «Может ли природа быть такой абсурдной… ? » С тех пор, как Макс Планк основал квантовую теорию 14 декабря 1900 года, ученые были озадачены своими собственными открытиями, ни один из которых, похоже, не имеет смысла. Ничто не является интуитивным или разумным, настолько, что более чем полвека спустя Ричард Фейнман произнес одно из самых известных предложений по этому поводу: «Я думаю, я могу с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую механику.«Просто расслабьтесь и наслаждайтесь», — посоветовал он участникам конференции в Корнельском университете в 1964 году.

Первая статья Планка решила до сих пор неразрешимую проблему. Физика конца 19 века не могла объяснить характер излучения света горячим телом. Планк решил стереть все с нуля и начать заново, обнаружив, что все работает, когда он вставил константу в свои уравнения. Проблема заключалась в абсолютной абсурдности выводов, что энергия не может иметь какое-либо значение, а только кратное этой постоянной. Это было так же ошибочно, как думать, что мешок с песком может весить всего один или два килограмма, но не имеет никакой ценности между ними. С сегодняшней точки зрения мы теперь понимаем, что между одним электроном и двумя электронами нет ничего промежуточного. Но в то время было трудно принять теорию, эквивалентную рассмотрению энергии как материи, разделенной на дискретные пакеты или «кванты».”

Даже сам Планк сопротивлялся его открытию. Позже он признался, что просто пытался «добиться положительного результата при любых обстоятельствах и любой ценой». В течение многих лет он пытался вписать свою константу в классическую физику, но безуспешно. И, несмотря на абсурдность идеи, оказалось, что данные других ученых соответствуют квантовой теории, как стеклянная туфля Золушки.

Интерактивная шкала времени: 120 лет квантовой физике

[+] Смотреть в полноэкранном режиме

Эйнштейн и «кванты света»

Одним из первых, кто оценил это открытие, был Альберт Эйнштейн.В 1905 году он написал статью, в которой применил теорию Планка к фотоэлектрическому эффекту — явлению, описанному в 1887 году Генрихом Герцем, с помощью которого свет отрывал электроны от металлов. Классический электромагнетизм Хендрика Лоренца и Джеймса Клерка Максвелла не объяснял, почему это происходило только на определенных частотах волн. Эйнштейн решил посмотреть на свет через линзу квантов Планка; свет вел себя не как непрерывная волна, а как струя частиц, «квантов света» — сегодняшних фотонов — дискретной энергии.

Интересно, что Планк отверг гипотезу Эйнштейна. Так же поступил и Роберт Эндрюс Милликен, который решил любой ценой опровергнуть это экспериментально … только чтобы в конечном итоге с этим согласиться. Что еще более любопытно, сам Эйнштейн также начал выражать скептицизм в отношении квантовой теории, когда работа других исследователей привела физику в область, больше похожую на страну чудес Алисы, чем что-либо известное о реальном мире.

Нильс Бор был первым, кто применил квантовую механику для описания атома, а в 1913 году он создал модель, радикально отличающуюся от предыдущих.Атом, предложенный Бором на основе предыдущей модели Эрнеста Резерфорда, излучает или поглощает энергию всякий раз, когда электрон прыгает между дискретными круговыми орбитами. Значения, допускаемые постоянной Планка, предполагали, что электрон прыгал с одной орбиты на другую, не проходя через промежуточные места. Арнольд Зоммерфельд обобщил модель Бора в 1915 году, заменив круговые орбиты эллиптическими.

Копенгагенская интерпретация квантовой механики

В 1925 году Гейзенберг, его учитель Макс Борн и Паскуаль Джордан взяли работу Бора и Зоммерфельда в качестве отправной точки для математической формулировки квантовой механики с использованием матричной алгебры.Вольфганг Паули применил этот матричный механизм к атомной модели Бора, но в следующем году этот подход был заменен волновой функцией, предложенной Эрвином Шредингером. На этом этапе вклад Луи де Бройля был фундаментальным, что в некотором смысле полностью изменило взгляд на квантовый мир: если бы свет мог вести себя как частица, электрон также мог бы вести себя как волна. Позже Поль Дирак объединит уравнение Шредингера с уравнением Гейзенберга.

Волновая функция Шредингера описывает состояние квантовой системы; однако, в то время как ньютоновская механика позволяла предсказывать положение и скорость объекта, что кажется логичным, интерпретация Борном волнового уравнения превратила орбиты электронов в нечто, что очень трудно представить: облака плотности вероятности. Это означало, что электрон занял всю свою орбиту в один и тот же момент.

Исходя из этого, Бор и Гейзенберг пришли к так называемой «копенгагенской интерпретации» квантовой механики, согласно которой эта неопределенность исчезла, когда к системе применялись измерения; только тогда волновое уравнение коллапсировало, и эти наложенные друг на друга состояния материализовались в одном положении для частицы.Наблюдатель изменил систему, что побудило Шредингера описать свой знаменитый мысленный эксперимент с кошкой, которая одновременно жива и мертва, пока коробка не открывается, чтобы проверить ее состояние и разрушить эту двойственность. В уравнении Шредингера положение и скорость частицы были подобны натяжению за два конца одеяла, поэтому нельзя было узнать оба конца одновременно, что отражалось в принципе неопределенности Гейзенберга.

Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена

Все это заставило Эйнштейна задаться вопросом: существует ли Луна только тогда, когда мы смотрим на нее? Своей общей теорией относительности немецкий ученый превзошел ньютоновский взгляд на гравитацию как на загадочное действие на расстоянии и заменил его сплошной тканью пространства-времени, передающей этот эффект.И все же, согласно квантовой механике, воздействие наблюдателя на одну частицу может быть мгновенно передано другой идентичной частице, разделенной при рождении, что Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии». Хотя он не сомневался в теории, он считал ее неполной; он чувствовал, что скрытые переменные могут объяснить эффект, не прибегая к вероятностному механизму. «Бог не играет в кости», — написал он в известном письме Борну.

Этот мысленный эксперимент Эйнштейна, который сегодня называют парадоксом Эйнштейна-Подольского-Розена, дал начало концепции квантовой запутанности, под которой сегодня известно это жуткое действие на расстоянии.В 1964 году Джон Стюарт Белл был вдохновлен альтернативной интерпретацией квантовой теории, разработанной Дэвидом Бомом и основанной на теории Де Бройля пилотной волны, связанной с каждой частицей, которая рассеяла вероятностные туманы Копенгагенской интерпретации в пользу детерминированной перспективы, независимой. наблюдения. Белл пришел к выводу, что скрытых переменных Эйнштейна не существует. К несчастью для немцев, эксперименты постоянно подтверждали то, что Белл демонстрировал на бумаге.Запутанность — это основа квантовой телепортации, способной передавать свойства от одной частицы к другой.

Короче говоря, квантовая механика снова и снова доказывала свою способность предсказывать поведение природы. Это не умаляет того факта, что все это накопление странностей, начатое в 1900 году постоянной Планка, привело к новым интерпретациям квантовой теории, выходящим за рамки фразы «Заткнись и вычисли!» (словами Дэвида Мермина) из Копенгагена: формулировка интеграла по путям, разработанная Фейнманом, которая суммирует все траектории частицы; интерпретация множества миров; теории объективного коллапса…

Однако, независимо от того, через какие очки можно рассматривать квантовую теорию, одно можно сказать наверняка: мы многим обязаны тем, что поддерживало нашу цивилизацию на протяжении этих 120 лет, от первого транзистора до сегодняшнего технологического общества — и в ближайшем будущем, квантовые вычисления — к новаторской работе Планка.То, что мы этого не понимаем, не имеет большого значения, поскольку сами физики говорят, что не могут полностью понять это. «Квантовая механика — это волшебство, — сказал Дэниел Гринбергер. Поэтому лучшее, что мы можем сделать, — это последовать совету Фейнмана и просто расслабиться и насладиться представлением.

ОСНОВНАЯ КНИГА

Физик и популяризатор науки Чад Орзел произвел фурор среди читателей популярными книгами по квантовой физике, которые обычно можно найти в любом списке рекомендуемых книг по этой теме. Опираясь на классическую формулу сократовского диалога, Орзель выбирает свою собаку в качестве воображаемой аудитории, для которой он может в простой форме рассмотреть и объяснить основные концепции квантовой физики и ее последствия в реальном мире, попутно пересказывая ключевые моменты история этой области, например, знаменитые дебаты между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором.

Макс Планк: создатель квантовой теории

08.12.2012 28247 Просмотры 96 классов

Макс Планк родился в 1858 году в академической семье. Его отец Юлиус Вильгельм Планк был профессором права в Кильском университете, Германия, а его дед и прадед были профессорами богословия в Геттингене.

Он начал свое начальное образование в Киле, но в 1867 году его семья переехала в Мюнхен, где его отец был назначен профессором. Город создавал стимулирующую среду для мальчика, который наслаждался его культурой, особенно музыкой, и любил гулять и лазать по горам, когда семья совершала экскурсии в Верхнюю Баварию.

Он не отличался в школе, но достаточно хорошо учился, чтобы поступить в Мюнхенский университет 21 октября 1874 года, где начал брать уроки математики, а затем решил изучать физику.

В то время немецкие студенты обычно переезжали из одного университета в другой, и с октября 1877 года Планк учился в Берлинском университете, где среди его учителей были Гельмгольц и Кирхгоф. Он вернулся в Мюнхен и получил докторскую степень в июле 1879 года в возрасте 21 года, защитив диссертацию по второму закону термодинамики.

В 1885 году он был назначен «экстраординарным профессором теоретической физики» в Киле. После смерти Кирхгофа в октябре 1887 года Берлинский университет искал физика на его замену.Планка был предложен Берлинским философским факультетом и настоятельно рекомендован Гельмгольцем. В 1892 году он получил звание ординарного профессора и занимал эту должность до выхода на пенсию в 1927 году. Он продолжал заниматься своей страстью к музыке, построив специальную фисгармонию и проводя концерты в своем собственном доме.

Находясь в Берлине, он был очарован тем, как энергия от горячих объектов испускается в различных количествах в зависимости от длины волны. Некоторые физики пытались найти математическое описание, но ни у кого не получилось.Объединив уравнения, полученные Вином и Рэлеем, в октябре 1900 года Планк объявил результат, теперь известный как формула излучения Планка.

В течение двух месяцев он объяснил, почему его формула работает — и это было смелое объяснение. Он отказался от прежней физики и ввел понятие «квантов энергии». Это небольшие «пакеты», которые могут удерживать только определенное, предписанное количество энергии.

В декабре 1900 года он представил свое теоретическое объяснение, касающееся квантов, на собрании Physikalische Gesellschaft в Берлине.При этом ему пришлось отказаться от своей веры в то, что Второй закон термодинамики был абсолютным законом природы.

Сначала его теория встретила сопротивление, но благодаря успешной работе Нильса Бора в 1913 году по расчету положения спектральных линий с использованием теории, она стала общепринятой. Так родилась квантовая теория. Сам Планк сказал, что, несмотря на то, что он изобрел квантовую теорию, он сам сначала не понял ее. Тем не менее за свои достижения он получил Нобелевскую премию по физике в 1918 году.

Планку было 42 года, когда он сделал свое историческое квантовое заявление, но он принял лишь незначительное участие в дальнейшем развитии квантовой теории. Это было оставлено Эйнштейну, Пуанкаре, Бору, Дираку и другим.

Его личная жизнь была наполнена трагедией. Его первая жена умерла в 1909 году, его старший сын погиб в 1916 году во время Первой мировой войны, и обе его дочери умерли при родах. Его дом в Берлине был уничтожен пожаром после авианалета в феврале 1944 года, а его второй сын подозревался в причастности к заговору с целью убийства Гитлера и казнен в 1945 году.

Планку было 87 лет к концу Второй мировой войны, но, что примечательно, он смог приложить усилия для реконструкции немецкой науки в качестве президента Kaiser Wilhelm Gesellschaft. Он умер в октябре 1947 года.

Названная в его честь миссия ЕКА «Планк» в настоящее время занимается анализом космического микроволнового фонового излучения, которое образовалось вскоре после Большого взрыва. Данные, которые собирает Планк, позволят астрономам искать подсказки о том, как галактики образуются и группируются вместе, давая нам крупномасштабную структуру, которую мы видим сегодня в космосе.

Спасибо за лайк

Вам уже понравилась эта страница, вам может понравиться только один раз!

Сэр Уильям Гамильтон (1805-1865)
Гамильтониан Функция
Было Гамильтон, которого часто считают «забытым основателем» квантовой механики, был примерно в 1920-х годах, он наверняка увидел бы связь между матричной механикой и волновой механикой.
Функция Гамильтона (1835) выражает скорость изменения вовремя для набора движущихся частиц. Он указывает полная энергия (кинетическая и потенциальная) с точки зрения динамика, положение и импульс частиц.Гамильтонианы являются методом нахождения минимального значения данного уравнения и являются используется для вычисления пути наименьшего действия, такого как орбиты и траектории. Объединение динамики и оптики Гамильтоном оказало долгосрочное влияние по математической физике, хотя полное значение Его работы не были полностью оценены до появления квантовой механики.

Давид Гильберт (1862-1943)
Гильберт Космос
Давид Гильберт был одним из выдающихся математиков. современной эпохи.Он предложил 21 аксиому геометрии — наибольшее влияние на геометрию со времен Евклида (325 г. до н.э.). Работа Гильберта на бесконечномерном пространстве, позже названном гильбертовым пространством, оказались неоценимыми для квантовой механики. Сегодня квантовая механика говорят, что это теория, установленная в «гильбертовом пространстве». На Международном Конгрессе математиков в Париже (1900) Гильберт представил ныне знаменитые 23 задачи, которые он ставил перед математиками 20 века решать. В 1915 году Гильберт открыл правильное поле. уравнения для общей теории относительности до Эйнштейна, но никогда не претендовали на приоритет.
Как профессор математики Геттингенского университета, выдающиеся ученые ХХ века (Род., Гейзенберг, Джордон, фон Нейман и многие другие) учились у Гильберта. Гильберт предложил Гейзенбергу найти дифференциальное уравнение что соответствовало бы его матричным уравнениям. Было он последовал совету Гильберта, Гейзенберг, возможно, открыл Шредингера уравнение перед Шредингером. Когда математики доказали матричную механику Гейзенберга и Шредингера. эквивалент механики качания, — воскликнул Гильберт: «Физика, очевидно, далека от слишком сложно оставить на усмотрение физиков и математиков до сих пор думают, что они — дар Бога науке.«

Макс. Планк (1858-1947)
Квантовая Теория
Большинство физиков-теоретиков обычно делают свои самые важные работать к 25 годам (Ньютон, Эйнштейн, Бор, Гейзенберг, Дирак, де Бройль, Паули). Кажется, это идеальный возраст, так как там пора узнать достаточно, поддерживая революционные идеи. Что такое Примечательным в отношении Планка является то, что в возрасте 42 лет он объяснил пазл «черный» излучение тела.»Любой объект с более высокой температура, чем его окружение теряет тепло из-за излучения. Чем горячее объект, тем больше излучения он производит. Поскольку черное тело поглощает все частоты, он должен излучать все частоты одинаково. Вместо этого черные тела излучают большее количество волн одних длин, чем других. В 1900 году Планк предположил, что лучистая тепловая энергия излучается только в определенных количество называется квантами.
E = hn n = частота свечения ч = 6.626×10 ^-34 Дж
Планк утверждал, что могут появляться только определенные энергии и были ограничены целыми числами, кратными hn. Планк первоначально называл ч «квантовой действия «, поскольку продукт энергии и времени известное как действие (основанное на принципе наименьшего действия Гамильтона). Сегодня h известен как Постоянная Планка и символизирует революционно новую физику.
А молодой Макс Планк должен был прочитать лекцию о лучистом тепле.Когда он приехал он поинтересовался номером комнаты для лекции Планка. Ему сказали: «Вы слишком молоды, чтобы посещать лекция уважаемого профессора Планка ».

Альберт Эйнштейн (1879-1955)
Фотоэлектрический Эффект
1905 год был удачным для Эйнштейна. Ему удалось решить три нерешенных проблемы физики: фотоэлектрический эффект, броуновское движение и специальная теория относительности. Эти три публикации стали известны как «Эйнштейн. трилогия «.
До 1905 года исследователи отмечали, что ток был пропорционален к интенсивности света, падающего на поверхность металл. Максимальная кинетическая энергия электрона не зависит от интенсивности а скорее от частоты света. Эйнштейн реализовал идею Планка о свете, появляющемся в виде квантов (пучков), было ключ к пониманию этой фотоэлектрической загадки. Если длина волны достаточно коротка, электрон не может убежать.Важный вещь — это энергия пучка, а не количество пучков (яркость). Фотоэлектрический эффект признан первой научной работой, использующей квантовая механика.
Эйнштейн никогда не мог принять некоторые из революционных идей квантовой механики («Бог не играет в кости»). Когда в 1927 году напомнили, что он произвел революцию науке 20 лет назад Эйнштейн ответил: «Хорошее шутку не следует повторять слишком часто. ««>

Нильс Бор (1885-1962)
Бор Теория атома
Бор (1913) был первым, кто применил квантовую теорию к атомной структуре.Самый впечатляющий результат Так называемая теория Бора объясняла серию линий наблюдается в спектре света, излучаемого атомными водород. Бор смог определить частоты этих спектральных линии со значительной точностью, выражая их с точки зрения заряда и массы электрона и планковского постоянный. Для этого Бор также постулировал, что атом не испускает излучение, пока он находился в одном из своих стабильных состояний но скорее только тогда, когда он совершал переход между состояниями.Частота испускаемого излучения будет равна разности по энергии между этими состояниями, разделенными Планковским постоянный. Это означало, что атом не мог ни поглощать, ни излучать излучение. непрерывно, но только конечными шагами или квантовыми скачками. Это также означало, что различные частоты испускаемого излучения атомом не были равны частотам, с которыми двигались электроны внутри атома. Это была смелая идея, которую некоторые современники Бора было трудно принять.
В 1916 г. Бор был назначен профессором вновь созданного кафедрой теоретической физики Университета им. Копенгаген, а в 1921 году открылся Институт Бора под руководством Бора. Бор Институт стал ведущим центром квантовой физики с молодыми теоретиками. физики со всего мир (Паули, Гейзенберг, Дирак, Оппенгеймер и Гамов, чтобы назвать лишь несколько) приезжает в Копенгаген для работы с Бором.

Вернер Гейзенберг (1901-1976)
Квантовая Механика
Используя матричную алгебру, Гейзенберг (1925) разработал система, называемая матричной механикой.Он состоял массива величин, которые при соответствующем манипулировании давали наблюдаемые частоты и интенсивности спектральных линий. Следствием работы Гейзенберга является его революционный (1927) неопределенность принцип: DqDp > ч
Неопределенность положения ( Dq ) электрона в атоме, умноженное на неопределенность его импульса ( Dp ) должен быть больше постоянной Планка ( ч ). Принцип неопределенности говорит нам, что все наблюдаемые количества могут изменяться, определяемые постоянной Планка, и мы не может знать позицию и импульс одновременно. Пока фотон не будет беспокоить объект, например, дом, он действительно меняет положение и импульс при отражении от электрона.
Гейзенберг уехал кататься когда его останавливает гаишник. Полицейский говорит: «Ты знаешь, как быстро вы собирались? »
Гейзенберг говорит: «Нет, но я знаю где я«

Луи де Бройль (1892–1987)
Волна Природа электрона
Как студент де Бройль изучал средневековую историю. Во время Первой мировой войны он служил в полевой радиосвязи, и это изменило его интерес с готического соборы к электромагнитным волнам. После Вар де Бройль защитил докторскую диссертацию в том, что стало известно как «волны де Бройля». В 1924 году де Бройль предположил, что что природа не выделила свет как единственное существо, проявляющее волну-частицу двойственность.Он предположил, что обычные частицы, такие как электроны может также демонстрировать волновые характеристики в определенных обстоятельства. де Бройль предположил, что электрон связал с ним систему «материальных волн». Эти волны обладают гребни, которые исчезают в какой-то момент и появляются мгновенно позже в другой момент. Расстояние между последовательными гребнями ( л ) это де Длина волны Бройля и рассчитывается из л. = h / mv , где h постоянная Планка и мВ это импульс.

Это взято из книги Тридцать лет потрясенных. Физика Георгия Гамова:
при при первой встрече мы заговорили о физике, хотя де Бройль не говорю по-английски, а мой французский был довольно плохим. Но как-то мне удалось передать ему то, что я хотел сказать и понять его комментарии. Год спустя я был в аудитории в Лондоне, когда де Бройль прочитал блестящую лекцию на идеальный английский. Затем я понял еще одно из его принципы: когда иностранцы приезжают во Францию, они должны говорить по-французски.

Эрвин Шредингер (1887-1961)
Волна Уравнение
Принимая предложение де Бройля о том, что частицы материя имеет двойственную природу и в некоторых ситуациях действует как волны, Шредингер (1926) получил основное уравнение квантовой механики. В Уравнение Шредингера рассматривает электроны как волны материи:

Единственная проблема с уравнением Шредингера заключалась в его интерпретация материальной волны была неправильной.Он описан y как распределение плотности — одни регионы богаты электронным веществом, другие — дефицитный. Но это Макс Борн понял что на самом деле предсказывает уравнение.
В 1944 году Шредингер написал небольшую книгу под названием «Что такое жизнь?» Шредингер предполагает, что один из важнейших Особенности — это хранение генетического кода, передаваемого от родителей к потомкам. Поскольку он должен помещаться в одной ячейке, Шредингер предлагает код написано на молекулярном уровне.Книга Шредингера имела ярко выраженный влияние на Крика и Ватсона, первооткрывателей ДНК.

Следующее взято из The God Particle by Леон Ледерман:
Уход его жена дома, Шредингер забронировал виллу в Швейцарских Альпах для две недели, взяв с собой свои тетради, две жемчужины, и старая венская подруга. Самостоятельная миссия Шредингера было спасти исправленную скрипучую квантовую теорию того времени. Венский уроженец физик поместил жемчужину в каждое ухо, чтобы заслонить любые отвлекающие шумы.Затем он уложил девушку в постель на вдохновение. Шредингеру пришлось отказаться от работы. Он имел создать новую теорию и сделать женщину счастливой. К счастью, он справился с поставленной задачей.

Макс. Родился (1882-1970)
Вероятность Плотность
В 1926 году, после того как его ученик Вернер Гейзенберг сформулировал первые законы квантовой механики, Борн сотрудничал вместе с ним разработать математическую формулировку, которая адекватно Опишите это.Когда Шредингер выдвинул свой квантово-механическое волновое уравнение, Борн показал, что решение уравнения имеет статистический смысл физической значимости. Born’s интерпретация волнового уравнения оказалась фундаментальное значение в новой теории квантовой механики. Шредингер считал, что электрон был рассредоточен в пространстве и его плотность, заданная на сумму и ² . Практически сразу Борн предложил то, что сейчас является общепринятой интерпретацией: л ² дает вероятность плотность нахождение электрона.Разница между двумя интерпретациями заключается в важный. Если y ² малая на определенное положение, первоначальная интерпретация подразумевает, что небольшая там всегда будет обнаружена доля электрона. В интерпретации Борна большую часть времени там ничего не будет обнаружено, но когда что-то наблюдаемый, это будет целый электрон. Представление об электроне как о точечная частица, движущаяся по четко определенному пути вокруг ядра, заменяется в волновой механике облаками, которые описывают вероятное расположение электронов в разных штатах.Плотность вероятности Борна, пожалуй, самая драматическая. изменение взглядов на наш мир со времен Ньютона и гравитации.

Следующее взято из мужчин Кто создал новую физику , Барбара Клайн:
Родился был описан как капризный и импульсивный человек.

Однако некоторые из его цитат весьма красноречивы:

• Вера в то, что существует только одна истина и что она принадлежит самому себе, является корнем всего зла в мире.
• Интеллект различает возможное и невозможное; разум различает разумное и бессмысленное.Даже возможное может оказаться бессмысленным

Вольфганг Паули (1900–1958)
Исключение Принцип
Паули предложил новое свойство квантовой теории (1925), названное «двузначность». Гоудсмит и Уленберг идентифицировал это четвертое квантовое число как спин электрона. Принцип исключения теперь сформулирован так: «Нет двух электронов в атоме. может иметь тот же набор из четырех квантовых чисел ».
Принцип исключения впоследствии был изменен включить целый класс частиц, из которых электрон только один член.Субатомные частицы делятся на два класса: частицы, подчиняющиеся принципу исключения Паули, — это фермионы и все остальные бозоны. Когда в замкнутой системе, такой как атом для электроны или ядро ​​для протонов и нейтронов, фермионы распределены так что данное состояние занято только одним за раз.
Бакалавриат Паули вел лекцию Эйнштейна. После ответа Эйнштейна на Вопрос Паули резюмировал так: «То, что говорит Эйнштейн, не так уж и глупо!»
Когда выдающийся физик Пауль Эренфест сказал Паули, что ему нравится публикаций больше, чем он любил Паули, Паули ответил: «Это странно, я чувствую к тебе прямо противоположное!»

Пол Дирак (1902-1984)
Квантовая Электродинамика
Дирак заложил основы квантовой электродинамики (1927) с его открытием уравнения, включающего как квантовую теория и специальная теория относительности.Дирак показал, что правильное соотношение между массой и энергией не было уравнением Эйнштейна (E = mc ² ) но на самом деле E ² = m ² c ⁴ . При решении уравнения Дирака E = mc ² а также E = -mc ²
Но как энергия электрона может быть отрицательной?
Дирак предсказал существование электронов с положительным заряд (антиэлектронный или позитронный).В 1932 году Карл Андерсон обнаружил позитроны. Дирак также предсказал каждую частицу обладает античастицей (антипротон, антинейтрон, так далее.).
Местный интерес: Дирак был профессором физики в Университете штата Флорида с 1971 по 1984 год. Наука Дирака Его именем названа библиотека.

Во время период вопросов и ответов после лекции Дирака в университете из Торонто, один из зрителей поднял руку и сказал: «Профессор Дирак, я не понимаю как вы вывели формулу в верхнем левом углу доски.«
«Это «Это не вопрос», — отрезал Дирак, — это утверждение. Следующий вопрос, пожалуйста «

Джон фон Нейман (1903-1957)
Оператор Теория
Ранний У квантовой теории было два подхода: Матричная механика, предложенная Гейзенбергом. и волновая механика, разработанная Шредингером. Гейзенберг нашел физические идеи теории Шредингера «отвратительны», и Шредингера был «обескуражен и отвергнут» отсутствием визуализации в Гейзенберге. метод.
фон Нейман считался самым ярким молодым математиком в Европе. Выслушав лекцию Гейзенберга по матричной механике, фон Нейман решил разработать свою собственную версию квантовой механики — матрицы Гейзенберга были «слишком неточными». В своей книге (1932 г.) математических основ квантовой механики , изобретенные фон Нейманом. оператор теории (теперь называемые алгебрами Неймана) для объяснения некоторые аспекты квантовой механики.Во многом из-за его работы, квантовую физику и теорию операторов можно просмотреть как два аспекта одного и того же предмета. Новая математика фон Неймана доказала Теории Шредингера и Гейзенберга математически эквивалентны. Шредингера волновая механика в конечном итоге стала предпочтительным методом, потому что она менее абстрактна и проще для понимания, чем матричная механика Гейзенберга.
В 1933 году фон Нейман решил пятую проблему Гильберта, случай компактных групп. Хотя он никогда получил Нобелевскую премию или получил всемирную известность, фон Нейман был одним из поистине выдающийся математик / учёный ХХ века.

1927 Сольвей Конференция

Проведено в Бельгии конференцию посетили самые известные физики обсудят недавно сформулированную квантовую теорию

Что такое квантовая физика и кто ее изобрел? Labmate Online

Квантовая физика, являющаяся квинтэссенцией науки, — это термин, который признают большинство, но понимают немногие. Это название, также известное как квантовая механика или квантовая теория, описывает фундаментальный раздел физики, который объясняет природу и поведение материи и энергии на атомном и субатомном уровне.И все же, несмотря на то, что это широко признанная теоретическая основа современной физики, это не новая концепция.

Его происхождение можно проследить до 1900 года, когда физик Макс Планк представил свою противоречивую квантовую теорию Немецкому физическому обществу. Стремясь точно определить причину, по которой цвет излучения, испускаемого телом, меняется с красного, оранжевого и синего, Планк сделал предположение, что, как и материя, энергия существует в отдельных единицах, а не в постоянной электромагнитной волне.В результате это делает его поддающимся количественной оценке, что позволило ему ответить на свой первоначальный вопрос. Именно признание Планком отдельных единиц материализовалось как первые предположения квантовой теории.

Затем он создал сложное математическое уравнение для объяснения этого явления, которое он назвал квантами. Он постановил, что при определенных дискретных уровнях температуры излучение энергии тела занимает разные области цветового спектра. В 1918 году он получил Нобелевскую премию по физике за свою новаторскую теорию, которая проложила путь к тридцатилетнему усовершенствованному вкладу коллег-ученых.

Альберт Эйнштейн был еще одним влиятельным лицом в области квантовой физики. В 1905 году он предположил, что квантованием подвергается не только энергия, но и само излучение. В 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул идею о том, что состав и поведение энергии и материи не разделены какими-либо фундаментальными различиями, и оба могут вести себя так, как будто они состоят из частиц или волн при наблюдении на атомных и субатомных объектах. уровни.Подайте сигнал к появлению «принципа теории дуальности волна-частица». Немецкий физик-теоретик Вернер Гейзенберг был еще одним пионером, внесшим новаторский вклад, предположив, что невозможно проводить точные одновременные измерения двух дополнительных величин. Этот принцип получил известность как принцип неопределенности и послужил источником вдохновения для печально известного комментария Альберта Эйнштейна: «Бог не играет в кости».

От самой квантовой теории отходят два основных выражения, известных как копенгагенская интерпретация и теория многих миров.Первый был выдвинут Нильсом Бором, а второй — такими, как Стивен Хокинг и покойный Ричард Фейнман.

Помимо квантовой физики, теория квантовой химии также является ключевой частью современной науки. «Молекулярно-вращательная резонансная спектроскопия — хиральный анализ без хроматографии» утверждает, что для достижения прогресса сообществу вращательной спектроскопии необходимо подтвердить использование квантовой химии как метода точного расчета молекулярных параметров.

10 невероятных вещей, которые вы должны знать о квантовой физике

1. Квантовый мир комковат

Квантовый мир имеет много общего с обувью. Вы не можете просто пойти в магазин и выбрать кроссовки, которые точно подходят вашей ноге. Вместо этого вам придется выбирать между парами заранее определенных размеров.

Субатомный мир похож. Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию за доказательство квантования энергии.Так же, как вы можете купить обувь только в количестве, кратном половине размера, так и энергия поступает только в количестве, кратном одним и тем же «квантам» — отсюда и название квантовой физики.

Кванты здесь — это постоянная Планка , названная в честь Макса Планка, крестного отца квантовой физики. Он пытался решить проблему с нашим пониманием горячих объектов, таких как солнце. Наши лучшие теории не могли соответствовать наблюдениям за выбросом энергии. Предложив квантовать энергию, он смог аккуратно привести теорию в соответствие с экспериментом.

2. Что-то может быть одновременно волной и частицей

Дж. Дж. Томсон получил Нобелевскую премию в 1906 году за открытие, что электроны являются частицами. И все же его сын Джордж в 1937 году получил Нобелевскую премию за то, что показал, что электроны — это волны. Кто был прав? Ответ — оба. Эта так называемая дуальность волна-частица является краеугольным камнем квантовой физики. Это относится как к свету, так и к электронам.Иногда полезно думать о свете как об электромагнитной волне, но в других случаях более полезно представить его в форме частиц, называемых фотонами.

Телескоп может фокусировать световые волны от далеких звезд, а также действует как гигантское световое ведро для сбора фотонов. Это также означает, что свет может оказывать давление, когда фотоны врезаются в объект. По словам Расти Швейкарта, председателя B612 Foundation, это то, что мы уже используем для приведения в движение космических кораблей с солнечными парусами, и, возможно, удастся использовать это, чтобы увести опасный астероид с курса столкновения с Землей .

3. Объекты могут находиться в двух местах одновременно

Дуальность волна-частица является примером суперпозиции . То есть квантовый объект существует сразу в нескольких состояниях. Например, электрон одновременно находится «здесь» и «там». Только после того, как мы проведем эксперимент, чтобы выяснить, где именно оно укладывается в одно или другое.

Таким образом, квантовая физика основана на вероятностях. Мы можем сказать, в каком состоянии объект, скорее всего, находится, только посмотрев. Эти шансы заключены в математическую единицу, называемую волновой функцией. Говорят, что выполнение наблюдения «схлопывает» волновую функцию, разрушает суперпозицию и переводит объект только в одно из множества возможных состояний.

Эта идея лежит в основе известного мысленного эксперимента с котом Шредингера . Судьба кота в запечатанном ящике связана с квантовым устройством.Поскольку устройство существует в обоих состояниях, пока не будет произведено измерение, кошка одновременно жива и мертва, пока мы не посмотрим.

4. Это может привести нас к мультивселенной

Идея о том, что наблюдение коллапсирует волновую функцию и вынуждает сделать квантовый «выбор», известна как копенгагенская интерпретация квантовой физики. Однако это не единственный вариант на столе.Сторонники интерпретации «множества миров» утверждают, что никакого выбора здесь нет. Вместо этого в момент проведения измерения реальность распадается на две копии самой себя: в одной мы переживаем результат A, а в другой видим, как разворачивается результат B. Это решает сложную проблему необходимости наблюдателя, чтобы что-то происходило — собака считается наблюдателем или роботом?

Вместо этого, что касается квантовой частицы, есть только одна очень странная реальность, состоящая из множества запутанных слоев.По мере того, как мы приближаемся к более крупным масштабам, с которыми мы сталкиваемся изо дня в день, эти слои распутываются в миры теории многих миров . Физики называют этот процесс декогеренцией.

5. Это помогает нам характеризовать звезды

Датский физик Нильс Бор показал нам, что орбиты электронов внутри атомов также квантуются.Они бывают заранее определенных размеров, называемых уровнями энергии. Когда электрон падает с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень, он излучает фотон с энергией, равной размеру зазора. Точно так же электрон может поглотить частицу света и использовать свою энергию для прыжка на более высокий энергетический уровень.

Астрономы постоянно используют этот эффект. Мы знаем, из чего состоят звезды, потому что, когда мы разбиваем их свет на спектр, подобный радуге, мы видим отсутствующие цвета. Различные химические элементы имеют разное расстояние между уровнями энергии, поэтому мы можем определить составные части солнца и других звезд по точным цветам, которые отсутствуют.

6. Без него солнце не светило бы

Солнце вырабатывает энергию посредством процесса, называемого ядерным синтезом. Он включает в себя слипание двух протонов — положительно заряженных частиц в атоме. Однако их одинаковые заряды заставляют их отталкивать друг друга, как два северных полюса магнита. Физики называют это кулоновским барьером, и это похоже на стену между двумя протонами.

Думайте о протонах как о частицах, и они просто сталкиваются со стеной и расходятся: ни термоядерного синтеза, ни солнечного света. Но подумайте о них как о волнах, и это совсем другая история. Когда гребень волны достигает стены, передний край уже прошел. Высота волны показывает, где, скорее всего, будет находиться протон. Так что, хотя это вряд ли будет там, где находится передняя кромка, иногда оно есть. Это как если бы протон прорвался сквозь барьер, и произошло слияние. Физики называют этот эффект «квантовым туннелированием».

7. Он предотвращает коллапс мертвых звезд.

В конце концов термоядерный синтез на Солнце прекратится, и наша звезда умрет. Гравитация победит, и солнце рухнет, но не бесконечно. Чем меньше он становится, тем больше материала скручивается. В конце концов в игру вступает правило квантовой физики, называемое принципом исключения Паули. Это говорит о том, что определенным видам частиц, таким как электроны, запрещено существовать в одном и том же квантовом состоянии.Когда гравитация пытается сделать именно это, она встречает сопротивление, которое астрономы называют давлением вырождения. Коллапс прекращается, и формируется новый объект размером с Землю, называемый белым карликом.

Однако давление вырождения не может оказать такого большого сопротивления. Если белый карлик вырастает и приближается к массе, равной 1,4 солнцу, он запускает волну слияния, которая разносит его на куски. Астрономы называют этот взрыв сверхновой типа Ia , и он достаточно яркий, чтобы затмить всю галактику.

8.Это заставляет черные дыры испаряться.

Наша лучшая теория происхождения Вселенной — это Большой взрыв . Тем не менее, в 1980-х годах она была изменена, и в нее была включена другая теория под названием инфляция . За первую триллионную триллионную триллионную долю секунды космос увеличился от размера меньше атома до размера грейпфрута.В 78 раз больше. Раздувание эритроцита на такое же количество сделало бы его больше, чем вся наблюдаемая сегодня Вселенная.

Поскольку изначально она была меньше атома, в молодой Вселенной доминировали квантовые флуктуации, связанные с принципом неопределенности Гейзенберга. Инфляция заставила Вселенную быстро расти, прежде чем эти колебания успели исчезнуть. Эта концентрированная энергия в одних областях, а не в других — то, что, по мнению астрономов, действовало как семена, вокруг которых мог собираться материал, чтобы сформировать скопления галактик, которые мы наблюдаем сейчас.

10. Это более чем немного «жутко»

Эйнштейн не только помог доказать, что свет является квантовым, но и высказался в пользу другого эффекта, который он назвал «жутким действием на расстоянии». Сегодня мы знаем, что эта «квантовая запутанность» реальна, но до сих пор не до конца понимаем, что происходит. Допустим, мы сближаем две частицы таким образом, что их квантовые состояния неумолимо связаны или запутываются.Один находится в состоянии A, а другой — в состоянии B.

Принцип исключения Паули гласит, что они не могут оба находиться в одном и том же состоянии. Если мы изменим одно, другое мгновенно изменится, чтобы компенсировать. Это происходит, даже если мы отделим две частицы друг от друга на противоположных сторонах Вселенной. Как если бы информация о внесенных нами изменениях передавалась между ними со скоростью, превышающей скорость света, что, по словам Эйнштейна, невозможно.