Квантовая физика для начинающих

Квантовая физика является молодой наукой, что не мешает появлению в ней фантастических гипотез. Перспективы квантовой физики способны поразить любое сознание. Вот лишь несколько примеров: появление квантовой криптографии, основанной на передаче информации отдельными фотонами, и развитие квантового компьютера, который использует квантовую суперпозицию и квантовую запутанность для работы с информацией.

Хотите понять квантовую физику? Не пытайтесь ассоциировать эту науку с классической физикой. Тогда вы сможете взглянуть на мир иначе.

Квантовая гипотеза Планка

Днём рождения квантовой физики считается 14 декабря 1900 года, когда Макс Планк предложил теоретический вывод о соотношении между температурой тела и испускаемым им излучением. Он гласил: энергия электромагнитной волны может излучаться и поглощаться исключительно целыми порциями — квантами. Формула энергии кванта:

e = nh,

где e — энергия излучения, n — частота излучения, h — постоянная Планка.

Это предположение показывало, что законы классической физики неприменимы к микромиру.

Эйнштейн и фотоэлектрический эффект

В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил фотоэффект, опираясь на квантовую гипотезу Планка.

Фотоэлектрический эффект — явление вылета электрона из твёрдых и жидких тел под воздействием электромагнитного излучения.

Учёный предположил, что электромагнитная волна (которой считался свет) состоит из световых квантов (фотонов). Поглощение света происходит так, что фотоны квантами передают собственную энергию электронам вещества. При фотоэффекте часть электромагнитного излучения отражается от поверхности металла, а другая попадает внутрь и там поглощается. Электрон получает энергию от фотона и совершает работу выхода из вещества, приобретая начальную скорость.

Формула:

где h — постоянная Планка, n — частота электромагнитного излучения, A — работа выхода, mv^2/2— кинетическая энергия вышедшего электрона.

Это уравнение объясняет все законы внешнего фотоэлектрического эффекта:

• Суммарное число фотоэлектронов, покидающих поверхность вещества, прямо пропорционально числу фотонов, попадающих на поверхность вещества.
• Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от частоты электромагнитного излучения и работы выхода, но не зависит от интенсивности электромагнитного излучения.
• Для каждого вещества есть граница частоты электромагнитного излучения, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая длина волны называется красной границей фотоэффекта. Она зависит от работы выхода, химической природы вещества и состояния поверхности.

Благодаря явлению внешнего фотоэффекта мы смотрим фильмы со звуком. Фотоэлемент позволял превратить звук, запечатлённый на киноплёнке, в слышимый. Свет обычной лампы проходил через звуковую дорожку киноплёнки, преобразовывался и попадал на фотоэлемент. Чем больше света проходило через дорожку, тем громче был звук в динамике.

Не начинайте изучение квантовой физики со сложных математических формул. Улавливайте суть законов и экспериментов.

Формирование квантовой механики

Матричная механика Гейзенберга

В 1925 году Вернер Гейзенберг сформулировал теорию квантовой механики.

Квантовая механика — раздел квантовой физики, описывающий свойства и строение субатомных частиц и их систем.

Метод Гейзенберга требовал работы с матрицами (математическая таблица, представляющая набор упорядоченных чисел). Отсюда название — матричная механика. Теория объясняла, как происходят квантовые скачки.

Квантовый скачок — переход квантовой системы (в частности атома) с одного энергетического уровня на другой.

Подход Гейзенберга включал два компонента:

• Полный набор частот, на которых излучает атом вследствие квантового скачка;
• Вероятности, в соответствии с которыми происходят скачки;

Замысел матричной механики заключался в том, что физические величины, характеризующие частицу, описываются матрицами, изменяющимися во времени.

Волновая механика Шрёдингера

Совершенно другой подход предложил Эрвин Шрёдингер, назвав теорию волновой механикой. Он предположил, что любая материя существует в виде волн.

Волновое уравнение, сформулированное Шрёдингером, относится к ненаблюдаемой величине. Квадрат модуля этой величины показывает распределение вероятности обнаружить частицу в различных точках пространства, то есть отдельная частица представляется как волна, распределённая по всему пространству. Из его метода описание материи стало статистическим, то есть вероятностным.

Позже Поль Дирак доказал, что теории двух учёных были разными представлениями одного и того же и равноценными. Эти два подхода сформировали квантовую механику.

Однако Гейзенберг и Шрёдингер известны другими открытиями.

Помните: в квантовой физике и её разделах всё неопределённо и вероятностно.

Основные законы квантовой механики

Принцип неопределённости Гейзенберга — где и с какой скоростью?

В 1927 году Гейзенберг сформулировал принцип неопределённости: невозможно одновременно точно измерить пространственную координату и скорость частицы. Формула:

где Δx— неопределённость координаты пространства, Δv — неопределённость скорости частицы, h — Постоянная Планка, m — масса частицы.

Принцип неопределённости также связывает иные пары характеристик, например, энергию квантовой системы и момент времени, когда квантовая система обладает ей.

Подходящей аналогией является фотографирование движущегося объекта. Объект, сфотографированный с длительной экспозицией, размывается. Это демонстрирует, как движется объект, но не где он находится. Наоборот: можно определить местоположение объекта, сфотографированного с короткой экспозицией, но не то, как он движется. Однако следует понимать, что принцип неопределённости не ориентирован на наблюдателя, а показывает природу частиц.

Кот Шрёдингера — и жив и мёртв одновременно

Шрёдингер, желая показать неполноту квантовой механики при переходе от микромира к макромиру, провёл мысленный эксперимент.

Есть закрытый ящик, в котором находится живой кот и механизм: счётчик Гейгера с радиоактивным веществом, молоток и колба смертельного яда. Колба может быть разбита механизмом, приводимым в действие радиоактивным распадом. Однако распад носит вероятностный характер — 50/50. Если распад произойдёт, то молоток разобьёт колбу и смертельный яд убьёт кота. Если распада не произойдёт, то механизм не сработает и кот будет жив. Шрёдингер заключил, что пока мы не откроем ящик и не узнаем состояние кота, то он жив и мёртв одновременно.

Читайте также: Бесконечность Вселенной: бесконечен ли космос

Статья дает научный ответ на вопрос, безгранична ли Вселенная и как это доказать.

Интерпретации квантовой механики

У квантовой механики существуют две интерпретации:

1. Копенгагенская (Нильс Бор, Вернер Гейзенберг). Она гласит, что квантовые сущности описываются волновой функцией, но при их взаимодействии с окружением волновая функция коллапсирует к конкретным значениям величин.
2. Многомировая (Хью Эверетт). Она гласит, что каждая квантовая вероятность влечёт за собой возникновение отдельной вселенной, где происходит тот или иной исход.

Различность этих подходов демонстрирует квантовое бессмертие, которое можно считать пересказом эксперимента Шрёдингера от лица кота. Вместо кота — участник, вместо колбы с ядом  — ружьё, которое стреляет, если радиоактивный распад произойдёт (вероятность по-прежнему 50/50).

• Согласно копенгагенской интерпретации, рано или поздно ружьё выстрелит и убьёт участника.
• Согласно многомировой интерпретации, после каждого выстрела вселенная расщепляется на две: в одной участник жив, в другой — мёртв. В мире, где участник умер, он перестанет существовать, а где выжил — эксперимент продолжится. Участник сможет наблюдать итог эксперимента только во вселенной, где он остался в живых, и заметит, что никогда не умрёт.

Квантовая физика — FAQ

Это были основы квантовой физики, которые необходимо знать для базового понимания. Однако осталось несколько интересных вопросов:

Книги о квантовой физике

Если вы хотите и дальше познавать квантовый мир, рекомендуем следующие книги:

• «Квантовая вселенная. Как устроено то, что мы не можем увидеть» — Кокс Б., Форшоу Д.
• «Фейнмановские лекции по физике», «Кэд — странная теория света и вещества» — Ричард Фейнман
• «Сейчас. Физика времени» — Ричард Мюллер
• «Квант» — Джим Аль-Халили
• Серия книг «Физика для всех» Льва Ландау и Александра Китайгородского
• «Основы квантовой механики. Учебное пособие» — Л.В. Тарасов
• «В поисках кота Шрёдингера» — Гриббин Дж.

Фильмы о квантовой физике

Если вас больше интересуют фильмы:

• «Тайны квантовой физики / The Secrets of Quantum Physics». BBC
• «Параллельные миры». National Geografic
• «Квантовая физика невозможного: Нарушая временные границы». Discovery