Основи квантової фізики: поняття і закони

Класична фізика, існувала до винаходу квантової механіки, описує природу в звичайному (макроскопічному) масштабі. Більшість теорій в класичній фізиці можна вивести, як наближення, що діє в звичних для нас масштабах.

Квантова фізика (вона ж і квантова механіка) відрізняється від класичної науки тим, що енергія, імпульс, кутовий момент і інші величини пов’язаної системи обмежені дискретними значеннями (квантуванням). Об’єкти мають особливі характеристики як у вигляді частинок, так і у вигляді хвиль (дуальність хвильових частинок). Також в цій науці є межі точності, з якою можна виміряти величини (принцип невизначеності).

Можна сказати, що після виникнення квантової фізики в точних науках відбулася своєрідна революція, яка дозволила заново переглянути і проаналізувати всі старі закони, які раніше вважалися непорушними істинами. Добре це чи погано? Мабуть, добре, адже справжня наука ніколи не повинна стояти на місці.

Однак “квантова революція” стала своєрідним ударом для фізиків старої школи, яким довелося змиритися з тим, що те, у що вони вірили раніше, виявилося лише набором помилкових і архаїчних теорій, які потребують термінового перегляду та адаптації до нової реальності. Більшість фізиків з захопленням прийняли ці нові уявлення про добре знайомої науці, внісши свою лепту в її вивчення, розвиток і втілення в життя. Сьогодні квантова фізика задає динаміку всієї науці, в цілому. Передові експериментальні проекти (на зразок Великого адронного коллайдера) виникли саме завдяки їй.

Відкриття

Що можна сказати про основи квантової фізики? Вона поступово виникала з різних теорій, покликаних пояснити явища, які не могли бути узгоджені з класичною фізикою, наприклад, рішення Макса Планка в 1900 році і його підхід до проблеми випромінювання багатьох наукових проблем, а також відповідність між енергією і частотою в статті 1905 Альберта Ейнштейна , в якій пояснювалися фотоелектричні ефекти. Рання теорія квантової фізики була ґрунтовно перероблена в середині 1920-х років Ервін Шредінгер, Вернером Гейзенбергом, Максом Борном і іншими. Сучасна теорія сформульована в різних спеціально розроблених математичних концепціях. В одній з них арифметична функція (або хвильова функція) дає нам вичерпну інформацію про амплітуду ймовірності розташування імпульсу.

Основи квантової фізики для чайників

Наукове дослідження хвильової суті світла почалося більше 200 років тому, коли великі і визнані вчені того часу запропонували, розробили і довели теорію світла на основі своїх власних експериментальних спостережень. Вони назвали її хвильової.

У 1803 році відомий англійський учений Томас Янг провів свій знаменитий подвійний експеримент, в результаті якого написав прославлену роботу «Про природу світла і кольору», яка зіграла величезну роль у формуванні сучасних уявлень про ці знайомих нам всім явищах. Цей експеримент зіграв найважливішу роль в загальному визнання цієї теорії.

Аналогічний досвід часто описуються в різних книгах, наприклад, “Основи квантової фізики для чайників”. Сучасні експерименти з розгоном елементарних частинок, наприклад, пошук бозона Хіггса у Великому адронному колайдері (скорочено ВАК) проводиться як раз для того, щоб знайти практичне підтвердження багатьох суто теоретичних квантових теорій.

Історія

У 1838 році Майкл Фарадей на радість всьому світу відкрив катодні промені. Слідом за цими гучними дослідженнями послідувала заява про проблему випромінювання, так званого, “чорного тіла” (1859 рік), зроблене Густавом Кірхгофа, а також знамените припущення Людвіга Больцмана про те, що енергетичні стану будь-якої фізичної системи можуть бути ще і дискретними (1877 рік ). Вже потім з’явилася квантова гіпотеза, розроблена Максом Планком (1900 рік). Вона вважається однією з основ квантової фізики. Смілива гіпотеза Планка про те, що енергія може як випромінюватися, так і поглинатися в дискретних «кванти» (або енергетичних пакетах), в точності відповідає спостережуваним закономірностям випромінювання чорного тіла.

Великий внесок у квантову фізику вніс відомий всьому світу Альберт Ейнштейн. Перебуваючи під враженням від квантових теорій, він розробив свою. Загальну теорію відносності – так вона називається. Відкриття в квантовій фізиці вплинули і на розробку спеціальної теорії відносності. Багато вчених в першій половині минулого століття почали займатися цією наукою з подачі Ейнштейна. Вона в той час була передовою, всім подобалася, все нею цікавилися. Тож не дивно, адже вона закривала стільки “дірок” в класичній фізичній науці (правда, нові теж створювала), пропонувала наукове обгрунтування подорожей у часі, телекінезу, телепатії та паралельних світів.

Роль спостерігача

Будь-яка подія або стан залежить безпосередньо від спостерігача. Зазвичай саме так основи квантової фізики коротко пояснюються людям, далеким від точних наук. Однак в реальності все набагато складніше.

Це прекрасно узгоджується з багатьма окультними і релігійними традиціями, які з давніх-давен наполягали на можливості людей впливати на навколишні події. До певної міри це ще і грунт для наукового пояснення екстрасенсорики, адже тепер твердження про те, що людина (спостерігач) здатний впливати силою думки на фізичні події, чи не здається абсурдною.

Кожне власний стан спостережуваного події або об’єкта відповідає власному вектору спостерігача. Якщо спектр оператора (спостерігача) дискретний, спостережуваний об’єкт може досягати тільки дискретних власних значень. Тобто об’єкт спостереження, так само як і його характеристики, повністю визначається цим самим оператором.

Основи квантової фізики складними словами

На відміну від загальноприйнятої класичної механіки (або фізики), тут не можна робити одночасні передбачення пов’язаних змінних, таких як положення і імпульс. Наприклад, електрони можуть (з певною ймовірністю) розташовуватися приблизно в якійсь області простору, але їх математично точне положення насправді невідомо.

Контури постійної щільності ймовірності, часто звані «хмарами», можуть бути проведені навколо ядра атома, щоб концептуалізувати, де електрон може бути розташований з найбільшою ймовірністю. Принцип невизначеності Гейзенберга доводить нездатність точно виявити місцезнаходження частинки з урахуванням її сполученого імпульсу. Деякі моделі в цій теорії мають суто абстрактний обчислювальний характер і не передбачають прикладного значення. Втім, часто їх використовують для обчислення складних взаємодій на рівні субатомних частинок і інших тонких матерій. Крім того, цей розділ фізики дозволив вченим припустити можливість реального існування безлічі світів. Можливо, незабаром ми зможемо їх побачити.

Хвильові функції

Закони квантової фізики вельми об’ємні і різноманітні. Вони перетинаються з поданням про хвильових функціях. Деякі особливі хвильові функції створюють розкид ймовірностей, який за своєю суттю є постійним або незалежним від часу, наприклад, коли в стаціонарному положенні енергії час як би зникає по відношенню до хвильової функції. Це один з ефектів квантової фізики, який є для неї основним. Цікавий факт полягає в тому, що феномен часу був кардинально переглянутий в цій незвичайній науці.

Теорія збурень

Однак існує кілька надійних способів розробки рішень, необхідних для роботи з формулами і теоріями в квантовій фізиці. В одному з таких методів, широко відомому як “теорія збурень”, використовується аналітичний результат для елементарної квантово-механічної моделі. Вона була створена, щоб домогтися результатів від експериментів для розробки ще більш складної моделі, яка пов’язана з більш простою моделлю. Ось така рекурсія виходить.

Цей підхід особливо важливий в теорії квантового хаосу, яка надзвичайно популярна для трактування різних подій в мікроскопічній реальності.

Правила і закони

Правила квантової механіки фундаментальні. Вони стверджують, що простір розгортання системи є абсолютно фундаментальним (воно має скалярний твір). Ще одне твердження полягає в тому, що спостерігаються цією системою ефекти є в той же час і своєрідними операторами, що впливають на вектори в цій самій середовищі. При цьому вони не говорять нам, яке гільбертовому просторі або які оператори існують в даний момент. Їх можна підібрати відповідним чином, щоб отримати кількісний опис квантової системи.

Значення і вплив

З самого моменту виникнення цієї незвичайної науки багато антіінтуітівние аспекти і результати вивчення квантової механіки спровокували гучні філософські дебати і багато інтерпретації. Навіть фундаментальні питання, такі як правила на тему обчислення різних амплітуд і розподілу ймовірностей, заслуговують на повагу з боку суспільства і багатьох провідних вчених.

Річард Фейнман, наприклад, одного разу з сумом зауважив, що він абсолютно не впевнений в тому, що хтось із учених взагалі розуміє квантову механіку. Згідно Стівену Вайнберг, на даний момент немає тієї інтерпретації квантової механіки, яка б усіх влаштовувала. Це говорить про те, що вчені створили “монстра”, повністю зрозуміти і пояснити існування якого вони самі не в силах. Однак це ніяк не шкодить актуальності і популярності даної науки, а привертає до неї молодих фахівців, що бажають вирішувати дійсно складні і незрозумілі завдання.

Крім того, квантова механіка змусила повністю переглянути об’єктивні фізичні закони Всесвіту, що не може не радувати.

Копенгагенська інтерпретація

Відповідно до цієї інтерпретації, стандартне визначення причинності, відоме нам з класичної фізики, більше не потрібно. Згідно квантовим теоріям, причинності в звичному для нас розумінні не існує взагалі. Всі фізичні явища в них пояснюються з точки зору взаємодії найдрібніших елементарних частинок на субатомному рівні. Ця область, незважаючи на гадану неймовірність, надзвичайно перспективна.

Що можна сказати про взаємозв’язок квантової фізики і свідомості людини? Про це прекрасно написано в книзі, написаній Робертом Антоном Вілсоном в 1990 році, яка називається “Квантова психологія”.

Відповідно до теорії, викладеної в книзі, всі процеси, що відбуваються в нашому мозку, обумовлені законами, описаними в цій статті. Тобто це своєрідна спроба адаптувати теорію квантової фізики під психологію. Ця теорія вважається паранаукових і не визнається академічною спільнотою.

Квантова фізика і свідомість

Книга Уїлсона примітна тим, що він приводить у ній набір різних технік і практик, в тій чи іншій мірі доводять його гіпотезу. Так чи інакше, але читач повинен самостійно вирішити, вірить він чи ні спроможність подібних спроб застосувати математичні та фізичні моделі до гуманітарних наук.

Деякі сприйняли книгу Уїлсона як спробу виправдати містичне мислення і прив’язати його до науково доведеним новомодним фізичним формулювань. Цей вельми нетривіальний і яскравий працю залишається затребуваним вже більше 100 років. Книгу видають, перекладають і читають у всьому світі. Хто знає, можливо, з розвитком квантової механіки зміниться і ставлення наукового співтовариства до квантової психології.

Висновок

Завдяки цій чудовій теорії, яка незабаром стала окремою наукою, ми отримали можливість досліджувати навколишню дійсність на рівні субатомних частинок. Це дрібний рівень з усіх можливих, абсолютно недоступний для нашого сприйняття. Що фізики раніше знали про наш світ, потребує термінового перегляду. З цим згодні абсолютно все. Стало очевидно, що різні частинки можуть взаємодіяти один з одним на абсолютно немислимих відстанях, які ми можемо вимірювати лише шляхом складних математичних формул.

Крім того, квантова механіка (і квантова фізика) довела можливість існування безлічі паралельних реальностей, подорожей у часі і інших речей, які протягом всієї історії вважалися лише долею наукової фантастики. Це, безсумнівно, величезний вклад не тільки в науку, а й в майбутнє людства.

Основи квантової фізики для чайників

Для любителів наукової картини світу ця наука може бути як другом, так і ворогом. Справа в тому, що квантова теорія відкриває широкі можливості для різних спекуляцій на паранаукових тему, як це вже було показано на прикладі однієї з альтернативних психологічних теорій. Деякі сучасні окультисти, езотерики та прихильники альтернативних релігійно-духовних течій (найчастіше – психокульти) звертаються до теоретичних побудов цієї науки для того, щоб обґрунтувати раціональність і істинність своїх містичних теорій, вірувань і практик.

Це безпрецедентний випадок, коли прості домисли теоретиків і абстрактні математичні формули привели до самої справжньої наукової революції і створили нову науку, що перекреслив всі, що було відомо раніше. В деякій мірі квантова фізика спростувала закони арістотелівської логіки, оскільки показала, що при виборі “або-або” є ще один (а, можливо, кілька) альтернативний варіант.

Посилання на основну публікацію