H?r hade jag ett samtal i dagar om ?mnet f?rdr?jd valkvantradering, inte ens s? mycket en diskussion som en t?lmodig f?rklaring av kvantfysikens grunder av min underbara v?n dr_tambowsky. Eftersom jag inte undervisade i fysik s? bra i skolan och p? min gamla ?lder blev jag tecknad, absorberar jag det som en svamp. Jag best?mde mig f?r att samla f?rklaringar p? ett st?lle, kanske n?gon annan.

Till att b?rja med rekommenderar jag att du tittar p? en tecknad serie f?r barn om st?rningar och uppm?rksammar "?gat". F?r i sj?lva verket ?r det hela haken.

Sedan kan du b?rja l?sa texten fr?n dr_tambowsky, som jag ger nedan i sin helhet, eller, som ?r smart och kunnig, kan l?sa den direkt. Och b?ttre ?n b?da.

Vad ?r interferens.
Det finns verkligen m?nga av alla m?jliga termer och begrepp och de ?r v?ldigt f?rvirrade. L?t oss g? i ordning. F?r det f?rsta finns det st?rningar som s?dana. Det finns m?nga exempel p? interferens och det finns m?nga olika interferometrar. Ett speciellt experiment som st?ndigt sv?ngs och ofta anv?nds i denna raderingsvetenskap (fr?mst f?r att det ?r enkelt och bekv?mt) ?r tv? slitsar skurna sida vid sida, parallella med varandra, i en ogenomskinlig sk?rm. Till att b?rja med, l?t oss skina ett ljus p? en s?dan dubbel slits. Ljus ?r en v?g, eller hur? Och vi observerar st?rningen av ljus hela tiden. Ta det i tro att om du lyser ett ljus p? dessa tv? slitsar och s?tter en sk?rm (eller bara en v?gg) p? andra sidan, s? kommer vi p? denna andra sk?rm ocks? att se ett interferensm?nster - ist?llet f?r tv? ljusa ljuspunkter "passerar genom slitsarna" p? den andra sk?rmen (v?ggen) kommer det att finnas ett staket av omv?xlande ljusa och m?rka r?nder. Vi noterar ?n en g?ng att detta ?r en ren v?gegenskap: om vi kastar stenar kommer de som faller i springorna att forts?tta flyga rakt och kommer att tr?ffa v?ggen var och en bakom sin egen slits, det vill s?ga vi kommer att se tv? oberoende h?gar med stenar (om de fastnar p? v?ggen f?rst?s ?), inga st?rningar.

Kom ih?g att de i skolan l?rde ut om "partikelv?gsdualism"? Att n?r allt ?r v?ldigt litet och v?ldigt kvantum s? ?r f?rem?l b?de partiklar och v?gor samtidigt? I ett av de ber?mda experimenten (Stern-Gerlach-experimentet) p? 20-talet av f?rra seklet anv?nde de samma uppl?gg som beskrivits ovan, men ist?llet f?r ljus lyste de med ... elektroner. Tja, det vill s?ga, elektroner ?r partiklar, eller hur? Det vill s?ga, om de "kastas" p? en dubbel slits, som sm?sten, s? kommer vi att se vad p? v?ggen bakom slitsarna? Svaret ?r inte tv? separata fl?ckar, utan ?terigen ett interferensm?nster!! Det vill s?ga, elektroner kan ocks? st?ra.

? andra sidan visar det sig att ljus inte precis ?r en v?g, utan en liten bit och en partikel - en foton. Det vill s?ga, vi ?r nu s? smarta att vi f?rst?r att de tv? experimenten som beskrivs ovan ?r samma sak. Vi kastar (kvant)partiklar p? slitsarna, och partiklarna p? dessa slitsar st?r - alternerande r?nder ?r synliga p? v?ggen ("synliga" - i betydelsen hur vi registrerar fotoner eller elektroner d?r, ?r ?gonen sj?lva inte n?dv?ndiga f?r detta ?).

Nu, bev?pnade med denna universella bild, l?t oss st?lla f?ljande, mer subtila fr?ga (uppm?rksamhet, mycket viktigt!!):
N?r vi lyser v?ra fotoner/elektroner/partiklar p? slitsarna ser vi interferensm?nstret fr?n andra sidan. Underbar. Men vad h?nder med en enda foton/elektron/pi-meson? [och fr?n och med nu, l?t oss prata - rent f?r bekv?mlighets skull - bara om fotoner]. N?r allt kommer omkring ?r det h?r alternativet m?jligt: varje foton flyger som en sten genom sin egen slits, det vill s?ga den har en v?ldefinierad bana. Denna foton flyger genom den v?nstra luckan. Och den d?r till h?ger. N?r dessa fotoner-stenar, efter att ha f?ljt sina specifika banor, n?r v?ggen bakom slitsarna, interagerar de p? n?got s?tt med varandra, och som ett resultat av denna interaktion upptr?der ett interferensm?nster redan p? sj?lva v?ggen. ?n s? l?nge mots?ger ingenting i v?ra experiment denna tolkning - trots allt, n?r vi lyser ett starkt ljus p? slitsen skickar vi m?nga fotoner samtidigt. Hunden vet vad de g?r d?r.

Vi har ett svar p? denna viktiga fr?ga. Vi kan kasta en foton i taget. De slutade. Vi v?ntade. Tappade n?sta. Vi tittar noga p? v?ggen och m?rker var dessa fotoner kommer. En enskild foton kan naturligtvis inte skapa ett observerbart interferensm?nster i princip - det ?r ett, och n?r vi registrerar det kan vi bara se det p? en viss plats, och inte ?verallt p? en g?ng. Men tillbaka till analogin med sm?sten. H?r ?r en sten. Han tr?ffade v?ggen bakom en springa (den som han fl?g igenom, f?rst?s). H?r ?r en annan - igen knackad bakom springan. Vi sitter. Vi ?verv?ger. Efter en tid och kastat tillr?ckligt med sm?sten kommer vi att f? distribution - vi kommer att se att m?nga sm?sten tr?ffar v?ggen bakom en springa och mycket bakom den andra. Och ingen annanstans. Vi g?r samma sak med fotoner - vi kastar dem en i taget och r?knar l?ngsamt hur m?nga fotoner som fl?g till varje plats p? v?ggen. Vi h?ller l?ngsamt p? att bli galna, eftersom den resulterande f?rdelningen av fotonslagfrekvenser inte alls ?r tv? punkter under motsvarande luckor. Denna f?rdelning upprepar exakt det interferensm?nster som vi s?g n?r vi lyste med starkt ljus. Men fotonerna anl?nde nu en i taget! En ?r idag. N?sta ?r imorgon. De kunde inte interagera med varandra p? v?ggen. Det vill s?ga, i full ?verensst?mmelse med kvantmekaniken, ?r en separat foton samtidigt en v?g och ingen v?g ?r fr?mmande f?r den. Fotonen i v?rt experiment har ingen specifik bana - varje enskild foton passerar genom b?da slitsarna p? en g?ng och st?r liksom sig sj?lv. Vi kan upprepa experimentet och l?mna bara en slits ?ppen - d? kommer fotonerna naturligtvis att samlas bakom den. L?t oss st?nga den f?rsta, ?ppna den andra och fortfarande kasta fotoner en i taget. De klungar sig naturligtvis under den andra ?ppna luckan. Vi ?ppnar b?da - den resulterande f?rdelningen av platser d?r fotoner gillar att klunga sig ?r inte summan av f?rdelningarna som erh?lls n?r bara en slits var ?ppen. De ?r nu fortfarande samlade mellan springorna. Mer exakt, deras favoritplatser f?r klustring ?r nu omv?xlande r?nder. I den h?r samlas de, i n?sta, nej, igen, ja, m?rkt, ljust. Ah, st?rningar...

Vad ?r superposition och spin.
S?. Vi kommer att anta att vi f?rst?r allt om st?rningar som s?dana. L?t oss ta en titt p? superposition. Jag vet inte hur du ?r med kvantmekaniken, jag ?r ledsen. Om det ?r d?ligt, d? m?ste du ta mycket p? tro, det ?r sv?rt att f?rklara i ett n?tskal.

Men i princip var vi redan n?gonstans i n?rheten – n?r vi s?g att en enskild foton liksom flyger genom tv? slitsar samtidigt. Det kan enkelt s?gas: en foton har ingen bana, en v?g och en v?g. Och vi kan s?ga att en foton samtidigt flyger l?ngs tv? banor (str?ngt taget inte ens tv?, f?rst?s, utan alla p? en g?ng). Detta ?r ett likv?rdigt uttalande. I princip, om vi f?ljer denna v?g till slutet, s? kommer vi till "v?gintegralen" - Feynmans formulering av kvantmekaniken. Denna formulering ?r otroligt elegant och lika komplex, det ?r sv?rt att anv?nda den i praktiken, speciellt att anv?nda den f?r att f?rklara grunderna. D?rf?r kommer vi inte att g? till slutet, utan snarare kommer vi att meditera p? en foton som flyger "l?ngs tv? banor samtidigt." I betydelsen klassiska begrepp (och banan ?r ett v?ldefinierat klassiskt begrepp, antingen en sten flyger frontalt eller f?rbi), ?r en foton i olika tillst?nd samtidigt. ?terigen ?r banan inte ens exakt vad vi beh?ver, v?ra m?l ?r enklare, jag ringer bara f?r att inse och k?nna faktum.

Kvantmekaniken s?ger oss att denna situation ?r regeln, inte undantaget. Vilken kvantpartikel som helst kan vara (och ?r vanligtvis) i "flera tillst?nd" samtidigt. I sj?lva verket b?r detta uttalande inte tas p? alltf?r stort allvar. Dessa "flera tillst?nd" ?r faktiskt v?r klassiska intuition. Vi definierar olika "tillst?nd" baserat p? n?gra av v?ra egna (externa och klassiska) ?verv?ganden. En kvantpartikel lever enligt sina egna lagar. Hon har en stat. Punkt. Allt som p?st?endet om "superposition" betyder ?r att detta tillst?nd kan skilja sig mycket fr?n v?ra klassiska representationer. Vi introducerar den klassiska uppfattningen om en bana och till?mpar den p? en foton i det tillst?nd den gillar att vara i. Och fotonen s?ger - "f?rl?t, mitt favorittillst?nd ?r att i f?rh?llande till dessa dina banor ?r jag p? b?da samtidigt!". Detta betyder inte att en foton alls inte kan vara i ett tillst?nd d?r banan ?r (mer eller mindre) best?md. L?t oss st?nga en av slitsarna - och vi kan till viss del s?ga att fotonen flyger genom den andra l?ngs en viss bana, vilket vi f?rst?r v?l. Dvs en s?dan stat existerar i princip. L?t oss ?ppna b?da - fotonen f?redrar att vara i superposition.

Detsamma g?ller andra parametrar. Till exempel egen r?relsem?ngd, eller spinn. Minns du om tv? elektroner som kan sitta tillsammans i samma s-orbital - om de ocks? har motsatta snurr? Detta ?r bara det. Och fotonen har ocks? ett snurr. Fotonspinnet ?r bra eftersom det i klassikerna faktiskt motsvarar ljusv?gens polarisering. Det vill s?ga, genom att anv?nda alla sorters polarisatorer och andra kristaller som vi har, kan vi manipulera spinn (polarisering) av individuella fotoner om vi har dem (och de kommer).

S?, tillbaka. Elektronen har ett spinn (i hopp om att orbitaler och elektroner ?r mer k?ra f?r dig ?n fotoner, s? allt ?r sig likt), men elektronen ?r absolut likgiltig i vilket "spintillst?nd" den ?r. Spinn ?r en vektor och vi kan f?rs?ka s?ga "spin ser upp". Eller "snurret tittar ner" (i f?rh?llande till n?gon riktning vi har valt). Och elektronen s?ger till oss: "Jag brydde mig inte om dig, jag kan vara p? b?da banorna i b?da spinntillst?nden samtidigt." ?ven h?r ?r det v?ldigt viktigt att inte m?nga elektroner ?r i olika spinntillst?nd, i en ensemble tittar den ena upp, den andra tittar ner och varje enskild elektron ?r i b?da tillst?nden samtidigt. Precis som att inte olika elektroner passerar genom olika slitsar, utan en elektron (eller foton) passerar genom b?da slitsarna samtidigt. En elektron kan vara i ett tillst?nd med en viss rotationsriktning, om du verkligen fr?gar den, men den kommer inte att g?ra det av sig sj?lv. Semikvalitativt kan situationen beskrivas p? f?ljande s?tt: 1) det finns tv? tillst?nd, |+1> (spin upp) och |-1> (spin ner); 2) i princip ?r dessa koshertillst?nd d?r en elektron kan existera; 3) Men om du inte g?r n?gra speciella anstr?ngningar kommer elektronen att "smeta ut" ?ver b?da tillst?nden och dess tillst?nd blir ungef?r som |+1> + |-1>, ett tillst?nd d?r elektronen inte har ett visst spinn riktning (precis som bana 1+ bana 2, eller hur?). Detta ?r "staternas superposition".

Om v?gfunktionens kollaps.
Vi har v?ldigt lite kvar - f?r att f?rst? vad m?tningen och "v?gfunktionens kollaps" ?r. V?gfunktionen ?r vad vi skrev ovan, |+1> + |-1>. Bara en beskrivning av staten. F?r enkelhetens skull kan vi prata om sj?lva staten som s?dan och om dess "kollaps", det spelar ingen roll. Detta ?r vad som h?nder: en elektron flyger till sig sj?lv i ett s? obest?mt sinnestillst?nd, oavsett om den ?r upp eller ner, eller b?da p? en g?ng. H?r springer vi fram med n?gon skr?mmande apparat och l?t oss m?ta snurrriktningen. I det h?r speciella fallet r?cker det med att placera en elektron i ett magnetf?lt: de elektroner vars spinn ser l?ngs f?ltets riktning b?r avvika i en riktning, de vars spinn ?r motsatt f?ltet b?r avvika i den andra. Vi sitter p? andra sidan och gnuggar oss i h?nderna - vi ser ?t vilket h?ll elektronen har avvikit och vi vet direkt om dess spinn tittar upp?t eller ned?t. Fotoner kan placeras i ett polariserande filter - om polarisationen (spin) ?r +1 - passerar fotonen, om -1, d? nej.

Men urs?kta - elektronen hade trots allt inte en viss spinnriktning innan m?tningen? Det ?r hela po?ngen. Det fanns ingen best?md, men den var s? att s?ga "blandad" fr?n tv? tillst?nd samtidigt, och i vart och ett av dessa tillst?nd fanns det en mycket direkt riktning. Under m?tningsprocessen tvingar vi elektronen att best?mma vem den ska vara och var den ska titta - upp?t eller ned?t. I ovanst?ende situation kan vi naturligtvis i princip inte f?ruts?ga i f?rv?g vilket beslut en viss elektron kommer att fatta n?r den flyger in i ett magnetf?lt. Med en sannolikhet p? 50% kan han best?mma "upp", med samma sannolikhet - "ner". Men s? fort han best?mmer sig f?r detta ?r han i ett tillst?nd med en viss spinnriktning. Som ett resultat av v?r "m?tning"! Detta ?r "kollapsen" - f?re m?tningen var v?gfunktionen (f?rl?t, tillst?nd) |+1> + |-1>. Efter att vi "m?tt" och s?g att elektronen avvek i en viss riktning best?mdes dess spinnriktning och dess v?gfunktion blev helt enkelt |+1> (eller |-1> om den avvek ?t en annan riktning). Det vill s?ga staten "kollapsade" till en av dess komponenter; Det finns ingen mer "blandning" av den andra komponenten!

Mycket av det tomma filosoferandet i det ursprungliga inl?gget ?gnades ?t detta, och jag gillar inte slutet p? den tecknade filmen f?r detta. Ett ?ga dras helt enkelt dit, och en oerfaren tittare kan f?r det f?rsta ha en illusion av en viss antropocentricitet av processen (de s?ger att det beh?vs en observat?r f?r att utf?ra en "m?tning"), och f?r det andra, dess icke-invasivitet (ja, vi tittar bara!). Mina ?sikter om detta ?mne har beskrivits ovan. F?r det f?rsta beh?vs f?rst?s ingen "observat?r" som s?dan. Det r?cker med att ett kvantsystem kommer i kontakt med ett stort klassiskt system, s? kommer allt att h?nda av sig sj?lvt (elektroner kommer att flyga in i ett magnetf?lt och avg?ra vilka de ska vara, oavsett om vi sitter p? andra sidan och observerar eller inte). F?r det andra ?r en icke-invasiv klassisk m?tning av en kvantpartikel i princip om?jlig. Att rita ett ?ga ?r l?tt, men vad betyder det att "titta p? en foton och ta reda p? vart den fl?g"? F?r att se beh?ver man f? in fotoner i ?gat, g?rna mycket. Hur kan vi ordna s? att m?nga fotoner kommer fram och ber?ttar allt om tillst?ndet f?r en olycklig foton, vars tillst?nd vi ?r intresserade av? Lysa med en ficklampa p? honom? Och vad blir det kvar av honom efter det? Det ?r klart att vi kommer att ha ett v?ldigt starkt inflytande p? hans tillst?nd, kanske till en s?dan grad att han inte ens vill kl?ttra upp i n?gon av luckorna. Det ?r inte s? intressant. Men vi har ?ntligen kommit till den intressanta delen.

Om Einstein-Podolsky-Rosen-paradoxen och sammanh?ngande (trasslade) par av fotoner
Vi k?nner nu till superpositionen av tillst?nd, men hittills har vi bara pratat om en partikel. Exklusivt f?r enkelhetens skull. Men ?nd?, t?nk om vi har tv? partiklar? Det ?r m?jligt att f?rbereda ett par partiklar i ganska kvanttillst?nd, s? att deras gemensamma tillst?nd beskrivs av en enda gemensam v?gfunktion. Detta ?r naturligtvis inte enkelt - tv? godtyckliga fotoner i angr?nsande rum eller elektroner i angr?nsande provr?r k?nner inte till varandra, s? de kan och b?r beskrivas helt oberoende av varandra. D?rf?r ?r det bara m?jligt att ber?kna bindningsenergin f?r, s?g, en elektron per proton i en v?teatom, utan att alls vara intresserad av andra elektroner p? Mars eller ens p? angr?nsande atomer. Men om du g?r en speciell anstr?ngning kan ett kvanttillst?nd som t?cker tv? partiklar skapas samtidigt. Detta kommer att kallas det "koherenta tillst?ndet", i f?rh?llande till par av partiklar och alla m?jliga kvantraderingar och datorer, detta kallas ocks? det intrasslade tillst?ndet.

Vi g?r vidare. Vi kan veta (p? grund av de begr?nsningar som inf?rs av processen att f?rbereda detta koherenta tillst?nd) att, s?g, den totala spinn av v?rt tv?partikelsystem ?r noll. Det ?r okej, vi vet att snurrarna f?r tv? elektroner i s-orbitalen m?ste vara antiparallella, det vill s?ga det totala snurret ?r noll, och det h?r skr?mmer oss inte alls, eller hur? Vad vi inte vet ?r vart en viss partikels spinn pekar. Vi vet bara att vart han ?n tittar, s? m?ste snurran p? tv?an se ?t andra h?llet. Det vill s?ga om vi betecknar v?ra tv? partiklar (A) och (B), s? kan tillst?ndet i princip vara f?ljande: |+1(A), -1(B)> (A tittar upp, B tittar ner ). Detta ?r ett till?tet tillst?nd, det bryter inte mot de p?lagda restriktionerna. En annan m?jlighet ?r |-1(A), +1(B)> (vice versa, A ner, B upp). Ocks? ett m?jligt tillst?nd. P?minner det dig inte om tillst?nden som vi skrev ner lite tidigare f?r snurrandet av en enstaka elektron? Eftersom v?rt tv?partikelsystem, s? l?nge det ?r kvant och koherent, kan (och kommer) att vara i superpositionen av tillst?nden |+1(A) p? exakt samma s?tt; -1(B)> + |-1(A); +1(B)>. Det vill s?ga att b?da m?jligheterna implementeras samtidigt. Som b?da banorna f?r en foton eller b?da riktningarna f?r en elektrons spinn.

Det ?r mycket mer intressant att m?ta ett s?dant system ?n en enskild foton. Anta faktiskt att vi m?ter spinn av endast en partikel, A. Vi har redan f?rst?tt att m?tning ?r en allvarlig stress f?r en kvantpartikel, dess tillst?nd kommer att f?r?ndras kraftigt under m?tningsprocessen, en kollaps kommer att intr?ffa ... Allt ?r sant , men - i det h?r fallet ?r det mer den andra partikeln, B, som ?r t?tt f?rbunden med A, de har en gemensam v?gfunktion! Antag att vi m?ter riktningen f?r snurr A och ser att det ?r +1. Men A har inte sin egen v?gfunktion (eller med andra ord sin egen oberoende stat) f?r att den ska kollapsa till |+1>. Allt som A har ?r tillst?ndet "entangled" (entangled) med B, skrivet ovan. Om m?tning A ger +1 och vi vet att A och B:s snurr ?r antiparallella, vet vi att B:s snurr pekar ned?t (-1). V?gfunktionen f?r paret kollapsar till vad den kan, eller s? kan den bara till |+1(A); -1(B)>. Den utskrivna v?gfunktionen ger oss inga andra m?jligheter.

Inget ?n s? l?nge? Tror du att en hel snurr sparas? F?rest?ll dig nu att vi skapade ett s?dant par A, B och l?t dessa tv? partiklar spridas i olika riktningar och f?rbli koherenta. En (A) fl?g till Merkurius. Och den andra (B), s?g till Jupiter. Just i detta ?gonblick h?nde vi p? Merkurius och m?tte riktningen f?r spinn A. Vad h?nde? Just i det ?gonblicket visste vi riktningen f?r spinn B och ?ndrade v?gfunktionen f?r B! Observera att detta inte alls ?r detsamma som i klassikerna. L?t tv? flygande stenar rotera runt sin axel och l?t oss veta s?kert att de roterar i motsatta riktningar. Om vi m?ter rotationsriktningen f?r en n?r den n?r Merkurius, kommer vi ocks? att veta rotationsriktningen f?r den andra, var den ?n befinner sig i det ?gonblicket, ?ven p? Jupiter. Men dessa stenar roterade alltid i en viss riktning, innan n?gon av v?ra m?tningar. Och om n?gon m?ter en sten som flyger till Jupiter, d? kommer han (a) att f? samma och ganska best?mda svar, oavsett om vi m?tte n?got p? Merkurius eller inte. Med v?ra fotoner ?r situationen en helt annan. Ingen av dem hade n?gon best?md spinnriktning alls innan m?tningen. Om n?gon, utan v?rt deltagande, best?mde sig f?r att m?ta riktningen f?r spinn B n?gonstans i regionen Mars, vad skulle han f?? Det st?mmer, med 50 % chans skulle han se +1, med 50 % chans -1. B har ett s?dant tillst?nd, en superposition. Om n?gon best?mmer sig f?r att m?ta spin B direkt efter att vi redan har m?tt spin A, sett +1 och f?tt *hela* v?gfunktionen att kollapsa,
d? f?r han som ett resultat av m?tningen endast -1, med en sannolikhet p? 100%! F?rst i ?gonblicket f?r v?r m?tning best?mde A ?ntligen vem han skulle vara och "v?ljde" riktningen p? spinnet - och detta val p?verkade omedelbart * hela * v?gfunktionen och tillst?ndet f?r B, som i det ?gonblicket redan ?r i Gud vet var.

Det ?r detta problem som kallas "kvantmekanikens icke-lokalitet". ?ven k?nd som Einstein-Podolsky-Rosen-paradoxen (EPR-paradoxen) och i allm?nhet ?r det som h?nder vid radering kopplat till det. Jag kanske missf?rst?r n?got, naturligtvis, men f?r min smak ?r radering intressant eftersom det bara ?r en experimentell demonstration av icke-lokalitet.

F?renklat kan raderingsexperimentet se ut s? h?r: skapa sammanh?ngande (trasslade) par av fotoner. En i taget: ett par, sedan n?sta, och s? vidare. I varje par flyger en foton (A) i en riktning, den andra (B) i den andra. Allt som vi redan har diskuterat lite h?gre. P? banan f?r foton B l?gger vi en dubbel slits och ser vad som dyker upp p? v?ggen bakom denna slits. Ett interferensm?nster uppst?r, eftersom varje foton B, som vi vet, flyger l?ngs b?da banorna, genom b?da slitsarna samtidigt (vi minns fortfarande interferensen med vilken vi startade den h?r historien, eller hur?). Att B fortfarande ?r koherent besl?ktad med A och har en v?gfunktion gemensam med A ?r ganska violett f?r honom. Vi komplicerar experimentet: vi t?cker en lucka med ett filter som bara till?ter fotoner med ett spinn p? +1 att passera igenom. Vi t?cker den andra med ett filter som endast passerar fotoner med spin (polarisation) -1. Vi forts?tter att njuta av interferensm?nstret, eftersom i det allm?nna tillst?ndet f?r paret A, B (|+1(A); -1(B)> + |-1(A);+1(B)>, som vi kom ih?g), det finns tillst?nd B med b?da snurren. Det vill s?ga, "del" B kan g? genom ett filter/slits, del - genom ett annat. Precis som tidigare fl?g en "del" l?ngs en bana, den andra l?ngs en annan (detta ?r f?rst?s ett tal, men faktum kvarst?r).

Slutligen, klimax: n?gonstans p? Merkurius, eller lite n?rmare, i andra ?nden av det optiska bordet, satte vi ett polariserande filter i v?gen f?r fotoner A, och en detektor bakom filtret. L?t f?r tydlighetens skull detta nya filter endast passera fotoner med spin +1. Varje g?ng detektorn avfyras vet vi att foton A har passerat med spin +1 (spin -1 kommer inte att passera). Men detta betyder att v?gfunktionen f?r hela paret har kollapsat och "bror" till v?r foton, foton B, har i detta ?gonblick bara ett m?jligt tillst?nd -1. Allt. Foton B "har inget" att krypa igenom nu, sp?ret ?r t?ckt med ett filter som bara l?ter polarisation +1 passera. Han hade helt enkelt inte den delen. Det ?r v?ldigt l?tt att "k?nna igen" denna foton B. Vi paras ihop en efter en. N?r vi registrerar foton A som passerar genom filtret, registrerar vi tiden d? den anl?nde. Halv ett till exempel. Det betyder att hans "bror" B kommer att flyga till v?ggen vid halv tre ocks?. Tja, eller vid 1:36, om han flyger lite l?ngre och d?rf?r l?ngre. D?r registrerar vi ocks? tider, det vill s?ga vi kan j?mf?ra vem som ?r vem och vem som ?r relativ till vem.

S?, om vi nu tittar p? vilken bild som visas p? v?ggen, kommer vi inte att hitta n?gra st?rningar. Foton B fr?n varje par passerar antingen genom den ena slitsen eller den andra. Det finns tv? fl?ckar p? v?ggen. Ta nu bort filtret fr?n v?gen f?r fotoner A. Interferensm?nstret ?terst?lls.

… och slutligen om f?rsenat val
Situationen blir ganska d?lig n?r foton A tar l?ngre tid att flyga till sitt filter/detektor ?n foton B g?r till slitsarna. Vi g?r m?tningen (och f?r A att l?sa och v?gfunktionen att kollapsa) efter att B redan borde ha tr?ffat v?ggen och skapat interferensm?nstret. Men s? l?nge vi m?ter A, ?ven "senare ?n det borde", f?rsvinner fortfarande interferensm?nstret f?r B-fotoner. Vi tar bort filtret f?r A - det ?r ?terst?llt. Detta ?r redan f?rsenad radering. Jag kan inte s?ga att jag f?rst?r v?l vad den ?ts med.

R?ttelser och f?rtydliganden.
Allt var korrekt, med f?rbeh?ll f?r oundvikliga f?renklingar, tills vi byggde en enhet med tv? intrasslade fotoner. F?r det f?rsta har foton B interferens. Filter verkar inte fungera. Du m?ste st?nga plattorna, som ?ndrar polariseringen fr?n linj?r till cirkul?r. Det ?r sv?rare att f?rklara ? Men det ?r inte meningen. Huvudsaken ?r att n?r vi st?nger luckorna med olika filter p? detta s?tt s? f?rsvinner st?rningarna. Inte i det ?gonblick d? vi m?ter foton A, utan direkt. Det knepiga tricket ?r att vi genom att placera filtren p? plattan "markerade" fotoner B. Med andra ord har fotoner B ytterligare information som g?r att vi kan ta reda p? exakt vilken bana de fl?g f?rbi. *Om* vi m?ter foton A, d? kan vi ta reda p? exakt vilken bana B fl?g f?rbi, vilket betyder att B inte kommer att st?ra. Subtiliteten ligger i det faktum att det inte ?r n?dv?ndigt att fysiskt "m?ta" A! Det var h?r jag hade fel f?rra g?ngen. Det ?r inte n?dv?ndigt att m?ta A f?r att st?rningen ska f?rsvinna. Om *det ?r m?jligt* att m?ta och ta reda p? vilken av banorna foton B fl?g, kommer det i det h?r fallet inte att finnas n?gon interferens.

Det ?r faktiskt fortfarande m?jligt att ?verleva. D?r, p? l?nken nedan, rycker folk p? n?got s?tt hj?lpl?st p? h?nderna, men enligt mig (kanske har jag fel igen? ?) ?r f?rklaringen denna: genom att s?tta filter i luckorna har vi redan f?r?ndrat systemet en hel del. Det spelar ingen roll om vi faktiskt registrerade polariseringen eller den bana l?ngs vilken fotonen passerade eller viftade med handen i sista stund. Det ?r viktigt att vi har "f?rberett" allt f?r m?tning, redan har p?verkat staterna. D?rf?r beh?ver faktiskt "m?tning" (i betydelsen av en medveten humanoid observat?r som tog med en termometer och registrerade resultatet i en journal) ingenting. Allt ?r i n?gon mening (i betydelsen p?verkan p? systemet) redan "uppm?tt". P?st?endet ?r vanligtvis formulerat p? f?ljande s?tt: "*om* vi m?ter polariseringen av foton A, d? kommer vi att veta polariseringen av foton B, och d?rf?r dess bana, ja, eftersom foton B flyger l?ngs en viss bana, kommer det att finnas ingen st?rning; vi kanske inte ens m?ter foton A - det r?cker att denna m?tning ?r m?jlig, foton B vet att den g?r att m?ta och v?grar att st?ra. Det finns en viss mystifiering i detta. N?v?l, han v?grar. Helt enkelt f?r att systemet var f?rberett p? det s?ttet. Om systemet har ytterligare information (det finns ett s?tt) att best?mma vilken av de tv? banorna fotonen fl?g l?ngs, kommer det inte att finnas n?gon interferens.

Om jag s?ger till dig att jag ordnade allt s? att fotonen bara skulle flyga genom en lucka, kommer du genast att f?rst? att det inte kommer att bli n?gon st?rning, eller hur? Du kan springa f?r att kolla ("m?ta") och se till att jag talar sanning, eller s? kan du tro det ?nd?. Om jag inte lj?g, kommer det inte att finnas n?gon st?rning, oavsett om du skyndar dig att kontrollera mig eller inte ? F?ljaktligen betyder frasen "kan m?tas" faktiskt "systemet ?r f?rberett p? ett s? speciellt s?tt att ... ”. F?rberedd och f?rberedd, det vill s?ga det finns fortfarande ingen kollaps p? denna plats. Det finns "taggade" fotoner och inga st?rningar.

H?r ?r ytterligare - varf?r i sj?lva verket allt detta kallas radering - vi f?r h?ra: l?t oss agera p? systemet p? ett s?dant s?tt att "radera" dessa m?rken fr?n fotoner B - d? kommer de att b?rja st?ra igen. En intressant punkt, som vi redan har n?rmat oss, om ?n i en felaktig modell, ?r att fotoner B kan l?mnas ifred och plattorna kan l?mnas i slitsarna. Du kan dra p? foton A, och precis som vid en kollaps kommer en f?r?ndring i dess tillst?nd att orsaka (icke-lokalt) en f?r?ndring av systemets totala v?gfunktion s? att vi inte l?ngre har tillr?ckligt med information f?r att avg?ra vilken spaltfoton B gick igenom. Det vill s?ga, vi s?tter in en polarisator i foton A-banan - interferensen f?r fotoner B ?terst?lls. Med f?rdr?jd ?r allt sig likt - vi g?r det s? att foton A tar l?ngre tid att flyga till polarisatorn ?n B till slitsarna. Och hur som helst, om A har en polarisator p? v?g, d? st?r B (?ven om det liksom "innan" A fl?g till polarisatorn)!

Utfodra. Du kan, eller fr?n din egen sida.

• ?vers?ttning

Sedan tillkomsten av kvantteorin p? 1900-talet har alla pratat om det konstiga i denna teori, enligt Owen Maroney, fysiker vid Oxford University. Hur det till?ter partiklar och atomer att r?ra sig i flera riktningar samtidigt, eller rotera medurs och moturs samtidigt. Men ord kan inte bevisa n?gonting. "Om vi ber?ttar f?r allm?nheten att kvantteorin ?r v?ldigt m?rklig, m?ste vi testa detta p?st?ende experimentellt", s?ger Maruni. "Annars sysslar vi inte med vetenskap, utan pratar om alla m?jliga krumlor p? tavlan."

Detta ?r vad som ledde till att Maruni et al utvecklade en ny serie experiment f?r att avsl?ja essensen av v?gfunktionen - den mystiska essensen som ligger bakom kvantm?rkligheterna. P? papper ?r v?gfunktionen helt enkelt en matematisk enhet, betecknad med bokstaven psi (PS) (en av dessa squiggles), och anv?nds f?r att beskriva partiklars kvantbeteende. Beroende p? experimentet till?ter v?gfunktionen forskare att ber?kna sannolikheten att se en elektron p? en viss plats, eller chanserna att dess spin ?r upp?t eller ned?t. Men matematiken s?ger inte vad v?gfunktionen egentligen ?r. ?r det n?got fysiskt? Eller bara ett ber?kningsverktyg f?r att arbeta med observat?rens okunnighet om den verkliga v?rlden?

Testerna som anv?nds f?r att besvara fr?gan ?r mycket subtila, och de m?ste fortfarande ge ett definitivt svar. Men forskare ?r optimistiska om att uppl?sningen ?r n?ra. Och de kommer ?ntligen att kunna svara p? fr?gorna som pl?gat alla i decennier. Kan en partikel verkligen finnas p? m?nga st?llen samtidigt? ?r universum st?ndigt uppdelat i parallella v?rldar, som var och en har v?r alternativa version? Finns det ens n?got som kallas "objektiv verklighet"?

"S?dana fr?gor uppst?r f?rr eller senare f?r vem som helst", s?ger Alessandro Fedrici, fysiker fr?n University of Queensland (Australien). "Vad ?r egentligen p? riktigt?"

Tvister om verklighetens v?sen b?rjade ?ven n?r fysiker fick reda p? att en v?g och en partikel bara ?r tv? sidor av samma mynt. Ett klassiskt exempel ?r experimentet med dubbla spalter, d?r enskilda elektroner skjuts in i en barri?r som har tv? spalter: elektronen beter sig som om den passerar genom tv? spalter samtidigt, vilket skapar ett randigt interferensm?nster p? andra sidan av den. 1926 kom den ?sterrikiske fysikern Erwin Schr?dinger p? en v?gfunktion f?r att beskriva detta beteende och h?rledde en ekvation som kunde ber?knas f?r vilken situation som helst. Men varken han eller n?gon annan kunde s?ga n?got om denna funktions karakt?r.

N?d i okunnighet

Ur praktisk synvinkel ?r dess karakt?r inte viktig. K?penhamnstolkningen av kvantteorin, skapad p? 1920-talet av Niels Bohr och Werner Heisenberg, anv?nder v?gfunktionen helt enkelt som ett verktyg f?r att f?ruts?ga resultaten av observationer, utan att t?nka p? vad som h?nder i verkligheten. "Fysiker kan inte klandras f?r detta "h?ll k?ften och r?kna"-beteendet, eftersom det har lett till betydande genombrott inom k?rn- och atomfysik, fasta tillst?ndets fysik och partikelfysik, s?ger Jean Brickmont, en statistisk fysiker vid katolska universitetet i Belgien. "S? folk rekommenderas att inte oroa sig f?r grundl?ggande fr?gor."

Men vissa m?nniskor oroar sig fortfarande. P? 1930-talet hade Einstein f?rkastat K?penhamnstolkningen, inte minst f?r att den till?t tv? partiklar att trassla in sina v?gfunktioner, vilket ledde till en situation d?r m?tningar av en av dem omedelbart kunde ge ett tillst?nd till den andra, ?ven om de var ?tskilda av stora avst?nd. F?r att inte st? ut med denna "skr?mmande interaktion p? avst?nd" f?redrog Einstein att tro att partiklarnas v?gfunktioner var ofullst?ndiga. Han sa att partiklarna kanske har n?gra dolda variabler som best?mmer resultatet av m?tningen, som inte m?rktes av kvantteorin.

Experiment har sedan dess visat genomf?rbarheten av en skr?mmande interaktion p? distans, vilket avvisar konceptet med dolda variabler. men det har inte hindrat andra fysiker fr?n att tolka dem p? sitt eget s?tt. Dessa tolkningar delas in i tv? l?ger. Vissa h?ller med Einstein om att v?gfunktionen speglar v?r okunnighet. Det h?r ?r vad filosofer kallar psi-epistemiska modeller. Andra ser v?gfunktionen som en riktig sak – psionic-modeller.

F?r att f?rst? skillnaden, ?verv?g tankeexperimentet Schr?dinger beskrev i ett brev fr?n 1935 till Einstein. Katten ligger i en st?ll?da. L?dan inneh?ller ett prov av radioaktivt material som har 50 % chans att avge en s?nderfallsprodukt p? en timme, och en apparat som kommer att f?rgifta katten om produkten uppt?cks. Eftersom radioaktivt s?nderfall ?r en h?ndelse p? kvantniv?, skriver Schr?dinger, s?ger kvantteorins regler att i slutet av timmen m?ste v?gfunktionen p? insidan av l?dan vara en blandning av en d?d och en levande katt.

"I grova drag", uttrycker Fedrichi det milt, "i den psy-epistemiska modellen ?r katten i l?dan antingen levande eller d?d, och vi vet bara inte om det eftersom l?dan ?r st?ngd." Och i de flesta psioniska modeller ?verensst?mmer det med K?penhamnstolkningen: tills betraktaren ?ppnar l?dan kommer katten att vara b?de levande och d?d samtidigt.

Men det ?r h?r som argumentet kommer till sin spets. Vilken tolkning ?r sann? Denna fr?ga ?r sv?r att besvara experimentellt eftersom skillnaden mellan modellerna ?r mycket subtil. De borde i huvudsak f?ruts?ga samma kvantfenomen som den mycket framg?ngsrika K?penhamnstolkningen. Andrew White, fysiker vid University of Queensland, s?ger att under sin 20-?riga karri?r inom kvantteknologi, "var det h?r problemet som ett enormt sl?tt berg utan avsatser som du inte kunde bestiga."

Allt f?r?ndrades 2011, med publiceringen av kvantm?tsatsen, som tycktes eliminera "v?gfunktionen som okunnighet". Men vid n?rmare granskning visade det sig att denna teorem l?mnar tillr?ckligt med utrymme f?r dem att man?vrera. ?nd? har det inspirerat fysiker att seri?st fundera ?ver s?tt att l?sa tvisten genom att testa verkligheten av v?gfunktionen. Maruni hade redan utvecklat ett experiment som fungerade i princip och han och hans kollegor hittade snart ett s?tt att f? det att fungera i praktiken. Experimentet utf?rdes f?rra ?ret av Fedrici, White och andra.

F?r att f?rst? id?n med testet, f?rest?ll dig tv? kortlekar. En inneh?ller bara r?da, den andra inneh?ller bara ess. "Du f?r ett kort och ombeds gissa vilken kortlek det ?r fr?n", s?ger Martin Ringbauer, fysiker vid samma universitet. Om det ?r ett r?tt ess, "det finns en crossover och du kan inte s?ga s?kert." Men om du vet hur m?nga kort som finns i varje kortlek kan du r?kna ut hur ofta en s? tvetydig situation kommer att intr?ffa.

Fysiken i fara

Samma tvetydighet h?nder i kvantsystem ocks?. Det ?r inte alltid m?jligt att ta reda p? till exempel hur en foton polariseras genom en m?tning. "I verkliga livet ?r det l?tt att skilja v?sterut fr?n strax s?der om v?ster, men i kvantsystem ?r det inte s? l?tt", s?ger White. Enligt den vanliga K?penhamnstolkningen ?r det ingen id? att fr?ga om polarisering, eftersom fr?gan inte har n?got svar – f?rr?n ytterligare en m?tning avg?r svaret exakt. Men enligt modellen "v?gfunktion som okunnighet" ?r fr?gan vettig - det ?r bara det att i experimentet, som i det med kortlekar, finns det inte tillr?ckligt med information. Precis som med kartor ?r det m?jligt att f?ruts?ga hur m?nga tvetydigheter som kan f?rklaras av s?dan okunnighet, och j?mf?ra med det stora antalet oklarheter som standardteorin till?ter.

Detta ?r precis vad Fedrichi och teamet testade. Gruppen m?tte polarisationen och andra egenskaper i fotonstr?len och fann en sk?rningsniv? som inte kunde f?rklaras av "okunnighetsmodeller". Resultatet st?djer en alternativ teori - om objektiv verklighet existerar, s? existerar v?gfunktionen. "Imponerande att teamet kunde l?sa ett s? komplext problem med ett s? enkelt experiment", s?ger Andrea Alberti, fysiker vid universitetet i Bonn (Tyskland).

Slutsatsen ?r ?nnu inte huggen in i graniten: eftersom detektorerna bara f?ngade en femtedel av de fotoner som anv?ndes i testet, m?ste man anta att de f?rlorade fotonerna betedde sig p? exakt samma s?tt. Detta ?r ett starkt antagande, och gruppen arbetar nu med s?tt att minska f?rlusterna och producera ett mer definitivt resultat. Samtidigt arbetar Maruni-teamet i Oxford med University of New South Wales (Australien) f?r att replikera detta experiment med joner som ?r l?ttare att sp?ra. "Under de kommande sex m?naderna kommer vi att ha en obestridlig version av detta experiment", s?ger Maruni.

Men ?ven om de lyckas och "v?gfunktionen som verklighet"-modellerna vinner, s? har dessa modeller olika alternativ. Experiment?rer m?ste v?lja en av dem.

En av de tidigaste tolkningarna gjordes p? 1920-talet av fransmannen Louis de Broglie, och ut?kades p? 1950-talet av amerikanen David Bohm. Enligt Broglie-Bohm-modellerna har partiklarna en viss plats och egenskaper, men de styrs av en viss "pilotv?g", som definieras som en v?gfunktion. Detta f?rklarar dubbelslitsexperimentet, eftersom pilotv?gen kan passera genom b?da slitsarna och producera ett interferensm?nster, ?ven om elektronen sj?lv, som dras av den, passerar genom endast en av de tv? slitsarna.

2005 fick denna modell ov?ntat st?d. Fysikerna Emmanuel Fort, nu vid Langevin-institutet i Paris, och Yves Codier fr?n University of Paris Diderot, fr?gade eleverna vad de trodde var ett enkelt problem: att s?tta upp ett experiment d?r oljedroppar som faller p? en bricka skulle sm?lta samman pga. till brickans vibrationer. Till alla runt dropparnas f?rv?ning b?rjade v?gor bildas n?r brickan vibrerade med en viss frekvens. "Dropparna b?rjade r?ra sig av sig sj?lva p? sina egna v?gor", s?ger Fort. "Det var ett dubbelt objekt - en partikel som drogs av en v?g."

Sedan dess har Fort och Coudier visat att s?dana v?gor kan styra sina partiklar i dubbelslitsexperimentet precis som pilotv?gsteorin f?ruts?ger, och kan reproducera andra kvanteffekter. Men detta bevisar inte existensen av pilotv?gor i kvantv?rlden. "Vi fick h?ra att s?dana effekter ?r om?jliga i klassisk fysik", s?ger Fort. "Och h?r visade vi vad som ?r m?jligt."

En annan upps?ttning verklighetsbaserade modeller, utvecklade p? 1980-talet, f?rs?ker f?rklara den starka skillnaden i egenskaper mellan stora och sm? objekt. "Varf?r kan elektroner och atomer vara p? tv? st?llen samtidigt, men det kan inte bord, stolar, m?nniskor och katter", s?ger Angelo Basi, fysiker vid universitetet i Trieste (Italien). K?nda som "kollapsmodeller" s?ger dessa teorier att v?gfunktionerna hos enskilda partiklar ?r verkliga, men kan f?rlora sina kvantegenskaper och f?ra partikeln till en viss position i rymden. Modellerna ?r konstruerade p? ett s?dant s?tt att chanserna f?r en s?dan kollaps ?r extremt sm? f?r en enskild partikel, s? att kvanteffekter dominerar p? atomniv?. Men sannolikheten f?r kollaps ?kar snabbt n?r partiklar kombineras, och makroskopiska objekt f?rlorar helt sina kvantegenskaper och beter sig enligt den klassiska fysikens lagar.

Ett s?tt att testa detta ?r att leta efter kvanteffekter i stora f?rem?l. Om standardkvantteorin ?r korrekt finns det ingen storleksgr?ns. Och fysiker har redan gjort dubbelslitsexperimentet med stora molekyler. Men om kollapsmodellerna ?r korrekta, kommer kvanteffekter inte att vara synliga bortom en viss massa. Olika grupper planerar att s?ka efter denna massa med hj?lp av kalla atomer, molekyler, metallkluster och nanopartiklar. De hoppas kunna hitta resultat inom de n?rmaste tio ?ren. "Det som ?r coolt med dessa experiment ?r att vi kommer att s?tta kvantteorin p? exakta tester d?r den inte har testats ?nnu", s?ger Maruni.

Parallella v?rldar

En "v?gfunktion som verklighet"-modell ?r redan k?nd och ?lskad av science fiction-f?rfattare. Detta ?r den Many Worlds-tolkning som utvecklades p? 1950-talet av Hugh Everett, som d? var student vid Princeton University i New Jersey. I denna modell best?mmer v?gfunktionen verklighetens utveckling s? starkt att universum vid varje kvantm?tning delar sig i parallella v?rldar. Med andra ord, n?r vi ?ppnar en l?da med en katt skapar vi tv? universum - ett med en d?d katt och det andra med en levande.

Det ?r sv?rt att skilja denna tolkning fr?n standardkvantteorin, eftersom deras f?ruts?gelser sammanfaller. Men f?rra ?ret kom Howard Wiseman fr?n Griffith University i Brisbane och kollegor p? en testbar multiversmodell. Det finns ingen v?gfunktion i deras modell – partiklar lyder klassisk fysik, Newtons lagar. Och kvantv?rldens m?rkliga effekter upptr?der eftersom det finns fr?nst?tande krafter mellan partiklar och deras kloner i parallella universum. "Den fr?nst?tande kraften mellan dem skapar v?gor som fortplantar sig genom alla parallella v?rldar," s?ger Wiseman.

Med hj?lp av en datorsimulering d?r 41 universum interagerade visade de att modellen grovt sett ?terger flera kvanteffekter, inklusive partikelbanor i dubbelslitsexperimentet. Med en ?kning av antalet v?rldar tenderar interferensm?nstret till det verkliga. Eftersom teorins f?ruts?gelser skiljer sig ?t beroende p? antalet v?rldar, s?ger Wiseman, ?r det m?jligt att testa om multiversmodellen ?r korrekt – det vill s?ga att det inte finns n?gon v?gfunktion och att verkligheten fungerar enligt klassiska lagar.

Eftersom v?gfunktionen inte beh?vs i denna modell kommer den att f?rbli livskraftig ?ven om framtida experiment utesluter "okunnighetsmodeller". Ut?ver det kommer andra modeller att ?verleva, till exempel K?penhamnstolkningen, som h?vdar att det inte finns n?gon objektiv verklighet, utan bara ber?kningar.

Men d?, som White s?ger, kommer denna fr?ga att bli f?rem?l f?r studier. Och ?ven om ingen ?nnu vet hur man g?r det, "det som verkligen skulle vara intressant ?r att utveckla ett test som kontrollerar om vi ?verhuvudtaget har en objektiv verklighet."

N?r m?nniskor h?r orden "kvantfysik" brukar de borsta bort det: "Det ?r n?got fruktansv?rt komplicerat." Under tiden ?r detta absolut inte fallet, och det finns absolut inget hemskt i ordet "kvantum". Obegripligt - nog, intressant - mycket, men l?skigt - nej.

Om bokhyllor, stegar och Ivan Ivanovich

Alla processer, fenomen och kvantiteter i v?rlden omkring oss kan delas in i tv? grupper: kontinuerliga (vetenskapligt kontinuerlig ) och diskontinuerligt (vetenskapligt diskret eller kvantiseras ).

F?rest?ll dig ett bord d?r du kan l?gga en bok. Du kan l?gga boken var som helst p? bordet. Till h?ger, till v?nster, i mitten ... Var du vill - l?gg den d?r. I det h?r fallet s?ger fysiker att bokens position p? bordet f?r?ndras kontinuerligt .

F?rest?ll dig nu bokhyllor. Du kan l?gga en bok p? den f?rsta hyllan, p? den andra, p? den tredje eller p? den fj?rde - men du kan inte l?gga boken "n?gonstans mellan den tredje och fj?rde." I det h?r fallet ?ndras bokens position diskontinuerligt , diskret , kvantiseras (Dessa ord betyder alla samma sak.)

V?rlden omkring oss ?r full av kontinuerliga och kvantiserade m?ngder. H?r ?r tv? tjejer - Katya och Masha. Deras h?jd ?r 135 och 136 centimeter. Vad ?r detta v?rde? H?jden ?ndras kontinuerligt, den kan vara 135 och en halv centimeter, och 135 centimeter och en kvart. Men numret p? skolan d?r flickorna studerar ?r ett kvantifierat v?rde! L?t oss s?ga att Katya studerar p? skola nummer 135 och Masha p? skola nummer 136. Men ingen av dem kan studera p? skola nummer 135 och en halv, eller hur?

Ett annat exempel p? ett kvantiserat system ?r ett schackbr?de. Det finns 64 rutor p? ett schackbr?de, och varje pj?s kan endast uppta en ruta. Kan vi l?gga en bonde n?gonstans mellan rutorna eller s?tta tv? b?nder p? en ruta samtidigt? Det kan vi faktiskt, men enligt reglerna, nej.

Kontinuerlig nedstigning

Och h?r ?r rutschkanan p? lekplatsen. Barn glider ner fr?n den - eftersom h?jden p? rutschkanan ?ndras smidigt, kontinuerligt. F?rest?ll dig nu att den h?r kullen pl?tsligt (viftade med en trollstav!) f?rvandlades till en trappa. Det kommer inte l?ngre att g? att rulla av hennes rumpa. Du m?ste g? med f?tterna - f?rst ett steg, sedan det andra, sedan det tredje. V?rdet (h?jden) vi har ?ndrat kontinuerligt - men b?rjade f?r?ndras i steg, det vill s?ga diskret, kvantiseras .

Quantized Descent

L?t oss kolla!

1. En granne p? landet, Ivan Ivanovich, gick till en grannby och sa: "Jag ska vila n?gonstans l?ngs v?gen."

2. Granne p? landet Ivan Ivanovich gick till en grannby och sa "Jag ?ker en buss."

Vilken av dessa tv? situationer ("system") kan betraktas som kontinuerliga, och vilka - kvantiserade?

Svar:

I det f?rsta fallet g?r Ivan Ivanovich och kan stanna f?r att vila n?r som helst. S? detta system ?r kontinuerligt.

I den andra kan Ivan Ivanovich s?tta sig p? en buss som har stannat. Kan hoppa ?ver och v?nta p? n?sta buss. Men han kommer inte att kunna sitta ner "n?gonstans mellan" bussarna. S? detta system ?r kvantiserat!

Allt handlar om astronomi

F?rekomsten av kontinuerliga (kontinuerliga) och diskontinuerliga (kvantiserade, diskontinuerliga, diskreta) kvantiteter var v?lk?nd ?ven av de gamla grekerna. I sin bok Psammit (Ber?kning av sandkornen) gjorde Arkimedes till och med det f?rsta f?rs?ket att fastst?lla ett matematiskt samband mellan kontinuerliga och kvantiserade kvantiteter. Det fanns dock ingen kvantfysik p? den tiden.

Det fanns inte f?rr?n i b?rjan av 1900-talet! S? stora fysiker som Galileo, Descartes, Newton, Faraday, Jung eller Maxwell hade aldrig h?rt talas om n?gon kvantfysik och klarade sig bra utan den. Du kanske fr?gar: varf?r kom d? forskare p? kvantfysik? Vad ?r speciellt i fysiken h?nde? F?rest?ll dig vad som h?nde. Bara inte alls i fysik, utan i astronomi!

Mystisk satellit

?r 1844 observerade den tyske astronomen Friedrich Bessel den ljusaste stj?rnan p? v?r natthimmel, Sirius. Vid den tiden visste astronomer redan att stj?rnorna p? v?r himmel inte ?r station?ra - de r?r sig, bara v?ldigt, v?ldigt l?ngsamt. Dessutom ?r varje stj?rna viktig! - r?r sig i en rak linje. S? n?r man observerade Sirius visade det sig att han inte r?r sig i en rak linje alls. Stj?rnan verkade "skaka" f?rst ?t ena h?llet, sedan ?t det andra. Sirius v?g p? himlen var som en slingrande linje, som matematiker kallar en "sinusv?g".

Stj?rnan Sirius och dess satellit - Sirius B

Det var tydligt att stj?rnan sj?lv inte kunde r?ra sig s?. F?r att f?rvandla rak linjer?relse till sinusformad r?relse beh?vs n?gon form av "st?rande kraft". D?rf?r f?reslog Bessel att en tung satellit kretsar runt Sirius - detta var den mest naturliga och rimliga f?rklaringen.

Men ber?kningar visade att massan av denna satellit borde vara ungef?r densamma som v?r sols. Varf?r kan vi d? inte se den h?r satelliten fr?n jorden? Sirius ?r inte l?ngt fr?n solsystemet - ungef?r tv? och en halv parsec, och ett f?rem?l av solens storlek b?r synas mycket v?l ...

Det visade sig vara en sv?r uppgift. Vissa forskare sa att denna satellit ?r en kall, kyld stj?rna - d?rf?r ?r den helt svart och osynlig fr?n v?r planet. Andra sa att den h?r satelliten inte ?r svart, utan genomskinlig, varf?r vi inte kan se den. Astronomer runt om i v?rlden tittade p? Sirius genom teleskop och f?rs?kte "f?nga" den mystiska osynliga satelliten, och han verkade h?na dem. Det var n?got att bli f?rv?nad, du vet...

Vi beh?ver ett mirakelteleskop!

I ett s?dant teleskop s?g folk f?rst Sirius satellit

I mitten av 1800-talet bodde och verkade den framst?ende teleskopdesignern Alvin Clark i USA. Till en b?rjan var han konstn?r, men av en slump blev han en f?rstklassig ingenj?r, glasmakare och astronom. Hittills har ingen kunnat ?vertr?ffa hans fantastiska linsteleskop! En av linserna av Alvin Clarke (76 centimeter i diameter) kan ses i St. Petersburg, i museet f?r Pulkovo-observatoriet...

Vi avviker dock. S? 1867 byggde Alvin Clark ett nytt teleskop - med en lins med en diameter p? 47 centimeter; det var det st?rsta teleskopet i USA vid den tiden. Det var den mystiske Sirius som valdes ut som det f?rsta himlaobjektet att observeras under testerna. Och astronomernas f?rhoppningar var briljant ber?ttigade - redan den f?rsta natten uppt?cktes den sv?rf?ngade Sirius-satelliten, f?rutsp?dd av Bessel.

Ut ur stekpannan i elden...

Men efter att ha f?tt Clarks observationsdata gl?ds astronomerna inte l?nge. Faktum ?r att, enligt ber?kningar, b?r satellitens massa vara ungef?r densamma som v?r sols (333 000 g?nger jordens massa). Men ist?llet f?r en enorm svart (eller genomskinlig) himlakropp s?g astronomerna ... en liten vit stj?rna! Denna asterisk var v?ldigt varm (25 000 grader, j?mf?r med 5 500 grader av v?r sol) och samtidigt liten (med kosmiska m?tt m?tt), inte st?rre ?n jorden (senare kallades s?dana stj?rnor "vita dv?rgar"). Det visade sig att denna asterisk hade en helt ofattbar t?thet. Vilket ?mne best?r den av d??

P? jorden k?nner vi till material med h?g densitet som bly (en kub med en sida p? en centimeter gjord av denna metall v?ger 11,3 gram) eller guld (19,3 gram per kubikcentimeter). T?theten av substansen i Sirius-satelliten (den kallades "Sirius B") ?r miljoner (!!!) gram per kubikcentimeter - det ?r 52 tusen g?nger tyngre ?n guld!

Ta till exempel en vanlig t?ndsticksask. Dess volym ?r 28 kubikcentimeter. Det betyder att en t?ndsticksask fylld med substansen fr?n Sirius satellit kommer att v?ga ... 28 ton! F?rs?k att f?rest?lla dig - p? en skala finns en t?ndsticksask, och p? den andra - en tank!

Det fanns ett annat problem. Det finns en lag inom fysiken som heter Charles lag. Han h?vdar att i samma volym ?r trycket hos ett ?mne ju h?gre, desto h?gre temperatur p? detta ?mne. Kom ih?g hur trycket av het ?nga sliter av locket fr?n en kokt vattenkokare - och du kommer genast att f?rst? vad det handlar om. S?, temperaturen p? substansen i Sirius-satelliten br?t mot just denna Charles lag p? det mest skaml?sa s?tt! Trycket var ofattbart och temperaturen relativt l?g. Som ett resultat erh?lls "fel" fysiska lagar och i allm?nhet "fel" fysik. Som Nalle Puh – "fel bin och fel honung."

Helt yr...

F?r att "r?dda" fysiken, i b?rjan av 1900-talet, var forskare tvungna att erk?nna att det finns TV? fysik i v?rlden p? en g?ng - en "klassisk", k?nd i tv? tusen ?r. Den andra ?r ovanlig kvant . Forskare har f?reslagit att den klassiska fysikens lagar fungerar p? den vanliga, "makroskopiska" niv?n i v?r v?rld. Men p? minsta, "mikroskopiska" niv? lyder materia och energi helt andra lagar - kvantliga.

F?rest?ll dig v?r planet Jorden. Mer ?n 15 000 olika konstgjorda f?rem?l kretsar nu runt den, var och en i sin egen bana. Dessutom kan denna omloppsbana ?ndras (korrigeras) om s? ?nskas - till exempel korrigeras omloppsbanan vid den internationella rymdstationen (ISS) periodiskt. Detta ?r en makroskopisk niv?, den klassiska fysikens lagar fungerar h?r (till exempel Newtons lagar).

L?t oss nu g? till den mikroskopiska niv?n. F?rest?ll dig k?rnan i en atom. Runt den, precis som satelliter, kretsar elektroner - men det kan inte finnas n?gra godtyckligt m?nga av dem (s?g att en heliumatom inte har fler ?n tv?). Och elektronernas banor kommer inte l?ngre att vara godtyckliga, utan kvantiserade, "stegade". S?dana fysikbanor kallas ocks? "till?tna energiniv?er". En elektron kan inte "smidigt" flytta fr?n en till?ten niv? till en annan, den kan bara omedelbart "hoppa" fr?n niv? till niv?. Har precis varit "d?r" och d?k direkt upp "h?r". Han kan inte vara n?gonstans mellan "d?r" och "h?r". Den byter plats direkt.

Underbar? Underbar! Men det ?r inte allt. Faktum ?r att, enligt kvantfysikens lagar, kan tv? identiska elektroner inte uppta samma energiniv?. Aldrig. Forskare kallar detta fenomen f?r "Paulis f?rbud" (varf?r detta "f?rbud" fungerar kan de fortfarande inte f?rklara). Mest av allt liknar detta "f?rbud" ett schackbr?de, som vi citerade som ett exempel p? ett kvantsystem - om det finns en bonde p? en ruta p? br?det, kan en annan bonde inte l?ngre placeras p? denna ruta. Exakt samma sak h?nder med elektroner!

L?sningen p? problemet

Hur, fr?gar du, kan kvantfysiken f?rklara s?dana ovanliga fenomen som kr?nkningen av Karls lag inuti Sirius B? Men hur.

F?rest?ll dig en stadspark som har ett dansgolv. Det ?r mycket folk som g?r p? gatan, de g?r till dansgolvet f?r att dansa. L?t antalet personer p? gatan representera trycket och antalet personer p? diskoteket temperaturen. Ett stort antal m?nniskor kan g? till dansgolvet - ju fler som g?r i parken, desto fler m?nniskor dansar p? dansgolvet, det vill s?ga ju h?gre tryck, desto h?gre temperatur. S? fungerar den klassiska fysikens lagar – inklusive Karls lag. Forskare kallar ett s?dant ?mne en "ideal gas".

M?nniskor p? dansgolvet - "ideal gas"

Men p? mikroskopisk niv? fungerar inte den klassiska fysikens lagar. Kvantlagar b?rjar verka d?r, och detta f?r?ndrar situationen radikalt.

F?rest?ll dig att ett kaf? ?ppnades p? platsen f?r dansgolvet i parken. Vad ?r skillnaden? Ja, i det faktum att p? ett kaf?, till skillnad fr?n ett disco, "s? m?nga du vill" kommer inte folk in. S? fort alla platser vid borden ?r upptagna kommer s?kerheten att sluta sl?ppa in folk. Och tills en av g?sterna l?mnar bordet sl?pper inte s?kerheten in n?gon! Fler och fler m?nniskor g?r i parken – och hur m?nga som var i kaf?et, s? m?nga blev kvar. Det visar sig att trycket ?kar och temperaturen "st?r stilla".

M?nniskor p? ett kaf? - "kvantgas"

Inne p? Sirius B finns f?rst?s inga m?nniskor, dansgolv och kaf?er. Men principen f?rblir densamma: elektroner fyller alla till?tna energiniv?er (som bes?kare - bord p? ett kaf?), och de kan inte l?ngre "sl?ppa in n?gon" - exakt enligt Pauli-f?rbudet. Som ett resultat erh?lls ett ofattbart stort tryck inuti stj?rnan, men temperaturen ?r samtidigt h?g, men ganska vanlig f?r stj?rnor. Ett s?dant ?mne kallas i fysiken en "degenererad kvantgas".

ska vi forts?tta?..

Den onormalt h?ga t?theten av vita dv?rgar ?r l?ngt ifr?n det enda fenomenet inom fysiken som kr?ver anv?ndning av kvantlagar. Om det h?r ?mnet intresserar dig kan vi i n?sta nummer av Luchik prata om andra, inte mindre intressanta, kvantfenomen. Skriva! F?r nu, l?t oss komma ih?g det viktigaste:

1. I v?r v?rld (universum) p? makroskopisk (d.v.s. "stor") niv?, fungerar den klassiska fysikens lagar. De beskriver egenskaperna hos vanliga v?tskor och gaser, stj?rnors och planeters r?relser och mycket mer. Det h?r ?r fysiken du studerar (eller kommer att studera) i skolan.

2. Men p? den mikroskopiska (det vill s?ga otroligt liten, miljoner g?nger mindre ?n de minsta bakterierna) niv?, fungerar helt andra lagar - kvantfysikens lagar. Dessa lagar beskrivs med mycket komplexa matematiska formler, och de studeras inte i skolan. Men bara kvantfysiken till?ter oss att relativt tydligt f?rklara strukturen hos s?dana fantastiska rymdobjekt som vita dv?rgar (som Sirius B), neutronstj?rnor, svarta h?l och s? vidare.

Om du pl?tsligt ins?g att du har gl?mt grunderna och postulaten i kvantmekaniken eller inte vet vilken typ av mekanik det ?r, d? ?r det dags att uppdatera denna information i ditt minne. N?r allt kommer omkring vet ingen n?r kvantmekaniken kan komma till nytta i livet.

F?rg?ves flinar och h?nar du och t?nker att du aldrig kommer beh?va ta itu med det h?r ?mnet i ditt liv alls. Kvantmekaniken kan trots allt vara anv?ndbar f?r n?stan varje person, ?ven de som ?r o?ndligt l?ngt ifr?n den. Du har till exempel s?mnl?shet. F?r kvantmekaniken ?r detta inget problem! L?s en l?robok innan du g?r och l?gger dig - och du sover gott redan p? tredje sidan. Eller s? kan du namnge ditt coola rockband p? det s?ttet. Varf?r inte?

Sk?mt ?sido, l?t oss b?rja en seri?s kvantkonversation.

Var ska man starta? Naturligtvis, fr?n vad ett kvantum ?r.

Kvant

Ett kvantum (fr?n latinets kvantum - "hur mycket") ?r en odelbar del av n?gon fysisk kvantitet. Till exempel s?ger de - ett ljuskvantum, ett energikvantum eller ett f?ltkvantum.

Vad betyder det? Det betyder att det helt enkelt inte kan bli mindre. N?r de s?ger att n?got v?rde ?r kvantiserat f?rst?r de att detta v?rde antar ett antal specifika, diskreta v?rden. S?, energin hos en elektron i en atom kvantiseras, ljus fortplantar sig i "portioner", det vill s?ga kvanta.

Termen "kvantum" i sig har m?nga anv?ndningsomr?den. Ett ljuskvantum (elektromagnetiskt f?lt) ?r en foton. I analogi kallas partiklar eller kvasipartiklar som motsvarar andra interaktionsf?lt kvanta. H?r kan vi minnas den ber?mda Higgs-bosonen, som ?r ett kvantum av Higgsf?ltet. Men vi kl?ttrar inte in i dessa djungler ?n.

Kvantmekanik f?r dummies

Hur kan mekanik vara kvant?

Som du redan har m?rkt har vi i v?rt samtal n?mnt partiklar m?nga g?nger. Du kanske ?r van vid att ljus ?r en v?g som helt enkelt fortplantar sig med en hastighet Med . Men om man ser allt ur kvantv?rldens synvinkel, det vill s?ga partiklarnas v?rld, f?r?ndras allt till oigenk?nnlighet.

Kvantmekaniken ?r en gren av teoretisk fysik, en del av kvantteorin som beskriver fysikaliska fenomen p? den mest element?ra niv?n - niv?n av partiklar.

Effekten av s?dana fenomen ?r i storlek j?mf?rbar med Plancks konstant, och Newtons klassiska mekanik och elektrodynamik visade sig vara helt ol?mpliga f?r deras beskrivning. Till exempel, enligt den klassiska teorin, m?ste en elektron, som roterar med h?g hastighet runt k?rnan, utstr?la energi och s? sm?ningom falla ner p? k?rnan. Detta h?nder som ni vet inte. Det ?r d?rf?r de kom med kvantmekanik - de uppt?ckta fenomenen beh?vde f?rklaras p? n?got s?tt, och det visade sig vara exakt den teorin d?r f?rklaringen var den mest acceptabla, och alla experimentella data "konvergerade".

F?rresten! F?r v?ra l?sare finns nu 10% rabatt p?

Lite historia

F?delsen av kvantteorin ?gde rum 1900, n?r Max Planck talade vid ett m?te med det tyska fysikaliska s?llskapet. Vad sa Planck d?? Och det faktum att str?lningen av atomer ?r diskret, och den minsta delen av energin i denna str?lning ?r lika med

D?r h ?r Plancks konstant, nu ?r frekvensen.

Sedan anv?nde Albert Einstein, som introducerade begreppet "ljuskvantum", Plancks hypotes f?r att f?rklara den fotoelektriska effekten. Niels Bohr postulerade existensen av station?ra energiniv?er i en atom, och Louis de Broglie utvecklade id?n om v?g-partikeldualitet, det vill s?ga att en partikel (kropp) ocks? har v?gegenskaper. Schr?dinger och Heisenberg ansl?t sig till saken, och s?, 1925, publicerades den f?rsta formuleringen av kvantmekanik. Egentligen ?r kvantmekaniken l?ngt ifr?n en komplett teori, den utvecklas aktivt f?r n?rvarande. Det b?r ocks? erk?nnas att kvantmekaniken, med sina antaganden, inte kan f?rklara alla fr?gor den st?lls inf?r. Det ?r mycket m?jligt att en mer perfekt teori kommer att ers?tta den.

I ?verg?ngen fr?n kvantv?rlden till v?rlden av v?lbekanta saker omvandlas kvantmekanikens lagar naturligt till den klassiska mekanikens lagar. Vi kan s?ga att klassisk mekanik ?r ett specialfall av kvantmekanik, n?r handlingen ?ger rum i v?rt v?lbekanta och v?lbekanta makrokosmos. H?r r?r sig kropparna tyst i icke-tr?ghetsramar med en hastighet som ?r mycket l?gre ?n ljusets hastighet, och i allm?nhet - allt runt omkring ?r lugnt och begripligt. Vill du veta kroppens position i koordinatsystemet - inga problem, vill du m?ta farten - ?r du alltid v?lkommen.

Kvantmekaniken har ett helt annat f?rh?llningss?tt till fr?gan. I den ?r resultaten av m?tningar av fysiska storheter av probabilistisk natur. Det betyder att n?r ett v?rde ?ndras ?r flera utfall m?jliga, som var och en motsvarar en viss sannolikhet. L?t oss ge ett exempel: ett mynt snurrar p? ett bord. Medan den snurrar ?r den inte i n?got s?rskilt tillst?nd (huvud-svansar), utan har bara sannolikheten att vara i ett av dessa tillst?nd.

H?r n?rmar vi oss sakta Schr?dinger ekvation och Heisenbergs os?kerhetsprincip.

Enligt legenden kritiserades Erwin Schr?dinger, som talade vid ett vetenskapligt seminarium 1926 med en rapport om v?g-partikeldualitet, av en viss senior vetenskapsman. Efter denna incident v?grade Schr?dinger att lyssna p? de ?ldste och engagerade sig aktivt i utvecklingen av v?gekvationen f?r att beskriva partiklar inom ramen f?r kvantmekaniken. Och han gjorde det briljant! Schr?dinger-ekvationen (kvantmekanikens grundl?ggande ekvation) har formen:

Denna typ av ekvation, den endimensionella station?ra Schr?dinger-ekvationen, ?r den enklaste.

H?r ?r x avst?ndet eller koordinaten f?r partikeln, m ?r partikelns massa, E och U ?r dess totala respektive potentiella energier. L?sningen p? denna ekvation ?r v?gfunktionen (psi)

V?gfunktionen ?r ett annat grundl?ggande koncept inom kvantmekaniken. S?, alla kvantsystem som ?r i n?got tillst?nd har en v?gfunktion som beskriver detta tillst?nd.

Till exempel, n?r man l?ser den endimensionella station?ra Schr?dinger-ekvationen beskriver v?gfunktionen partikelns position i rymden. Mer exakt, sannolikheten att hitta en partikel vid en viss punkt i rymden. Schr?dinger visade med andra ord att sannolikhet kan beskrivas med en v?gekvation! H?ller med, det h?r borde man ha t?nkt p?!

Men varf?r? Varf?r m?ste vi ta itu med dessa obegripliga sannolikheter och v?gfunktioner, n?r det verkar som att det inte finns n?got l?ttare ?n att bara ta och m?ta avst?ndet till en partikel eller dess hastighet.

Allt ?r v?ldigt enkelt! I makrokosmos ?r detta sant - vi m?ter avst?ndet med ett m?ttband med en viss noggrannhet, och m?tfelet best?ms av enhetens egenskaper. ? andra sidan kan vi n?stan exakt best?mma avst?ndet till ett f?rem?l, till exempel till ett bord, med ?gat. I vilket fall som helst differentierar vi noggrant dess position i rummet i f?rh?llande till oss och andra f?rem?l. I partiklarnas v?rld ?r situationen fundamentalt annorlunda – vi har helt enkelt inte fysiskt m?tverktyg f?r att m?ta de erforderliga m?ngderna med noggrannhet. M?tverktyget kommer trots allt i direkt kontakt med det uppm?tta objektet och i v?rt fall ?r b?de objektet och verktyget partiklar. Det ?r denna ofullkomlighet, den grundl?ggande om?jligheten att ta h?nsyn till alla faktorer som verkar p? en partikel, s?v?l som sj?lva faktumet av en f?r?ndring i systemets tillst?nd under p?verkan av m?tning, som ligger till grund f?r Heisenbergs os?kerhetsprincip.

L?t oss presentera dess enklaste formulering. F?rest?ll dig att det finns n?gon partikel, och vi vill veta dess hastighet och koordinater.

I detta sammanhang s?ger Heisenbergs os?kerhetsprincip att det ?r om?jligt att exakt m?ta en partikels position och hastighet samtidigt. . Matematiskt skrivs detta s? h?r:

H?r ?r delta x felet vid best?mning av koordinaten, delta v ?r felet vid best?mning av hastigheten. Vi betonar att denna princip s?ger att ju mer exakt vi best?mmer koordinaten, desto mindre noggrant kommer vi att veta hastigheten. Och om vi definierar hastigheten kommer vi inte att ha den minsta aning om var partikeln ?r.

Det finns m?nga sk?mt och anekdoter om os?kerhetsprincipen. H?r ?r en av dem:

En polis stoppar en kvantfysiker.
- Sir, vet du hur snabbt du r?rde dig?
– Nej, men jag vet precis var jag ?r.

Och sj?lvklart p?minner vi dig! Om pl?tsligt, av n?gon anledning, l?sningen av Schr?dinger-ekvationen f?r en partikel i en potentiell brunn inte till?ter dig att somna, kontakta - proffs som fostrades med kvantmekanik p? l?pparna!

Fysiken ?r den mest mystiska av alla vetenskaper. Fysiken ger oss en f?rst?else f?r v?rlden omkring oss. Fysikens lagar ?r absoluta och g?ller f?r alla utan undantag, oavsett person och social status.

Denna artikel ?r avsedd f?r personer ?ver 18 ?r.

?r du redan ?ver 18?

Grundl?ggande uppt?ckter inom kvantfysik

Isaac Newton, Nikola Tesla, Albert Einstein och m?nga andra ?r m?nsklighetens stora guider i fysikens underbara v?rld, som liksom profeter avsl?jade f?r m?nskligheten universums st?rsta hemligheter och f?rm?gan att kontrollera fysiska fenomen. Deras ljusa huvuden skar genom okunnighetens m?rker hos den orimliga majoriteten och visade, som en ledstj?rna, v?gen till m?nskligheten i nattens m?rker. En av dessa ledare i fysikens v?rld var Max Planck, kvantfysikens fader.

Max Planck ?r inte bara grundaren av kvantfysiken, utan ocks? f?rfattaren till den v?rldsber?mda kvantteorin. Kvantteorin ?r den viktigaste komponenten i kvantfysiken. Enkelt uttryckt beskriver denna teori mikropartiklars r?relse, beteende och interaktion. Grundaren av kvantfysiken gav oss ocks? m?nga andra vetenskapliga arbeten som har blivit h?rnstenarna i modern fysik:

• teori om termisk str?lning;
• speciell relativitetsteori;
• forskning inom omr?det termodynamik;
• forskning inom optikomr?det.

Kvantfysikens teori om mikropartiklars beteende och interaktion blev grunden f?r den kondenserade materiens fysik, elementarpartikelfysik och h?genergifysik. Kvantteorin f?rklarar f?r oss essensen av m?nga fenomen i v?r v?rld - fr?n hur elektroniska datorer fungerar till himlakropparnas struktur och beteende. Max Planck, skaparen av denna teori, tack vare sin uppt?ckt till?t oss att f?rst? den sanna essensen av m?nga saker p? niv?n av elementarpartiklar. Men skapandet av denna teori ?r l?ngt ifr?n vetenskapsmannens enda f?rtj?nst. Han var den f?rste som uppt?ckte universums grundl?ggande lag - lagen om energibevarande. Max Plancks bidrag till vetenskapen ?r sv?rt att ?verskatta. Kort sagt, hans uppt?ckter ?r ov?rderliga f?r fysik, kemi, historia, metodik och filosofi.

kvantf?ltteori

I ett n?tskal ?r kvantf?ltteori en teori om beskrivningen av mikropartiklar, s?v?l som deras beteende i rymden, interaktion med varandra och ?msesidiga transformationer. Denna teori studerar beteendet hos kvantsystem inom de s? kallade frihetsgraderna. Detta vackra och romantiska namn s?ger ingenting f?r m?nga av oss. F?r dummies ?r frihetsgrader antalet oberoende koordinater som beh?vs f?r att indikera r?relsen hos ett mekaniskt system. Enkelt uttryckt ?r frihetsgrader k?nnetecken f?r r?relse. Intressanta uppt?ckter inom omr?det f?r interaktion mellan elementarpartiklar gjordes av Steven Weinberg. Han uppt?ckte den s? kallade neutrala str?mmen - principen om interaktion mellan kvarkar och leptoner, som han fick Nobelpriset f?r 1979.

Max Plancks kvantteorin

P? 1700-talets nittiotalet tog den tyske fysikern Max Planck upp studien av termisk str?lning och fick s? sm?ningom en formel f?r energif?rdelning. Kvanthypotesen, som f?ddes under dessa studier, markerade b?rjan av kvantfysiken, s?v?l som kvantf?ltteorin, som uppt?cktes p? 1900-talet. Plancks kvantteori ?r att under termisk str?lning emitteras och absorberas den energi som produceras inte konstant, utan episodiskt, kvantum. ?r 1900, tack vare denna uppt?ckt gjord av Max Planck, blev ?ret f?r kvantmekanikens f?delse. Det ?r ocks? v?rt att n?mna Plancks formel. Kort sagt, dess v?sen ?r som f?ljer - den ?r baserad p? f?rh?llandet mellan kroppstemperatur och dess str?lning.

Kvantmekanisk teori om atomens struktur

Den kvantmekaniska teorin om atomens struktur ?r en av de grundl?ggande teorierna om begrepp inom kvantfysiken, och faktiskt i fysiken i allm?nhet. Denna teori l?ter oss f?rst? strukturen av allt materiellt och ?ppnar hemlighetens sl?ja ?ver vad saker egentligen best?r av. Och slutsatserna baserade p? denna teori ?r mycket ov?ntade. Betrakta atomens struktur kortfattat. S? vad ?r egentligen en atom gjord av? En atom best?r av en k?rna och ett moln av elektroner. Grunden f?r atomen, dess k?rna, inneh?ller n?stan hela massan av sj?lva atomen - mer ?n 99 procent. K?rnan har alltid en positiv laddning, och den best?mmer det kemiska elementet som atomen ?r en del av. Det mest intressanta med en atoms k?rna ?r att den inneh?ller n?stan hela atomens massa, men samtidigt upptar den bara en tiotusendel av sin volym. Vad f?ljer av detta? Och slutsatsen ?r mycket ov?ntad. Det betyder att den t?ta materien i atomen bara ?r en tiotusendel. Och hur ?r det med allt annat? Allt annat i atomen ?r ett elektronmoln.

Elektronmolnet ?r inte ett permanent och till och med inte ett materiellt ?mne. Ett elektronmoln ?r bara sannolikheten f?r att elektroner dyker upp i en atom. Det vill s?ga k?rnan upptar bara en tiotusendel i atomen, och allt annat ?r tomhet. Och om vi tar h?nsyn till att alla f?rem?l runt omkring oss, fr?n dammpartiklar till himlakroppar, planeter och stj?rnor, best?r av atomer, visar det sig att allt materiellt i sj?lva verket best?r av mer ?n 99 procent av tomhet. Denna teori verkar helt otrolig, och dess f?rfattare ?r ?tminstone en vilseledd person, eftersom de saker som finns runt omkring har en solid konsistens, har tyngd och kan k?nnas. Hur kan det best? av tomhet? Har ett misstag smugit sig in i denna teori om materiens struktur? Men det ?r inget fel h?r.

Alla materiella ting verkar t?ta endast p? grund av interaktionen mellan atomer. Saker har en solid och t?t konsistens endast p? grund av attraktion eller repulsion mellan atomer. Detta s?kerst?ller t?theten och h?rdheten hos kristallgittret av kemikalier, som allt material best?r av. Men, en intressant punkt, n?r, till exempel, temperaturf?rh?llandena i milj?n f?r?ndras, kan bindningarna mellan atomer, det vill s?ga deras attraktion och avst?tning, f?rsvagas, vilket leder till en f?rsvagning av kristallgittret och till och med till dess f?rst?relse. Detta f?rklarar f?r?ndringen i ?mnens fysikaliska egenskaper n?r de v?rms upp. Till exempel, n?r j?rn v?rms upp blir det flytande och kan formas till vilken form som helst. Och n?r is sm?lter leder f?rst?relsen av kristallgittret till en f?r?ndring i materiens tillst?nd, och det ?verg?r fr?n fast till flytande. Dessa ?r tydliga exempel p? f?rsvagning av bindningar mellan atomer och, som ett resultat, f?rsvagning eller f?rst?relse av kristallgittret, och l?ter ?mnet bli amorft. Och anledningen till s?dana mystiska metamorfoser ?r just att ?mnen best?r av t?t materia endast med en tiotusendel, och allt annat ?r tomhet.

Och ?mnen verkar vara fasta bara p? grund av de starka bindningarna mellan atomer, vars f?rsvagning f?r?ndras. S?ledes till?ter kvantteorin om atomens struktur oss att ta en helt annan titt p? v?rlden omkring oss.

Grundaren av teorin om atomen, Niels Bohr, lade fram ett intressant koncept att elektronerna i atomen inte utstr?lar energi konstant, utan bara i ?verg?ngs?gonblicket mellan banorna f?r deras r?relse. Bohrs teori hj?lpte till att f?rklara m?nga intraatom?ra processer och gjorde ocks? ett genombrott inom kemivetenskapen och f?rklarade gr?nsen f?r tabellen skapad av Mendeleev. Enligt , det sista elementet som kan existera i tid och rum har serienumret hundra trettiosju, och element som b?rjar fr?n en hundra och trettio?ttonde kan inte existera, eftersom deras existens strider mot relativitetsteorin. Bohrs teori f?rklarade ocks? karakt?ren av ett s?dant fysiskt fenomen som atomspektra.

Dessa ?r interaktionsspektra f?r fria atomer som uppst?r n?r energi emitteras mellan dem. S?dana fenomen ?r typiska f?r gasformiga, ?ngformiga ?mnen och ?mnen i plasmatillst?nd. Kvantteorin gjorde s?ledes en revolution i fysikens v?rld och gjorde det m?jligt f?r forskare att avancera inte bara inom denna vetenskap, utan ocks? inom m?nga relaterade vetenskaper: kemi, termodynamik, optik och filosofi. Och till?t ocks? m?nskligheten att tr?nga in i sakernas naturs hemligheter.

Det finns fortfarande mycket att g?ra av m?nskligheten i dess medvetande f?r att inse atomernas natur, f?r att f?rst? principerna f?r deras beteende och interaktion. Efter att ha f?rst?tt detta kommer vi att kunna f?rst? naturen hos v?rlden omkring oss, eftersom allt som omger oss, b?rjar med dammpartiklar och slutar med solen sj?lv, och vi sj?lva - allt best?r av atomer, vars natur ?r mystisk och fantastiska och fyllda med m?nga hemligheter.