Загадки квантовой физики

Загадка наблюдателя: 5 знаменитых квантовых экспериментов

Загадки квантовой физики

Неизвестно, кто впервые задумался над тем, что если пилить материю на мелкие части неограниченно долго, то рано или поздно дойдёшь до мельчайшей неделимой частицы.

Знаем мы лишь то, что был один Древний грек по имени Демокрит, который в свою защиту на судебном процессе по поводу растраты наследства читал отрывки из своего произведения «Мирострой», за что был почему-то оправдан. Суд посчитал, что деньги были потрачены не зря.

Во всяком случае, именно ему мы обязаны тем, что та самая мельчайшая частица теперь называется «атом» (ἄτομος по-гречески «неделимый»).

Вопрос оставался чисто философским ещё 22 столетия, пока в 1803 году англичанин Джон Дальтон, не заметил, что расход вещества в химических реакциях всегда кратен целым числам («Кислород может соединяться с определённым количеством азота, или уже с удвоенным таким же, но не может быть какого-либо промежуточного значения количества вещества»), что свидетельствовало о том, что всё состоит из мельчайших неделимых кусочков – атомов, причём, он же первый показал, что атомы разных элементов имеют разный вес.

В 19 веке не было телевизора, поэтому люди старательно пытались его изобрести, для этого они занимались странными вещами – они откачивали воздух из стеклянной трубки с запаянными внутрь металлическими пластинами, затем пропускали по ним электричество. Разреженный газ в трубке начинал светиться. Долго думали, что бы это значило. Кто-то говорил, что это «лучистая материя», кто-то – «эфирные волны»…

Так бы и спорили, пока в 1897 году ещё один англичанин Джозеф Томсон не догадался поставить рядом магнит, и не увидел, что луч отклоняется.

Он прикинул, какой массой должна обладать частица, отклоняющаяся на заданное расстояние при известной силе магнита. Оказалось, что она весит в ~1800 раз меньше, чем масса легчайшего известного атома – водорода.

Так был открыт электрон – первая субатомная частица. Разумеется, слово атом (неделимый, ха!) менять уже не стали.

Томсон предложил идею сливового пудинга – есть положительно заряженное что-то, а в него понатыканы открытые им электроны:

Тем временем в Германии…

Картинка в первой лучевой трубке (ага, телевизоре) была «не ахти», но это всё равно было лучше, чем ничего, рассудил немец Вильгельм Конрад Рентген, и подставил под катодные лучи руку своего знакомого, получив первый в мире рентгеновский снимок:

Рентген позанимался новой игрушкой год, да и забросил. Интересующимся он отвечал: «Я уже всё написал (про Х-лучи), не тратьте зря время».

Но француз Антуан Анри Беккерель не унимался. Ему пришла в голову мысль: не сопровождается ли всякая люминесценция рентгеновскими лучами? Для проверки своей догадки он взял несколько соединений, в том числе одну из солей урана, фосфоресцирующую жёлто-зелёным светом.

Осветив её солнечным светом, он завернул соль в чёрную бумагу и положил в тёмном шкафу на фотопластинку, тоже завёрнутую в чёрную бумагу. Через некоторое время, проявив пластинку, Беккерель действительно увидел изображение куска соли.

Но люминесцентное излучение не могло пройти через чёрную бумагу, и только рентгеновские лучи могли в этих условиях засветить пластинку. Беккерель повторил опыт несколько раз и с одинаковым успехом.

2 марта 1896 Беккерель доложил об этом открытии на заседании Парижской Академии наук, озаглавив свою работу «О невидимой радиации, производимой фосфоресцирующими телами».

«Хм, а это занятно», подумал английский новозеландец (или новозеландский англичанин) Эрнест Резерфорд (по прозвищу «Крокодил», нет, правда, так его называл советский физик Пётр Капица, который у него работал), подумал, да и пропустил радиоактивный поток через магнитное поле:

1 — радиоактивный препарат, 2 — свинцовый цилиндр, 3 — фотопластинка.

На фотографии он увидел, что пучок распадался на три части. Две составляющие первичного излучения отклонялись в противоположные стороны, что указывало на наличие у них зарядов противоположных знаков. Третья составляющая сохраняла прямолинейность распространения.

Излучение, обладающее положительным зарядом, получило название альфа-лучи, отрицательным — бета-лучи, нейтральным — гамма-лучи. Но это сейчас не важно.

Важно то, что, помимо всего прочего, он дал позабавиться своим лаборантам Эрнсту Марсдену и Хансу Гейгеру (тому самому, которым ещё счётчик назвали) с золотой фольгой, и вот что получилось:

Ждали, что альфа-частицы будут беспрепятственно проходить сквозь фольгу, однако они то и дело отскакивали.

Необъяснимое, количество альфа-частиц рассеивалось на большие углы, что свидетельствовало о том, что центр рассеяния имеет небольшие размеры, в нём сосредоточен значительный электрический заряд и масса атома. Это неспроста, подумал Резерфорд, и начал считать.

Получилось, что внутри атома электроны, стало быть, не плавают в положительно заряженном тумане, а болтаются вокруг крохотного ядра. Это было в 1913 году.

Резерфорд продолжал опыты и к 1919 году, стреляя альфа-частицами в воздух, смог доказать, что так или иначе, ядро атома водорода присутствует во всех других атомах.

Это была первый задокументированный случай в истории ядерной реакции, проведённой человеком. Поскольку в воздухе полно азота, альфа-частица попадала в атом азота, превращая его в атом кислорода 17.

Замечательным было то, что от удара из атома вылетало ещё и ядро атома водорода, который назвали протон (греч. πρῶτος — первый, основной).

¹⁴N + α → ¹⁷O + p

Ну, и именно благодаря Резерфорду мы теперь имеем вот это:

Иначе говоря «Планетарная модель атома», которая устарела, не успев появиться на свет. Но и теперь, спустя 100 с лишним лет, когда кому-то надо нарисовать атом, рисуют вот эти вот три овальчика. В этой модели вокруг центрального и относительно маленького положительно-заряженного ядра подобно планетам вращались отрицательно-заряженные электроны.

Но что-то по-прежнему не сходилось. Атомы имели нейтральный электрический заряд, а если просто сложить массы протонов так, чтобы их заряд уравновешивал заряд электронов, то атомы должны были быть гораздо легче. Это не соотносилось с атомными весами элементов, которые были известны уже под сотню лет, со времён Дальтона.

Интрига тянулась до 1932 года, когда англичанин Джеймс Чедвик подтвердил существование последней составляющей атома – нейтрона, но это уже совсем другая история.

Вообще сам Резерфорд понимал, что не всё так гладко с его моделью. Если б всё было так, то непонятно, почему электрон не падает на ядро, ведь, двигаясь по «орбите» (а это движение с ускорением), электрон должен был терять кинетическую энергию и испускать фотоны…

Тут нужно сказать, что незадолго до этого момента Макс Планк наделал много шума со своими квантами. Он предположил, что свет (электромагнитное излучение) может передаваться не как угодно, а лишь определёнными порциями «квантами».

Так он придумал константу имени себя h, которая связывала энергию световой частицы (фотона) с его частотой. Заметили? У частицы появилась частота, как у волны.

Ну, и как бы намекнул, что фотон – это и частица и волна одновременно.

На сцене появляется ещё один человек – Нильс Бор, сын банкира, брат серебряного финалиста сборной Дании по футболу на Олимпиаде 1908 г., да и сам футболист. Его рассуждения были просты – надо не отрицать очевидное, а смириться с ним. Раз атом стабилен, значит, электроны, находясь на определённых «орбитах», стабильны и не излучают.

Слева свет беспрепятственно попал на призму и разделился на непрерывный спектр. Справа сверху свет проходит сквозь облако газа, и спектр получился с тёмными полосками (часть световых волн была поглощена).

Снизу газ уже не подсвечивается, по мере того, как газ остывает, мы увидим отдельные цветные полоски – это фотоны, которые излучает остывающий газ.

Думаю, все видели, как светится нагретый кусок металла, здесь природа такая же.

Ещё покрутив туда-сюда формулы, Бор так же обнаружил, что электроны могут иметь только такую энергию, при которой их момент импульса равен только целому числу констант Планка. То есть, рассудил Бор, электрон может иметь только определённые, «разрешённые» уровни энергий.

Если электрон встречается с фотоном нужной энергии (с нужной длиной волны), он сможет его поглотить и перескочить «вверх» на следующий уровень, а если энергии будет чуть больше или чуть меньше, то ничего не произойдёт.

И наоборот, поскольку электрон может перескочить только на «разрешённый» уровень, значит, и отдать он должен фотон лишь определённой энергии (частоты):

Если посмотреть на спектры эмиссии и поглощения водорода, можно будет рассчитать уровни энергии для всех возможных переходов с уровня на уровень для любого атома. Внизу на картинке – пример с водородом:

Модель Бора отличалась от модели Резерфорда лишь «закреплением» определённых «разрешённых уровней возбуждения, однако объяснить природу подобных запретов она не смогла.

Не была эта модель и универсальной: для атомов, похожих на водород, она ещё могла предсказать их строение, которое соотносилась с экспериментальными данными, однако для других атомов, предсказания по модели Бора серьёзно отличались от данных, полученных на спектрометре.

А разгадка одна – Бор пользовался классической теорией Максвелла, и не догадался применить квантование на массивные частицы (так как это сделал Планк для фотонов – частиц, не имеющих массы)…

А вот француз Луи Де Бройль смог!

И вот, что он придумал – он сказал, «пусть электрон тоже будет волной»! Тогда получается всё просто, никто электронам ничего не разрешает и не запрещает, просто на «орбите» должно вместиться целое число волн:

От Де Бройля действительно потребовались чудеса нестандартного мышления, чтобы в то время приписать волновые свойства электрону – явно частице, имеющей массу и заряд.

Но и его модель атома страдала той же проблемой – почему отрицательный электрон просто не «падает» на положительное ядро? В рамках классического механики, подобное движение по «орбите» непременно должно было заставить электроны отдать всю свою энергию и упасть.

Ответ стал очевидным в 1926 году для австрийца Эрвина Шрёдингера – наверное, этого не происходит потому, что никаких «орбит» не существует, а электроны не вращаются! Если электроны – это волны, причём такие, которые могут «квантоваться», то есть существовать лишь определёнными «порциями», то почему бы нам не воспринимать вообще ВСЕ известные частицы как волны?

Раз так, нам понадобится какое-то новое уравнение вместо уравнений Ньютона, которое смогло бы помочь предсказать их поведение. Что-то вроде уравнений Максвелла, только для всех частиц!

Мы назовём нашу волновую функцию ψ Мы возьмём полную энергию частицы H, которую назовём Гамильтониан (Hamiltonian) и посмотрим, как она изменяется за время t:

Это уравнение будет содержать все волновые формы частицы. Собственно, это и есть знаменитое уравнение Шрёдингера в его наиболее общей форме.

Внимание, ОБМАН! Картинка с волнистыми траекториями не отражает действительное положение вещей и всё сильно упрощает. Никаких волнистых траекторий электрон на самом деле не описывает. А что же тогда «волнуется», что это за волны такие?

На что немец Макс Борн в том же 1926 году со всей ответственностью заявил: это волны вероятности! Вероятность нахождения электрона в том или ином месте.

Здесь необходимо вспомнить отца квантовой механики Вернера Гейзенберга и его принцип неопределённости (ссылка на пост про него) – если вы знаете импульс частицы (куда она летит), вы не знаете, где она находится, если же вы знаете её месторасположение, вы не знаете её импульса. Все промежуточные состояния можно оценить только с определённой ВЕРОЯТНОСТЬЮ.

В конечном счёте мы приходим к неутешительному выводу, атом может выглядеть практически как угодно. На рисунке ниже показаны все возможные конфигурации нахождения электрона в простейшем атоме водорода. Более ярким цветом выделены области, где вы с наибольшей вероятностью сможете найти электрон, однако это не значит, что он там есть.

Источник: https://pikabu.ru/story/zagadka_nablyudatelya5_znamenityikh_kvantovyikh_yeksperimentov_5285425

10 загадок из области физики, разгадка которых интересна не только учёным

Загадки квантовой физики

Получайте на почту один раз в сутки одну самую читаемую статью. Присоединяйтесь к нам в и ВКонтакте.

Квантовая физика — вопросов больше чем ответов…
Научная фантастика – яркое подтверждение тому, что физика может быть интересна не только учёным, но и людям далёким от исследовательских лабораторий.

Конечно, в книгах и фильма не рассказывают о научных теориях, а точнее подают физические факты занимательно и интересно. В этом обзоре десятка загадок из области физики, которые учёным ещё предстоит объяснить.

Нерешенная задача: откуда происходят космические лучи сверхвысоких энергий?

Атмосфера Земли постоянно бомбардируется высокоэнергетическими частицами из космоса, которые называются « космическими лучами». Хотя они не наносят большого вреда людям, физики просто очарованы ими. Наблюдение за космическими лучами многому научило ученых об астрофизике и физике частиц.

Но есть лучи, которые остаются загадкой по сей день. В 1962 году, во время эксперимента Volcano Ranch, Джон Д. Линсли и Ливио Скарси увидели нечто невероятное: космический луч сверхвысокой энергии с энергией более 16 джоулей.

Чтобы наглядно объяснить сколько это, можно привести следующий пример: один джоуль — это количество энергии, необходимое для поднятия яблока с пола на стол. Вся эта энергия была сосредоточена, однако, в частице в сто миллионов миллиардов раз меньше, чем яблоко.

Физики без малейшего понятия, как эти частицы получают подобное невероятное количество энергии.

Нерешенная задача: у Вселенной инфляционная модель?

Вселенная удивительно равномерная в больших масштабах. Так называемый «космологический принцип» гласит, что куда бы ни отправиться во Вселенной, в среднем везде будет примерно одинаковое количество материала.

Но теория Большого Взрыва предполагает, что во время зарождения Вселенной должны были наблюдаться большие различия в плотности. Таким образом, она была намного менее однородная, чем Вселенная сегодня.

Инфляционная модель предполагает, что Вселенная, которую все видят сегодня, происходит из крошечного объема ранней Вселенной. Этот маленький объем внезапно и быстро расширился, намного быстрее, чем Вселенная расширяется сегодня.

Грубо говоря, это выглядело так, будто воздушный шарик внезапно надули воздухом. Хотя это объясняет, почему сегодня Вселенная более однородная, физики все еще не знают, что вызвало это «надутие».

Нерешенная задача: можно ли найти темную энергию и темную материю?

Это удивительный факт: только около 5 процентов Вселенной состоит из того, что люди могут видеть. Несколько десятилетий назад физики заметили, что звезды на внешних краях галактик вращаются вокруг центра этих галактик быстрее, чем прогнозировалось.

Чтобы объяснить это, ученые предположили, что в этих галактиках может быть какая-то невидимая «темная» материя, которая заставила звезды вращаться быстрее.

После появления этой теории дальнейшие наблюдения расширяющейся Вселенной привели к тому, что физики пришли к выводу: темной материи должно быть в пять раз больше, чем все, что могут видеть люди (т. е. обычной материи). Наряду с этим, ученые знают, что расширение Вселенной действительно ускоряется.

Это странно, потому что стоило бы ожидать, что гравитационное притяжение материи («обычной» и «темной») замедлит расширение Вселенной. Чтобы объяснить, что же уравновешивает гравитационное притяжение материи, ученые предположили существование «темной энергии», которая способствует расширению Вселенной.

Физики полагают, что по меньшей мере 70 процентов Вселенной находится в форме «темной энергии». Тем не менее по сей день частицы, составляющие темную материю, и поле, которое составляет темную энергию, никогда непосредственно не наблюдались в лаборатории. По сути, ученые ничего не знают о 95 процентах Вселенной.

Нерешенная задача: что находится в сердце черной дыры?

Черные дыры — одни из самых знаменитых объектов в астрофизике. Их можно описать их как области пространства-времени с такими сильными гравитационными полями, что изнутри даже не может пробиться свет.

С тех пор как Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности доказал, что гравитация «искривляет» пространство и время, ученые знают, что свет не защищен от гравитационных эффектов.

Фактически, теория Эйнштейна была доказана во время солнечного затмения, которое продемонстрировало, что гравитация Солнца отклоняет лучи света, идущие от далеких звезд. С тех пор наблюдалось много черных дыр, в том числе огромная, находящаяся в центре нашей галактики.

Но тайна того, что происходит в сердце черной дыры, до сих пор не решена. Некоторые физики считают, что может существовать «сингулярность» — точка бесконечной плотности с некоторой массой, сосредоточенной в бесконечно малом пространстве.

Однако, по-прежнему идут дискуссии о том, теряется ли информация внутри черных дыр, которые поглощают все частицы и излучение. Хотя от черных дыр исходит излучение Хокинга, оно не содержит никакой дополнительной информации о том, что происходит внутри черной дыры.

Нерешенная задача: есть ли разумная жизнь вне Земли?

Люди испокон веков мечтают о пришельцах, когда они смотрят на ночное небо и гадают, может ли там кто-то жить. Но в последние десятилетия было обнаружено множество доказательств того, что это не просто мечта. Для начала, экзопланеты оказались гораздо более распространены, чем предполагалось ранее, причем у большинства звезд имеются планетарные системы.

Также известно, что временный разрыв между тем, когда на Земле появилась жизнь, и когда появилась разумная жизнь, очень мал. Означает ли это, что много где должна была сформироваться жизнь. Если это так, то нужно ответить на знаменитый «парадокс Ферми»: почему люди до сих пор не вступили в контакт с инопланетянами. Возможно, жизнь — обычное явление, но разумная жизнь редка.

Может быть, через какое-то время все цивилизации решают не общаться с другими жизненными формами. Может, с людьми просто не хотят разговаривать. Или, как ни странно, возможно, это показывает, что многие инопланетные цивилизации уничтожают себя вскоре после того, как становятся технологически достаточно продвинутыми, чтобы общаться.

Нерешенная задача: может ли что-нибудь путешествовать быстрее, чем скорость света?

С тех пор как Эйнштейн изменил всю физику своей специальной теорией относительности, физики были уверены, что ничто не может двигаться быстрее скорости света. Фактически, теория относительности говорит, что когда любая масса двигается со скоростью, близкой к скорости света, то для этого требуется огромная энергия. Это видно в космических лучах сверхвысоких энергий, упомянутых ранее.

У них необычайная энергия относительно их размера, но и они не путешествуют быстрее скорости света. Жесткое ограничение скорости света может также объяснить, почему сообщения от чуждых цивилизаций маловероятны. Если они также ограничены этим фактором, то сигналы могут идти тысячи лет.

В 2011 году в ходе эксперимента OPERA были получены предварительные результаты, которые предполагали, что нейтрино движутся быстрее скорости света. Позже исследователи заметили некоторые ошибки в их экспериментальной установке, которые подтвердили, что результаты были неверными.

В любом случае, если существует какой-либо способ передачи материи или информации быстрее скорости света, он, несомненно, изменит мир.

Нерешенная задача: можно ли найти способ описать турбулентность?

Если вернуться из космоса на Землю, окажется, что и в повседневной жизни есть много вещей, которые трудно понять. За простейшим примером не нужно далеко ходить — можно открыть дома кран. Если открыть его не полностью, то вода будет течь плавно (это называется «ламинарным потоком»).

Но если открыть кран полностью, то вода начнет течь неравномерно и разбрызгиваться. Это простейший пример турбулентности. Во многих отношениях турбулентность по-прежнему остается нерешенной проблемой в физике.

Нерешенная задача: можно ли создать сверхпроводник с комнатной температурой?

Сверхпроводники — одни из самых важных устройств и технологий, которые когда-либо открыли люди. Это особый тип материала. Когда температура падает достаточно низко, электрическое сопротивление материала падает до нуля. Это означает, что можно получать огромный ток после подачи маленького напряжения на сверхпроводник.

Теоретически электрический ток может течь в сверхпроводящем проводе в течение миллиардов лет без рассеивания, потому что нет сопротивления его току. В современных же обычных проводах и кабелях из-за сопротивления теряется значительная часть мощности. Сверхпроводники могли бы уменьшить эти потери до нуля.

Есть одна проблема — даже высокотемпературные сверхпроводники должны быть охлаждены до температуры в минус 140 градусов по Цельсию, прежде чем они начнут демонстрировать свои замечательные свойства. Охлаждение до столь низких температур обычно требует жидкого азота или чего-то подобного. Поэтому это очень дорого.

Многие физики по всему миру пытаются создать сверхпроводник, которые может работать при комнатной температуре.

Нерешенная задача: почему есть больше материи, чем антиматерии?

В некотором смысле, люди до сих пор не знают, почему что-то существует вообще. Для каждой частицы существует «противоположная» частица, называемая античастицей. Итак, для электронов есть позитроны, для протонов существуют антипротоны, и так далее. Если частица когда-либо касается своей античастицы, они аннигилируют и превращаются в излучение.

Неудивительно, что антиматерия невероятно редкая, поскольку все бы просто уничтожилось. Иногда она попадается в космических лучах. Также ученые могут сделать антивещество в ускорителях частиц, но стоить это будет триллионы долларов за грамм. Однако, в целом антиматерия (как считают ученые) невероятно редкая в нашей Вселенной. Почему это так — настоящая тайна.

Просто никто не знает, почему в нашей Вселенной доминирует материя, а не антиматерия, ведь каждый известный процесс, который изменяет энергию (излучение) на вещество, производит одинаковое количество материи и антиматерии. Теория Уайлдера предполагает, что могут существовать целые области Вселенной, в которых доминирует антиматерия.

Нерешенная задача: может ли быть разработана единая теория?

В XX веке были разработаны две великие теории, которые много что объясняли в физике. Одной из них была квантовая механика, в которой подробно описывались, как ведут себя и взаимодействуют крошечные, субатомные частицы.

Квантовая механика и стандартная модель физики частиц объяснили три из четырех физических сил в природе: электромагнетизм и сильные и слабые ядерные силы. Другой большой теорией была общая теория относительности Эйнштейна, объясняющая гравитацию.

В общей теории относительности гравитация возникает, когда наличие массы изгибает пространство и время, заставляя частицы следовать по определенным изогнутым траекториям. Это может объяснить вещи, которые происходят в самых грандиозных масштабах — образование галактик и звезд. Есть только одна проблема.

Две теории несовместимы. Ученые не могут объяснить гравитацию способами, которые имеют смысл в квантовой механике, а общая теория относительности не включает эффекты квантовой механики. Насколько можно судить, обе теории верны. Но они, похоже, не работают вместе.

Физики уже давно работают над каким-то решением, которое может примирить две теории. Оно называется Великой единой теорией или просто Теорией всего. Поиски продолжаются.

И в продолжение темы мы собрали ещё 10 невозможных вещей, которые физики сделали возможными.

Источник: https://novate.ru/blogs/020917/42835/

Загадки квантовой физики

Загадки квантовой физики

Определение 1

Квантовая физика занимается изучением квантово-механических и квантово-полевых систем. Ее основные законы рассматриваются в квантовой механике и теории поля.

В квантовой физике существует много загадок и парадоксов. Самыми известными из них являются следующие:

  • принцип неопределенности Гейзенберга;
  • корпускулярно-волновой дуализм;
  • кот Шредингера.

Загадка принципа неопределенности Гейзенберга

Невозможно одновременно с точностью определить координаты и скорость квантовой частицы. В этом заключается загадка принципа неопределенности Гейзенберга. Соотношения неопределенностей представляют теоретический предел точности одновременных измерений двух некоммутирующих друг с другом наблюдаемых. Они будут справедливы в отношении идеальных измерений фон Неймана и неидеальных.

Согласно данному принципу, у частицы невозможно одновременно точно измерить скорость (импульс) и положение. Принцип неопределенности может применяться и в случае, когда не будет реализована ни одна из двух крайних ситуаций:

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

  • полностью определенный импульс и неопределенная пространственная координата;
  • полностью неопределенный импульс и определенная координата.

Замечание 1

Соотношение неопределенностей не ограничивает точность однократного измерения для любой величины. В случае, если оператор коммутирует в разные моменты времени сам с собой, не будет ограничена и точность многократного (непрерывного) измерения одной величины.

Соотношение неопределенностей для свободной частицы, например, не является препятствием для точного измерения ее импульса, но при этом не позволяет точно измерить ее координату (данное ограничение называют стандартным квантовым пределом). В квантовой механике соотношение неопределенностей в математическом смысле представляет прямое следствие свойства преобразования Фурье.

Существует количественно точная аналогия между свойствами сигналов и волн и соотношениями неопределенности Гейзенберга.

Рассмотрим для примера переменный во времени сигнал – звуковую волну. Чтобы точно определить частоту, необходимо наблюдать за сигналом какое-то время, теряя, таким образом, точность его определения. Иными словами, звук не может быть точно зафиксирован по времени, (подобно очень короткому импульсу) с одновременным получением значения частоты (как при чистой синусоиде).

Положение во времени и частота волны считаются математически полностью аналогичными координате частицы и ее квантово-механическому импульсу:

$p_x=\bar{h}k_x$

Импульс в квантовой механике и будет пространственной частотой вдоль соответствующей координаты. При наблюдении макроскопических объектов в повседневной жизни мы обычно не наблюдаем квантовую неопределенность, поскольку значение $\bar{h}$ достаточно мало, что делает эффекты следствия соотношений неопределенности не улавливаемыми для измерительных приборов или органов чувств.

Загадка корпускулярно-волнового дуализма

Замечание 2

Корпускулярно-волновой дуализм (квантово-волновой) является загадкой природы, состоящей в способности материальных микроскопических объектов в одних условиях проявлять свойства классических волн, а в других — классических частиц.

Типичными примерами объектов, проявляющих двойственность корпускулярно-волнового поведения, считаются свет и электроны. Данный принцип считается справедливым и в отношении более крупных объектов, но чем более массивен объект, тем в меньшей степени будут проявляться его волновые свойства (за исключением волн на поверхности жидкости).

Идея квантово-волнового дуализма была задействована в разработке квантовой механики с целью интерпретации наблюдаемых в микромире явлений с позиции классических концепций. Квантовые объекты в действительности не относятся к классическим волнам или частицам.

Свойства, как первых, так и вторых они проявляют исключительно в зависимости от условий проводимых над ними экспериментов. Корпускулярно-волновой дуализм может быть объясним только в формате квантовой механики, классическая физика его объяснить не может.

Свое количественное выражение принцип квантового дуализма получил в идее волны де Бройля: для любого объекта, одновременно проявляющего корпускулярные и волновые свойства, наблюдается связь импульса $p$, энергии $E$ (свойственных этому объекту как частице) с его волновыми параметрами: $k$ (вектором волны) и ее длиной $\lambda$, частотой $v$

Такую связь задают соотношения:

$p=\bar{h}k$

$|p|=h\lambda$

$E=\bar{h}\omega=hv$

Где $\bar{h}$ — редуцированная постоянная Планка;

$h=2\pi\bar{h}$ — обычная постоянная Планка.

Волны де Бройля ставятся в соответствие абсолютно любому движущемуся объекту микромира. В качестве такой волны свет и массивные частицы подвергаются явлениям дифракции и интерференции.

Чем массивнее будет частица, тем меньше окажется длина волны де Бройля, а зарегистрировать ее волновые свойства будет намного сложнее. При взаимодействии с окружением объект поведет себя:

  • подобно частице, если длина его волны будет много меньше характерных размеров в его окружении;
  • подобно волне (если намного больше);
  • промежуточный вариант может быть описан только в формате полноценной квантовой теории.

Загадка Шредингера

Интерес ученых представляет загадка мысленного эксперимента кота Шредингера. Его предложил австрийский физик Э. Шредингер, один из основателей квантовой механики. Данным экспериментом Шредингер хотел продемонстрировать неполноту квантовой механики при переходе к макроскопическим системам от субатомных.

По данному эксперименту, воображаемый кот помещается в черный непрозрачный ящик и начинает балансировать между жизнью и смертью из-за угрозы распада ядра с ядовитым веществом.

Согласно принципам квантовой механики, если над ядром наблюдение не производится, его можно описать смешением (суперпозицией) двух состояний: распавшегося и не распавшегося ядра. Таким образом, сидящий в ящике кот считается и живым, и мертвым одновременно.

При открытии ящика экспериментатор сможет наблюдать только какое-нибудь одно состояние: ядро распалось и убило кота или он остался жив из-за не распавшегося ядра.

В своем эксперименте Шредингер задавался вопросом: когда система перестает существовать как результат смешения двух состояний и выбирает какое-то одно? Целью эксперимента считалось продемонстрировать, что квантовая механика не может считаться полной без определенных правил, указывающих условия возникновения коллапса волновой функции. Кот или остается живым или становится мертвым, но в любом случае, перестает быть смешением и того и другого (не существует состояния, сочетающего в себе смерть и жизнь одновременно).

Пример с котом будет аналогичным для атомного ядра, которое обязательно должно быть распавшимся или не распавшимся.

В крупных комплексных системах, которые состоят из миллиардного числа атомов, декогеренция осуществляется практически мгновенно.

Кот по этой причине не может одновременно быть и живым, и мертвым на определенном, поддающемся измерению, отрезке времени. Процесс декогеренции будет важной составляющей данного мысленного эксперимента.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/kvantovaya_teoriya/zagadki_kvantovoy_fiziki/

Пять загадок квантовой механики

Загадки квантовой физики

Есть темы, на которые писать — одно удовольствие. Сто тысяч авторов до тебя уже написали про ЭТО, сто тысяч про ЭТО напишут после, а всё равно найдётся читатель, который прочтёт ЭТО в первый раз.

В данном случае речь пойдёт о загадках квантовой механики. Подождите, не уходите на другой портал, пожалуйста! Не переживайте, что возникнут сложности, мы с вами ограничимся лишь скромной ролью стороннего наблюдателя.

И поверьте, это совсем не сложно.

Что главное в эксперименте? Приборы? Теоретическая подготовка? Толковый ассистент? Нет, друзья. Единственное, без чего не может обойтись ни один эксперимент, — это экспериментатор. Нет его — нет никакого эксперимента. Пока не появился наблюдатель, который своим пытливым глазом смотрит за исходом опыта, а умелыми руками фиксирует его результаты, то, что происходит, никакой не эксперимент.

Но, оказывается, бывает так, что одно лишь присутствие наблюдателя во время опыта нарушает течение эксперимента, меняет состояние изучаемой системы и заставляет события развиваться в ином направлении. И мы с вами попытаемся разобраться в том, как квантовая механика оценивает такое последствие вмешательства наблюдателя в физическую реальность эксперимента на пяти классических примерах.

Пример первый: квантовая загадка «кота Шредингера»

Хрестоматийный пример, навязший на зубах: «кот Шредингера». В герметичный чёрный (да какая на самом деле разница, какого он цвета!) ящик Шредингер (Erwin Schrödinger) прячет условного (воображаемого) кота, ампулу с ядом и спусковой ядерный механизм.

Это устройство может в любой момент разбить ампулу и уничтожить животное. Весёленький эксперимент, скажете вы, и будете правы.

Единственное оправдание, которое может спасти честь австрийского учёного в том, что опыт исключительно теоретический, и призван продемонстрировать логику размышления физика.

Спусковой механизм в случайный момент может выпустить радиоактивный атом, при распаде которого разобьётся ампула с ядом. Точное время распада не задано. Наблюдателю известно только время полураспада, то есть отрезок времени, за который распад произойдёт с вероятностью «фифти-фифти» — 50 на 50.

Таким образом, наблюдая за закрытой коробкой, мы понимаем, что кот внутри своей замкнутой системы существует одновременно в двух состояниях: он либо жив, либо мёртв. Эти оба состояния можно описать волновой «функцией кота» (жив-мёртв), которая на протяжении времени изменяется.

Чем дальше мы отдаляемся от начального этапа (кот точно жив), тем больше вероятность того, что ампула уже разбилась и эксперимент закончен (кот мёртв).

Но убедиться в том, что эксперимент закончился, можно, только открыв коробку. Потому до тех пор, пока наблюдатель не проник в замкнутую систему, вероятность того, что кот жив, остаётся, хоть и постоянно стремится к нулю.

Таким образом, кот может вечно балансировать на грани жизни и смерти, пока его судьбу не определит учёный, которому надоело стоять над закрытой коробкой.

И только тогда происходит коллапс волновой функции и из множества вариантов реализуется лишь один.

Это и есть так называемая копенгагенская интерпретация науки под названием «квантовая механика». Достоверно определить состояние любой системы можно только путём наблюдения. А наблюдатель одним лишь своим присутствием меняет результат исследования. Это и есть загадочный момент, на который указал Шредингер.

Пример второй: «замри-частица»

В 60-х годах прошлого столетия был предсказан квантовый эффект, который впоследствии доказала на практике группа учёных под руководством нобелевского лауреата Вольфганга Кеттерле (Wolfgang Ketterle). Изучая распад возбуждённых атомов рубидия на те же атомы в стабильном состоянии и фотоны, исследователи зафиксировали явное воздействие наблюдателя на результат эксперимента.

Нестабильная радиоактивная частица характеризуется средним временем жизни, которое может увеличиваться, если за ним ведётся пристальное наблюдение.

Так, после начала эксперимента учёные начали наблюдать за распадом атомов в двух различных режимах: беспрерывном (система постоянно облучалась слабым световым потоком, фиксировавшим изменения) и импульсном (в систему периодически попадал более мощный, но короткий световой пучок).

Полученный результат оказался весьма интересным. Внешние световые воздействия на систему замедляли распад частиц, возвращая их в исходное состояние. Жизнь возбуждённых атомов рубидия, которые стремительно распадались, удавалось продлить в десятки раз. Эффект вошёл в историю науки под кодовым названием «замри-частица».

Пример третий: «электронный дуализм»

Одним из самых элегантных за всю историю квантовой физики признан опыт с дифракцией электронов, проведённый в 1961 году. Суть опыта заключалась в следующем: на пути потока электронов, летящих к фотофинишу, была установлена медная пластина с двумя щелями.

Если представить пучок электронов как группу маленьких заряженных шариков, можно было ожидать на экране две полосы напротив одной и другой щели.

Но на самом деле, на экране появилось иное изображение — зебра сложной конфигурации, состоящая из чередующихся и перекрывающих друг друга светлых и тёмных полос.

Результат эксперимента не менялся даже в том случае, если частицы пускались через щель не сплошным потоком, а поодиночке. Каждый из электронов в этот момент проявлял свои волновые функции и мог одновременно пройти через две щели.

Но это была только первая половина эксперимента. Когда физики предприняли попытку зафиксировать результат, картинка на экране вмиг стала классической — две полосы напротив щелей в медной пластине и никакой «странной» зебры.

На глазах наблюдателя электроны «потеряли» свою волновую составляющую и продемонстрировали привычную для школьника средних классов картинку.

Присутствие наблюдателя оказало воздействие на систему и автоматически изменило результаты самого наблюдения.

Пример четвёртый: «некоторые любят погорячее…»

Кроме электронов, в роли подопытных кроликов часто выступают крупные молекулы, составленные из нескольких десятков атомов углерода (фуллерены). Фуллерен (Fullerenes), составленный из шести десятков атомов, напоминает настоящий футбольный мяч, сшитый из шестиугольников. С этими крупными элементами проводят опыты по дифракции, подобные тем, которые ставят на электронах.

Не так давно венские учёные из группы профессора Цайлингера (Anton Zeilinger) рискнули добавить в опыт «элемент наблюдателя». Во время исследования экспериментаторы обстреливали подвижные фуллерены лазерным излучением. Молекулы нагревались от внешнего воздействия и светились в исследуемом пространстве, тем самым, обнаруживая своё местоположение.

Вместе с началом свечения изменялось и само поведение частиц. Если в «темноте», без присутствия наблюдателя, фуллерены аккуратно обходили препятствия, что выказывало их волновые свойства, то с появлением «зрителя», частицы начинали вести себя как твёрдые тела со всеми вытекающими характеристиками поведения, известными из классической физики.

Пример пятый: «…а некоторые похолоднее»

Но наиболее интересной из всех загадок квантовой физики является загадка принципа неопределённости Гейзенберга (Werner Karl Heisenberg). В популярном изложении он звучит так: одновременно установить и положение и скорость квантового объекта невозможно.

То есть, чем точнее мы измеряем импульс элементарной частицы, тем менее точно можно установить, где она в данный момент находится.

Это, конечно же, плохо применимо в мире больших объектов и вообще непонятно, что из этого может вытекать даже на элементарном уровне.

Эксперимент группы под управлением профессора Шваба (Keith Schwab) добавил пикантности классической неопределённости Гейзенберга.

Разместив на пути движения микрочастиц крошечную алюминиевую полоску, учёные подключили прибор, способный с высочайшей точностью регистрировать её положение. И тут же получили два интересных результата. Во-первых, каждое новое измерение объекта меняло положение пластины.

Прибор очень точно определял координаты полоски и тем самым менял её скорость, а, следовательно, и последующее положение в пространстве.

Но если первое открытие было спрогнозировано принципом неопределённости, то второе стало неожиданностью для всех. Измерения, которые делали учёные, приводили к охлаждению полоски.

То есть, наблюдатель одним лишь своим присутствием менял физическую характеристику объекта. В данном случае температуру.

Сразу нашлось и практическое использование этого эффекта: теперь профессор Шваб думает, как применить это явление для охлаждения сложнейших микросхем.

P. S.: Ощущение, что мир существует лишь в тот момент, пока вы на него смотрите, посещало даже великого Эйнштейна. Но он при этом уверял нас, что это не так.

И действительно, как может наблюдающий за луной воздействовать на саму луну? Ну, а вдруг, на самом деле, всё, что происходит вокруг нас, всего лишь плод нашего воображения? И стоит нам уснуть, как мир исчезнет.

Или всё-таки правы те, кто говорит, что законы физики мироздания и законы понимания этого мироздания (психики) должны рассматриваться как взаимодополняющие друг друга? Как две части одного большого учения.

Или вообще, это одна и та же наука? И называется она «физика». Потому что по сравнению с физикой всё остальное не более чем коллекционирование марок.

Читайте Фразу в Google News (нажать «Подписаться»)

Источник: https://fraza.ua/analytics/191078-pjat_zagadok_kvantovoj_mehaniki

Booksm
Добавить комментарий