Введение в квантовую механику

О книге Дэвида Дж. Гриффитса см. Введение в квантовую механику (книга) .

Эта статья представляет собой нетехническое введение в предмет. Основную статью энциклопедии см. в разделе « Квантовая механика» .

Квантовая механика это изучение материи и ее взаимодействия с энергией в масштабе атомных — и субатомных частиц . Напротив, классическая физика объясняет материю и энергию только в масштабе, знакомом человеческому опыту, включая поведение астрономических тел, таких как Луна. Классическая физика до сих пор используется в большей части современной науки и техники. Однако ближе к концу XIX века учёные открыли явления как в большом ( макро ), так и в малом ( микро ) мирах, которые классическая физика не могла объяснить. Желание разрешить несоответствия между наблюдаемыми явлениями и классической теорией привело к революции в физике, сдвигу исходной научной парадигмы : развитие квантовой механики .

Многие аспекты квантовой механики противоречат здравому смыслу. и могут показаться парадоксальными, поскольку описывают поведение, совершенно отличное от того, которое наблюдается в более крупных масштабах. По словам квантового физика Ричарда Фейнмана , квантовая механика имеет дело с «природой такой, какая она есть — абсурдной». Особенности квантовой механики часто не поддаются простым объяснениям на повседневном языке. Одним из примеров этого является принцип неопределенности : точные измерения положения не могут сочетаться с точными измерениями скорости. Другим примером является запутанность : измерение, выполненное на одной частице (например, электроне которого измерен как , спин «вверх»), будет коррелировать с измерением на второй частице (будет обнаружено, что электрон имеет спин «вниз»), если две частицы имеют общую историю. Это будет применяться, даже если невозможно передать результат первого измерения второй частице до того, как произойдет второе измерение.

Квантовая механика помогает нам понять химию , поскольку она объясняет, как атомы взаимодействуют друг с другом и образуют молекулы . Многие замечательные явления можно объяснить с помощью квантовой механики, например, сверхтекучесть . Например, если жидкий гелий, охлажденный до температуры, близкой к абсолютному нулю , поместить в контейнер, он самопроизвольно вытечет вверх и через край контейнера; это эффект, который не может быть объяснен классической физикой.

История

Основная статья: История квантовой механики

Объединение Джеймсом К. Максвеллом уравнений , управляющих электричеством, магнетизмом и светом, в конце 19 века привело к экспериментам по взаимодействию света и материи. Некоторые из этих экспериментов имели аспекты, которые нельзя было объяснить до появления квантовой механики в начале 20 века.

Доказательства существования квантов фотоэлектрического эффекта

Основная статья: Фотоэлектрический эффект

Семена квантовой революции появились в открытии Дж. Дж. Томсона в 1897 году, что катодные лучи представляют собой не непрерывные, а «частицы» ( электроны ). Электроны были названы всего шестью годами ранее в рамках развивающейся теории атомов . В 1900 году Макс Планк , которого не убедила атомная теория , обнаружил, что ему нужны дискретные объекты, такие как атомы или электроны, для объяснения излучения черного тела .

Интенсивность излучения черного тела в зависимости от цвета и температуры. Радужная полоса представляет собой видимый свет; Объекты с температурой 5000 К «раскалены добела» из-за смешивания разных цветов видимого света. Справа находится невидимый инфракрасный свет. Классическая теория (черная кривая для 5000 К) не может предсказать цвета; остальные кривые правильно предсказываются квантовыми теориями.

Очень горячие – раскаленные докрасна или раскаленные добела – объекты выглядят одинаково, если их нагреть до одинаковой температуры. Этот вид возникает из-за общей кривой интенсивности света на разных частотах (цветах), которая называется излучением черного тела. Белые горячие объекты имеют интенсивность многих цветов видимого диапазона. Самые низкие частоты выше видимых цветов — это инфракрасный свет , который также выделяет тепло. Теории непрерывных волн света и материи не могут объяснить кривую излучения черного тела. Планк распределял тепловую энергию между отдельными «осцилляторами» неопределенного характера, но с дискретной энергоемкостью; эта модель объяснила излучение черного тела.

В то время электроны, атомы и дискретные осцилляторы были экзотическими идеями для объяснения экзотических явлений. Но в 1905 году Альберт Эйнштейн предположил, что свет также является корпускулярным и состоит из «квантов энергии», что противоречит устоявшейся науке о свете как непрерывной волне, восходящей сто лет назад к Томаса Янга работам по дифракции .

Революционное предложение Эйнштейна началось с повторного анализа теории черного тела Планка и прихода к тем же выводам, используя новые «кванты энергии». Затем Эйнштейн показал, как кванты энергии соединяются с электроном Томсона. В 1902 году Филипп Ленард направил свет дуговой лампы на только что очищенные металлические пластины, помещенные в вакуумированную стеклянную трубку. Он измерил электрический ток, исходящий от металлической пластины, при большей и меньшей интенсивности света и для разных металлов. Ленард показал, что величина тока – количество электронов – зависит от интенсивности света, но скорость этих электронов не зависит от интенсивности. Это фотоэлектрический эффект . Теории непрерывных волн того времени предсказывали, что большая интенсивность света приведет к ускорению того же количества тока до более высокой скорости, в отличие от этого эксперимента. Энергетические кванты Эйнштейна объяснили увеличение объема: на каждый квант выбрасывается один электрон: больше квантов означает больше электронов.

Затем Эйнштейн предсказал, что скорость электронов будет увеличиваться прямо пропорционально частоте света выше фиксированного значения, зависящего от металла. Здесь идея состоит в том, что энергия в квантах энергии зависит от частоты света; энергия, передаваемая электрону, пропорциональна частоте света. Тип металла определяет барьер , фиксированную величину, которую электроны должны преодолеть, чтобы покинуть свои атомы, вылететь с поверхности металла и быть измерены.

Десять лет прошло до решающего эксперимента Милликена. подтвердил предсказание Эйнштейна. В то время многие учёные отвергли революционную идею квантов. Но концепция Планка и Эйнштейна витала в воздухе и вскоре начала влиять на другие физические и квантовые теории.

Квантование связанных электронов в атомах

Основные статьи: Теория атома , атом Бора и модель Бора-Зоммерфельда.

Эксперименты со светом и материей в конце 1800-х годов выявили воспроизводимую, но загадочную закономерность. При пропускании света через очищенные газы определенные частоты (цвета) не проходили. Эти темные «линии» поглощения следовали характерной схеме: промежутки между линиями постепенно уменьшались. К 1889 году формула Ридберга предсказала линии для газообразного водорода, используя только постоянное число и целые числа для индексации линий. Происхождение этой закономерности было неизвестно. Решение этой загадки в конечном итоге станет первым важным шагом на пути к квантовой механике.

На протяжении XIX века росли доказательства атомной природы материи. С открытием Томсоном электрона в 1897 году учёный начал поиск модели внутреннего строения атома. Томсон предположил, что отрицательные электроны плавают в резервуаре с положительным зарядом . Между 1908 и 1911 годами Резерфорд показал, что положительная часть составляет всего 1/3000 диаметра атома.

Были предложены модели «планетарных» электронов, вращающихся вокруг ядерного «Солнца», но они не могут объяснить, почему электрон просто не попадает в положительный заряд. В 1913 году Нильс Бор и Эрнест Резерфорд связали новые модели атома с загадкой формулы Ридберга: орбитальный радиус электронов был ограничен, и результирующие различия в энергии соответствовали различиям в энергии в линиях поглощения. Это означало, что поглощение и излучение света атомами было квантовано по энергии: излучались или поглощались только определенные энергии, соответствующие разнице в орбитальной энергии.

Обмен одной загадки – регулярности формулы Ридберга – на другую загадку – ограничения на орбиты электронов – может показаться не таким уж большим достижением, но новая модель атома суммировала многие другие экспериментальные открытия. Квантование фотоэлектрического эффекта, а теперь и квантование электронных орбит подготовили почву для последней революции.

На протяжении всей первой и современной эры квантовой механики концепция о том, что классическая механика должна быть обоснованной, макроскопически ограничивала возможные квантовые модели. Это понятие было формализовано Бором в 1923 году как принцип соответствия . Это требует, чтобы квантовая теория сходилась к классическим пределам. Родственной концепцией является теорема Эренфеста , которая показывает, что средние значения, полученные из квантовой механики (например, положение и импульс), подчиняются классическим законам.

Квантование спина

Основная статья: эксперимент Штерна-Герлаха

Эксперимент Штерна-Герлаха : атомы серебра перемещаются через неоднородное магнитное поле и отклоняются вверх или вниз в зависимости от их спина; (1) печь, (2) пучок атомов серебра, (3) неоднородное магнитное поле, (4) классически ожидаемый результат, (5) наблюдаемый результат

В 1922 году Отто Штерн и Вальтер Герлах продемонстрировали , что магнитные свойства атомов серебра не поддаются классическому объяснению, и эта работа способствовала получению Стерном Нобелевской премии по физике 1943 года . Они выпустили луч атомов серебра через магнитное поле. Согласно классической физике, атомы должны были возникнуть в виде брызг с непрерывным диапазоном направлений. Вместо этого луч разделился на два и только два расходящихся потока атомов. В отличие от других квантовых эффектов, известных в то время, этот поразительный результат касается состояния одного атома. В 1927 году Т. Э. Фиппс и Дж. Б. Тейлор получили аналогичный, но менее выраженный эффект, используя атомы водорода в основном состоянии , устранив тем самым любые сомнения, которые могли быть вызваны использованием атомов серебра .

В 1924 году Вольфганг Паули назвал это «двузначностью, не поддающейся классическому описанию» и связал ее с электронами во внешней оболочке. Эксперименты привели к формулировке его теории, которая, как описано, возникла из спина электрона в 1925 году Сэмюэлем Гаудсмитом и Джорджем Уленбеком по совету Пола Эренфеста .

Квантование материи

Основные статьи: Волна материи и уравнение Шредингера

В 1924 году Луи де Бройль предложил что электроны в атоме удерживаются не на «орбитах», а в виде стоячих волн. В деталях его решение не сработало, но его гипотеза о том, что электронная «тельце» движется в атоме как волна, побудила Эрвина Шрёдингера разработать волновое уравнение для электронов; применительно к водороду формула Ридберга была точно воспроизведена.

Пример оригинальной фотографии дифракции электронов из лаборатории Г. П. Томсона, сделанной в 1925–1927 гг.

Статья Макса Борна 1924 года «Zur Quantenmechanik» была первым использованием слова «квантовая механика» в печати. Его более поздняя работа включала разработку моделей квантовых столкновений; в сноске к статье 1926 года он предложил правило Борна, связывающее теоретические модели с экспериментом.

В 1927 году в Bell Labs Клинтон Дэвиссон и Лестер Гермер выпустили медленно движущиеся электроны в мишень из кристаллического никеля , которая показала дифракционную картину. указывающее на волновую природу электрона, теория которого была полностью объяснена Гансом Бете . Аналогичный эксперимент, проведенный Джорджем Пэджетом Томсоном и Александром Ридом, запуская электронами тонкую целлулоидную фольгу, а затем и металлические пленки, наблюдая за кольцами, независимо обнаружил волновую природу электронов.

Дальнейшие разработки

В 1928 году Поль Дирак опубликовал свое релятивистское волновое уравнение, одновременно включив теорию относительности , предсказав антиматерию и предоставив полную теорию результата Штерна-Герлаха. Эти успехи положили начало новому фундаментальному пониманию нашего мира в малых масштабах: квантовой механике.

Планк и Эйнштейн начали революцию с квантами, которые разрушили непрерывные модели материи и света. Двадцать лет спустя «корпускулы», подобные электронам, стали моделировать как непрерывные волны. Этот результат стал называться корпускулярно-волновым дуализмом — одной из знаковых идей наряду с принципом неопределенности, который отличает квантовую механику от старых моделей физики.

Квантовое излучение, квантовые поля

Основная статья: История квантовой теории поля

В 1923 году Комптон продемонстрировал, что кванты энергии Планка-Эйнштейна света также обладают импульсом; три года спустя «кванты энергии» получили новое имя « фотон ». Несмотря на свою роль почти на всех этапах квантовой революции, явной модели световых квантов не существовало до 1927 года, когда Поль Дирак начал работу над квантовой теорией излучения. это стало квантовой электродинамикой . В течение следующих десятилетий эта работа превратилась в квантовую теорию поля , основу современной квантовой оптики и физики элементарных частиц .

Корпускулярно-волновой дуализм

Основные статьи: Корпускулярно-волновой дуализм и эксперимент с двумя щелями.

Концепция корпускулярно-волнового дуализма гласит, что ни классическая концепция «частицы», ни «волны» не может полностью описать поведение объектов квантового масштаба, будь то фотонов или материи. Дуальность волны и частицы является примером принципа дополнительности в квантовой физике. Элегантным примером корпускулярно-волнового дуализма является эксперимент с двумя щелями.

Дифракционная картина, получаемая при прохождении света через одну щель (вверху), и интерференционная картина, создаваемая двумя щелями (внизу). Обе картины демонстрируют колебания, обусловленные волновой природой света. Модель с двойной прорезью выглядит более драматично.

Двухщелевой эксперимент для классической частицы, волны и квантовой частицы, демонстрирующий корпускулярно-волновой дуализм

В эксперименте с двумя щелями, впервые проведенном Томасом Янгом в 1803 году, а затем Огюстен Френель десять лет спустя, луч света направляется через две узкие, близко расположенные щели, создавая интерференционную картину на экране светлых и темных полос. То же самое поведение можно продемонстрировать и в волнах на воде: эксперимент с двумя щелями рассматривался как демонстрация волновой природы света.

Вариации эксперимента с двумя щелями проводились с использованием электронов, атомов и даже больших молекул. и видна та же самая интерференционная картина. Таким образом, было продемонстрировано, что вся материя обладает волновыми характеристиками.

Если интенсивность источника уменьшить, та же самая интерференционная картина будет медленно нарастать, по одному «отсчету» или частице (например, фотону или электрону) за раз. Квантовая система действует как волна при прохождении через двойные щели и как частица при ее обнаружении. Это типичная особенность квантовой дополнительности: квантовая система действует как волна в эксперименте для измерения ее волноподобных свойств и как частица в эксперименте для измерения ее частицеподобных свойств. Точка на экране детектора, где появляется какая-либо отдельная частица, является результатом случайного процесса. Однако картина распределения многих отдельных частиц имитирует картину дифракции, создаваемую волнами.

Принцип неопределенности

Основная статья: Принцип неопределенности

Вернер Гейзенберг в возрасте 26 лет. Гейзенберг получил Нобелевскую премию по физике в 1932 году за работу, которую он проделал в конце 1920-х годов.

Предположим, необходимо измерить положение и скорость объекта — например, автомобиля, проходящего через радарную ловушку. Можно предположить, что автомобиль имеет определенное положение и скорость в конкретный момент времени. Насколько точно можно измерить эти значения, зависит от качества измерительного оборудования. Если точность измерительного оборудования повышается, оно обеспечивает результат, более близкий к истинному значению. Можно предположить, что скорость автомобиля и его положение могут быть оперативно определены и измерены одновременно с необходимой точностью.

В 1927 году Гейзенберг доказал, что это последнее предположение неверно. Квантовая механика показывает, что некоторые пары физических свойств, например, положение и скорость, не могут быть одновременно измерены или определены в оперативных терминах с произвольной точностью: чем точнее одно свойство измерено или определено в операциональных терминах, тем менее точно можно с другим следует обращаться таким же образом. Это утверждение известно как принцип неопределенности . Принцип неопределенности — это не только утверждение о точности нашего измерительного оборудования, но, более глубоко, он касается концептуальной природы измеряемых величин — предположение, что автомобиль одновременно определял положение и скорость, не работает в квантовой механике. В масштабах автомобилей и людей эти неопределенности незначительны, но когда речь идет об атомах и электронах, они становятся критическими.

Гейзенберг в качестве иллюстрации привел измерение положения и импульса электрона с помощью фотона света. При измерении положения электрона, чем выше частота фотона, тем точнее измерение положения удара фотона о электрон, но тем больше возмущение электрона. Это происходит потому, что при столкновении с фотоном электрон поглощает случайное количество энергии, что делает измерение его импульса все более неопределенным, поскольку его возмущенный импульс после удара обязательно измеряется по продуктам столкновения, а не по его первоначальному импульсу ( импульс, который следует измерять одновременно с положением). Для фотона более низкой частоты возмущение (и, следовательно, неопределенность) импульса меньше, но снижается и точность измерения положения удара.

В основе принципа неопределенности лежит тот факт, что при любом математическом анализе в области положения и скорости достижение более острой (более точной) кривой в области положения может быть достигнуто только за счет более плавной (менее точной) кривой. в области скорости и наоборот. Большая резкость в области положения требует вклада большего количества частот в области скорости для создания более узкой кривой, и наоборот. Это фундаментальный компромисс, присущий любым подобным связанным или дополнительным измерениям, но он действительно заметен только в самом маленьком (планковском) масштабе, близком к размеру элементарных частиц .

Принцип неопределенности математически показывает, что произведение неопределенности положения и импульса частицы (импульс — это скорость, умноженная на массу) никогда не может быть меньше определенного значения, и что это значение связано с постоянной Планка .

Коллапс волновой функции

Основная статья: Коллапс волновой функции

Коллапс волновой функции означает, что измерение привело или преобразовало квантовое (вероятностное или потенциальное) состояние в определенную измеренную величину. Это явление наблюдается только в квантовой механике, а не в классической механике.

Например, прежде чем фотон действительно «появится» на экране обнаружения, его можно описать только с помощью набора вероятностей того, где он может появиться. Когда он появляется, например, в ПЗС-матрице электронной камеры, время и пространство, в котором он взаимодействовал с устройством, известны в очень узких пределах. Однако в процессе захвата (измерения) фотон исчез, а и его квантовая волновая функция вместе с ним исчезла . Вместо этого появилось какое-то макроскопическое физическое изменение в экране детектирования, например, засвеченное пятно на листе фотопленки или изменение электрического потенциала в какой-либо ячейке ПЗС-матрицы.

Собственные состояния и собственные значения

Дополнительная информация: Введение в собственные состояния.

Из-за принципа неопределенности утверждения о положении и импульсе частиц могут определять только вероятность того, что положение или импульс имеют некоторое числовое значение. Поэтому необходимо четко сформулировать разницу между состоянием чего-то неопределенного, например электрона в облаке вероятностей, и состоянием чего-то, имеющего определенную величину. Когда объект в каком-то отношении определенно может быть «закреплен», говорят, что он обладает собственным состоянием .

В эксперименте Штерна-Герлаха, обсуждавшемся выше , квантовая модель предсказывает два возможных значения спина атома по сравнению с магнитной осью. Эти два собственных состояния произвольно называются «верхним» и «нижним». Квантовая модель предсказывает, что эти состояния будут измеряться с равной вероятностью, но промежуточных значений не будет. Именно это показывает эксперимент Штерна-Герлаха.

Собственные состояния вращения вокруг вертикальной оси не являются одновременно собственными состояниями вращения вокруг горизонтальной оси, поэтому этот атом имеет равную вероятность обнаружить любое значение вращения вокруг горизонтальной оси. Как описано в разделе выше , измерение вращения вокруг горизонтальной оси может позволить атому, который был раскручен вверх, вращаться вниз: измерение его вращения вокруг горизонтальной оси сжимает его волновую функцию в одно из собственных состояний этого измерения, что означает, что это больше не находится в собственном состоянии вращения вокруг вертикальной оси, поэтому может принимать любое значение.

Принцип исключения Паули

Вольфганг Паули

Основная статья: Принцип исключения Паули

В 1924 году Вольфганг Паули предложил новую квантовую степень свободы (или квантовое число ) с двумя возможными значениями, чтобы разрешить несоответствия между наблюдаемыми молекулярными спектрами и предсказаниями квантовой механики. В частности, спектр атомарного водорода имел дублет или пару линий, различающихся на небольшую величину, тогда как ожидалась только одна линия. Паули сформулировал свой принцип исключения , заявив: «Не может существовать атом в таком квантовом состоянии, в котором два электрона внутри [него] имеют одинаковый набор квантовых чисел».

Год спустя Уленбек и Гаудсмит идентифицировали новую степень свободы Паули со свойством, называемым спином , эффекты которого наблюдались в эксперименте Штерна-Герлаха .

Волновое уравнение Дирака

Основная статья: уравнение Дирака

Поль Дирак (1902–1984)

В 1928 году Поль Дирак расширил уравнение Паули , описывающее вращение электронов, для учета специальной теории относительности . Результатом стала теория, которая правильно рассматривала такие события, как скорость, с которой электрон вращается вокруг ядра, происходящие со значительной долей скорости света . Используя простейшее электромагнитное взаимодействие , Дирак смог предсказать значение магнитного момента, связанного со вращением электрона, и нашел экспериментально наблюдаемое значение, которое было слишком большим, чтобы соответствовать вращающейся заряженной сфере, подчиняющейся классической физике . Ему удалось найти спектральные линии атома водорода и воспроизвести на основе физических принципов Зоммерфельда успешную формулу для определения тонкой структуры спектра водорода.

Уравнения Дирака иногда давали отрицательное значение энергии, для чего он предложил новое решение: он постулировал существование антиэлектрона и динамического вакуума. Это привело к созданию многочастичной квантовой теории поля .

Квантовая запутанность

Основная статья: Квантовая запутанность

В квантовой физике группа частиц может взаимодействовать или создаваться вместе таким образом, что квантовое состояние каждой частицы группы не может быть описано независимо от состояния остальных, в том числе и тогда, когда частицы разделены большим расстоянием. Это известно как квантовая запутанность .

Ранней вехой в изучении запутанности стал парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР) , мысленный эксперимент, предложенный Альбертом Эйнштейном, Борисом Подольским и Натаном Розеном , который утверждает, что описание физической реальности, обеспечиваемое квантовой механикой, является неполным. В статье 1935 года под названием «Можно ли квантово-механическое описание физической реальности считать полным?» они приводили доводы в пользу существования «элементов реальности», которые не были частью квантовой теории, и предполагали, что должно быть возможно построить теорию. содержащий эти скрытые переменные .

В мысленном эксперименте участвует пара частиц, находящихся в состоянии, которое позже станет известно как запутанное состояние. Эйнштейн, Подольский и Розен указали, что в этом состоянии, если бы было измерено положение первой частицы, можно было бы предсказать результат измерения положения второй частицы. Если бы вместо этого был измерен импульс первой частицы, то можно было бы предсказать результат измерения импульса второй частицы. Они утверждали, что никакое действие, предпринятое над первой частицей, не может мгновенно повлиять на другую, поскольку это потребует передачи информации со скоростью, превышающей скорость света, что запрещено теорией относительности . Они ссылались на принцип, позже известный как «ЭПР-критерий реальности», утверждая, что: «Если, никоим образом не нарушая систему, мы можем предсказать с уверенностью (т. е. с вероятностью , равной единице) значение физической величины , то существует элемент реальности, соответствующий этой величине». Из этого они пришли к выводу, что вторая частица должна иметь определенное значение как положения, так и импульса, прежде чем любая из величин будет измерена. Но квантовая механика считает эти две наблюдаемые несовместимы и, следовательно, не связывают одновременные значения для обеих систем с какой-либо системой. Поэтому Эйнштейн, Подольский и Розен пришли к выводу, что квантовая теория не дает полного описания реальности. В том же году Эрвин Шрёдингер использовал слово «запутанность» и заявил: «Я бы не назвал это явление , а скорее характерной чертой квантовой механики».

Ирландский физик Джон Стюарт Белл продвинул анализ квантовой запутанности гораздо дальше. Он пришел к выводу, что если измерения выполняются независимо на двух разделенных частицах запутанной пары, то предположение о том, что результаты зависят от скрытых переменных внутри каждой половины, подразумевает математическое ограничение на то, как коррелируют результаты двух измерений. Это ограничение позже будет названо неравенством Белла . Затем Белл показал, что квантовая физика предсказывает корреляции, нарушающие это неравенство. Следовательно, единственный способ, которым скрытые переменные могли бы объяснить предсказания квантовой физики, — это если они «нелокальны», то есть каким-то образом две частицы способны мгновенно взаимодействовать, независимо от того, насколько далеко они когда-либо были разделены. Проводя эксперименты, подобные тем, которые предложил Белл, физики обнаружили, что природа подчиняется квантовой механике и нарушает неравенства Белла. Другими словами, результаты этих экспериментов несовместимы с любой локальной теорией скрытых переменных.

Квантовая теория поля

Основная статья: Квантовая теория поля

Идея квантовой теории поля возникла в конце 1920-х годов у британского физика Поля Дирака, когда он попытался квантовать энергию электромагнитного поля ; точно так же, как в квантовой механике квантовалась энергия электрона в атоме водорода. Квантование — это процедура построения квантовой теории, исходя из классической теории.

Мерриам-Вебстер определяет поле в физике как «область или пространство, в котором существует данный эффект (например, магнетизм ). Другими эффектами, проявляющимися в виде полей, являются гравитация и статическое электричество . В 2008 году физик Ричард Хаммонд написал:

Иногда мы различаем квантовую механику (КМ) и квантовую теорию поля (КТП). КМ относится к системе, в которой число частиц фиксировано, а поля (например, электромеханическое поле) представляют собой непрерывные классические объекты. QFT... идет на шаг дальше и позволяет создавать и уничтожать частицы...

Однако он добавил, что квантовая механика часто используется для обозначения «всего понятия квантовой теории».

В 1931 году Дирак предположил существование частиц, которые позже стали известны как антивещество . Дирак разделил Нобелевскую премию по физике за 1933 год со Шредингером «за открытие новых продуктивных форм теории атома».

Квантовая электродинамика

Основная статья: Квантовая электродинамика

Квантовая электродинамика (КЭД) — это название квантовой теории электромагнитных сил . Понимание КЭД начинается с понимания электромагнетизма . Электромагнетизм можно назвать «электродинамикой», потому что это динамическое взаимодействие между электрическими и магнитными силами . Электромагнетизм начинается с электрического заряда .

Электрические заряды являются источниками и создают электрические поля . Электрическое поле — это поле, которое оказывает силу на любые частицы, несущие электрические заряды, в любой точке пространства. Сюда входят, среди прочего, электрон, протон и даже кварки . Под действием силы электрические заряды движутся, течет ток и создается магнитное поле. Изменение магнитного поля, в свою очередь, вызывает электрический ток (часто движущиеся электроны). Физическое описание взаимодействующих заряженных частиц , электрических токов, электрических полей и магнитных полей называется электромагнетизмом.

В 1928 году Поль Дирак создал релятивистскую квантовую теорию электромагнетизма. Это был прародитель современной квантовой электродинамики, поскольку он содержал важные компоненты современной теории. возникла проблема неразрешимых бесконечностей Однако в этой релятивистской квантовой теории . Спустя годы перенормировка во многом решила эту проблему. Первоначально некоторые из ее создателей рассматривали перенормировку как временную и подозрительную процедуру, но в конечном итоге она стала важным и самосогласованным инструментом в КЭД и других областях физики. Кроме того, в конце 1940-х годов диаграммы Фейнмана позволили делать прогнозы с помощью КЭД, находя амплитуду вероятности для каждого возможного способа возникновения взаимодействия. Диаграммы показали, в частности, что электромагнитная сила представляет собой обмен фотонами между взаимодействующими частицами.

Лэмбовский сдвиг является примером предсказания квантовой электродинамики, которое было подтверждено экспериментально. Это эффект, при котором квантовая природа электромагнитного поля заставляет уровни энергии в атоме или ионе слегка отклоняться от тех, которыми они были бы в противном случае. В результате спектральные линии могут смещаться или разделяться.

Точно так же внутри свободно распространяющейся электромагнитной волны ток может быть просто абстрактным током смещения , а не затрагивать носители заряда. В КЭД его полное описание существенно использует короткоживущие виртуальные частицы . Здесь QED снова подтверждает более раннюю, довольно загадочную концепцию.

Стандартная модель

Основная статья: Стандартная модель

Стандартная модель физики элементарных частиц — это квантовая теория поля, которая описывает три из четырех известных фундаментальных сил ( электромагнитное , слабое и сильное взаимодействия , исключая гравитацию ) во Вселенной и классифицирует все известные элементарные частицы . Она разрабатывалась поэтапно на протяжении второй половины 20-го века благодаря работе многих ученых со всего мира, а нынешняя формулировка была завершена в середине 1970-х годов после экспериментального подтверждения существования кварков . С тех пор доказательства существования топ-кварка (1995 г.), тау-нейтрино (2000 г.) и бозона Хиггса (2012 г.) еще больше усилили доверие к Стандартной модели. Кроме того, Стандартная модель с большой точностью предсказала различные свойства слабых нейтральных токов и W- и Z-бозонов .

Хотя Стандартная модель считается теоретически самосогласованной и продемонстрировала успех в экспериментальных предсказаниях , она оставляет некоторые физические явления необъяснимыми и поэтому не может быть полной теорией фундаментальных взаимодействий . Например, она не полностью объясняет барионную асимметрию , не включает полную теорию гравитации , описанную общей теорией относительности , и не объясняет ускоряющееся расширение Вселенной , которое, возможно, описывается темной энергией . Модель не содержит ни одной жизнеспособной частицы темной материи , которая обладала бы всеми необходимыми свойствами, выведенными из наблюдательной космологии . Он также не учитывает нейтринные осцилляции и их ненулевые массы. Соответственно, он используется в качестве основы для построения более экзотических моделей, которые включают гипотетические частицы , дополнительные измерения и сложные симметрии (такие как суперсимметрия ) для объяснения экспериментальных результатов, противоречащих Стандартной модели, таких как существование темной материи и нейтринных осцилляций. .

Интерпретации

Основная статья: Интерпретации квантовой механики

Физические измерения, уравнения и предсказания, относящиеся к квантовой механике, непротиворечивы и имеют очень высокий уровень подтверждения. Однако вопрос о том, что эти абстрактные модели говорят о природе реального мира, получил противоречивые ответы. Эти интерпретации весьма разнообразны и иногда несколько абстрактны. Например, копенгагенская интерпретация утверждает, что до измерения утверждения о свойствах частицы совершенно бессмысленны, в то время как многомировая интерпретация описывает существование мультивселенной, состоящей из всех возможных вселенных.

Свет в некоторых отношениях ведет себя как частицы, а в других — как волны. Материя — «вещество» Вселенной, состоящее из таких частиц, как электроны и атомы, — также демонстрирует волновое поведение . Некоторые источники света, такие как неоновые лампы , излучают только определенные частоты света — небольшой набор различных чистых цветов, определяемых атомной структурой неона. Квантовая механика показывает, что свет, наряду со всеми другими формами электромагнитного излучения , приходит в виде дискретных единиц, называемых фотонами , и предсказывает его спектральную энергию (соответствующую чистым цветам) и интенсивность световых лучей. Одиночный фотон — это квант или наименьшая наблюдаемая частица электромагнитного поля. Парциальный фотон никогда экспериментально не наблюдался. В более широком смысле, квантовая механика показывает, что многие свойства объектов, такие как положение, скорость и угловой момент , которые казались непрерывными в уменьшенном представлении классической механики, на самом деле (в очень крошечном, увеличенном масштабе) квантовая механика) квантованный . Такие свойства элементарных частиц должны принимать одно из множества небольших дискретных допустимых значений, а поскольку разрыв между этими значениями также невелик, разрывы заметны только на очень крошечных (атомных) масштабах.

Приложения

Основная статья: Приложения квантовой механики

Повседневные приложения

Взаимосвязь между частотой электромагнитного излучения и энергией каждого фотона объясняет, почему ультрафиолетовый свет может вызвать солнечный ожог , а видимый или инфракрасный свет — нет. Фотон ультрафиолетового света излучает большое количество энергии — достаточное, чтобы способствовать повреждению клеток, например, при солнечном ожоге. Фотон инфракрасного света излучает меньше энергии — ее достаточно, чтобы согреть кожу. Итак, инфракрасная лампа может нагреть большую поверхность, возможно, достаточно большую, чтобы людям было комфортно в холодной комнате, но она не может вызвать солнечный ожог.

Технологические приложения

Приложения квантовой механики включают лазер , транзистор , электронный микроскоп и магнитно-резонансную томографию . Особый класс квантовомеханических приложений связан с макроскопическими квантовыми явлениями, такими как сверхтекучий гелий и сверхпроводники. Изучение полупроводников привело к изобретению диода и транзистора , незаменимых для современной электроники .

Даже в простом света выключателе квантовое туннелирование абсолютно необходимо, поскольку в противном случае электроны в электрическом токе не смогли бы проникнуть через потенциальный барьер, состоящий из слоя оксида. Чипы флэш-памяти , обнаруженные в USB-накопителях, также используют квантовое туннелирование для стирания ячеек памяти.

См. также

• Мысленные эксперименты Эйнштейна
• Макроскопические квантовые явления
• Философия физики
• Квантовые вычисления
• Виртуальная частица
• Преподавание квантовой механики
• Список учебников по классической и квантовой механике

Примечания

Примечания находятся в основном скрипте

Библиография

• Бернштейн, Джереми (2005). «Макс Борн и квантовая теория» . Американский журнал физики . 73 (11): 999–1008. Бибкод : 2005AmJPh..73..999B . дои : 10.1119/1.2060717 .
• Беллер, Мара (2001). Квантовый диалог: создание революции . Издательство Чикагского университета.
• Бор, Нильс (1958). Атомная физика и человеческие знания . Джон Уайли и сыновья]. ISBN  0486479285 . OCLC   530611 .
• де Бройль, Луи (1953). Революция в физике . Полуденная пресса. LCCN   53010401 .
• Броннер, Патрик; Струнц, Андреас; Силберхорн, Кристина; Мейн, Ян-Питер (2009). «Демонстрация квантовой случайности с одиночными фотонами». Европейский журнал физики . 30 (5): 1189–1200. Бибкод : 2009EJPh...30.1189B . дои : 10.1088/0143-0807/30/5/026 . S2CID   7903179 .
• Эйнштейн, Альберт (1934). Очерки по науке . Философская библиотека . ISBN  0486470113 . LCCN   55003947 .
• Фейгл, Герберт ; Бродбек, май (1953). Чтения по философии науки . Эпплтон-Сентьюри-Крофтс. ISBN  0390304883 . LCCN   53006438 .
• Фейнман, Ричард П. (1949). «Пространственно-временной подход к квантовой электродинамике» . Физический обзор . 76 (6): 769–89. Бибкод : 1949PhRv...76..769F . дои : 10.1103/PhysRev.76.769 .
• Фейнман, Ричард П. (1990). QED, Странная теория света и материи . Книги о пингвинах. ISBN  978-0140125054 .
• Фаулер, Майкл (1999). Атом Бора . Университет Вирджинии.
• Гейзенберг, Вернер (1958). Физика и философия . Харпер и братья. ISBN  0061305499 . LCCN   99010404 .
• Лакшмибала, С. (2004). «Гейзенберг, матричная механика и принцип неопределенности». Резонанс: Журнал научного образования . 9 (8): 46–56. дои : 10.1007/bf02837577 . S2CID   29893512 .
• Либофф, Ричард Л. (1992). Вводная квантовая механика (2-е изд.). Паб Аддисон-Уэсли. компании ISBN  9780201547153 .
• Линдси, Роберт Брюс; Маргенау, Генри (1957). Основы физики . Дувр. ISBN  0918024188 . LCCN   57014416 .
• МакЭвой, JP; Сарате, Оскар (2004). Введение в квантовую теорию . Иконные книги. ISBN  1874166374 .
• Нейв, Карл Род (2005). «Квантовая физика» . Гиперфизика . Государственный университет Джорджии.
• Торф, Ф. Дэвид (2002). От определенности к неопределенности: история науки и идей двадцать первого века . Джозеф Генри Пресс .
• Райхенбах, Ганс (1944). Философские основы квантовой механики . Издательство Калифорнийского университета. ISBN  0486404595 . LCCN   а44004471 .
• Шилпп, Пол Артур (1949). Альберт Эйнштейн: философ-ученый . Издательство Тюдор. LCCN   50005340 .
• Читатель журнала Scientific American , 1953.
• Сирс, Фрэнсис Уэстон (1949). Оптика (3-е изд.). Аддисон-Уэсли. ISBN  0195046013 . LCCN   51001018 .
• Шимони, А. (1983). «(название не указано в цитате)». Основы квантовой механики в свете новых технологий (С. Камефучи и др., ред.) . Токио: Японское физическое общество. п. 225. ; цитируется в: Попеску, Санду; Дэниел Рорлих (1996). «Действие и страсть на расстоянии: эссе в честь профессора Абнера Шимони». arXiv : Quant-ph/9605004 .
• Тавель, Мортон; Тавель, Юдит (иллюстрации) (2002). Современная физика и пределы познания . Издательство Университета Рутгерса. ISBN  978-0813530772 .
• Ван Флек, Дж. Х., 1928, «Принцип соответствия в статистической интерпретации квантовой механики», Proc. Натл. акад. наук. 14: 179.
• Уэстморленд; Бенджамин Шумахер (1998). «Квантовая запутанность и отсутствие сверхсветовых сигналов». arXiv : Quant-ph/9801014 .
• Уиллер, Джон Арчибальд ; Фейнман, Ричард П. (1949). «Классическая электродинамика с точки зрения прямого межчастичного взаимодействия» (PDF) . Обзоры современной физики . 21 (3): 425–33. Бибкод : 1949РвМП...21..425Вт . дои : 10.1103/RevModPhys.21.425 .
• Виман, Карл; Перкинс, Кэтрин (2005). «Трансформация физического образования». Физика сегодня . 58 (11): 36. Бибкод : 2005ФТ....58к..36Вт . дои : 10.1063/1.2155756 .

Дальнейшее чтение

Следующие книги, написанные работающими физиками, представляют собой попытку донести квантовую теорию до непрофессионалов, используя минимум технических средств.

• Джим Аль-Халили (2003). Квант: Путеводитель для недоумевающих . Вайденфельд и Николсон. ISBN   978-1780225340 .
• Честер, Марвин (1987). Букварь квантовой механики . Джон Уайли. ISBN   0486428788 .
• Брайан Кокс и Джефф Форшоу (2011) Квантовая Вселенная . Аллен Лейн. ISBN   978-1846144325 .
• Ричард Фейнман (1985). КЭД: Странная теория света и материи . Издательство Принстонского университета. ISBN   0691083886 .
• Форд, Кеннет (2005). Квантовый мир . Гарвардский университет. Нажимать. Включает физику элементарных частиц.
• Жирарди, ДжанКарло (2004). Тайным взглядом на карты Бога , Джеральд Малсбэри, пер. Принстонский университет. Нажимать. Самая техническая из цитируемых здесь работ. Отрывки, в которых используются алгебра , тригонометрия и обозначения скобок, можно пропустить при первом чтении.
• Тони Хэй и Уолтерс, Патрик (2003). Новая квантовая вселенная . Кембриджский университет. Нажимать. Включает в себя многое о технологиях, которые сделала возможной квантовая теория. ISBN   978-0521564571 .
• Владимир Г. Иванцевич, Тияна Т. Иванцевич (2008). Квантовый скачок: от Дирака и Фейнмана через вселенную к человеческому телу и разуму . Мировое научное издательство. Обеспечивает интуитивное введение в нематематических терминах и введение в сравнительно основных математических терминах. ISBN   978-9812819277 .
• Дж. П. МакЭвой и Оскар Сарате (2004). Введение в квантовую теорию . Тотемные книги. ISBN   1840465778 '
• Н. Дэвид Мермин (1990). «Жуткие действия на расстоянии: тайны QT» в его Boojums на протяжении всего пути . Кембриджский университет. Пресса: 110–76. Автор – редкий физик, пытающийся общаться с философами и гуманистами. ISBN   978-0521388801 .
• Роланд Омнес (1999). Понимание квантовой механики . Принстонский университет. Нажимать. ISBN   978-0691004358 .
• Виктор Стенгер (2000). Вневременная реальность: симметрия, простота и множественные вселенные . Буффало, штат Нью-Йорк: Книги Прометея. Глава. 5–8. ISBN   978-1573928595 .
• Мартинус Вельтман (2003). Факты и загадки физики элементарных частиц . Мировое научное издательство. ISBN   978-9812381491 .

Внешние ссылки

• « Микроскопический мир - Введение в квантовую механику». Такада Кенджиро, почетный профессор Университета Кюсю
• The Quantum Exchange (руководства и программное обеспечение для обучения с открытым исходным кодом).
• Атомы и периодическая таблица
• Одно- и двухщелевая интерференция
• Эволюция волнового пакета в квадратной яме во времени. Анимированная демонстрация дисперсии волнового пакета во времени.
• Кэрролл, Шон М. «Квантовая механика (смущение)» . Шестьдесят символов . Брэди Харан из Ноттингемского университета.