Науката
Квантовата физика се занимава с изучаването на поведението на най-малките неща в нашата Вселена: субатомните частици. Това е сравнително нова наука, която се превърна в такава едва в началото на 20-ти век, след като физиците започнаха да се чудят защо не могат да обяснят някои от ефектите на радиацията. Един от новаторите на времето, Макс Планк, използва термина "кванти" за изследване на малки частици с енергия, откъдето идва и името "квантова физика". Планк отбеляза, че количеството енергия, съдържащо се в електроните, не е произволно, а отговаря на стандартите за "квантовата" енергия. Един от първите резултати практическо приложениетова знание е изобретението на транзистора.
За разлика от негъвкавите закони на стандартната физика, правилата на квантовата физика могат да бъдат нарушени. Когато учените вярват, че се занимават с един аспект от изследването на материята и енергията, има нов завойсъбития, което им напомня колко непредвидима може да бъде работата в тази област. Въпреки това, дори и да не разбират напълно какво се случва, те могат да използват резултатите от работата си, за да се развиват нови технологии, които понякога могат да се нарекат само фантастични.
В бъдеще квантовата механика може да ви помогне да запазите военните тайни, както и да запазите банковата ви сметка в безопасност и защитена от кибер крадци. В момента учените работят върху квантови компютри, чиито възможности далеч надхвърлят границите на конвенционалния компютър. Разделя се на субатомни частици елементите могат лесно да се преместват от едно място на друго с миг на око.И може би квантовата физика ще може да отговори на най-интригуващия въпрос за това от какво е направена Вселената и как е започнал животът.
По-долу са дадени факти за това как квантовата физика може да промени света. Както каза Нилс Бор: "Тези, които не са шокирани от квантовата механика, просто все още не са разбрали как работи."
Управление на турбулентност
Скоро, може би благодарение на квантовата физика, ще бъде възможно да се премахнат турбулентните зони, които ви карат да разлеете сок върху самолет. Чрез създаване на квантова турбуленция в ултрастудени газови атоми в лабораторията, бразилските учени може да са в състояние да разберат работата на турбулентните зони, срещани от самолети и лодки. Векове наред турбуленцията е обърквала учените поради трудността да я пресъздадат в лаборатория.
Турбуленцията се причинява от бучки газ или течност, но в природата изглежда се образува произволно и неочаквано. Въпреки че турбулентните зони могат да се образуват във вода и въздух, учените са открили, че те могат да се образуват и в ултрастудени газови атоми или в свръхтечен хелий. Изучавайки това явление при контролирани лабораторни условия, учените може един ден да могат точно да предскажат къде ще се появят турбулентни зони и вероятно да ги контролират в природата.
Спинтроника
Нов магнитен полупроводник, разработен в Масачузетс Технологичен институт, може да доведе до още по-бързи, енергийно ефективни електронни устройства в бъдеще. Наричана "спинтроника", тази технология използва спиновото състояние на електроните за предаване и съхранение на информация. Докато конвенционалните електронни схеми използват само зарядното състояние на електрона, спинтрониката се възползва от посоката на въртене на електрона.
Обработката на информация с помощта на вериги на спинтроника ще позволи натрупването на данни от две посоки наведнъж, което също ще намали размера на електронните схеми. Този нов материал инжектира електрон в полупроводник въз основа на неговата спин ориентация. Електроните преминават през полупроводника и стават готови да бъдат спин детектори от изходната страна. Учените казват, че новите полупроводници могат да работят при стайна температура и са оптически прозрачни, което означава, че могат да работят със сензорни екрани и слънчеви панели. Те също така вярват, че това ще помогне на изобретателите да измислят още по-богати на функции устройства.
Паралелни светове
Чудили ли сте се някога какъв би бил животът ни, ако имахме способността да пътуваме във времето? Бихте ли убили Хитлер? Или се присъединете към римските легиони, за да видите древен свят? Въпреки това, докато всички си фантазираме какво бихме направили, ако можехме да се върнем назад във времето, учени от Калифорнийския университет в Санта Барбара вече разчистват пътя за поправяне на минали оплаквания.
В експеримент през 2010 г. учените успяха да докажат, че един обект може да съществува едновременно в два различни свята. Те изолират мъничко парче метал и при специални условия установяват, че то се движи и стои неподвижно в същото време. Въпреки това, някой може да смята това наблюдение за делириум, причинен от преумора, но физиците казват, че наблюденията на обект наистина показват, че той се разпада на две части във Вселената - ние виждаме едната от тях, а не другата. Теориите за паралелните светове единодушно казват, че абсолютно всеки обект се разпада.
Сега учените се опитват да измислят как да "прескочат" момента на срива и да влязат в света, който не виждаме. Това пътуване във времето до паралелни вселени теоретично трябва да работи, тъй като квантовите частици се движат както напред, така и назад във времето. Сега всичко, което учените трябва да направят, е да построят машина на времето, използвайки квантови частици.
квантови точки
Скоро квантовите физици ще могат да помогнат на лекарите да открият раковите клетки в тялото и да определят точно къде са се разпространили. Учените са открили, че някои малки полупроводникови кристали, наречени квантови точки, могат да светят, когато са изложени на ултравиолетова радиацияи се снима със специален микроскоп. След това те бяха комбинирани със специален материал, който беше „привлекателен“ за раковите клетки. При влизане в тялото светещите квантови точки са привлечени от раковите клетки, като по този начин показват на лекарите къде точно да търсят. Сиянието продължава доста дълго време и за учените процесът на приспособяване на точките към характеристиките на определен вид рак е сравнително прост.
Докато високотехнологичната наука със сигурност е отговорна за много медицински постижения, човекът е зависим от много други средства за борба с болестите от векове.
молитва
Трудно е да си представим какво общо биха могли да имат един индианец, шамански лечител и пионери на квантовата физика. Все пак има нещо общо между тях. Нилс Бор, един от първите изследователи на тази странна област на науката, вярва, че голяма част от това, което наричаме реалност, зависи от „ефекта на наблюдателя“, тоест връзката между случващото се и начина, по който го виждаме. Тази тема доведе до развитието на сериозни дебати сред квантовите физици, но експеримент, проведен от Бор преди повече от половин век, потвърди предположението му.
Всичко това означава, че нашето съзнание влияе на реалността и може да я промени. Повтарящите се думи на молитвата и ритуалите на церемонията на шамана-лечител могат да бъдат опити за промяна на посоката на "вълната", която създава реалността. Повечето от обредите се извършват и в присъствието на множество наблюдатели, което показва, че колкото повече "лечебни вълни" идват от наблюдателите, толкова по-мощен е ефектът им върху реалността.
Обектна връзка
Взаимосвързаността на обектите може допълнително да окаже огромно влияние върху слънчевата енергия. Взаимната връзка на обектите предполага квантовата взаимозависимост на атомите, разделени в реално физическо пространство. Физиците смятат, че връзката може да се формира в частта на растенията, отговорна за фотосинтезата или превръщането на светлината в енергия. Структурите, отговорни за фотосинтезата, хромофорите, могат да преобразуват 95 процента от светлината, която получават, в енергия.
Сега учените изучават как тази връзка на квантово ниво може да повлияе на създаването на слънчева енергия с надеждата да създадат ефективни естествени слънчеви клетки. Изследователите също така откриха, че водораслите могат да използват някои от квантовата механика, за да преместват енергията, която получават от светлината, както и да я съхраняват на две места едновременно.
квантово изчисление
Други не по-малко важен аспектквантовата физика може да се приложи към компютърната сфера, където специален тип свръхпроводящ елемент дава на компютъра безпрецедентна скорост и мощност. Изследователите обясняват, че елементът се държи като изкуствени атоми, тъй като те могат само да получават или губят енергия, като се движат между отделни енергийни нива. Най-сложният атом има пет нива на енергия. Тази сложна система („кудит“) има значителни предимства пред работата на предишните атоми, които са имали само две енергийни нива („кубит“). Кудитите и кубитите са част от битовете, използвани в стандартните компютри. Квантовите компютри ще използват принципите на квантовата механика в своята работа, което ще им позволи да извършват изчисления много по-бързо и по-точно от традиционните компютри.
Съществува обаче проблем, който може да възникне, ако квантовите изчисления станат реалност – криптография или кодиране на информация.
квантова криптография
Всичко от номера на вашата кредитна карта до свръхсекретни военни стратегии е в интернет и опитен хакер с достатъчно познания и мощен компютър може да изпразни банковата ви сметка или да изложи на риск сигурността на света. Специално кодиране пази тази информация в тайна и компютърните учени непрекъснато работят за създаване на нови, по-сигурни методи за кодиране.
Кодирането на информация вътре в една частица светлина (фотон) отдавна е целта на квантовата криптография. Изглежда, че учените от университета в Торонто вече са били много близо до създаването на този метод, тъй като са успели да кодират видеото. Шифроването включва низове от нули и единици, които са "ключ". Добавянето на ключ веднъж кодира информацията, добавянето му отново я декодира. Ако външен човек успее да получи ключа, информацията може да бъде хакната. Но дори ако ключовете се използват на квантово ниво, самият факт на тяхното използване със сигурност ще предполага наличието на хакер.
Телепортация
Това е научна фантастика, нищо повече. То обаче беше извършено, но не с участието на човек, а с участието на големи молекули. Но в това се крие проблемът. Всяка молекула в човешкото тяло трябва да бъде сканирана от две страни. Но това едва ли ще се случи скоро. Има и друг проблем: щом сканирате частица, според законите на квантовата физика, вие я променяте, тоест няма как да направите точно нейно копие.
Тук се проявява взаимовръзката на обектите. Той свързва два обекта, сякаш са един. Сканираме едната половина на частицата и телепортираното копие ще бъде направено от другата половина. Това ще бъде точно копие, тъй като ние не измервахме самата частица, ние измерихме нейния близнак. Тоест частицата, която измерихме, ще бъде унищожена, но точното й копие ще бъде реанимирано от нейния близнак.
Божии частици
Учените използват своето много огромно творение, Големия адронен колайдер, за да изследват нещо изключително малко, но много важно - фундаменталните частици, за които се смята, че лежат в основата на произхода на нашата вселена.
Божествените частици са това, което учените твърдят, че придават маса на елементарните частици (електрони, кварки и глуони). Експертите смятат, че частиците на Бог трябва да проникнат в цялото пространство, но досега съществуването на тези частици не е доказано.
Намирането на тези частици би помогнало на физиците да разберат как се е възстановила Вселената голям взриви еволюира до това, което знаем за него днес. Това също би помогнало да се обясни как материята балансира с антиматерията. Накратко, изолирането на тези частици ще помогне да се обясни всичко.
КВАНТОВО МЕХАНИЧНИ КОНЦЕПЦИИ
ОПИСАНИЕ НА ПРИРОДАТА
В известен смисъл всички съвременна физикаима квантова физика! Това всъщност е резултат от „най-новата революция в естествените науки“.
Какво изучава квантовата физика?
На първо място, квантовата физика е теория, която описва свойствата на материята на ниво микроявления. Тя изследва законите на движението на квантовите обекти, които също се наричат микрообекти.
Концепцията за микрообект е една от основните в квантовата физика. Те включват молекули, атоми, атомни ядра, елементарни частици. Характерната им особеност са много малки размери - 10^ -8 см и по-малко. Най-важните характеристики на микрообектите включват масата на покой и електрически заряд. Масата на електрона е me = 9,1 10^−28 g, масата на протона е 1836me, неутрона е 1839me, а мюона е 207me. Фотонът и неутриното нямат маса на покой - тя е равна на нула. Стойността на електрическия заряд на всеки микрообект е кратна на стойността на заряда на електрона, равна на 1,6· 10^−19 C. Наред със заредените има неутрални микрообекти, чийто заряд нула. Електрическият заряд на сложен микрообект е равен на алгебричната сума от зарядите на съставните му частици. Една от най-важните специфични характеристики на микрообектите е въртенето (от английска дума"завъртане"). Въпреки че въртенето се интерпретира като ъглов импулс на микрообект, несвързан с неговото движение като цяло, неразрушим и независим от външни условия, той не може да бъде представен като въртящ се връх. Той има чисто квантова природа – няма аналози в класическата физика. Наличието на спин въвежда значителни особености в поведението на обектите в микросвета.
Повечето микрообекти са нестабилни - те спонтанно, без външни влияния, се разпадат, превръщайки се в други, включително елементарни, частици. Нестабилността е специфично, но не задължително свойство на микрообектите. Наред с нестабилните има и стабилни микрообекти: фотон, електрон, протон, неутрино, стабилни атомни ядра, атоми и молекули в основно състояние.
Квантовата физика все още е теоретична основа съвременно обучениевърху структурата и свойствата на материята и полето.
Важно е да се разбере, че квантовата физика не отменя класическата, а я съдържа като свой лимитиращ случай. При прехода от микрообекти към обикновени макроскопични обекти, неговите закони стават класически и по този начин квантовата физика е поставила границите на приложимост на класическата физика. Преходът от класическа към квантова физика е преход към по-дълбоко ниво на разглеждане на материята.
Квантовата физика се превърна във важна стъпка в изграждането на съвременна физическа картина на света. Тя позволи да предвиди и обясни огромен бройразлични явления - от процеси, протичащи в атоми и атомни ядра до макроскопични ефекти в твърди тела; без него сега изглежда невъзможно да се разбере произходът на Вселената. Обхватът на квантовата физика е широк – от елементарни частицикъм космически обекти. Без квантовата физика не само естествените науки, но и съвременните технологии са немислими.
Мисля, че е безопасно да се каже, че никой не разбира квантовата механика.
Физикът Ричард Файнман
Не е преувеличено да се каже, че изобретяването на полупроводникови устройства беше революция. Това не само е впечатляващо технологично постижение, но и проправи пътя за събития, които ще променят завинаги съвременното общество. Полупроводниковите устройства се използват във всички видове микроелектронни устройства, включително компютри, някои видове медицинско оборудване за диагностика и лечение и популярни телекомуникационни устройства.
Но зад тази технологична революция стои още повече, революция в общата наука: областта квантовата теория. Без този скок в разбирането на естествения свят, развитието на полупроводникови устройства (и по-модерни електронни устройства в процес на разработка) никога нямаше да успее. Квантовата физика е невероятно сложен клон на науката. Тази глава предоставя само кратък преглед. Когато учени като Файнман казват „никой не разбира [то]“, можете да сте сигурни, че това е реално трудна тема. Без основно разбиране на квантовата физика или поне разбиране научни откритиякоето доведе до тяхното развитие, е невъзможно да се разбере как и защо работят полупроводниковите електронни устройства. Повечето учебници по електроника се опитват да обяснят полупроводниците в термините на "класическата физика", което ги прави още по-объркващи за разбиране в резултат.
Много от нас са виждали диаграми на атомни модели, които изглеждат като снимката по-долу.
Атом на Ръдърфорд: отрицателните електрони се въртят около малко положително ядро
Малки частици материя, наречени протонии неутрони, съставляват центъра на атома; електронисе въртят като планети около звезда. Ядрото носи положителен електрически заряд поради наличието на протони (неутроните нямат електрически заряд), докато балансиращият отрицателен заряд на атома се намира в орбиталните електрони. Отрицателните електрони са привлечени от положителните протони, както планетите са привлечени от Слънцето, но орбитите са стабилни поради движението на електроните. Ние дължим този популярен модел на атома на работата на Ърнест Ръдърфорд, който експериментално установи около 1911 г., че положителните заряди на атомите са концентрирани в малко, плътно ядро и не са равномерно разпределени по диаметъра, както изследователят Дж. Дж. Томсън по-рано предположи .
Експериментът за разсейване на Ръдърфорд се състои от бомбардиране на тънко златно фолио с положително заредени алфа частици, както е показано на фигурата по-долу. Младите аспиранти Х. Гайгер и Е. Марсдън получиха неочаквани резултати. Траекторията на някои алфа частици се отклонява на голям ъгъл. Някои алфа частици бяха разпръснати в обратна посокапод ъгъл от почти 180°. Повечето от частиците преминаха през златното фолио, без да променят траекторията си, сякаш изобщо нямаше фолио. Фактът, че няколко алфа частици са имали големи отклонения в траекторията си, показва наличието на ядра с малък положителен заряд.
Разсейване на Ръдърфорд: лъч от алфа частици се разпръсква от тънко златно фолио Въпреки че моделът на атома на Ръдърфорд беше подкрепен от експериментални данни, по-добри от този на Томсън, той все още беше несъвършен. Бяха направени допълнителни опити за определяне на структурата на атома и тези усилия помогнаха да се проправи пътя за странните открития на квантовата физика. Днес нашето разбиране за атома е малко по-сложно. И все пак, въпреки революцията на квантовата физика и нейния принос към нашето разбиране за структурата на атома, изобразяването на Ръдърфорд на Слънчевата система като структура на атома се е вкоренило в популярното съзнание до степен, че продължава в образователните области, дори ако то е неуместно.
Помисли за това Кратко описаниеелектрони в атом, взети от популярен учебник по електроника:
Въртящите се отрицателни електрони са привлечени от положителното ядро, което ни води до въпроса защо електроните не летят в ядрото на атома. Отговорът е, че въртящите се електрони остават в своята стабилна орбита поради две равни, но противоположни сили. Центробежната сила, действаща върху електроните, е насочена навън, а силата на привличане на зарядите се опитва да издърпа електроните към ядрото.
В съответствие с модела на Ръдърфорд, авторът счита електроните за твърди парчета материя, заемащи кръгли орбити, тяхното вътрешно привличане към противоположно зареденото ядро се балансира от тяхното движение. Използването на термина "центробежна сила" е технически неправилно (дори за орбитални планети), но това лесно се прости поради популярното приемане на модела: всъщност няма такова нещо като сила, отблъскващвсякаквивъртящо се тяло от центъра на неговата орбита. Изглежда, че това е така, защото инерцията на тялото има тенденция да поддържа движението си по права линия и тъй като орбитата е постоянно отклонение (ускорение) от праволинейно движение, има постоянна инерционна реакция на всяка сила, която привлича тялото към центъра на орбитата (центростремителната), било то гравитация, електростатично привличане или дори напрежението на механична връзка.
Въпреки това, истинският проблем с това обяснение на първо място е идеята за електрони, движещи се по кръгови орбити. Доказан факт, че ускорените електрически заряди излъчват електромагнитно излъчване, този факт е бил известен още по времето на Ръдърфорд. Като въртеливо движениее форма на ускорение (въртящ се обект с постоянно ускорение, издърпващ обекта от нормалното му праволинейно движение), електроните в въртящо се състояние трябва да излъчват радиация като кал от въртящо се колело. Електроните се ускоряват по кръгови пътища в ускорители на частици, наречени синхротронисе знае, че правят това и резултатът се извиква синхротронно лъчение. Ако електроните губят енергия по този начин, техните орбити в крайна сметка ще бъдат нарушени и в резултат на това те ще се сблъскат с положително заредено ядро. Вътре в атомите обаче това обикновено не се случва. Всъщност електронните „орбити“ са изненадващо стабилни при широк спектър от условия.
Освен това, експерименти с "възбудени" атоми показват, че електромагнитната енергия се излъчва от атом само на определени честоти. Атомите се „възбуждат“ от външни влияния като светлина, за която е известно, че поглъща енергия и се връща електромагнитни вълнина определени честоти, като камертон, който не звъни на определена честота, докато не бъде ударен. Когато светлината, излъчвана от възбуден атом, се раздели от призма на съставните му честоти (цветове), се откриват отделни линии от цветове в спектъра, моделът на спектралната линия е уникален за химичен елемент. Това явление обикновено се използва за идентифициране химични елементии дори за измерване на пропорциите на всеки елемент в съединение или химическа смес. Според слънчевата система на атомния модел на Ръдърфорд (спрямо електроните, като парчета материя, свободно въртящи се в орбита с известен радиус) и законите на класическата физика, възбудените атоми трябва да връщат енергия в почти безкраен честотен диапазон, а не на избрани честоти. С други думи, ако моделът на Ръдърфорд беше правилен, тогава нямаше да има ефект на "камертон" и цветният спектър, излъчван от всеки атом, би изглеждал като непрекъсната лента от цветове, а не като няколко отделни линии.
Моделът на Бор за водородния атом (с орбити, изчертани в мащаб) предполага, че електроните са само в дискретни орбити. Електроните, движещи се от n=3,4,5 или 6 до n=2, се показват на серия от спектрални линии на Balmer Изследовател на име Нилс Бор се опитва да подобри модела на Ръдърфорд, след като го изучава в лабораторията на Ръдърфорд в продължение на няколко месеца през 1912 г. Опитвайки се да съгласува резултатите на други физици (по-специално Макс Планк и Алберт Айнщайн), Бор предполага, че всеки електрон има определено, специфично количество енергия и че техните орбити са разпределени по такъв начин, че всеки от тях може да заема определени места около ядрото, подобно на топки. , фиксирано по кръгови пътеки около ядрото, а не като свободно движещи се спътници, както се предполагаше по-рано (фигура по-горе). В уважение към законите на електромагнетизма и ускоряващите заряди, Бор нарича "орбитите" стационарни състоянияза да се избегне тълкуването, че са били мобилни.
Въпреки че амбициозният опит на Бор да преосмисли структурата на атома, който е по-съвместим с експерименталните данни, е крайъгълен камък във физиката, той не е завършен. Неговият математически анализ прогнозира резултатите от експериментите по-добре от тези, извършени според предишни модели, но все още оставаха без отговор въпроси дали защоелектроните трябва да се държат по толкова странен начин. Твърдението, че електроните съществуват в стационарни квантови състояния около ядрото, корелира по-добре с експерименталните данни от модела на Ръдърфорд, но не казва какво кара електроните да приемат тези специални условия. Отговорът на този въпрос трябваше да дойде от друг физик, Луи дьо Бройл, около десет години по-късно.
Де Бройл предполага, че електроните, подобно на фотоните (частици от светлина), имат както свойствата на частиците, така и свойствата на вълните. Въз основа на това предположение той предположи, че анализът на въртящите се електрони по отношение на вълните е по-добър, отколкото по отношение на частиците, и може да даде повече представа за тяхната квантова природа. Всъщност беше направен още един пробив в разбирането.
Струна, вибрираща с резонансна честота между две фиксирани точки, образува стояща вълна Атомът, според дьо Бройл, се състои от стоящи вълни, феномен кладенец познато на физицитев различни форми. Като отскубната струна на музикален инструмент (на снимката по-горе), вибрираща с резонансна честота, с "възли" и "антивъзли" на стабилни места по дължината си. Де Бройл си представи електроните около атомите като вълни, извити в кръг (фигура по-долу).
"Въртящи се" електрони като стояща вълна около ядрото, (а) два цикъла в орбита, (б) три цикъла в орбита Електроните могат да съществуват само в определени, специфични "орбити" около ядрото, защото те са единствените разстояния, където краищата на вълната съвпадат. При всеки друг радиус вълната ще се сблъска разрушително със себе си и по този начин ще престане да съществува.
Хипотезата на Де Бройл предоставя както математическа рамка, така и удобна физическа аналогия за обяснение на квантовите състояния на електроните в един атом, но неговият модел на атома все още е непълен. В продължение на няколко години физиците Вернер Хайзенберг и Ервин Шрьодингер, работещи независимо, работиха върху концепцията за дуалността вълна-частица на де Бройл, за да създадат по-строги математически моделисубатомни частици.
Този теоретичен напредък от примитивния модел стояща вълнаде Бройл към моделите на матрицата на Хайзенберг и диференциално уравнениеШрьодингер получи името квантова механика, тя въведе доста шокираща характеристика в света на субатомните частици: знак за вероятност или несигурност. Според новата квантова теория е било невъзможно да се определи точното положение и точния импулс на частица в един момент. Популярно обяснение за този „принцип на несигурност“ беше, че е имало грешка в измерването (тоест, опитвайки се да измерите точно позицията на електрона, вие се намесвате в неговия импулс и следователно не можете да знаете какво е било преди да започнете да измервате позицията , и обратно). Сензационният извод на квантовата механика е, че частиците нямат точни позиции и импулси и поради връзката на тези две величини тяхната комбинирана несигурност никога няма да намалее под определена минимална стойност.
Тази форма на връзка с "несигурност" съществува и в области, различни от квантовата механика. Както е обсъдено в главата Сигнали променлив токСмесена честота” в том 2 от тази поредица от книги, съществуват взаимно изключващи се връзки между доверието в данните във времевия домейн на вълновата форма и нейните данни от честотния домейн. Казано по-просто, колкото повече знаем неговите съставни честоти, толкова по-малко точно знаем неговата амплитуда във времето и обратно. цитирам себе си:
Сигнал с безкрайна продължителност (безкраен брой цикли) може да бъде анализиран с абсолютна прецизност, но какво по-малко циклина разположение на компютъра за анализ, толкова по-малка е точността на анализа... Колкото по-малко периоди на сигнала, толкова по-малка е точността на неговата честота. Довеждайки тази концепция до нейната логична крайност, кратък импулс (дори не пълен период на сигнал) всъщност няма определена честота, това е безкраен диапазон от честоти. Този принцип е общ за всички вълнови явления, а не само за променливи напрежения и токове.
За да определим точно амплитудата на променящия се сигнал, трябва да го измерим за много кратък период от време. Това обаче ограничава познанията ни за честотата на вълната (вълната в квантовата механика не е необходимо да бъде подобна на синусоида; такова сходство е специален случай). От друга страна, за да определим честотата на вълната с голяма точност, трябва да я измерим за голям брой периоди, което означава, че във всеки един момент ще загубим от поглед амплитудата й. По този начин не можем едновременно да знаем моментната амплитуда и всички честоти на която и да е вълна с неограничена точност. Друга странност, тази несигурност е много по-голяма от неточността на наблюдателя; това е в самата природа на вълната. Това не е така, въпреки че би било възможно, като се има предвид подходящата технология, да се осигурят точни измервания както на моментната амплитуда, така и на честотата едновременно. В буквален смисъл вълната не може да има точната моментна амплитуда и точната честота едновременно.
Минималната несигурност на позицията и импулса на частиците, изразена от Хайзенберг и Шрьодингер, няма нищо общо с ограничение в измерването; по-скоро това е присъщо свойство на природата на дуалността вълна-частица на частицата. Следователно електроните всъщност не съществуват в своите "орбити" като добре дефинирани частици материя или дори като добре дефинирани вълнови форми, а по-скоро като "облаци" - технически термин. вълнова функцияразпределения на вероятностите, сякаш всеки електрон е "разпръснат" или "размазан" в диапазон от позиции и импулси.
Този радикален възглед за електроните като неопределени облаци първоначално противоречи на първоначалния принцип на квантовите състояния на електроните: електроните съществуват в дискретни, определени „орбити“ около ядрото на атома. Този нов възглед в крайна сметка беше откритието, което доведе до формирането и обяснението на квантовата теория. Колко странно изглежда, че една теория, създадена, за да обясни дискретното поведение на електроните, в крайна сметка обявява, че електроните съществуват като „облаци“, а не като отделни парчета материя. Квантовото поведение на електроните обаче не зависи от електроните с определени стойности на координати и импулс, а от други свойства, наречени квантови числа. По същество квантовата механика се отказва от общите понятия за абсолютно положение и абсолютен момент и ги заменя с абсолютни понятия за типове, които нямат аналози в обичайната практика.
Дори ако е известно, че електроните съществуват в безплътни, "облачни" форми на разпределена вероятност, а не в отделни парчета материя, тези "облаци" имат малко по-различни характеристики. Всеки електрон в атом може да бъде описан с четири числови мерки (квантовите числа, споменати по-рано), наречени основен (радиален), орбитален (азимут), магнитени въртенечисла. По-долу е даден кратък преглед на значението на всяко от тези числа:
Главно (радиално) квантово число: обозначава се с буква н, това число описва обвивката, върху която се намира електронът. Електронната „обвивка“ е област от пространство около ядрото на атом, в която могат да съществуват електрони, съответстващи на стабилните модели на „стояща вълна“ на де Бройл и Бор. Електроните могат да "скачат" от черупка в обвивка, но не могат да съществуват между тях.
Главното квантово число трябва да бъде цяло положително число (по-голямо или равно на 1). С други думи, главното квантово число на електрона не може да бъде 1/2 или -3. Тези цели числа не са избрани произволно, а чрез експериментално доказателство за светлинния спектър: различните честоти (цветове) на светлината, излъчвана от възбудените водородни атоми, следват математическа връзка в зависимост от конкретни цели числа, както е показано на фигурата по-долу.
Всяка обвивка има способността да задържа множество електрони. Аналогия за електронните черупки са концентричните редове седалки в амфитеатъра. Точно както човек, който седи в амфитеатър, трябва да избере ред, за да седне (той не може да седи между редовете), електроните трябва да „изберат“ определена обвивка, за да „седнат“. Подобно на редиците в амфитеатър, външните обвивки задържат повече електрони от черупките по-близо до центъра. Освен това електроните са склонни да намерят най-малката налична обвивка, точно както хората в амфитеатъра търсят мястото, което е най-близо до централната сцена. Колкото по-голям е номерът на обвивката, толкова повече енергия имат електроните върху нея.
Максималният брой електрони, които всяка обвивка може да побере, се описва с уравнението 2n 2 , където n е главното квантово число. Така първата обвивка (n = 1) може да съдържа 2 електрона; втората обвивка (n = 2) - 8 електрона; и третата обвивка (n = 3) - 18 електрона (фигурата по-долу).
Основното квантово число n и максималният брой електрони са свързани с формулата 2(n 2). Орбитите не са в мащаб. Електронните обвивки в атома бяха обозначени с букви, а не с цифри. Първата обвивка (n = 1) беше обозначена с K, втората обвивка (n = 2) L, третата обвивка (n = 3) M, четвъртата обвивка (n = 4) N, петата обвивка (n = 5) O, шестата обвивка (n = 6) P и седмата обвивка (n = 7) B.
Орбитално (азимутално) квантово число: обвивка, съставена от подчерупки. Някои може да сметнат за по-удобно да мислят за подчерупките като прости участъци от черупки, като платна, разделящи пътя. Подчерупките са много по-странни. Подчерупките са области на пространството, където могат да съществуват електронни „облаци“ и всъщност различните подчерупки имат различни форми. Първата подобвивка е във формата на топка (Фигура по-долу (s)), което има смисъл, когато се визуализира като електронен облак, обграждащ ядрото на атом в три измерения.
Втората подчерупка наподобява дъмбел, състояща се от две „венчелистчета“, свързани в една точка близо до центъра на атома (фигура по-долу (p)).
Третата подчерупка обикновено прилича на набор от четири "венчелистчета", струпани около ядрото на атом. Тези форми на подчерупки приличат на изобразителни изображения на модели на антената, с луковидни лобове, простиращи се от антената към различни посоки(Фигура по-долу (d)).
орбитали: (s) тройна симетрия;
(p) Показани: p x , една от трите възможни ориентации (p x , p y , p z), по протежение на съответните оси;
(d) Показано: d x 2 -y 2 е подобно на d xy , d yz , d xz . Показано: d z 2 . Брой възможни d-орбитали: пет.
Валидни стойностиорбиталните квантови числа са положителни цели числа, както за главното квантово число, но също така включват нула. Тези квантови числа за електрони се означават с буквата l. Броят на подчерупките е равен на главното квантово число на обвивката. Така първата обвивка (n = 1) има една подобвивка с номер 0; втората обвивка (n = 2) има две подчерупки, номерирани с 0 и 1; третата обвивка (n = 3) има три подчерупки, номерирани с 0, 1 и 2.
Старата конвенция за subshell използва букви, а не цифри. В този формат първата подобвивка (l = 0) беше обозначена s, втората подобвивка (l = 1) беше обозначена като p, третата подобвивка (l = 2) беше обозначена с d, а четвъртата подобвивка (l = 3) беше обозначени f. Буквите идваха от думите: остър, принципал, дифузени Основен. Все още можете да видите тези обозначения в много периодични таблици, използвани за обозначаване електронна конфигурациявъншен ( валентност) обвивки от атоми.
(а) представянето на Бор на сребърния атом, (б) Орбитално представяне на Ag с разделяне на черупките на подчерупки (орбитално квантово число l).
Тази диаграма не предполага нищо за действителното положение на електроните, а само представя енергийните нива.
Магнитно квантово число: Магнитното квантово число за електрона класифицира ориентацията на фигурата на електронната подобвивка. "Венчелистчетата" на подчерупките могат да бъдат насочени в няколко посоки. Тези различни ориентации се наричат орбитали. За първата подобвивка (s; l = 0), която прилича на сфера, "посока" не е посочена. За втора (p; l = 1) подчерупка във всяка черупка, която прилича на дъмбел, насочен в три възможни посоки. Представете си три гири, пресичащи се в началото, като всяка сочи по собствената си ос в триаксиална координатна система.
Валидни стойности за дадено квантово число се състоят от цели числа, вариращи от -l до l, и това число се обозначава като м лв атомната физика и zв ядрената физика. За да изчислите броя на орбиталите в която и да е подобвивка, трябва да удвоите броя на подчерупката и да добавите 1, (2∙l + 1). Например, първата подобвивка (l = 0) във всяка обвивка съдържа една орбитала с номер 0; втората подобвивка (l = 1) във всяка обвивка съдържа три орбитали с числа -1, 0 и 1; третата подобвивка (l = 2) съдържа пет орбитали, номерирани -2, -1, 0, 1 и 2; и т.н.
Подобно на основното квантово число, магнитното квантово число произлиза директно от експериментални данни: ефектът на Зееман, разделянето на спектралните линии чрез излагане на йонизиран газ на магнитно поле, откъдето идва и името "магнитно" квантово число.
Спиново квантово число: подобно на магнитното квантово число, това свойство на електроните на атома е открито чрез експерименти. Внимателното наблюдение на спектралните линии показа, че всяка линия всъщност е двойка много близко разположени линии, предполага се, че тази т.нар. фина структурабеше резултат от „въртенето“ на всеки електрон около собствената си ос, като планета. Електроните с различни "завъртания" биха излъчвали малко по-различни честоти на светлина, когато са възбудени. Концепцията за въртящи се електрони вече е остаряла, като е по-подходяща за (неправилния) възглед на електроните като отделни частици на материята, а не като „облаци“, но името остава.
Спиновите квантови числа се означават като г-цав атомната физика и szв ядрената физика. Всяка орбитала във всяка подобвивка може да има два електрона във всяка обвивка, единият със спин +1/2, а другият със спин -1/2.
Физикът Волфганг Паули разработи принцип, който обяснява подреждането на електроните в атома според тези квантови числа. Неговият принцип, наречен Принцип на изключване на Паули, заявява, че два електрона в един и същи атом не могат да заемат едни и същи квантови състояния. Тоест всеки електрон в атома има уникален набор квантови числа. Това ограничава броя на електроните, които могат да заемат дадена орбитала, подобвивка и обвивка.
Това показва подреждането на електроните във водороден атом:
С един протон в ядрото, атомът приема един електрон за своя електростатичен баланс (положителният заряд на протона е точно балансиран от отрицателния заряд на електрона). Този електрон е в долната обвивка (n = 1), първата подобвивка (l = 0), в единствената орбитала (пространствена ориентация) на тази подобвивка (m l = 0), със стойност на спин 1/2. Общият метод за описание на тази структура е чрез изброяване на електроните според техните обвивки и подчерупки, съгласно конвенция, наречена спектроскопска нотация. В тази нотация номерът на обвивката е показан като цяло число, подобвивката като буква (s,p,d,f), а общият брой електрони в подобвивката (всички орбитали, всички завъртания) като горен индекс. По този начин водородът, с неговия единичен електрон, поставен на базово ниво, се описва като 1s 1 .
Преминавайки към следващия атом (в ред на атомния номер), получаваме елемента хелий:
Атомът на хелий има два протона в ядрото си, което изисква два електрона, за да балансират двойния положителен електрически заряд. Тъй като два електрона - единият със спин 1/2, а другият със спин -1/2 - са в една и съща орбитала, електронната структура на хелия не изисква допълнителни подчерупки или обвивки, за да задържи втория електрон.
Въпреки това, атом, изискващ три или повече електрона, ще се нуждае от допълнителни подчерупки, за да задържи всички електрони, тъй като само два електрона могат да бъдат в долната обвивка (n = 1). Помислете за следващия атом в последователността от нарастващи атомни номера, литий:
Литиевият атом използва част от капацитета L на корпуса (n = 2). Тази обвивка всъщност има общ капацитет от осем електрона (максимален капацитет на обвивката = 2n 2 електрона). Ако разгледаме структурата на атом с напълно запълнена L обвивка, ще видим как всички комбинации от подчерупки, орбитали и завъртания са заети от електрони:
Често, когато се присвоява спектроскопска нотация на атом, всички напълно запълнени черупки се пропускат, а не запълнени черупки и запълнени черупки. Най-високо нивоса посочени. Например, елементът неон (показан на фигурата по-горе), който има две напълно запълнени черупки, може да бъде описан спектрално просто като 2p 6, а не като 1s 22 s 22 p 6 . Литият, с неговата напълно запълнена K обвивка и един електрон в L обвивката, може просто да бъде описан като 2s 1, а не 1s 22 s 1 .
Пропускането на напълно попълнени обвивки от по-ниско ниво не е само за удобство на нотирането. Той също така илюстрира основен принцип на химията: химичното поведение на елемент се определя преди всичко от неговите незапълнени обвивки. И водородът, и литият имат върху себе си външни черупкиедин електрон (съответно 1 и 2s 1), тоест и двата елемента имат сходни свойства. И двете са силно реактивни и реагират по почти идентични начини (свързване с подобни елементи при сходни условия). Няма от голямо значениече литият има напълно запълнена K-черупка под почти свободна L-черупка: незапълнената L-черупка е тази, която определя химическото му поведение.
Елементите, които имат напълно запълнени външни черупки, се класифицират като благородни и се характеризират с почти пълна липса на реакция с други елементи. Тези елементи бяха класифицирани като инертни, когато се смяташе, че изобщо не реагират, но е известно, че образуват съединения с други елементи при определени условия.
Тъй като елементите с еднакви електронни конфигурации във външните си обвивки имат подобни Химични свойства, Дмитрий Менделеев организира съответно химическите елементи в таблицата. Тази таблица е известна като , а модерните таблици следват това общ изгледпоказано на фигурата по-долу.
Периодична таблица на химичните елементи Дмитрий Менделеев, руски химик, е първият, който разработи периодичната таблица на елементите. Въпреки факта, че Менделеев организира масата си според атомна маса, но не атомно число, и създаде таблица, която не беше толкова полезна като съвременните периодични таблици, неговото развитие е отличен пример за научни доказателства. Виждайки модели на периодичност (подобни химични свойства според атомната маса), Менделеев предположи, че всички елементи трябва да се вписват в този подреден модел. Когато открива "празни" места в таблицата, той следва логиката на съществуващия ред и допуска съществуването на все още неизвестни елементи. Последващото откриване на тези елементи потвърди научната правилност на хипотезата на Менделеев, по-нататъшни открития доведоха до формата на периодичната таблица, която използваме сега.
Като този Трябванаука за работата: хипотезите водят до логически заключения и се приемат, променят или отхвърлят в зависимост от съгласуваността на експерименталните данни с техните заключения. Всеки глупак може да формулира хипотеза след факта, за да обясни наличните експериментални данни, и мнозина го правят. Това, което отличава научната хипотеза от post hoc спекулацията, е прогнозирането на бъдещи експериментални данни, които все още не са събрани, и вероятно опровергаването на тези данни в резултат. Смело водете хипотезата до нейното логично заключение(а) и опитът да се предскажат резултатите от бъдещи експерименти не е догматичен скок на вярата, а по-скоро публичен тест на тази хипотеза, открито предизвикателство към противниците на хипотезата. С други думи, научни хипотезивинаги са „рискови“ поради опит да се предскажат резултатите от експерименти, които все още не са направени, и следователно могат да бъдат опровергани, ако експериментите не вървят според очакванията. По този начин, ако една хипотеза правилно прогнозира резултатите от многократни експерименти, тя се опровергава.
Квантовата механика, първо като хипотеза и след това като теория, е изключително успешна в прогнозирането на резултатите от експериментите, следователно висока степеннаучно доверие. Много учени имат основание да смятат, че това е непълна теория, тъй като нейните прогнози са по-верни в микрофизични мащаби, отколкото в макроскопски, но въпреки това тя е изключително полезна теория за обяснение и прогнозиране на взаимодействието на частици и атоми.
Както видяхте в тази глава, квантовата физика е от съществено значение за описването и прогнозирането на много различни явления. В следващия раздел ще видим значението му в електропроводимосттвърди тела, включително полупроводници. Просто казано, нищо по химия или физика твърдо тялоняма смисъл в популярните теоретична структураелектрони, съществуващи като отделни частици материя, обикалящи около ядрото на атома, като миниатюрни спътници. Когато електроните се разглеждат като „вълнови функции“, съществуващи в определени, дискретни състояния, които са редовни и периодични, тогава поведението на материята може да бъде обяснено.
Обобщаване
Електроните в атомите съществуват в „облаци“ с разпределена вероятност, а не като дискретни частици материя, въртящи се около ядрото, като миниатюрни спътници, както показват общите примери.
Отделни електрони около ядрото на атома са склонни към уникални "състояния", описани с четири квантови числа: главно (радиално) квантово число, познат като черупка; орбитално (азимутално) квантово число, познат като подчерупка; магнитно квантово числоописващи орбитална(ориентация на подчерупката); и спиново квантово число, или просто въртене. Тези състояния са квантови, тоест „между тях“ няма условия за съществуването на електрон, с изключение на състояния, които се вписват в схемата за квантово номериране.
Гланое (радиално) квантово число (n)описва основно ниво наили обвивката, съдържаща електрона. Колкото по-голямо е това число, толкова по-голям е радиусът на електронния облак от ядрото на атома и толкова по-голяма е енергията на електрона. Главните квантови числа са цели числа (положителни цели числа)
Орбитално (азимутално) квантово число (l)описва формата на електронен облак в определена обвивка или ниво и често е известен като "подчерупка". Във всяка обвивка има толкова подобвивки (форми на електронен облак), колкото е основното квантово число на обвивката. Азимуталните квантови числа са положителни цели числа, започващи от нула и завършващи с число, по-малко от основното квантово число с едно (n - 1).
Магнитно квантово число (m l)описва каква ориентация има подобвивката (форма на електронен облак). Подчерупките могат да имат толкова различни ориентации, колкото два пъти числото на подчерупката (l) плюс 1, (2l+1) (тоест за l=1, m l = -1, 0, 1), и всяка уникална ориентация се нарича орбитала . Тези числа са цели числа, започващи от отрицателна стойност на номера на подчерупката (l) до 0 и завършващи с положителна стойност на номера на подчерупката.
Спиново квантово число (m s)описва друго свойство на електрона и може да приеме стойностите +1/2 и -1/2.
Принцип на изключване на Пауликазва, че два електрона в един атом не могат да споделят един и същ набор от квантови числа. Следователно може да има най-много два електрона във всяка орбитала (spin=1/2 и spin=-1/2), 2l+1 орбитали във всяка подобвивка и n подобвивки във всяка обвивка и не повече.
Спектроскопична нотацияе конвенция за електронната структура на атома. Обвивките са показани като цели числа, последвани от букви на подчерупка (s, p, d, f) с горни числа, показващи общия брой електрони, открити във всяка съответна подчерупка.
Химичното поведение на атома се определя единствено от електрони в незапълнени обвивки. Черупките на ниско ниво, които са напълно пълни, имат малък или никакъв ефект върху химични характеристикисвързващи елементи.
Елементите с напълно запълнени електронни обвивки са почти напълно инертни и се наричат благороденелементи (известни преди като инертни).
Никой на този свят не разбира какво е квантова механика. Това е може би най-важното нещо, което трябва да знаете за нея. Разбира се, много физици са се научили да използват законите и дори да предвиждат явления въз основа на квантовите изчисления. Но все още не е ясно защо наблюдателят на експеримента определя поведението на системата и я принуждава да приеме едно от двете състояния.
Ето няколко примера за експерименти с резултати, които неизбежно ще се променят под влиянието на наблюдателя. Те показват, че квантовата механика на практика се занимава с намесата на съзнателната мисъл в материалната реалност.
Днес има много интерпретации на квантовата механика, но Копенхагенската интерпретация е може би най-известната. През 20-те години на миналия век нейните общи постулати са формулирани от Нилс Бор и Вернер Хайзенберг.
Основата на интерпретацията от Копенхаген беше вълновата функция. Това е математическа функция, съдържаща информация за всички възможни състояния на квантовата система, в която тя съществува едновременно. Според Копенхагенската интерпретация, състоянието на системата и нейното положение спрямо други състояния могат да бъдат определени само чрез наблюдение (вълновата функция се използва само за математически изчисляване на вероятността системата да бъде в едно или друго състояние).
Може да се каже, че след наблюдение една квантова система става класическа и веднага престава да съществува в състояния, различни от това, в което е била наблюдавана. Това заключение намери своите опоненти (спомнете си прочутото „Бог не играе на зарове“ на Айнщайн), но точността на изчисленията и прогнозите все пак имаше своя собствена.
Въпреки това броят на поддръжниците на Копенхагенското тълкуване намалява и главната причинатова е мистериозният моментален срив на вълновата функция по време на експеримента. Известният мисловен експеримент на Ервин Шрьодингер с бедна котка трябва да демонстрира абсурдността на това явление. Нека си спомним подробностите.
В черната кутия седи черна котка и с нея флакон с отрова и механизъм, който може да освободи отровата на случаен принцип. Например, радиоактивен атом по време на разпад може да разбие балон. Точно времеразпадът на атома е неизвестен. Известен е само периодът на полуразпад, по време на който настъпва разпад с вероятност от 50%.
Очевидно за външен наблюдател котката в кутията е в две състояния: или е жива, ако всичко е минало добре, или мъртва, ако е настъпило разпадането и флаконът се е счупил. И двете състояния се описват от вълновата функция на котката, която се променя с течение на времето.
Колкото повече време е минало, толкова по-вероятно е да е настъпил радиоактивен разпад. Но щом отворим кутията, вълновата функция се срива и веднага виждаме резултатите от този нехуманен експеримент.
Всъщност, докато наблюдателят не отвори кутията, котката ще балансира безкрайно между живот и смърт или ще бъде едновременно жива и мъртва. Съдбата му може да се определи само в резултат на действията на наблюдателя. Този абсурд е посочен от Шрьодингер.
Според проучване на известни физици от The New York Times, експериментът с дифракция на електрони е едно от най-удивителните изследвания в историята на науката. Каква е нейната природа? Има източник, който излъчва лъч от електрони върху фоточувствителен екран. И има препятствие по пътя на тези електрони, медна пластина с два прореза.
Каква картина можем да очакваме на екрана, ако обикновено електроните ни се представят като малки заредени топчета? Две ивици срещу слотовете в медната плоча. Но всъщност на екрана се появява много по-сложен модел от редуващи се бели и черни ивици. Това се дължи на факта, че при преминаване през процепа електроните започват да се държат не само като частици, но и като вълни (фотоните или други светлинни частици, които могат да бъдат едновременно вълна, се държат по същия начин).
Тези вълни взаимодействат в пространството, като се сблъскват и подсилват една друга и в резултат на това на екрана се показва сложен модел от редуващи се светли и тъмни ивици. В същото време резултатът от този експеримент не се променя, дори ако електроните преминават един по един - дори една частица може да бъде вълна и да премине през два процепа едновременно. Този постулат беше един от основните в Копенхагенската интерпретация на квантовата механика, когато частиците могат едновременно да демонстрират своите „обикновени“ физически свойства и екзотични свойства като вълна.
Но какво да кажем за наблюдателя? Той е този, който прави тази объркваща история още по-объркваща. Когато физиците в експерименти като този се опитаха да използват инструменти, за да определят през кой процеп действително преминава един електрон, картината на екрана се промени драстично и стана „класическа“: с две осветени секции точно срещу процепите, без никакви редуващи се ивици.
Електроните изглеждаха неохотни да разкрият своята вълнова природа пред зоркото око на зрителите. Изглежда като мистерия, обвита в мрак. Но има по-просто обяснение: наблюдението на системата не може да се извърши без физическо въздействиена нея. Ще обсъдим това по-късно.
2. Нагрети фулерени
Експерименти по дифракция на частици се провеждат не само с електрони, но и с други, много по-големи обекти. Например бяха използвани фулерени, големи и затворени молекули, състоящи се от няколко десетки въглеродни атома. Наскоро група учени от Виенския университет, водена от професор Цайлингер, се опитаха да включат елемент на наблюдение в тези експерименти. За да направят това, те облъчват движещи се фулеренови молекули с лазерни лъчи. След това, нагрети от външен източник, молекулите започват да светят и неизбежно отразяват присъствието си на наблюдателя.
Заедно с тази иновация се промени и поведението на молекулите. Преди такова изчерпателно наблюдение фулерените избягваха доста успешно препятствията (показвайки вълнови свойства), подобно на предишния пример с електрони, удрящи екрана. Но с присъствието на наблюдател фулерените започнаха да се държат като напълно спазващи закона физически частици.
3. Измерване на охлаждане
Един от най-известните закони в света на квантовата физика е принципът на неопределеността на Хайзенберг, според който е невъзможно да се определи скоростта и позицията на квантов обект едновременно. Колкото по-точно измерваме импулса на частица, толкова по-малко точно можем да измерим нейното положение. Въпреки това, в нашия макроскопичен реален свят валидността на квантовите закони, действащи върху малките частици, обикновено остава незабелязана.
Много ценен принос в тази област имат последните експерименти на проф. Шваб от САЩ. Квантовите ефекти в тези експерименти са демонстрирани не на ниво електрони или фулеренови молекули (които имат приблизителен диаметър от 1 nm), а върху по-големи обекти, малка алуминиева лента. Тази лента беше фиксирана от двете страни, така че средата й беше в окачено състояние и можеше да вибрира под външно въздействие. Освен това наблизо беше поставено устройство, способно да записва точно позицията на лентата. В резултат на експеримента бяха открити няколко интересни неща. Първо, всяко измерване, свързано с позицията на обекта и наблюдението на лентата, се е отразило върху него, след всяко измерване позицията на лентата се променя.
Експериментаторите определят координатите на лентата с висока точност и по този начин, в съответствие с принципа на Хайзенберг, променят нейната скорост, а оттам и последващата позиция. Второ, и съвсем неочаквано, някои измервания доведоха до охлаждане на лентата. По този начин наблюдателят може да промени физическите характеристики на обектите само чрез тяхното присъствие.
4. Замръзващи частици
Както знаете, нестабилните радиоактивни частици се разпадат не само при експерименти с котки, но и сами. Всяка частица има среден живот, който, както се оказва, може да се увеличи под зоркия поглед на наблюдател. Този квантов ефект е предсказан още през 60-те години и неговото брилянтно експериментално доказателство се появява в статия, публикувана от група, ръководена от нобеловия лауреат по физика Волфганг Кетерле от Масачузетския технологичен институт.
В тази работа е изследван разпадът на нестабилни възбудени атоми на рубидий. Непосредствено след приготвянето на системата атомите бяха възбудени с помощта на лазерен лъч. Наблюдението се проведе в два режима: непрекъснат (системата беше постоянно изложена на малки светлинни импулси) и импулсен (системата беше облъчвана от време на време с по-мощни импулси).
Получените резултати са в пълно съответствие с теоретичните прогнози. Външните светлинни ефекти забавят разпадането на частиците, връщайки ги в първоначалното им състояние, което е далеч от състоянието на разпад. Големината на този ефект също съвпадна с прогнозите. Максималният живот на нестабилните възбудени атоми на рубидий се увеличава с коефициент 30.
5. Квантова механика и съзнание
Електроните и фулерените престават да показват своите вълнови свойства, алуминиевите плочи се охлаждат, а нестабилните частици забавят разпада си. Бдителното око на наблюдателя буквално променя света. Защо това не може да бъде доказателство за участието на нашия ум в работата на света? Може би Карл Юнг и Волфганг Паули (австрийски физик, лауреат на Нобелова награда, пионер на квантовата механика) са били прави в края на краищата, когато са казали, че законите на физиката и съзнанието трябва да се разглеждат като взаимно допълващи се?
Ние сме на една крачка от признаването, че светът около нас е просто илюзорен продукт на нашия ум. Идеята е страшна и примамлива. Нека се опитаме отново да се обърнем към физиците. Особенно в последните годиникогато все по-малко по-малко хоравярват, че копенхагенската интерпретация на квантовата механика с нейната мистериозна вълнова функция се срива, обръщайки се към по-обикновена и надеждна декохерентност.
Факт е, че във всички тези експерименти с наблюдения експериментаторите неизбежно са влияли на системата. Осветиха го с лазер и го монтираха измервателни уреди. Те бяха обединени от важен принцип: не можете да наблюдавате система или да измервате нейните свойства, без да взаимодействате с нея. Всяко взаимодействие е процес на модифициране на свойства. Особено когато една малка квантова система е изложена на колосални квантови обекти. Някой вечно неутрален будистки наблюдател е невъзможен по принцип. И тук влиза в игра терминът „декохерентност“, който е необратим от гледна точка на термодинамиката: квантовите свойства на една система се променят при взаимодействие с друга голяма система.
При това взаимодействие квантовата система губи първоначалните си свойства и става класическа, сякаш се „подчинява“ на голяма система. Това обяснява и парадокса на котката на Шрьодингер: котката е твърде много голяма система, така че не може да бъде изолиран от останалия свят. Самият дизайн на този мисловен експеримент не е напълно правилен.
Във всеки случай, ако приемем реалността на акта на сътворение от съзнанието, декохерентността изглежда много по-удобен подход. Може би дори твърде удобно. С този подход целият класически свят се превръща в едно голямо следствие от декохерентността. И както заяви авторът на една от най-известните книги в областта, подобен подход логично води до твърдения от рода на „няма частици в света“ или „няма време на фундаментално ниво“.
Каква е истината: в създателя-наблюдател или мощната декохерентност? Трябва да избираме между две злини. Въпреки това учените стават все по-убедени, че квантовите ефекти са проява на нашите психични процеси. А къде свършва наблюдението и започва реалността зависи от всеки един от нас.
Според topinfopost.com
Неподготвен слушател е уплашен от самото начало на запознанството. Странно и нелогично е дори за физиците, които се занимават с него всеки ден. Но тя не е неразбираема. Ако се интересувате от квантова физика, всъщност има шест ключови концепции от нея, които трябва да имате предвид. Не, не са свързани. И това не са мисловни експерименти. Просто ги навийте около мустаците си и квантовата физика ще бъде много по-лесна за разбиране.
Има много места за започване на тази дискусия и това е толкова добро, колкото и другите: всичко в нашата вселена има природата както на частици, така и на вълни едновременно. Ако някой може да каже за магията по този начин: „Всичко това са вълни и само вълни“, това би било прекрасно поетическо описание на квантовата физика. Всъщност всичко в тази вселена има вълнова природа.
Разбира се, всичко във Вселената също има природата на частици. Звучи странно, но е така.
Описването на реални обекти като частици и вълни едновременно би било донякъде неточно. Строго погледнато, обектите, описани от квантовата физика, не са частици и вълни, а по-скоро принадлежат към третата категория, която наследява свойствата на вълните (честота и дължина на вълната, заедно с разпространението в пространството) и някои свойства на частиците (те могат да бъдат преброени и локализирани до известна степен). Това води до оживен дебат във физичната общност за това дали изобщо е правилно да се говори за светлината като частица; не защото има противоречие в това дали светлината има природа на частици, а защото наричането на фотони „частици“, а не „възбуждания на квантово поле“ е подвеждащо учениците. Това обаче важи и за това дали електроните могат да се нарекат частици, но подобни спорове ще останат в чисто академичните среди.
Тази "трета" природа на квантовите обекти е отразена в понякога объркващия език на физиците, които обсъждат квантовите явления. Бозонът на Хигс е открит като частица в Големия адронен колайдер, но вероятно сте чували израза "поле на Хигс", такова делокализирано нещо, което запълва цялото пространство. Това е така, защото при определени условия, като експерименти за сблъсък на частици, е по-подходящо да се обсъждат възбужданията на полето на Хигс, отколкото да се характеризира частицата, докато при други условия, като общи дискусии за това защо определени частици имат маса, е по-подходящо да обсъждаме физиката от гледна точка на взаимодействията с квантовото поле с универсални пропорции. Просто е различни езициописващи едни и същи математически обекти.
Квантовата физика е дискретна
Всичко в името на физиката - думата "квант" идва от латинското "колко" и отразява факта, че квантовите модели винаги включват нещо, което идва дискретни количества. Енергията, съдържаща се в квантово поле, е кратна на някаква фундаментална енергия. За светлината това е свързано с честотата и дължината на вълната на светлината - високочестотната, късовълновата светлина има огромна характерна енергия, докато нискочестотната светлина с дълга вълна има малка характерна енергия.
И в двата случая, междувременно, общата енергия, съдържаща се в отделно светлинно поле, е цяло число, кратно на тази енергия - 1, 2, 14, 137 пъти - и няма странни дроби като една и половина, "пи" или квадрат корен от две. Това свойство се наблюдава и при дискретни енергийни нива на атоми, а енергийните ленти са специфични - някои енергийни стойности са разрешени, други не. Атомните часовници работят благодарение на дискретността на квантовата физика, използвайки честотата на светлината, свързана с прехода между две разрешени състояния в цезий, което ви позволява да поддържате времето на нивото, необходимо за "втория скок".
Ултра-прецизната спектроскопия може да се използва и за търсене на неща като тъмна материя и остава част от мотивацията за работата на института по фундаментална физика с ниски енергии.
Не винаги е очевидно - дори някои неща, които по принцип са квантови, като излъчването на черното тяло, са свързани с непрекъснати разпределения. Но при по-внимателно разглеждане и при свързване на дълбоко математически апаратквантовата теория става още по-странна.
Квантовата физика е вероятностна
Един от най-изненадващите и (поне исторически) противоречиви аспекти на квантовата физика е, че е невъзможно да се предскаже със сигурност резултатът от един-единствен експеримент с квантова система. Когато физиците предвиждат резултата от конкретен експеримент, тяхната прогноза е под формата на вероятност за намиране на всеки от конкретните възможни резултати, а сравненията между теория и експеримент винаги включват извличане на разпределение на вероятностите от много повтарящи се експерименти.
Математическото описание на квантовата система, като правило, приема формата на "вълнова функция", представена в уравненията на гръцкия бук пси: Ψ. Има много дискусии за това какво точно представлява вълновата функция и те разделиха физиците на два лагера: тези, които виждат вълновата функция като реално физическо нещо (онтични теоретици), и тези, които вярват, че вълновата функция е единствено израз на нашето знание (или липса на такова) независимо от основното състояние на конкретен квантов обект (епистемични теоретици).
Във всеки клас от основния модел вероятността за намиране на резултат се определя не директно от вълновата функция, а от квадрата на вълновата функция (грубо казано, тя все още е същата; вълновата функция е сложен математически обект ( и следователно включва въображаеми числа като корен квадратенили неговият отрицателен вариант) и операцията за получаване на вероятността е малко по-сложна, но "квадратът на вълновата функция" е достатъчен, за да се разбере основната същност на идеята). Това е известно като правилото на Born след немски физикМакс Борн, който пръв го изчисли (в бележка под линия към произведение от 1926 г.) и изненада много хора с грозното си въплъщение. Има активна работа в опитите да се изведе правилото на Born от по-фундаментален принцип; но досега нито един от тях не беше успешен, въпреки че генерира много интересни неща за науката.
Този аспект на теорията също ни води до частици, които са в много състояния по едно и също време. Всичко, което можем да предвидим, е вероятността и преди измерването с конкретен резултат, измерваната система е в междинно състояние - състояние на суперпозиция, което включва всички възможни вероятности. Но дали системата наистина е в множество състояния или е в едно неизвестно зависи от това дали предпочитате онтичен или епистемичен модел. И двете ни водят до следващата точка.
Квантовата физика е нелокална
Последният не беше широко приет като такъв, главно защото грешеше. В статия от 1935 г., заедно с младите си колеги Борис Подолкий и Нейтън Розен (документът EPR), Айнщайн прави ясно математическо изявление за нещо, което го тревожи от известно време, това, което наричаме „заплитане“.
Работата на EPR твърди, че квантовата физика признава съществуването на системи, в които измерванията, направени на широко разделени места, могат да бъдат корелирани, така че резултатът от едното да определя другото. Те твърдят, че това означава, че резултатите от измерванията трябва да бъдат определени предварително от някои общ фактор, тъй като в противен случай би било необходимо да се предаде резултатът от едно измерване на мястото на друго със скорост, надвишаваща скоростта на светлината. Следователно квантовата физика трябва да е непълна, приближение на по-дълбока теория (теорията на „скритата локална променлива“, при която резултатите от отделните измервания не зависят от нещо, което е по-далече от мястото на измерване от сигнал, движещ се със скоростта на светлината може да покрива (локално), но по-скоро се определя от някакъв фактор, общ за двете системи в заплетена двойка (скрита променлива).
Цялото нещо се смяташе за неразбираема бележка под линия повече от 30 години, тъй като изглеждаше нямаше начин да се провери, но в средата на 60-те ирландският физик Джон Бел разработи по-подробно последствията от EPR. Бел показа, че можете да намерите обстоятелства, при които квантовата механика ще предскаже корелации между дистанционни измервания, които са по-силни от всяка възможна теория като тези, предложени от E, P и R. Това беше експериментално тествано през 70-те години от Джон Клозер и Ален Аспект в началото на 80-те х - те показаха, че тези сложни системи не могат да бъдат потенциално обяснени с никаква локална теория за скрити променливи.
Най-често срещаният подход за разбиране на този резултат е да се приеме, че квантовата механика е нелокална: че резултатите от измерванията, направени на определено място, могат да зависят от свойствата на отдалечен обект по начин, който не може да бъде обяснен с помощта на сигнали, пътуващи в скоростта на светлината. Това обаче не позволява информацията да се предава със свръхсветлинна скорост, въпреки че са правени много опити за заобикаляне на това ограничение с помощта на квантова нелокалност.
Квантовата физика (почти винаги) се занимава с много малкото
Квантовата физика има репутацията на странна, защото нейните прогнози са драстично различни от ежедневния ни опит. Това е така, защото ефектите му са по-малко изразени, колкото по-голям е обектът – едва ли ще видите вълновото поведение на частиците и как дължината на вълната намалява с увеличаване на импулса. Дължината на вълната на макроскопичен обект като разхождащо куче е толкова нелепо малка, че ако увеличите всеки атом в стаята, слънчева система, дължината на вълната на куче би била с размер на един атом в такава слънчева система.
Това означава, че квантовите явления са най-вече ограничени до мащаба на атомите и фундаменталните частици, чиито маси и ускорения са достатъчно малки, че дължината на вълната остава толкова малка, че не може да бъде наблюдавана директно. Въпреки това се полагат много усилия за увеличаване на размера на система, която проявява квантови ефекти.
Квантовата физика не е магия
Предишната точка съвсем естествено ни довежда до тази точка: колкото и странна да изглежда квантовата физика, тя очевидно не е магия. Това, което той постулира, е странно според стандартите на ежедневната физика, но е силно ограничено от добре разбрани математически правила и принципи.
Така че, ако някой дойде при вас с "квантова" идея, която изглежда невъзможна - безкрайна енергия, магическа лечебна сила, невъзможни космически двигатели - почти сигурно е невъзможно. Това не означава, че не можем да използваме квантовата физика, за да правим невероятни неща: ние непрекъснато пишем за невероятни пробиви, използвайки квантовите явления и те вече доста изненадаха човечеството, това само означава, че няма да надхвърлим законите на термодинамиката и здравия разум.
Ако горните точки не са достатъчни за вас, считайте това само за полезна отправна точка за по-нататъшна дискусия.