Кто основал квантовую физику. Квантовая теория. Внимание! Теперь перейдём к более тонкому вопросу

Согласно определению, Квантовая физика - раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения. Основные законы квантовой физики изучаются в рамках квантовой механики и квантовой теории поля и применяются в других разделах физики.Квантовая физика и её основные теории - квантовая механика, квантовая теория поля - были созданы в первой половине XX века многими учёными, среди которых Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Артур Комптон, Луи де Бройль, Нильс Бор, Эрвин Шрёдингер, Поль Дирак, Вольфганг Паули. Квантовая физика объединяет несколько разделов физики, в которых принципиальную роль играют явления квантовой механики и квантовой теории поля, проявляющиеся на уровне микромира, но и имеющие (что важно) следствия на уровне макромира.

Сюда относятся:

квантовая механика;

квантовая теория поля - и её применения: ядерная физика, физика элементарных частиц, физика высоких энергий;

квантовая статистическая физика;

квантовая теория конденсированных сред;

квантовая теория твёрдого тела;

квантовая оптика.

Сам термин Квант (от лат. quantum - «сколько») - неделимая порция какой-либо величины в физике. В основе понятия лежит представление квантовой механики о том, что некоторые физические величины могут принимать только определённые значения (говорят, что физическая величина квантуется). В некоторых важных частных случаях эта величина или шаг её изменения могут быть только целыми кратными некоторого фундаментального значения - и последнее называют квантом.

Кванты некоторых полей имеют специальные названия:

фотон - квант электромагнитного поля;

глюон - квант векторного (глюонного) поля в квантовой хромодинамике (обеспечивает сильное взаимодействие);

гравитон - гипотетический квант гравитационного поля;

фонон - квант колебательного движения атомов кристалла.

Вообще Квантование - процедура построения чего-либо с помощью дискретного набора величин, например, целых чисел,

в отличие от построения с помощью непрерывного набора величин, например, вещественных чисел.

В физике:

Квантование - построение квантового варианта некоторой неквантовой (классической) теории или физической модели

в соответствии с фактами квантовой физики.

Фейнмановское квантование - квантование в терминах функциональных интегралов.

Вторичное квантование - метод описания многочастичных квантовомеханических систем.

Квантование Дирака

Геометрическое квантование

В информатике и электронике:

Квантование - разбиение диапазона значений некоторой величины на конечное число интервалов.

Шум квантования - ошибки, возникающие при оцифровке аналогового сигнала.

В музыке:

Квантование нот - перемещение нот к ближайшим ритмическим долям в секвенсоре.

Необходимо отметить, что, несмотря на ряд определенных успехов в описании природы многих явлений и процессов, протекающих в окружающем нас мире, на сегодняшний день квантовая физика вместе со всем комплексом входящих в нее поддисциплин не является цельной законченной концепцией, и хотя изначально подразумевалось, что именно в рамках квантовой физики будет построена единая цельная, непротиворечивая и объясняющая все известные явления дисциплина, на сегодняшний день она таковой не является, например, кватовая физика не в состоянии объяснить принципы и представить работающую модель гравитации, хотя никто не сомневается в том, что гравитация- один из фундаментальных базовых законов вселенной, и невозможность объяснить ее с точки зрения квантовых подходов говорит лишь о том, что они несовершенны, и не являются законченной и окончательной истиной в последней инстанции.

Более того, внутри самой квантовой физики существуют разные течения и направления, представители каждого из которых предлагают свои объяснения для феноменологических экспериментов, не имеющих однозначной трактовки. Внутри самой квантовой физики у представляющих ее ученых нет единого мнения и единого понимания, зачастую их трактовки и объяснения одних и тех же явлений даже противоположны друг другу. И читатель должен понимать, что сама квантовая физика – лишь промежуточная концепция,совокупность состовляющих ее методов, подходов и алгоритмов, и вполне может статься, что через некоторое время будет разработана гораздо более полная, совершенная и непротиворечивая концепция, с иными подходами и иными методами.Тем не менее, для читателя наверняка будут интересны основные явления, которые являются предметом изучения квантовой физики,и которые же при объединении объясняющих их моделей в единую систему вполне могут стать основой для совершенно новой научной парадигмы. Итак, вот эти явления:

1. Корпускулярно-волновой дуализм.

Изначально предполагалось, что корпускулярно-волновой дуализм свойственен только для фотонов света, которые в одних случаях

ведут себя, как поток частиц, а в других, как волны. Но многие эксперименты квантовой физики показали, что данное поведение свойственно не только для фотонов,а и для любых частиц, в том числе, составляющих физически плотную материю. Одним из самых известных экспериментов в этой области является эксперимент с двумя щелями, когда на пластинку, в которой имелись две параллельные узкие прорези, направлялся поток электронов, за пластиной находился непроницаемый для электронов экран, на котором можно было видеть, какие именно появляются на нем картины от попадания электронов. И в одних случаях эта картина представляла из себя две параллельные полоски, такие же, как и две прорези на пластине перед экраном, что характеризовало поведение пучка электронов, вроде как потока маленьких шариков, но в других случаях на экране формировалась картина, характерная при интерференции волн (множество параллельных полос,с самой толстой в центре, и более тонким по краям). При попытке исследовать процесс более детально выяснилось, что один электрон может как пройти только через одну щель, так и через две щели одновременно, что совершенно исключено в том случае, если электрон был бы только твердой частицей. На самом деле, в настоящее время уже существует точка зрения, хотя и не доказанная, но по-видимому очень близкая к истине, и имеющая колоссальное значение с точки зрения миропонимания, что электрон на самом деле не является ни волной, ни частицей, а является переплетением первичных энергий, или материй, скрученных между собой и циркулирующих по определенной орбите, и в некоторых случаях демонстрирующих свойства волны. а в некоторых-свойства частицы.

Многие обыватели очень плохо понимают, а что же такое электронное облако, окружающее атом, о котором рассказывалось еще в

школе, ну что это такое, облако электронов, то есть что их там очень много, этих электронов, нет, не так, облако и есть один и тот же электрон,

просто он как бы размазан по орбите, как капля, и при попытке определить его точное местоположение всегда приходится использовать

вероятностные подходы, так как, хотя было проведено огромное количество экспериментов, никогда не удавалось точно установить, а где же на орбите находится электрон в заданный момент времени, можно определить это только с определенной вероятностью. И это все по той же причине, что электрон не твердая частица, и изображать его, как в школьных учебниках, как твердый шарик, кружащийся на орбите, в корне неверно и формирует у детей ошибочное представление о том,как на самом деле происходят в природе процессы на микроуровне, везде вокруг нас, в том числе, и в нас самих.

2. Взаимосвязь наблюдаемого и наблюдателя, влияние наблюдателя на наблюдаемое.

В тех же экспериментах с пластиной с двумя щелями и экраном, и в подобных им, было неожиданно установлено, что поведение электронов как волны и как частицы находилось во вполне измеримой зависимости от того, присутствовал ли в опыте непосредственный ученый-наблюдатель или нет, и если присутствовал, то какие ожидания у него были от результатов эксперимента!

Когда наблюдавший ученый ожидал, что электроны будут вести себя как частицы, они и вели себя как частицы, но когда его место занимал ученый, ожидавший поведения как волн, электроны вели себя как поток волн! Ожидание наблюдателя напрямую влияет на результат эксперимента, хотя и не во всех случаях, но во вполне измеримом проценте экспериментов! Важно, очень важно понимать, что наблюдаемый эксперимент и сам наблюдатель не являются чем-то отделенным друг от друга, но являются частью одной единой системы, неважно, какие стенки бы при этом между ними ни стояли. Чрезвычайно важно осознавать, что весь процесс нашей жизни представляет из себя непрерывное и беспрестанное наблюдение,

за другими людьми, явлениями и объектами, и самим собой. И хотя ожидание наблюдаемого не всегда точно определяет результат действия,

помимо этого, есть еще и много других факторов, тем не менее, влияние этого весьма ощутимо.

Давайте вспомним, сколько раз в нашей жизни бывали ситуации, когда делает человек какое-то дело, к нему подходит другой и начинает за ним внимательно наблюдать, и в этот момент этот человек либо делает ошибку, либо какое-то непроизвольное действие. И многим знакомо это неуловимое ощущение, когда ты делаешь какое-то действие, за тобой начинают внимательно наблюдать,и в результате у тебя перестает получаться делать это действие, хотя до появления наблюдателя ты делал его вполне успешно.

А теперь вспомним, что большинство людей воспитаны и взращены, как в школах, так и в институтах, что все вокруг, и физически плотная материя, и все предметы, и мы сами, состоим из атомов, а атомы состоят из ядер и вращающихся вокруг них электронов, а ядра - это протоны и нейтроны,и все это такие вот твердые шарики, которые соединены между собой разными типами химических связей, и именно типы этих связей определяют характер и свойства вещества. А о возможном поведении частиц с точки зрения волн, а значит, и всех предметов, из которых эти частицы состоят, и нас самих,

никто не говорит! Большинство этого не знает, в это не верит и этим не пользуется! То есть ожидает от окружающих предметов поведения именно как совокупности твердых частиц. Ну они себя и ведут, как набор частиц в разных комбинациях. Поведения предмета из физически плотной материи, как потока волн, не ожидает почти никто,это кажется невозможным здравому смыслу, хотя никаких фундаментальных препятствий этому нет, а все потому, что в людей с детства закладывают неверные и ошибочные модели и понимание окружающего мира, в результате, когда человек вырастает,он и не пользуется этими возможностями, он даже не знает, что они есть. А как можно пользоваться тем, чего ты не знаешь. И так как таких неверящих и незнающих людей на планете миллиарды, то вполне возможно, что совокупность общественного сознания всех людей земли,как эдакое среднее по больнице, определяет как заданное по умолчанию устройство мира вокруг как набора частиц, строительных блоков, и ничего больше (ведь по одной из моделей все человечество представляет из себя огромную совокупность наблюдателей).

3. Квантовая нелокальность и квантовая сцепленность.

Одним из краеугольных и определеляющих понятий квантовой физики является квантовая нелокальность и напрямую связанная с ней квантовая сцепленность, или квантовая запутанность, что в общем одно и то же. Яркими примерами квантовой сцепленности являются, например, эксперименты, проведенные Аленом Аспектом, в которых проводилась поляризация фотонов, излученных одним и тем же источником, и принятых двумя разными приемниками. И получалось так, что если изменить поляризацию (ориентацию спина) одного фотона, одновременно с этим меняется и поляризация второго фотона, и наоборот, причем происходит это изменение поляризации мгновенно, независимо от расстояния, на котором эти фотоны находятся друг от друга. Выглядит это так, как будто два фотона, излученные одним источником, связаны между собой, хотя никакой явной пространственной связи между ними нет, и изменение параметров одного фотона мгновенно приводит к изменению параметров другого фотона. Важно понимать, что явление квантовой сцепленности, или запутанности, справедливо не только для микро, но и для макроуровня.

Одним из первых наглядных экспериментов в этой области являлся эксперимент российских (тогда еще советских) физиков-торсионщиков.

Схема эксперимента была такова: брали кусок самого обыкновенного бурого угля, добываемого в шахтах для сожжения в котельных,и распиливали его на 2 части. Поскольку с углем человечество знакомо уже очень давно, то он является очень хорошо изученным объектом, и с точки зрения его физических и химических свойств, молекулярных связей, тепла, выделяемого при сгорании на единицу объема и тд. Так вот, один кусок этого угля остался в лаборатории в Киеве, второй кусок угля отвезли в лабораторию в Кракове. Каждый из этих кусков в свою очередь был разрезан на 2 одинаковые части, итого получилось - 2 одинаковых куска одного и того же угля было в Киеве, и 2 одинаковых куска -в Кракове. Затем взяли по одному куску в Киеве и Кракове, и одновременно оба их сожгли, и измерили количество тепла, выделяемого при сгорании. Оно, как и следовало ожидать, оказалось примерно одинаковым. Затем, торсионным генератором был облучен кусок угля в Киеве (тот, который был в Кракове, ничем не облучался), и снова оба этих куска сожгли. И в этот раз оба этих куска дали эффект примерно на 15% больше тепла при сжигании, чем при сожжении первых двух кусков. Увеличение тепловыделения при сгорании угля в Киеве было объяснимо, ведь на него подействовали излучением, в результате его физическая структура изменилась, что и вызвало учеличение тепловыделения при сжигании примерно на 15%. Но вот тот кусок, который находился в Кракове, тоже увеличил тепловыделение на 15%, хотя его ничем не облучали! Этот кусок угля тоже изменил свои физические свойства, хотя облучали не его, а другой кусок (с которым они когда-то были частью одного целого, что является принципиально важным моментом для понимания сути), и расстояние в 2000 км между этими кусками совершенно не было препятствием, изменения структуры у обоих кусков угля происходили мгновенно,что и было установлено при многократном повторении эксперимента. Но надо понимать, что данный процесс совершенно необязательно справедлив только для угля, можно использовать любой другой материал, и эффект, вполне ожидаемо, будет совершенно таким же!

То есть, квантовая сцепленность и квантовая нелокальность справедлива и на макроскопическом мире, а не только в микромире элементарных частиц - в общем-то это вполне справделиво, ведь все макрообъекты и состоят из этих самых элементарных частиц!

Справедливости ради стоит заметить, что физики-торсионщики считали многие квантовые явления проявлением торсионных полей, а некоторые квантовые физики, наоборот, считали торсионные поля частным случаем проявления квантовых эффектов. Что в общем-то неудивительно, ведь и те, и другие изучают и исследуют один и тот же мир вокруг, с одними и теми же универсальными законами, что на микро, что на макроуровне,

и пусть используют при объяснении явлений разные подходы и разную терминологию, суть все равно одна.

А справедливо ли это явление только для неживых объектов, как обстоит дело с живыми организмами, возможно ли там обнаружение похожих эффектов?

Выяснилось, что да, и одним из доказавших это был американский доктор Клив Бакстер. Изначально этот ученый специализировался на испытаниях полиграфа, то есть прибора, детектора лжи, применявшегося для допроса испытуемых в лабораториях ЦРУ. Был проведен целый ряд успешных экспериментов по регистрации и установлению у допрашиваемых разных эмоциональных состояний в зависимости от показаний полиграфа, и разработаны эффективные методики, и сегодня используемые для допросов посредством детектора лжи. Со временем интересы доктора расширились, и он начал эксперименты с растениями и животными. Среди ряда очень интересных результатов следует выделить один, имеющий прямое отношение к квантовой сцепленности и квантовой нелокальности, а именно следующий – у участника эксперимента брали на пробу живые клетки изо рта и помещали их в пробирку (известно, что взятые на пробу клетки

человека живут еще в течение нескольких часов), эту пробирку подключали к полиграфу. Затем человек, у которого брали эту пробу, уезжал за несколько десятков или даже сотен километров, и испытывал там разнообразные стрессовые ситуации. За годы исследований Клив Бакстер хорошо изучил, какие именно показания полиграфа сответствовали определенным стрессовым состояниям человека. Велся строгий протокол, где четко регистрировалось время попадания в стрессовые ситуации, и также велся протокол регистрации показаний полиграфа, подключенного к пробирке с пока еще живыми клетками.И выяснилось удивительное - несмотря на огромные расстояния между испытуемым и пробиркой с живыми клетками, была выявлена почти идеальная синхронность между вхождением человека в стрессовую ситуацию и почти одновременной реакцией клеток в виде соответствующих графиков полиграфа!То есть, хотя клетки, взятые у человека на пробу, и сам человек были разделены в пространстве, по-прежнему между ними существовала связь,и изменение эмоционального и психического состояния человека практически немедленно отражалось в реакции клеток в пробирке.

Результат повторялся множество раз, были попытки установить свинцовые экраны с целью изолировать пробирку с полиграфом, но это не помогало,

все равно даже за свинцовым экраном происходила почти синхронная регистрация изменения состояний.

То есть квантовая сцепленность и квантовая нелокальность справделива и для неживой, и для живой природы, более того, это совершенно естественное природное явление, происходящее повсюду вокруг нас! Думаю, многих читателей интересует, и даже более чем, а возможны ли путешествия не только в пространстве, но и во времени, может быть, существуют какие-либо эксперименты, подтверждающие это, и вероятно, здесь может помочь квантовая сцепленность и квантовая нелокальность? Оказалось, что такие эксперименты есть! Один из них был проведен известным советским астрофизиком Николаем Александровичем Козыревым, и заключался он в следующем. Всем известно, что то положение звезды, которые мы видим на небе, не является истинным ведь за те тысячи лет, что свет летит от звезды до нас, сама она за это время уже сместилась, на вполне измеримое расстояние. Зная расчетную траекторию звезды, можно предположить, в каком месте она должна находиться сейчас, и более того, можно рассчитать, где она должна должна находиться в будущем в следующий момент времени (через временной период, равный тому времени, которое нужно свету, чтобы долететь от нас до этой звезды), если аппроксимировать траекторию ее движения.И с помощью телескопа особой конструкции (зеркального телескопа) было подтверждено, что не только существует тип сигналов,

распространяющийся по вселенной практически мгновенно, независимо от расстояния в тысячи световых лет (по сути, "размазывающийся" в пространстве, как электрон по орбите), но и возможно регистрировать сигнал из будущего положения звезды,то есть того положения, в котором ее еще нет, она там будет еще очень нескоро! Причем именно в этой расчетной точке траектории. Здесь поневоле возникает предположение, что, подобно электрону, "размазанному" по орбите, и являющегося по сути квантово-нелокальным объектом, звезда, вращающаяся вокруг центра галактики, как электрон вокруг ядра атома, также обладает некоторыми похожими свойствами. И также, данный эксперимент доказывает возможность передачи сигналов не только в пространстве,но и во времени. Данный эксперимент достаточно активно дискредитируется в средствах массовой информации,

с приписыванием ему мифических и мистических свойств, но нужно отметить, что он был повторен также уже после смерти Козырева на двух разных лабораторных базах, двумя независимыми группами ученых, одной в Новосибирске (под руководством академика Лаврентьева),а второй на Украине, исследовательской группой Кукоча, причем на разных звездах, и везде были получены одни и те же результаты, подтверждающие исследования Козырева! Справедливости ради, стоит отметить, что и в электротехнике, и в радиотехнике известны случаи, когда при определенных условиях сигнал оказывается принят приемником за несколько мгновений до того, как был излучен источником. Данный факт, как правило, игнорировался и принимался за ошибку,и к сожалению, часто, похоже, у ученых просто не хватало духу назвать черное черным, а белое белым, лишь потому, что это якобы невозможно и этого не может быть.

А были ли еще проведены некие похожие эксперименты, которые бы подтверждали данный вывод? оказывается, были, доктором медицинских наук,академиком Влаилем Петровичем Казначеевым. Было проведено обучение операторов, один из которых находился в Новосибирске, а второй- на севере, на Диксоне. Была разработана система символов, хорошо выученная и усвоенная обоими операторами. В указанное время с помощью зеркал Козырева осуществлялась передача сигнала одним оператором к другому, причем заранее принимающей стороне не было известно, какой именно из символов будет отправлен. Велся строгий протокол, в котором регистрировалось время отправки и приема символов. И после сверки протоколов оказывалось, что некоторые символы были приняты почти одновременно с отправлением, некоторые были приняты с опозданием, что вроде бы возможно и вполне естественно, но вот некоторые символы были приняты оператором ДО того, как были отправлены! То есть, по сути, были отправлены из будущего в прошлое. Данные эксперименты до сих пор не имеют строго официального научного объяснения, но очевидно, что имеют одну и ту же природу. Можно на их основании с достаточной степенью точности предположить, что квантовая сцепленность и квантовая нелокальность не просто возможна, но и существует не только в пространстве, но и во времени!

Начиная отвечать на этот вопрос, я не могу избавиться от мысли, что не смогу дать вам полного представления о квантовой физике, и не потому, что вы гуманитарий, а потому, что это очень глубокая тема.

Итак, до начала 20-го века в физике главенствовала механика Ньютона, в которой пространство и время полагались абсолютными, не изменяемыми и существующими как бы отдельно от материального мира. Изменение любых величин (например, энергии и импульса) всегда полагались непрерывными. Наиболее ёмко описывающая механику Ньютона идея - это детерминизм Лапласа (почитайте на вики). Изменилось всё с приходом Макса Планка и его дерзкой идеи рассматривать энергию не как непрерывную величину, а как квантованную, т.е. изменяющуюся дискретно (скачками). Такое представление позволило ответить на вопрос, почему электрон не падает на ядро, и вместе с тем привело к постулатам Бора, о том, что атомы могут долго пребывать только в стационарных состояниях с определенной энергией, а поглощать и испускать энергию только порциями (квантами).

Квантовая физика использует совершенно другой способ описания объектов и другой математический аппарат. Если в классической физике можно запросто находить координаты, траектории, импульсы объектов, просто измеряя их приборами, то в квантовой физике все эти величины носят вероятностный характер! Ищется координата с помощью волновой функции, квадрат плотности которой представляет собой плотность вероятности нахождения частицы в какой-либо точке пространства. В квантовой физике нет траекторий, как в классической. Вернее даже так: траектории есть, но объект движется по всем траекториям сразу с различной вероятностью.

Всем величинам в классической физике поставлены в соответствие операторы в квантовой физике. А всем значениям (числа), которые могут принимать эти величины, поставлены в соответствие собственные значения операторов(числа). Операторы - это просто правила по которым одной функции ставится в соответствие другая функция. То есть, если нам нужно получить значение энергии системы, то в классической физике мы просто его измерим, а в квантовой физике подействуем оператором полной энергии на волновую функцию системы и получим собственное значение оператора. Так как в волновой функции содержится вся информация о чистом состоянии системы, а извлечь эту информацию можно, применяя к функции различные операторы.

В квантовой физике существует принцип неопределенности, который гласит, что нельзя измерить одновременно некоторые величины, такие как, например, импульс и координата, энергия и время измерения энергии. Максимальное уточнение одного параметра приводит к все более расплывчатой информации о другом. Этот принцип можно описать так, будто бы когда мы загоняем природу в очень маленькое пространство и пытаемся исследовать, она начинает бесноваться и не дает это сделать! Поэтому на больших масштабах никаких квантовых эффектов нет.

Еще одна важная особенность: любая квантовая система как бы живет в неопределенном состоянии, и как только над ней проводится измерение, её волновая функция схлопывается и система приходит навсегда в конкретное определенное состояние. В классической же физике все системы всегда пребывают в каком-то конкретном состоянии. Сколько бы мы не проводили эксперимент по бросанию мяча в одном и том же направлении, результат всегда будет одинаков, а в квантовой физике нет.

В 1803 году Томас Юнг направил пучок света на непрозрачную ширму с двумя прорезями. Вместо ожидаемых двух полосок света на проекционном экране он увидел несколько полос, как если бы произошла интерференция (наложение) двух волн света из каждой прорези. Фактически именно в этот момент зародилась квантовая физика, вернее вопросы у её основы. В XX и XXI веках было показано, что не только свет, но любая одиночная элементарная частица и даже некоторые молекулы ведут себя как волна, как кванты, будто проходя через обе щели одновременно. Однако если поставить у щелей датчик, который определяет, что именно происходит с частицей в этом месте и через какую именно щель она все-таки проходит, то на проекционном экране появляются только две полосы, словно факт наблюдения (косвенного влияния) рушит волновую функцию и объект ведет себя как материя. ( видео)

Принципа неопределенности Гейзенберга – фундамент квантовой физики!

Благодаря открытию 1927 года тысячи ученых и студентов повторяют один и тот же простой эксперимент, пропуская лазерный луч через сужающуюся щель. Логично, видимый след от лазера на проекционном экране становится все уже и уже вслед за уменьшением зазора. Но в определенный момент, когда щель становится достаточно узкой, пятно от лазера вдруг начинает становиться шире и шире, растягиваясь по экрану и тускнея пока щель не исчезнет. Это самое очевидное доказательство квинтэссенции квантовой физики - принципа неопределенности Вернера Гейзенберга, выдающегося физика-теоретика. Суть его в том, что чем точнее мы определяем одну из парных характеристик квантовой системы, тем более неопределенней становится вторая характеристика. В данном случае, чем точнее мы определяем сужающейся щелью координаты фотонов лазера, тем неопределеннее становится импульс этих фотонов. В макромире мы точно также можем измерить либо точное местоположение летящего меча, взяв его в руки, либо его направление, но никак не одновременно, так как это противоречит и мешает друг другу. ( , видео)

Квантовая сверхпроводимость и эффект Мейснера

В 1933 году Вальтер Мейснер обнаружил интересное явление в квантовой физике: в охлажденном до минимальных температур сверхпроводнике магнитное поле вытесняется за его пределы. Это явление получило название эффект Мейснера. Если обычный магнит положить на алюминий (или другой сверхпроводник), а затем его охладить жидким азотом, то магнит взлетит и зависнет в воздухе, так как будет «видеть» вытесненное из охлажденного алюминия свое же магнитное поле той же полярности, а одинаковые стороны магнитов отталкиваются. ( , видео)

Квантовая сверхтекучесть

В 1938 году Петр Капица охладил жидкий гелий до близкой к нулю температуры и обнаружил, что у вещества пропала вязкость. Это явление в квантовой физике получило название сверхтекучесть. Если охлажденный жидкий гелий налить на дно стакана, то он все равно вытечет из него по стенкам. Фактически, пока гелий достаточно охлажденный для него нет пределов, чтобы разлиться, вне зависимости от формы и размера емкости. В конце XX и начале XXI веков сверхтекучесть при определенных условиях была также обнаружена у водорода и различных газов. ( , видео)

Квантовый туннелинг

В 1960 году Айвор Джайевер проводил электрические опыты со сверхпроводниками, разделенными микроскопической пленкой непроводящего ток оксида алюминия. Выяснилось, что вопреки физике и логике часть электронов все равно проходит через изоляцию. Это подтвердило теорию о возможности квантового туннельного эффекта. Он распространяется не только на электричество, но и любые элементарные частицы, они же волны согласно квантовой физике. Они могут проходить препятствия насквозь, если ширина этих препятствий меньше длины волны частицы. Чем препятствие уже, тем чаще частицы проходят сквозь них. ( , видео)

Квантовая запутанность и телепортация

В 1982 году физик Ален Аспэ, будущий лауреат Нобелевской премии, направил два одновременно созданных фотона на разнонаправленные датчики определения их спина (поляризации). Оказалось, что измерение спина одного фотона мгновенно влияет на положение спина второго фотона, который становится противоположным. Так была доказана возможность квантовой запутанности элементарных частиц и квантовая телепортация. В 2008 году ученым удалось измерить состояние квантово-запутанных фотонов на расстоянии 144 километров и взаимодействие между ними все равно оказалось мгновенным, как если бы они были в одном месте или не было пространства. Считается, что если такие квантово-запутанные фотоны окажутся в противоположных участках вселенной, то взаимодействие между ними все равно будет мгновенным, хотя свет это же расстояние преодолевает за десятки миллиардов лет. Любопытно, но согласно Эйнштейну для летящих со скоростью света фотонов времени тоже нет. Совпадение ли это? Так не думают физики будущего! ( , видео)

Квантовый эффект Зенона и остановка времени

В 1989 году группа ученых под руководством Дэвида Вайнленда наблюдала за скоростью перехода ионов бериллия между атомными уровнями. Выяснилось, что сам факт измерения состояния ионов замедлял их переход между состояниями. В начале XXI века в подобном эксперименте с атомами рубидия удалось достичь 30-кратного замедления. Все это является подтверждением квантового эффект Зенона. Его смысл в том, что сам факт измерения состояния нестабильной частицы в квантовой физике замедляет скорость ее распада и в теории может его полностью остановить. ( , видео англ.)

Квантовый ластик с отложенным выбором

В 1999 году группа ученых под руководствам Марлана Скали направляла фотоны через две щели, за которыми стояла призма, конвертирующая каждый выходящий фотон в пару квантово-запутанных фотонов и разделяя их на два направления. Первое отправляло фотоны на основной детектор. Второе направление отправляла фотоны на систему 50%-отражателей и детекторов. Выяснилось, если фотон из второго направления достигал детекторы определяющие щель, из которой он вылетел, то основной детектор фиксировал его парный фотон как частицу. Если же фотон из второго направления достигал детекторы не определяющие щель, из которой он вылетел, то основной детектор фиксировал его парный фотон как волну. Не только измерение одного фотона отражалось на его квантово-запутанной паре, но и это происходило вне расстояния и времени, ведь вторичная система детекторов фиксировала фотоны позже основного, как если бы будущее определяло прошлое. Считается, что это самый невероятный эксперимент не только в истории квантовой физики, но и вполне в истории всей науки, так как он подрывает многие привычные основы мировоззрения. ( , видео англ.)

Квантовая суперпозиция и кот Шредингера

В 2010 году Аарон О’Коннелл поместил небольшую металлическую пластину в непрозрачную вакуумную камеру, которую охладил почти до абсолютного нуля. Затем он придал импульс пластине, чтобы она вибрировала. Однако датчик положения показал, что пластина вибрировала и была спокойна одновременно, что точно соответствовало теоретической квантовой физике. Этим впервые был доказан принцип суперпозиции на макрообъектах. В изолированных условиях, когда не происходит взаимодействия квантовых систем, объект может одновременно находиться в неограниченном количестве любых возможных положений, как если бы он больше не был материальным. ( , видео)

Квантовый Чеширский кот и физика

В 2014 году Тобиас Денкмайр и его коллеги разделили поток нейтронов на два пучка и провели серию сложных измерений. Выяснилось, что при определенных обстоятельствах нейтроны могут находиться в одном пучке, а их же магнитный момент в другом пучке. Таким образом был подтвержден квантовый парадокс улыбки Чеширского кота, когда частицы и их свойства могут находиться по нашему восприятию в разных частях пространства, как улыбка отдельно от кота в сказки «Алиса в стране чудес». В очередной раз квантовая физика оказалась загадочней и удивительней любой сказки! ( , видео англ .)

Спасибо за чтение! Теперь вы стали немного умнее и от этого наш мир чуточку посветлел. Поделитесь ссылкой на эту статью с друзьями и мир станет еще лучше!

Если Вы вдруг поняли, что подзабыли основы и постулаты квантовой механики или вообще не знаете, что это за механика такая, то самое время освежить в памяти эту информацию. Ведь никто не знает, когда квантовая механика может пригодиться в жизни.

Зря вы усмехаетесь и ехидствуете, думая, что уж с этим предметом вам в жизни вообще никогда не придется сталкиваться. Ведь квантовая механика может быть полезной практически каждому человеку, даже бесконечно далекому от нее. Например, у Вас бессонница. Для квантовой механики это не проблема! Почитайте перед сном учебник – и Вы спите крепчайшим сном странице уже эдак на третьей. Или можете назвать так свою крутую рок группу. Почему бы и нет?

Шутки в сторону, начинаем серьезный квантовый разговор.

С чего начать? Конечно, с того, что такое квант.

Квант

Квант (от латинского quantum – ”сколько”) – это неделимая порция какой-то физической величины. Например, говорят - квант света, квант энергии или квант поля.

Что это значит? Это значит, что меньше быть уже просто не может. Когда говорят о том, что какая-то величина квантуется, понимают, что данная величина принимает ряд определенных, дискретных значений. Так, энергия электрона в атоме квантуется, свет распространяется «порциями», то есть квантами.

Сам термин «квант» имеет множество применений. Квантом света (электромагнитного поля) является фотон. По аналогии квантами называются частицы или квазичастицы, соответствующие иным полям взаимодействия. Здесь можно вспомнить про знаменитый бозон Хиггса, который является квантом поля Хиггса. Но в эти дебри мы пока не лезем.

Как механика может быть квантовой?

Как Вы уже заметили, в нашем разговоре мы много раз упоминали о частицах. Возможно, Вы и привыкли к тому, что свет – это волна, которая просто распространяется со скоростью с . Но если посмотреть на все с точки зрения квантового мира, то есть мира частиц, все изменяется до неузнаваемости.

Квантовая механика – это раздел теоретической физики, составляющая квантовой теории, описывающая физические явления на самом элементарном уровне – уровне частиц.

Действие таких явлений по величине сравнимо с постоянной Планка, а классическая механика Ньютона и электродинамика оказались совершенно непригодными для их описания. Например, согласно классической теории электрон, вращаясь с большой скоростью вокруг ядра, должен излучать энергию и в конце концов упасть на ядро. Этого, как известно, не происходит. Именно поэтому и придумали квантовую механику – открытые явления нужно было как-то объяснить, и она оказалась именно той теорией, в рамках которой объяснение было наиболее приемлемым, а все экспериментальные данные "сходились".

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Немного истории

Зарождение квантовой теории произошло в 1900 году, когда Макс Планк выступил на заседании немецкого физического общества. Что тогда сообщил Планк? А то, что излучение атомов дискретно, а наименьшая порция энергии этого излучения равна

Где h - постоянная Планка, ню - частота.

Затем Альберт Эйнштейн, введя понятие “квант света” использовал гипотезу Планка для объяснения фотоэффекта. Нильс Бор постулировал существование у атома стационарных энергетических уровней, а Луи де Бройль развил идею о корпускулярно-волновом дуализме, то есть о том, что частица (корпускула) обладает также и волновыми свойствами. К делу присоединились Шредингер и Гейзенберг, и вот, в 1925 году публикуется первая формулировка квантовой механики. Собственно, квантовая механика – далеко не законченная теория, она активно развивается и в настоящее время. Также следует признать, что квантовая механика с ее допущениями не имеет возможности объяснить все стоящие перед ней вопросы. Вполне возможно, что на смену ей придет более совершенная теория.

При переходе от мира квантового к миру привычных нам вещей законы квантовой механики естественным образом трансформируются в законы механики классической. Можно сказать, что классическая механика – это частный случай квантовой механики, когда действие имеет место быть в нашем с Вами привычном и родном макромире. Здесь тела спокойно движутся в неинерциальных системах отсчета со скоростью, гораздо меньшей скорости света, и вообще - все вокруг спокойно и понятно. Хочешь узнать положение тела в системе координат – нет проблем, хочешь измерить импульс – всегда пожалуйста.

Совершенно иной подход к вопросу имеет квантовая механика. В ней результаты измерений физических величин носят вероятностный характер. Это значит, что при изменении какой-то величины возможно несколько результатов, каждому из которых соответствует определенная вероятность. Приведем пример: монетка крутится на столе. Пока она крутится, она не находится в каком-то определенном состоянии (орел-решка), а имеет лишь вероятность в одном из этих состояний оказаться.

Здесь мы плавно подходим к уравнению Шредингера и принципу неопределенности Гейзенберга .

Согласно легенде Эрвин Шредингер, в 1926 году выступая на одном научном семинаре с докладом на тему корпускулярно-волнового дуализма, был подвергнут критике со стороны некоего старшего ученого. Отказавшись слушать старших, Шредингер после этого случая активно занялся разработкой волнового уравнения для описания частиц в рамках квантовой механики. И справился блестяще! Уравнение Шредингера (основное уравнение квантовой механики) имеет вид:

Данный вид уравнения – одномерное стационарное уравнение Шредингера – самый простой.

Здесь x - расстояние или координата частицы, m - масса частицы, E и U - соответственно ее полная и потенциальная энергии. Решение этого уравнения – волновая функция (пси)

Волновая функция – еще одно фундаментальное понятие в квантовой механике. Так, у любой квантовой системы, находящейся в каком-то состоянии, есть волновая функция, описывающая данное состояние.

Например, при решении одномерного стационарного уравнения Шредингера волновая функция описывает положение частицы в пространстве. Точнее говоря, вероятность нахождения частицы в определенной точке пространства. Иными словами, Шредингер показал, что вероятность может быть описана волновым уравнением! Согласитесь, до этого нужно было додуматься!

Но почему? Почему мы должны иметь дело с этими непонятными вероятностями и волновыми функциями, когда, казалось бы, нет ничего проще, чем просто взять и измерить расстояние до частицы или ее скорость.

Все очень просто! Ведь в макромире это действительно так – мы с определенной точностью измеряем расстояние рулеткой, а погрешность измерения определяется характеристикой прибора. С другой стороны, мы можем практически безошибочно на глаз определить расстояние до предмета, например, до стола. Во всяком случае, мы точно дифференцируем его положение в комнате относительно нас и других предметов. В мире же частиц ситуация принципиально иная – у нас просто физически нет инструментов измерения, чтобы с точностью измерить искомые величины. Ведь инструмент измерения вступает в непосредственный контакт с измеряемым объектом, а в нашем случае и объект, и инструмент – это частицы. Именно это несовершенство, принципиальная невозможность учесть все факторы, действующие на частицу, а также сам факт изменения состояния системы под действием измерения и лежат в основе принципа неопределенности Гейзенберга.

Приведем самую простую его формулировку. Представим, что есть некоторая частица, и мы хотим узнать ее скорость и координату.

В данном контексте принцип неопределенности Гейзенберга гласит: невозможно одновременно точно измерить положение и скорость частицы . Математически это записывается так:

Здесь дельта x - погрешность определения координаты, дельта v - погрешность определения скорости. Подчеркнем – данный принцип говорит о том, что чем точнее мы определим координату, тем менее точно будем знать скорость. А если определим скорость, не будем иметь ни малейшего понятия о том, где находится частица.

На тему принципа неопределенности существует множество шуток и анекдотов. Вот один из них:

Полицейский останавливает квантового физика.
- Сэр, Вы знаете, с какой скоростью двигались?
- Нет, зато я точно знаю, где я нахожусь

И, конечно, напоминаем Вам! Если вдруг по какой-то причине решение уравнения Шредингера для частицы в потенциальной яме не дает Вам уснуть, обращайтесь к нашим авторам – профессионалам, которые были взращены с квантовой механикой на устах!

Физика - самая загадочная из всех наук. Физика дает нам понимание окружающего мира. Законы физики абсолютны и действуют на всех без исключения, не взирая на лица и социальный статус.

Данная статья предназначена для лиц старше 18 лет

А вам уже исполнилось 18?

Фундаментальные открытия в области квантовой физики

Исаак Ньютон, Никола Тесла, Альберт Эйнштейн и многие другие — великие проводники человечества в удивительном мире физики, которые подобно пророкам открыли человечеству величайшие тайны мироздания и возможности управления физическими явлениями. Их светлые головы рассекли тьму невежества неразумного большинства и подобно путеводной звезде указали путь человечеству во мраке ночи. Одним из таких проводников в мире физики стал Макс Планк — отец квантовой физики.

Макс Планк не только основоположник квантовой физики, но и автор всемирно известной квантовой теории. Квантовая теория — важнейшая составляющая квантовой физики. Простыми словами, данная теория описывает движение, поведение и взаимодействие микрочастиц. Основатель квантовой физики также принес нам и множество других научных трудов, которые стали краеугольными камнями современной физики:

• теория теплового излучения;
• специальная теория относительности;
• исследования в области термодинамики;
• исследования в области оптики.

Теория квантовой физики о поведении и взаимодействии микрочастиц стала основой для физики конденсированного состояния, физики элементарных частиц и физики высоких энергий. Квантовая теория объясняет нам суть множества явлений нашего мира — от функционирования электронных вычислительных машин до строения и поведения небесных тел. Макс Планк, создатель данной теории, благодаря своему открытию позволил нам постигнуть истинную суть многих вещей на уровне элементарных частиц. Но создание данной теории — далеко не единственная заслуга ученого. Он стал первым, кто открыл фундаментальный закон Вселенной — закон сохранения энергии. Вклад в науку Макса Планка сложно переоценить. Если говорить кратко, то его открытия бесценны для физики, химии, истории, методологии и философии.

Квантовая теория поля

В двух словах, квантовая теория поля — это теория описания микрочастиц, а также их поведения в пространстве, взаимодействия между собой и взаимопревращения. Данная теория изучает поведение квантовых систем в рамках, так называемых степеней свободы. Это красивое и романтичное название многим из нас толком ничего не говорит. Для чайников, степени свободы — это количество независимых координат, которые необходимы для обозначения движения механической системы. Простыми словами, степени свободы — это характеристики движения. Интересные открытия в области взаимодействия элементарных частиц совершил Стивен Вайнберг. Он открыл так называемый нейтральный ток — принцип взаимодействия между кварками и лептонами, за что и получил Нобелевскую премию в 1979-ом году.

Квантовая теория Макса Планка

В девяностых годах восемнадцатого века немецкий физик Макс Планк занялся изучением теплового излучения и в итоге получил формулу для распределения энергии. Квантовая гипотеза, которая родилась в ходе данных исследований, положила начало квантовой физике, а также квантовой теории поля, открытой в 1900-ом году. Квантовая теория Планка заключается в том, что при тепловом излучении продуцируемая энергия исходит и поглощается не постоянно, а эпизодически, квантово. 1900-ый год, благодаря данному открытию, которое совершил Макс Планк, стал годом рождения квантовой механики. Также стоит упомянуть о формуле Планка. Если говорить кратко, то ее суть следующая — она основана на соотношении температуры тела и его излучения.

Квантово-механическая теория строения атома

Квантово-механическая теория строения атома является одной из базовых теорий понятий в квантовой физике, да и в физике вообще. Данная теория позволяет нам понять строение всего материального и открывает завесу тайны над тем, из чего же на самом деле состоят вещи. А выводы, исходя из данной теории, получаются весьма неожиданные. Рассмотрим строение атома кратко. Итак, из чего же на самом деле состоит атом? Атом состоит из ядра и облака электронов. Основа атома, его ядро, содержит в себе почти всю массу самого атома — более 99 процентов. Ядро всегда имеет положительный заряд, и он определяет химический элемент, частью которого является атом. Самым интересным в ядре атома является то, что он содержит в себе практически всю массу атома, но при этом занимает лишь одну десятитысячную его объема. Что же из этого следует? А вывод напрашивается весьма неожиданный. Это значит, что плотного вещества в атоме — всего лишь одна десятитысячная. А что же занимает все остальное? А все остальное в атоме — электронное облако.

Электронное облако — это не постоянная и даже, по сути, не материальная субстанция. Электронное облако — это лишь вероятность появления электронов в атоме. То есть ядро занимает в атоме лишь одну десятитысячную, а все остальное — пустота. И если учесть, что все окружающие нас предметы, начиная от пылинок и заканчивая небесными телами, планетами и звездами, состоят из атомов, то получается, что все материальное на самом деле более чем на 99 процентов состоит из пустоты. Эта теория кажется вовсе невероятной, а ее автор, как минимум, заблуждающимся человеком, ведь вещи, существующие вокруг, имеют твердую консистенцию, имеют вес и их можно осязать. Как же он могут состоять из пустоты? Не закралась ли ошибка в эту теорию строения вещества? Но ошибки тут никакой нет.

Все материальные вещи кажутся плотными лишь за счет взаимодействия между атомами. Вещи имеют твердую и плотную консистенцию лишь за счет притяжения или же отталкивания между атомами. Это и обеспечивает плотность и твердость кристаллической решетки химических веществ, из которых и состоит все материальное. Но, интересный момент, при изменении, например, температурных условий окружающей среды, связи между атомами, то есть их притяжение и отталкивание может слабеть, что приводит к ослаблению кристаллической решетки и даже к ее разрушению. Именно этим объясняется изменение физических свойств веществ при нагревании. Например, при нагревании железа оно становится жидким и ему можно придать любую форму. А при таянии льда, разрушение кристаллической решетки приводит к изменению состояния вещества, и из твердого оно превращается в жидкое. Это яркие примеры ослабления связей между атомами и, как следствие, ослабления или разрушения кристаллической решетки, и позволяют веществу стать аморфным. А причина таких загадочных метаморфоз как раз в том, что вещества лишь на одну десятитысячную состоят из плотной материи, а все остальное — пустота.

И вещества кажутся твердыми лишь по причине прочных связей между атомами, при ослаблении которых, вещество видоизменяется. Таким образом, квантовая теория строения атома позволяет совершенно по-другому взглянуть на окружающий мир.

Основатель теории атома,Нильс Бор, выдвинул интересную концепцию о том, что электроны в атоме не излучают энергию постоянно, а лишь в момент перехода между траекториями своего движения. Теория Бора помогла объяснить многие внутриатомные процессы, а также сделала прорыв в области такой науки, как химия, объясняя границу таблицы, созданной Менделеевым. Согласно , последний элемент, способный существовать во времени и пространстве, имеет порядковый номер сто тридцать семь, а элементы, начиная со сто тридцать восьмого, существовать не могут, так как их существование противоречит теории относительности. Также, теория Бора объяснила природу такого физического явления, как атомные спектры.

Это спектры взаимодействия свободных атомов, возникающие при излучении энергии между ними. Такие явления характерны для газообразных, парообразных веществ и веществ в состоянии плазмы. Таким образом, квантовая теория сделала революцию в мире физики и позволила продвинуться ученым не только в сфере этой науки, но и в сфере многих смежных наук: химии, термодинамики, оптики и философии. А также позволила человечеству проникнуть в тайны природы вещей.

Еще очень многое надлежит перевернуть человечеству в своем сознании, чтобы осознать природу атомов, понять принципы их поведения и взаимодействия. Поняв это, мы сможем понять и природу окружающего нас мира, ведь все, что нас окружает, начиная с пылинок и заканчивая самим солнцем, да и мы сами — все состоит из атомов, природа которых загадочна и удивительна и таит в себе еще массу тайн.