fizica cuantică este, de obicei, doar intimidantă de la început. Este un fel de ciudat și poate părea contra-intuitiv, chiar și pentru fizicienii care se ocupă cu ea în fiecare zi. Dar nu este de neînțeles. Dacă citiți ceva despre fizica cuantică, există într-adevăr șase concepte cheie despre aceasta pe care ar trebui să le țineți cont. Fă asta și vei găsi fizica cuantică mult mai ușor de înțeles.totul este făcut din valuri; de asemenea, particule
lumina ca o particulă și o undă., (Credit imagine: Fabrizio Carbone / EPFL)
există o mulțime de locuri pentru a începe acest tip de discuție, iar acest lucru este la fel de bun ca oricare: totul în univers are atât natura particulelor, cât și a undelor, în același timp. Există o linie în Duologia fantastică a lui Greg Bear (The Infinity Concerto and the Serpent Mage), unde un personaj care descrie elementele de bază ale magiei spune: „totul este valuri, fără nimic fluturând, pe nicio distanță.”Întotdeauna mi-a plăcut foarte mult ca o descriere poetică a fizicii cuantice– în adâncul sufletului, totul în univers are natura valurilor.,desigur, totul în univers are și natura particulelor. Acest lucru pare complet nebunesc, dar este un fapt experimental, elaborat printr-un proces surprinzător de familiar:
(există și o versiune animată a acestui lucru pe care am făcut-o pentru TED-Ed).desigur, descrierea obiectelor reale ca particule și valuri este în mod necesar oarecum imprecisă., La drept vorbind, obiectele descrise de fizica cuantică nu sunt nici particule, nici valuri, dar o a treia categorie care împărtășește unele proprietăți ale undelor (o caracteristică de frecvență și lungime de undă, unele răspândite în spațiu) și unele proprietăți ale particulelor (în general ele sunt numărabile și pot fi localizate la un anumit grad)., Acest lucru duce la unele dezbateri aprinse în educație fizică comunitate despre dacă este într-adevăr potrivit pentru a vorbi despre lumina ca o particulă în intro cursuri de fizica; nu pentru că există controverse dacă lumina a o particulă de natură, ci pentru că de asteptare fotoni „particule” mai degrabă decât „excitații de un câmp cuantic” ar putea duce la un student de concepții greșite. Tind să nu fiu de acord cu acest lucru, deoarece multe dintre aceleași preocupări ar putea fi ridicate cu privire la apelarea electronilor „particule”, dar creează o sursă fiabilă de conversații pe blog.,această natură „ușa numărul trei” a obiectelor cuantice se reflectă în limbajul uneori confuz pe care fizicienii îl folosesc pentru a vorbi despre fenomenele cuantice. Bosonul Higgs a fost descoperit la Large Hadron Collider ca particulă, dar veți auzi, de asemenea, fizicienii vorbind despre „câmpul Higgs” ca un lucru delocalizat care umple tot spațiul., Acest lucru se întâmplă pentru că, în unele circumstanțe, cum ar fi experimente cu acceleratoare, este mai convenabil pentru a discuta despre excitații câmpului Higgs într-un mod care subliniază particule-cum ar fi caracteristicile, în timp ce în alte circumstanțe, cum ar fi dezbateri generale, de ce anumite particule au masă, este mai convenabil pentru a discuta despre fizica în termeni de interacțiuni cu un univers-completarea câmpului cuantic. Este doar un limbaj diferit care descrie același obiect matematic.,
fizica cuantică este discretă
aceste oscilații au creat o imagine a luminii „înghețate”. (Credit: Princeton)
este chiar acolo în nume– cuvântul „cuantic” vine din latină pentru „cât de mult” și reflectă faptul că modelele cuantice implică întotdeauna ceva care vine în cantități discrete. Energia conținută într-un câmp cuantic vine în multipli întregi ai unei energii fundamentale., Pentru lumină, aceasta este asociată cu frecvența și lungimea de undă a luminii – lumina de înaltă frecvență, cu lungime de undă scurtă are o energie caracteristică mare, care lumina de joasă frecvență, cu lungime de undă lungă are o energie caracteristică mică.
în ambele cazuri, totuși, energia totală conținută într-un anumit câmp de lumină este un multiplu întreg al acelei energii-1, 2, 14, 137 ori-niciodată o fracțiune ciudată ca unu și jumătate, π sau rădăcina pătrată a doi., Această proprietate este, de asemenea, văzută în nivelurile discrete de energie ale atomilor și benzile de energie ale solidelor-anumite valori ale energiei sunt permise, altele nu. Ceasurile atomice funcționează din cauza discreției fizicii cuantice, folosind frecvența luminii asociată cu o tranziție între două stări permise în cesiu pentru a menține timpul la un nivel care necesită mult discutatul „salt al doilea” adăugat săptămâna trecută.spectroscopia Ultra-precisă poate fi, de asemenea, utilizată pentru a căuta lucruri precum materia întunecată și face parte din motivația unui institut de fizică fundamentală cu consum redus de energie.,
acest lucru nu este întotdeauna evident-chiar și unele lucruri care sunt fundamental cuantice, cum ar fi radiația corpului negru, par să implice distribuții continue. Dar există întotdeauna un fel de granularitate la realitatea de bază dacă sapi în matematică, și că este o mare parte din ceea ce duce la ciudățenia teoriei.,unul dintre cele mai surprinzătoare și (istoric, cel puțin) controversate aspecte ale fizicii cuantice este că este imposibil să se prevadă cu certitudine rezultatul unui singur experiment pe un sistem cuantic., Când fizicienii prezic rezultatul unui experiment, predicția ia întotdeauna forma unei probabilități pentru găsirea fiecăruia dintre rezultatele posibile, iar comparațiile dintre teorie și experiment implică întotdeauna deducerea distribuțiilor de probabilitate din multe experimente repetate.descrierea matematică a unui sistem cuantic ia de obicei forma unei „funcții de undă”, reprezentată în general în ecuații prin litera greacă psi: Ψ., Există o mulțime de dezbatere cu privire la ce, mai exact, această undă reprezintă, de rupere în jos în două mari tabere: cei care cred că de undă ca o adevărată lucru fizic (jargonul termen lung pentru aceste este „ontic” teorii, ceea ce duce unele spiritual persoană la dub susținătorii lor „psi-ontologists”) și cei care cred că de undă ca fiind doar o expresie a cunoașterii noastre (sau lipsa acestora) în ceea ce privește fond al sistemului de stat de un anumit obiect cuantice („epistemice” teorii).,
În oricare dintre clase fundamentale de model, probabilitatea de a găsi un rezultat nu este dat direct de undă, dar de metri de undă (în linii mari vorbind, oricum; de unda este un complex obiect matematic (în sensul că implică numere imaginare ca radical din minus unu), iar operațiunea de a obține probabilitatea este mai puțin implicat, dar „piața de undă” este suficient pentru a obține o idee de bază)., Aceasta este cunoscută sub numele de” regula născută ” după fizicianul German Max Born, care a sugerat pentru prima dată acest lucru (într-o notă de subsol la o lucrare din 1926) și lovește unii oameni ca o adăugare urâtă ad-hoc. Există un efort activ în unele părți ale comunității quantum foundations pentru a găsi o modalitate de a deriva regula născută dintr-un principiu mai fundamental; până în prezent, niciunul dintre acestea nu a avut succes pe deplin, dar generează multă știință interesantă.
acesta este, de asemenea, aspectul teoriei care duce la lucruri precum particulele fiind în mai multe stări în același timp., Tot ce putem prezice este probabilitatea, și înainte de o măsurare care determină un anumit rezultat, sistemul fiind măsurat este într-o stare nedeterminată care hărți matematic la o suprapunere a tuturor posibilităților cu probabilități diferite., Dacă considerați acest lucru ca de fapt sistemul fiind în toate statele de la o dată, sau doar într-o singură necunoscută de stat depinde în mare măsură de sentimentele tale despre ontic versus modele epistemice, deși ambele sunt supuse unor constrângeri la următorul punct de pe listă:
Fizica Cuantică Este Non-Locale
Un experiment de teleportare cuantică în acțiune. (Credit: Iqoqi/Viena)
Ultima mare contribuție a lui Einstein la fizică nu a fost recunoscută pe scară largă ca atare, mai ales pentru că a greșit., Într-o lucrare din 1935 cu colegii săi mai tineri Boris Podolsky și Nathan Rosen („hârtia EPR”), Einstein a oferit o declarație matematică clară a ceva care îl deranja de ceva timp, o idee pe care o numim acum „entanglement.”
lucrarea EPR a susținut că fizica cuantică a permis existența unor sisteme în care măsurătorile efectuate în locații larg separate ar putea fi corelate în moduri care au sugerat că rezultatul unuia a fost determinat de celălalt., Ei au susținut că acest lucru înseamnă că rezultatele măsurătorilor trebuie determinate în avans, printr-un factor comun, deoarece alternativa ar necesita transmiterea rezultatului unei măsurători către locația celeilalte la viteze mai mari decât viteza luminii., Astfel, mecanica cuantică trebuie să fie incompletă, o simplă aproximare a unei teorii mai profunde (o teorie” variabilă ascunsă locală”, una în care rezultatele unei anumite măsurători nu depind de nimic mai departe de locația de măsurare decât un semnal ar putea călători cu viteza luminii („local”), ci sunt determinate de un factor comun ambelor sisteme într-o pereche încurcată („variabila ascunsă”)).,
Acest lucru a fost privit ca o notă de subsol ciudat timp de aproximativ treizeci de ani, deoarece nu părea să existe nici o modalitate de a testa, dar la mijlocul anilor 1960 fizicianul irlandez John Bell a elaborat consecințele lucrării EPR în detaliu. Bell a arătat că puteți găsi circumstanțe în care mecanica cuantică prezice corelații între măsurătorile îndepărtate care sunt mai puternice decât orice teorie posibilă a tipului preferat de E, P și R., Acest lucru a fost testat experimental în mijlocul anilor 1970 de către John Clauser, și o serie de experimente de Alain Aspect la începutul anilor 1980 este considerat a fi definitiv arătat că aceste încurcate sisteme nu pot fi explicate prin orice local teoria variabilei ascunse.cea mai obișnuită abordare a înțelegerii acestui rezultat este aceea de a spune că mecanica cuantică este non-locală: că rezultatele măsurătorilor efectuate într-o anumită locație pot depinde de proprietățile obiectelor îndepărtate într-un mod care nu poate fi explicat folosind semnale care se deplasează cu viteza luminii., Totuși, acest lucru nu permite trimiterea de informații la viteze care depășesc viteza luminii, deși au existat numeroase încercări de a găsi o modalitate de a utiliza Quantum non-localitate pentru a face acest lucru. Respingerea acestora s-a dovedit a fi o întreprindere surprinzător de productivă-verificați modul în care hippii au salvat fizica lui David Kaiser pentru mai multe detalii. Non-localitatea cuantică este, de asemenea, esențială pentru problema informațiilor în evaporarea găurilor negre și controversa „firewall” care a generat o mulțime de activități recente., Există chiar și câteva idei radicale care implică o legătură matematică între particulele încurcate descrise în hârtia EPR și găurile de vierme.fizica cuantică este (în mare parte) foarte mică
imagini ale unui atom de hidrogen așa cum se vede printr-un telescop cuantic. (Credit: Stodolna și colab. Fiz. Rev…. Lett.fizica cuantică are reputația de a fi ciudată, deoarece predicțiile sale sunt dramatic diferite de experiența noastră de zi cu zi (cel puțin, pentru oameni-concepția cărții mele este că nu pare atât de ciudat pentru câini)., Acest lucru se întâmplă deoarece efectele implicate devin mai mici pe măsură ce obiectele devin mai mari– dacă doriți să vedeți un comportament cuantic fără echivoc, practic doriți să vedeți particule care se comportă ca niște unde, iar lungimea de undă scade pe măsură ce impulsul crește. Lungimea de undă a unui obiect macroscopic ca un câine care traversează camera este atât de ridicol de mică încât dacă ai extinde totul astfel încât un singur atom din cameră să fie de dimensiunea întregului sistem Solar, lungimea de undă a câinelui ar fi cam de dimensiunea unui singur atom din acel sistem solar.,aceasta înseamnă că, în cea mai mare parte, fenomenele cuantice sunt limitate la scara atomilor și a particulelor fundamentale, unde masele și vitezele sunt suficient de mici pentru ca lungimile de undă să devină suficient de mari pentru a observa direct. Există un efort activ într-o grămadă de domenii, totuși, pentru a împinge dimensiunea sistemelor care prezintă efecte cuantice până la dimensiuni mai mari., Am vorbit o grămadă despre experimentele de Markus Arndt grup arată val-ca un comportament în mare și molecule mai mari, și există o grămadă de grupuri în „cavitatea opto-mecanica” încercarea de a folosi lumina pentru a încetini mișcarea de bucăți de silicon jos la punctul unde discrete naturii cuantice de mișcare va deveni clar. Există chiar și unele sugestii că ar putea fi posibil să se facă acest lucru cu oglinzi suspendate având mase de câteva grame, care ar fi uimitor de cool.,fizica cuantică nu este magică
Comic din „supraviețuirea lumii” de Dante Shepherd. (http://survivingtheworld.net/Lesson1518.html )… Folosit cu permisiune.punctul anterior conduce foarte natural în acesta: oricât de ciudat ar părea, fizica cuantică nu este cel mai puternic magie. Lucrurile pe care le prezice sunt ciudate de standardele fizicii de zi cu zi, dar sunt riguros constrânse de reguli și principii matematice bine înțelese.,deci, dacă cineva vine la tine cu o idee” cuantică ” care pare prea bună pentru a fi adevărată– energie liberă, puteri mistice de vindecare, unități spațiale imposibile– aproape sigur este. Asta nu înseamnă că nu putem folosi fizica cuantică pentru a face lucruri uimitoare– puteți găsi unele fizica foarte cool în tehnologia lumesc– dar aceste lucruri stau bine în limitele legilor termodinamicii și doar bun simț de bază.deci, nu-l ai: esențiale de bază ale fizicii cuantice., Probabil că am lăsat câteva lucruri sau am făcut câteva declarații care nu sunt suficient de precise pentru a mulțumi pe toată lumea, dar acest lucru ar trebui să servească cel puțin ca un punct de plecare util pentru discuții ulterioare.