Физика - это что? Что такое квантовая физика? Квантовая физика что изучает
Что изучает квантовая физика? | Vunderkind.Info
Несмотря на звучность и загадочность сегодняшней темы, мы постараемся рассказать, что изучает квантовая физика, простыми словами, какие разделы квантовой физики имеют место быть и зачем нужна квантовая физика в принципе.
Предлагаемый ниже материал доступен для понимания любому школьнику.
Прежде чем разглагольствовать о том, что изучает квантовая физика, будет уместно вспомнить, с чего же все начиналось…
К середине XIX века человечество вплотную занялось изучением проблем, решить которые посредством привлечения аппарата классической физики было невозможно.
Ряд явлений казались «странными». Отдельные вопросы вообще не находили ответа.
В 1850-е годы Уильям Гамильтон, полагая, что классическая механика не способна точно описать движение световых лучей, предлагает собственную теорию, вошедшую в историю науки под названием формализм Гамильтона-Якоби, в основе которой лежал постулат о волновой теории света.
В 1885 г., поспорив с приятелем, швейцарский математик и физик Иоганн Бальмер вывел эмпирически формулу, которая позволяла рассчитать длины волн спектральных линий водорода с очень высокой точностью.
Объяснить причины выявленных закономерностей Бальмер тогда так и не смог.
В 1895 г. Вильгельм Рентген при исследовании катодных лучей открыл излучение, названное им X-лучами (впоследствии переименованными в рентгеновские лучи), характеризовавшееся мощным проникающим характером.
Еще через год – в 1896 году – Анри Беккерель, изучая соли урана, открыл самопроизвольное излучение с аналогичными свойствами. Новое явление было названо радиоактивностью.
В 1899 году была доказана волновая природа рентгеновских лучей.
Фото 1. Родоначальники квантовой физики Макс Планк, Эрвин Шредингер, Нильс Бор
1901-ый год ознаменовался появлением первой планетарной модели атома, предложенной Жаном Перреном. Увы, ученый сам же отказался от этой теории, не найдя ей подтверждения с позиций теории электродинамики.
Спустя два года ученый из Японии Хантаро Нагаока предложил очередную планетарную модель атома, в центре которого должна была находиться положительно заряженная частица, вокруг которой по орбитам вращались бы электроны.
Эта теория, однако, не учитывала излучение, испускаемое электронами, а потому не могла, например, объяснить теорию спектральных линий.
Размышляя над строением атома, в 1904 году Джозеф Томсон впервые интерпретировал понятие валентности с физической точки зрения.
Годом рождения квантовой физики, пожалуй, можно признать 1900-ый, связывая с ним выступление Макса Планка на заседании Немецкого физического общества.
Именно Планк предложил теорию, объединившую множество доселе разрозненных физических понятий, формул и теорий, включая постоянную Больцмана, увязывающую энергию и температуру, число Авогадро, закон смещения Вина, заряд электрона, закон излучения Стефана-Больцмана…
Им же введено в обиход понятие кванта действия (вторая – после постоянной Больцмана – фундаментальная постоянная).
Дальнейшее развитие квантовой физики напрямую связано с именами Хендрика Лоренца, Альберта Эйнштейна, Эрнста Резерфорда, Арнольда Зоммерфельда, Макса Борна, Нильса Бора, Эрвина Шредингера, Луи де Бройля, Вернера Гейзенберга, Вольфганга Паули, Поля Дирака, Энрико Ферми и многих других замечательных ученых, творивших в первой половине XX века.
Ученым удалось с небывалой глубиной познать природу элементарных частиц, изучить взаимодействия частиц и полей, выявить кварковую природу материи, вывести волновую функцию, объяснить фундаментальные понятия дискретности (квантования) и корпускулярно-волнового дуализма.
Квантовая теория как никакая другая приблизила человечество к пониманию фундаментальных законов мироздания, заменила привычные понятия более точными, заставила переосмыслить огромное число физических моделей.
Что изучает квантовая физика?
Квантовая физика описывает свойства материи на уровне микроявлений, исследуя законы движения микрообъектов (квантовых объектов).
Предмет изучения квантовой физики составляют квантовые объекты, обладающие размерами 10−8 см и меньше. Это:
- молекулы,
- атомы,
- атомные ядра,
- элементарные частицы.
Главные характеристики микрообъектов — масса покоя и электрический заряд. Масса одного электрона (me) равна 9,1 · 10−28 г.
Для сравнения – масса мюона равна 207 me, нейтрона – 1839 me, протона 1836 me.
Некоторые частицы вообще не имеют массы покоя (нейтрино, фотон). Их масса составляет 0 me.
Электрический заряд любого микрообъекта кратен величине заряда электрона, равного 1,6 · 10−19 Кл. Наряду с заряженными существуют нейтральные микрообъекты, заряд которых равен нулю.
Фото 2. Квантовая физика заставила пересмотреть традиционные взгляды на понятия волны, поля и частицы
Электрический заряд сложного микрообъекта равен алгебраической сумме зарядов составляющих его частиц.
К числу свойств микрообъектов относится спин (в дословном переводе с английского — «вращаться»).
Его принято интерпретировать как не зависящий от внешних условий момент импульса квантового объекта.
Спину сложно подобрать адекватный образ в реальном мире. Его нельзя представлять вращающимся волчком из-за его квантовой природы. Классическая физика описать этот объект не способна.
Присутствие спина влияет на поведение микрообъектов.
Наличие спина вносит существенные особенности в поведение объектов микромира, большая часть которых – нестабильных объектов — самопроизвольно распадается, превращаясь в другие квантовые объекты.
Стабильные микрообъекты, к которым относят нейтрино, электроны, фотоны, протоны, а также атомы и молекулы, способны распадаться лишь под воздействием мощной энергии.
Квантовая физика полностью вбирает в себя классическую физику, рассматривая ее своим предельным случаем.
Фактически квантовая физика и является – в широком смысле – современной физикой.
То, что описывает квантовая физика в микромире, воспринять чувствами невозможно. Из-за этого многие положения квантовой физики трудно представимы, в отличие от объектов, описываемых классической физикой.
Несмотря на это новые теории позволили изменить наши представления о волнах и частицах, о динамическом и вероятностном описании, о непрерывном и дискретном.
Квантовая физика – это не просто новомодная теория.
Это теория, которая сумела предсказать и объяснить невероятное количество явлений – от процессов, протекающих в атомных ядрах, до макроскопических эффектов в космическом пространстве.
Квантовая физика – в отличие от физики классической – изучает материю на фундаментальном уровне, давая интерпретации явлениям окружающей действительности, которые традиционная физика дать не способна (например, почему атомы сохраняют устойчивость или действительно ли элементарные частицы являются элементарными).
Квантовая теория дает нам возможность описывать мир более точно, нежели это было принято до ее возникновения.
Значение квантовой физики
Теоретические наработки, составляющие сущность квантовой физики, применимы для исследования как невообразимо огромных космических объектов, так и исключительно малых по размерам элементарных частиц.
Квантовая электродинамика погружает нас в мир фотонов и электронов, делая акцент на изучении взаимодействий между ними.
Квантовая теория конденсированных сред углубляет наши познания о сверхтекучих жидкостях, магнетиках, жидких кристаллах, аморфных телах, кристаллах и полимеров.
Фото 3. Квантовая физика дала человечеству гораздо более точное описание окружающего мира
Научные исследования последних десятилетий сосредоточены на изучении кварковой структуры элементарных частиц в рамках самостоятельной ветви квантовой физики – квантовой хромодинамики.
Нерелятивистская квантовая механика (та, что находится за рамками теории относительности Эйнштейна) изучает микроскопические объекты, движущиеся с условно невысокой скоростью (меньше, чем скорость света), свойства молекул и атомов, их строение.
Квантовая оптика занимается научной проработкой фактов, сопряженных с проявлением квантовых свойств света (фотохимических процессов, теплового и вынужденного излучений, фотоэффекта).
Квантовая теория поля является объединяющим разделом, вобравшим в себя идеи теории относительности и квантовой механики.
Научные теории, разработанные в рамках квантовой физики, придали мощный импульс развитию атомной энергетики, квантовой электроники, лазерной техники, квантовой теории твердого тела, материаловедения, квантовой химии.
Без появления и развития отмеченных отраслей знания было бы невозможно создание компьютеров, Интернета, космических кораблей, атомных ледоколов, мобильной связи и многих других полезных изобретений.
vunderkind.info
Квантовая физика для чайников. Что такое квантовая физика простыми словами
Здравствуйте дорогие читатели. Если вы не хотите отставать от жизни, быть по-настоящему счастливым и здоровым человеком, вы должны знать о тайнах квантовой современной физики, хоть немного представлять до каких глубин мироздания докопались сегодня ученые. Вам некогда вдаваться в глубокие научные подробности, а хотите постигнуть лишь суть, но увидеть красоту неизведанного мира, тогда эта статья: квантовая физика для обычных чайников или можно сказать для домохозяек как раз для вас. Я постараюсь объяснить, что такое квантовая физика, но простыми словами, показать наглядно. "Какая связь между счастьем, здоровьем и квантовой физикой?"- спросите вы.
Дело в том, что она помогает ответить на многие непонятные вопросы, связанные с сознанием человека, влияния сознания на тело. К сожалению, медицина, опираясь на классическую физику, не всегда нам помогает быть здоровым. А психология не может нормально сказать, как обрести счастье.
Только более глубокие познания мира помогут нам понять, как же по-настоящему справиться с болезнями и где обитает счастье. Это знание находятся в глубоких слоях Вселенной. На помощь нам приходит квантовая физика. Скоро вы все узнаете.
Что изучает квантовая физика простыми словами
Да, действительно квантовую физику очень сложно понять из-за того, что она изучает законы микромира. То есть мир на более глубоких его слоях, на очень малых расстояниях, там, куда очень сложно заглянуть человеку.
А мир, оказывается, ведет себя там очень странно, загадочно и непостижимо, не так как мы привыкли.
Отсюда вся сложность и непонимание квантовой физики.
Но после прочтения этой статьи вы раздвинете горизонты своего познания и посмотрите на мир совсем по-другому.
Кратко об истории квантовой физики
Все началось в начале 20 века, когда ньютоновская физика не могла объяснить многие вещи и ученые зашли в тупик. Тогда Максом Планком было введено понятие кванта. Альберт Эйнштейн подхватил эту идею и доказал, что свет распространяется не непрерывно, а порциями – квантами (фотонами). До этого же считалось, что свет имеет волновую природу.
Но как оказалось позже любая элементарная частица, это не только квант, то есть твердая частица, а также волна. Так появился корпускулярно-волновой дуализм в квантовой физике, первый парадокс и начало открытий загадочных явлений микромира.
Самые интересные парадоксы начались, когда был проведен знаменитый эксперимент с двумя щелями, после которого загадок стало намного больше. Можно сказать, что квантовая физика началась с него. Давайте его рассмотрим.
Эксперимент с двумя щелями в квантовой физике
Представьте себе пластину с двумя щелями в виде вертикальных полос. За этой пластиной поставим экран. Если направить свет на пластину, то на экране мы увидим интерференционную картину. То есть чередующиеся темные и яркие вертикальные полосы. Интерференция это результат волнового поведения чего-либо, в нашем случае света.
Если вы пропустите волну воды через два отверстия расположенных рядом, вы поймете что такое интерференция. То есть свет получается вроде как имеет волновую природу. Но как доказала физика, вернее Эйнштейн, он распространяется частицами-фотонами. Уже парадокс. Но это ладно, корпускулярно-волновым дуализмом нас уже не удивить. Квантовая физика говорит нам, что свет ведет себя как волна, но состоит из фотонов. Но чудеса только начинаются.
Давайте перед пластиной с двумя прорезями поставим пушку, которая будет испускать не свет, а электроны. Начнем стрелять электронами. Что мы увидим на экране за пластиной?
Электроны ведь это частицы, значит поток электронов, проходя через две щели, должны оставлять на экране всего две полосы, два следа напротив щелей. Представили себе камушки, пролетающие сквозь две щели и ударяющие об экран?
Но что мы видим на самом деле? Всю ту же интерференционную картину. Каков вывод: электроны распространяются волнами. Значит электроны это волны. Но ведь это элементарная частица. Опять корпускулярно-волновым дуализм в физике.
Но можно предположить, что на более глубоком уровне электрон это частица, а когда эти частицы собираются вместе, они начинают вести себя как волны. Например, морская волна это волна, но ведь она состоит из капель воды, а на более мелком уровне из молекул, а затем из атомов. Хорошо, логика твердая.
Тогда давайте будем стрелять из пушки не потоком электронов, а выпускать электроны по отдельности, через какой-то промежуток времени. Как если бы мы пропускали через щели не морскую волну, а плевались бы отдельными каплями из детского водяного пистолета. Вполне логично, что в таком случае разные капли воды попадали бы в разные щели. На экране за пластиной можно было бы увидеть не интерференционную картину от волны, а две четкие полосы от удара напротив каждой щели. То же самое мы увидим, если кидать мелкие камни, они, пролетая сквозь две щели, оставляли бы след, словно тень от двух отверстий. Давайте же теперь стрелять отдельными электронами, чтобы увидеть эти две полосы на экране от ударов электронов. Выпустили один, подождали, второй, подождали и так далее. Ученые квантовой физики смогли сделать такой эксперимент.
Но ужас. Вместо этих двух полос получаются все те же интерференционные чередования нескольких полос. Как так? Такое может случиться, если бы электрон пролетал одновременно через две щели, а за пластиной, как волна сталкивался бы сам с собой и интерферировал. Но такое не может быть, ведь частица не может находиться в двух местах одновременно. Она или пролетает сквозь первую щель или сквозь вторую.
Вот тут начинаются поистине фантастические вещи квантовой физики.
Суперпозиция в квантовой физике
При более глубоком анализе ученые выясняют что любая элементарная квантовая частица или тот же свет(фотон) на самом деле могут находиться в нескольких местах одновременно. И это не чудеса, а реальные факты микромира. Так утверждает квантовая физика. Вот поэтому, стреляя из пушки отдельной частицей, мы видим результат интерференции. За пластиной электрон сталкивается сам с собой и создает интерференционную картину.
Обычные нам объекты макромира находятся всегда в одном месте, имеют одно состояние. Например, вы сейчас сидите на стуле, весите, допустим, 50 кг, имеете частоту пульса 60 ударов в минуту. Конечно, эти показания изменятся, но изменятся они через какое-то время. Ведь вы не можете одновременно быть дома и на работе, весить 50 и 100 кг. Все это понятно, это здравый смысл.
В физике микромира же все по-другому.
Квантовая механика утверждает, а это уже подтверждено экспериментально, что любая элементарная частица может находиться одновременно не только в нескольких точках пространства, но также иметь в одно и то же время несколько состояний, например спин.
Все это не укладывается в голову, подрывает привычное представление о мире, старые законы физики, переворачивает мышление, можно смело сказать сводит с ума.
Так мы приходим к пониманию термина "суперпозиции" в квантовой механике.
Суперпозиция означает, что объект микромира может одновременно находиться в разных точках пространства, а также иметь несколько состояний одновременно. И это нормально для элементарных частиц. Таков закон микромира, каким бы странным и фантастическим он не казался.
Вы удивлены, но это только цветочки, самые необъяснимые чудеса, загадки и парадоксы квантовой физики еще впереди.
Коллапс волновой функции в физике простыми словами
Затем ученые решили выяснить и посмотреть более точно, реально ли электрон проходит через обе щели. Вдруг он проходит через одну щель, а затем каким-то образом разделяется и создает интерференционную картину, проходя через нее. Ну, мало ли. То есть нужно поставить какой-нибудь прибор возле щели, который бы точно зафиксировал прохождение электрона через нее. Сказано, сделано. Конечно, осуществить это сложно, нужен не прибор, а что-то другое, чтобы увидеть прохождение электрона. Но ученые сделали это.
Но в итоге результат ошеломил всех.
Как только мы начинаем смотреть, через какую щель проходит электрон, так он начинает вести себя не как волна, не как странное вещество, которое одновременно находится в разных точках пространства, а как обычная частица. То есть начинает проявлять конкретные свойства кванта: находится только в одном месте, проходит через одну щель, имеет одно значение спина. На экране появляется не интерференционная картина, а простой след напротив щели.
Но как такое возможно. Как будто электрон шутит, играет с нами. Сначала он ведет себя как волна, а затем, после того, как мы решили посмотреть прохождение его через щель, проявляет свойства твердой частицы и проходит только через одну щель. Но так оно и есть в микромире. Таковы законы квантовой физики.
Ученые увидели еще одно загадочное свойство элементарных частиц. Так появились в квантовой физике понятия неопределенность и коллапс волновой функции.
Когда электрон летит к щели, он находится в неопределенном состоянии или как мы сказали выше в суперпозиции. То есть ведет себя как волна, находится одновременно в разных точках пространства, имеет сразу два значения спина (у спина всего два значения). Если бы мы его не трогали, не пытались смотреть на него, не выясняли, где именно он находится, не измеряли бы значение его спина, он бы так и пролетел как волна одновременно через две щели, а значит, создал интерференционную картину. Его траектория и параметры квантовая физика описывает с помощью волновой функции.
После того, как мы произвели измерение (а произвести измерение частицы микромира можно только взаимодействуя с ней, например, столкнуть с ней другую частицу), то происходит коллапс волновой функции.
То есть теперь электрон находится точно в каком-то одном месте пространства, имеет одно значение спина.
Можно сказать элементарная частица как призрак, она как бы есть, но одновременно ее нет в одном месте, и может с определенной вероятностью оказаться в любом месте в пределах описания волновой функцией. Но как только мы начинаем с ней контактировать, она из призрачного объекта превращается в реальное осязаемое вещество, которое ведет себя как обычные, привычные для нас предметы классического мира.
"Вот это фантастика"- скажете вы. Конечно, но чудеса квантовой физики только начинаются. Самое невероятное еще впереди. Но давайте немного отдохнем от обилия информации и вернемся к квантовым приключениям в другой раз, в другой статье. А пока поразмышляйте о том, что вы сегодня узнали. К чему могут привести такие чудеса? Ведь они окружают нас, это свойство нашего мира, хоть и на более глубоком уровне. А мы все еще думаем, что живем в скучном мире? Но выводы сделаем позже.
Я попытался рассказать об основах квантовой физике кратко и понятно.
Но если вы что-то не поняли, тогда посмотрите вот этот мультик про квантовую физику, про эксперимент с двумя щелями, там также все рассказывается понятным, простым языком. Мультфильм про квантовую физику: Или можно смотреть вот этот видео, все станет на свои места, квантовая физика ведь очень интересна. Видео о квантовой физике: И как вы раньше об этом не знали.
Современные открытия в квантовой физике меняют наш привычный материальный мир.
zslife.ru
Что изучает квантовая физика?
КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ
ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ
В определенном смысле вся современная физика есть квантовая физика! Она, по сути дела, является итогом ”новейшей революции в естествознании”.
Что изучает квантовая физика?
Прежде всего, квантовая физика – это теория, описывающая свойства материи на уровне микроявлений. Она исследует законы движения квантовых объектов, которые также называют микрообъектами.
Понятие микрообъекта является одним из основных в квантовой физике. К ним относятся молекулы, атомы, атомные ядра, элементарные частицы. Их характерная особенность – очень маленькие размеры – 10^ −8 см и меньше. К наиболее важным характеристикам микрообъектов относят массу покоя и электрический заряд. Масса электрона me = 9,1· 10^−28 г, протон имеет массу 1836me, нейтрон – 1839me, мюон – 207me. Фотон и нейтрино не имеют массы покоя – она равна нулю. Величина электрического заряда любого микрообъекта кратна величине заряда электрона, равного 1,6· 10^−19 Кл. Наряду с заряженными существуют нейтральные микрообъекты, заряд которых равен нулю. Электрический заряд сложного микрообъекта равен алгебраической сумме зарядов составляющих его частиц. Одной из важнейших специфических характеристик микрообъектов считается спин (от английского слова “вращаться”). Хотя спин интерпретируется как момент импульса микрообъекта, не связанный с его движением как целого, неуничтожаемый и не зависящий от внешних условий, но нельзя представлять его как вращающийся волчок. Он имеет чисто квантовую природу – аналогов в классической физике ему нет. Наличие спина вносит существенные особенности в поведение объектов микромира.
Большинство микрообъектов являются нестабильными– они самопроизвольно, без каких-либо воздействий со стороны распадаются, превращаясь в другие, в том числе и элементарные, частицы. Нестабильность – это специфическое, но не обязательное свойство микрообъектов. Наряду с нестабильными, существуют и стабильные микрообъекты: фотон, электрон, протон, нейтрино, стабильные атомные ядра, атомы и молекулы в основном состоянии.
Квантовая физика – это еще теоретическая основа современного учения о структуре и свойствах вещества и поля.
Важно понимать, что квантовая физика не отменяет классическую, а содержит ее как свой предельный случай. При переходе от микрообъектов к обычным макроскопическим объектам ее законы становятся классическими, и, таким образом, квантовая физика установила пределы применимости классической физики. Переход от классической физики к квантовой есть переход к более глубокому уровню рассмотрения материи.
Квантовая физика стала важнейшим шагом в построении современной физической картины мира. Она позволила предсказать и объяснить огромное число различных явлений – от процессов, протекающих в атомах и атомных ядрах, до макроскопических эффектов в твердых телах; без нее невозможно, как представляется теперь, понять происхождение Вселенной. Диапазон квантовой физики широк – от элементарных частиц до космических объектов. Без квантовой физики немыслимо не только естествознание, но и современная техника.
mykonspekts.ru
Квантовая механика на пальцах. Часть I
Современную физику принято подразделять на две большие ветви — классическую и квантовую. Первая исторически восходит к Галилею и Ньютону, вторая — к Максу Планку и Альберту Эйнштейну. Квантовая идеология первоначально обрела себе место в новой теории электромагнитного излучения, однако без большой задержки распространилась на описание свойств материи на уровне атомов и молекул. В этом качестве она стала основой новой науки, названной квантовой механикой. Попробуем разобраться в ее сути с нуля, без каких-либо предварительных знаний.
Квантовая механика давно вышла за свои первоначальные рамки. Уже к концу первой трети двадцатого века она стала незаменимым инструментом теоретического изучения электрических и магнитных свойств различных материалов. Она нужна для описания атомных ядер и частиц, из которых те состоят, — протонов и нейтронов. Квантовая механика также лежит в основе наших знаний о самых фундаментальных свойствах материи, которая заполняет Вселенную. Без нее невозможно выяснить, откуда взялись химические элементы, почему загораются, светят и умирают звезды, как рождаются космические лучи и что происходит при столкновениях элементарных частиц. В общем, это наука широкого профиля.
Но это не всё. Квантовая механика показала, что в микромире действуют законы, которые сильно противоречат нашему житейскому опыту. Их нелегко осознать, к ним непросто привыкнуть, они удивительны и парадоксальны — и все же справедливы!
НАСЛЕДИЕ НЬЮТОНА
Слово «механика» имеет много смыслов, однако с точки зрения физики это наука о движении, о перемещении в пространстве. Теннисный мяч летит над сеткой, поезд мчится по рельсам, ветры переносят воздушные потоки, Земля вращается вокруг Солнца, а оно в свою очередь каждые двести миллионов лет совершает полный оборот вокруг центра нашей Галактики. Эти движения совершаются под действием различных сил, иногда очень сложных. Однако все они описываются одними и теми же законами, которые в XVII веке открыл великий английский физик и математик Исаак Ньютон. Позднее их не раз переписывали с помощью все новых математических формул, но суть от этого не менялась. И двести с лишним лет физики были уверены, что великое творение Ньютона не знает исключений.
Возьмем простейшее из всех мыслимых тел — крошечный шарик. Если заложить в уравнения механики сведения о том, какова его масса, какие силы на него действуют, где он находится в начальный момент и какую при этом имеет скорость, можно будет вычислить положение (как говорят физики, координаты) и скорость шарика во все последующие моменты. Чтобы описать движение тела сложной формы, надо знать побольше, и на практике такие расчеты могут оказаться очень трудоемкими не только для человека, но и для суперкомпьютера, но это уже дело техники.
Ньютоновская механика имеет дело только с теми движениями, которые задаются координатами тел и их скоростями. При этом она принимает без доказательств, что все эти величины можно одновременно измерить с любой точностью — во всяком случае, в принципе. Именно это допущение позволяет считать, что тело в любой момент находится в определенном месте в пространстве и при этом имеет определенную скорость. Если от него отказаться, уравнения ньютоновской механики не только потеряют силу, но и станут бессмысленными. Это легко понять — ведь координаты и скорости фигурируют в них на равных правах и в сочетании друг с другом.
МЕРА ЗА МЕРУ
Теперь подумаем, как на практике выполнить такие измерения. Предположим, мы следим за самолетом с помощью радиолокатора. Импульсы радиоволн отражаются от корпуса машины, и прибор выдает на дисплее ее координаты и скорость. При отражении каждый импульс передает самолету часть своей энергии и тем самым чуть-чуть меняет его скорость. Однако кинетическая энергия самолета настолько превышает энергию облучения, что эти изменения никак себя не оказывают и могут считаться нулевыми. Это и дает основания утверждать, что наш прибор одновременно отслеживает и путь, и скорость самолета. То же самое происходит и при любых измерениях движения крупных (как говорят физики, макроскопических тел) посредством радиоволн, света или чего-то еще. Даже просто «на глазок» прикинуть расстояние до соседней машины на шоссе можно только потому, что она отражает свет — иначе мы бы ее просто не увидели. Это же относится и к оценке ее скорости.
Но вот можно ли таким же путем одновременно измерить координаты и скорость микрочастицы — скажем, электрона? Электроны несут электрические заряды и потому рассеивают электромагнитные волны, в том числе и свет. Следовательно, электрон в принципе можно отловить, поймав отраженный от него электромагнитный импульс. Однако его положение в пространстве нам удастся определить только с погрешностью, величина которой примерно равна длине волны излучения, которое мы использовали в нашем локаторе. Для повышения точности эту длину надо уменьшать, переходя от видимого света к ультрафиолету, потом к рентгеновским лучам, потом к гамма-излучению. Чтобы измерить скорость электрона, такую локацию надо выполнить как минимум дважды, причем через короткий промежуток времени.
Теперь мы подошли к главному — к моменту истины. Как уже говорилось, электромагнитный импульс передает часть своей энергии объекту, на котором он рассеивается. После отражения импульса кинетическая энергия электрона изменится, а потому изменится и его скорость. Электрон может ускориться, затормозиться или повернуть, но в любом случае его движение не будет прежним. Этого не произойдет лишь в том случае, если мы все время будем обстреливать электрон только такими импульсами, чья энергия практически равна нулю по сравнению с его собственной. Как только что говорилось, для достижения все большей точности в измерении координат надо раз за разом уменьшать длину волны, на которой работает наш воображаемый локатор (то есть увеличивать частоты). Можно ли это сделать, сохраняя энергию импульсов на сколь угодно малом уровне?
Если бы кому-то пришло в голову задать такой вопрос сразу после открытия электрона в 1897 году, ответ мог бы быть только положительным. Тогда считалось, что энергия электромагнитной волны может быть как угодно малой при любой длины волны. Но уже через три года было доказано, что Природа такой свободы не допускает.
НАКОНЕЦ-ТО КВАНТЫ!
Этим важнейшим открытием наука обязана немецкому физику-теоретику Максу Планку. В то время физиков очень интересовало тепловое излучение нагретых тел (скажем, утюга или раскаленной нити электрической лампочки). На этот счет было выполнено много экспериментов, однако их результаты никак не удавалось свести к одной формуле. В 1900 году Планк показал, что такую формулу можно получить, если предположить, что тепловое излучение испускается и поглощается отдельными пакетами, а вовсе не непрерывно. Энергия каждого пакета равна частоте излучения, умноженной на новую физическую константу, которую назвали постоянной Планка.
Новая теория радикально расходилась с тогдашними представлениями о природе электромагнитных волн (а тепловое излучение — это просто его разновидность). Все волновые процессы считались абсолютно непрерывными. По Планку же получалось, что это свойство относится разве что к уже родившимся волнам, которые распространяются в пространстве. Процессы испускания и поглощения волн, напротив, могут осуществляться только порционно (как говорят физики, дискретно). В общем, если электромагнитное излучение — это море, то черпать из него (или добавлять в него) воду можно только кружками определенной вместимости.
Следующий шаг через пять лет сделал Альберт Эйнштейн в своей теории фотоэффекта. Так называется процесс, в ходе которого свет выбивает электроны с поверхности различных веществ. Это явление в 1887 году открыл Генрих Герц — он же первооткрыватель электромагнитных волн. В начале двадцатого века было установлено, что энергия вылетающих электронов растет вместе с частотой падающего излучения. Чтобы объяснить этот результат, Эйнштейн допустил, что планковские энергетичсеские пакеты сохраняются и при распространении света. Световой поток оказался вовсе не непрерывным, он распадается на отдельные «зерна», которые Эйнштейн назвал световыми квантами (латинское слово «кванта» означает «количество»). Так в языке физики появился термин, который в будущем дал название новой механике.
Вернемся к мысленному эксперименту с измерением движения электрона. Как говорилось, мы можем уточнять его позицию, обстреливая электрон световыми импульсами все меньшей длины волны. Это означает, что для локации электрона придется использовать кванты все большей частоты, а следовательно, энергии. Встреча с каждым таким квантом будет все сильнее менять его скорость. А для сколько-нибудь точного измерения скорости придется использовать свет очень малых частот, состоящий из квантов почти нулевой энергии. Уменьшение частоты означает рост длины волны, так что позицию электрона мы будем измерять со все большей погрешностью.
К чему же мы пришли? Мы предположили, что электрону в любой момент можно приписать и определенное положение в пространстве, и определенную скорость. Однако наш мысленный эксперимент показал, что квантовая структура света не позволяет одновременно измерить и то, и другое. Это принципиальный запрет, он не зависит от устройства и качества измерительных приборов. Чем точнее мы определяем положение электрона, тем сильнее меняем его скорость, в то время как точное измерение скорости делает невозможным измерение позиции. Однако физика не имеет дела с воображаемыми вещами, это опытная наука. Поэтому наше первоначальное допущение о наличии у электрона пространственных координат и скорости не имеет физического смысла и должно быть отброшено. Выражаясь иначе электрон не может одновременно иметь и определенную скорость, и определенное положение в пространстве. Выходит, что для описания движения электрона ньютоновская теория не годится. Здесь нужна совсем другая механика, учитывающая квантовую природу света.
Эти рассуждения могли бы придти в голову какому-нибудь физику сразу после появления эйнштейновской теории фотоэффекта. До них мог додуматься сам Эйнштейн, который очень любил мысленные эксперименты и замечательно умел ими пользоваться (именно с их помощью он создал свою теорию относительности). Однако этого не случилось, и рождения новой механики пришлось ждать еще двадцать лет.
Вторая часть выложена здесь.
scientificrussia.ru
7.1. Что изучает квантовая физика?
В. Вайскопф писал, что квантовая теория представляет такой плод человеческой мысли, который более всякого другого научного достижения углубил и расширил наше понимание мира.
Прежде всего, квантовая физика – это теория, описывающая свойства материи на уровне микроявлений. Она исследует законы движения квантовых объектов, которые также называют
микрообъектами.
Понятие микрообъекта является одним из основных в квантовой физике. К ним относятся молекулы, атомы, атомные ядра, элементарные частицы. Их характерная особенность – очень маленькие размеры – 10¡8 см и меньше. К наиболее важным характеристикам микрообъектов относятмассу покоя иэлектрический заряд. Масса электронаme = 9; 1¢ 10¡28 г, протон имеет массу 1836me, нейтрон – 1839me, мюон – 207me. Фотон и нейтрино не имеют массы покоя – она равна нулю. Величина электрического заряда любого микрообъекта кратна величине заряда электрона, равного 1; 6¢ 10¡19 Кл. Наряду с заряженными существуют нейтральные микрообъекты, заряд которых равен нулю. Электрический заряд сложного микрообъекта равен алгебраической сумме зарядов составляющих его частиц. Одной из важнейших специфических характеристик микрообъектов считаетсяспин (от английского слова “вращаться”). Хотя спин интерпретируется как момент импульса микрообъекта, не связанный с его движением как целого, неуничтожаемый и не зависящий от внешних условий, но нельзя представлять его как вращающийся волчок. Он имеет чисто квантовую природу – аналогов в классической физике ему нет. Наличие спина вносит существенные особенности в поведение объектов микромира.
Большинство микрообъектов являются нестабильными – онисамопроизвольно, безкаких-либовоздействий со стороныраспадаются, превращаясь в другие, в том числе и элементарные, частицы. Нестабильность – этоспецифическое, но не обязательное свойство микрообъектов. Наряду с нестабильными, существуют и
стабильные микрообъекты: фотон, электрон, протон, нейтрино, стабильные атомные ядра, атомы и молекулы в основном состоянии.
studfiles.net
это что? Что такое квантовая физика?
От греческого «фюзис» происходит слово «физика». Это означает «природа». Аристотель, живший в четвертом веке до нашей эры, впервые ввел данное понятие.
«Русской» физика стала с подачи М. В. Ломоносова, когда он перевел первый учебник с немецкого языка.
Наука физика
Физика — это одна из основных наук о природе. В мире вокруг постоянно происходят различные процессы, изменения, то есть явления.
Например, кусочек льда в теплом месте начнет таять. А вода в чайнике на огне закипает. Электрический ток, пропущенный по проволоке, нагреет ее и даже раскалит. Каждый из этих процессов — явление. В физике это механические, магнитные, электрические, звуковые, тепловые и световые изменения, изучающиеся наукой. Они еще называются физическими явлениями. Рассматривая их, ученые выводят законы.
Задача науки состоит в открытии этих законов и их исследовании. Природу изучают такие науки, как биология, география, химия и астрономия. Все они применяют физические законы.
Термины
Помимо обычных в физике используют и специальные слова, называющиеся терминами. Это «энергия» (в физике это мера разных форм взаимодействия и движения материи, а также перехода из одной в другую), «сила» (мера интенсивности влияния других тел и полей на какое-либо тело) и многие другие. Часть из них постепенно вошла в разговорную речь.
Например, используя слово «энергия» в повседневной жизни применительно к человеку, мы можем оценивать последствия его действий, но энергия в физике — это мера изучения множеством разных способов.
Все тела в физике называют физическими. Они имеют объем и форму. Состоят из веществ, которые, в свою очередь, являются одними из видов материи — это все существующее во Вселенной.
Опыты
Многое из того, что знают люди, было получено в ходе наблюдений. Чтобы изучить явления, их постоянно наблюдают.
Возьмем, например, падение на землю различных тел. Необходимо выяснить, отличается ли это явление при падении тел неодинаковой массы, разной высоте и так далее. Ждать и наблюдать за разными телами было бы очень долго и далеко не всегда успешно. Поэтому для подобных целей проводят опыты. Они отличаются от наблюдений, так как их специально реализуют по заранее составленному плану и с определенными целями. Обычно в плане строят какие-либо догадки предварительно, то есть выдвигают гипотезы. Таким образом, в ходе проведения опытов они будут опровергаться или подтверждаться. После обдумывания и объяснения результатов опытов делаются выводы. Так получаются научные знания.
Величины и единицы их измерения
Часто, изучая какие-либо физические явления, выполняют разные измерения. При падении тела, к примеру, измеряют высоту, массу, скорость и время. Все это является физическими величинами, то есть тем, что можно измерить.
Измерение величины означает сравнение ее с такой же величиной, которая принимается за единицу (длина стола сравнивается с единицей длины — метром или другой). Каждая такая величина имеет свои единицы.
Во всех странах стараются пользоваться едиными единицами. В России, как и в других государствах, используется Международная система единиц СИ (что означает "система интернациональная"). В ней приняты следующие единицы:
- длина (характеристика протяженности линий в числовом выражении) — метр;
- время (протекание процессов, условие возможного изменения) — секунда;
- масса (это в физике характеристика, определяющая инертные и гравитационные свойства материи) — килограмм.
Часто бывает необходимо применять единицы, намного превышающие общепринятые по величине — кратные. Их называют с соответствующими приставками из греческого: «дека», «гекто», «кило» и так далее.
Единицы, которые меньшие принятых, называются дольными. К ним применяются приставки из латинского языка: «деци», «санти», «милли» и так далее.
Приборы для измерений
Чтобы проводить опыты, нужны приборы. Простейшими из них являются линейка, цилиндр, рулетка и другие. С развитием науки совершенствуются, усложняются и появляются новые приборы: вольтметры, термометры, секундомеры и другие.
В основном приборы имеют шкалу, то есть штриховые деления, на которых написаны значения. Перед измерением определяют цену деления:
- берут два штриха шкалы со значениями;
- из большего вычитают меньшее, а полученное число делят на число делений, которые находятся между.
Например, два штриха со значениями "двадцать" и "тридцать", расстояние между которыми разделено на десять промежутков. В этом случае цена деления будет равна единице.
Точные измерения и с погрешностью
Измерения выполняются более или менее точно. Допускаемая неточность называется погрешностью. При измерении она не может быть больше цены деления прибора для измерений.
Точность зависит от цены деления и правильного использования прибора. Но в итоге в любом измерении получаются только приблизительные значения.
Теоретическая и экспериментальная физика
Это главные ветви науки. Может казаться, что они очень далеки друг от друга, тем более что большинство людей являются или теоретиками, или экспериментаторами. Однако они развиваются постоянно бок о бок. Любую проблему рассматривают и теоретики, и экспериментаторы. Делом первых является описание данных и выведение гипотез, а вторые проверяют теории на практике, проводя эксперименты и получая новые данные. Иногда достижения вызываются лишь экспериментами, без описываемых теорий. В других случаях, наоборот, удается получить результаты, которые проверяются позже.
Квантовая физика
Это направление зародилось в конце 1900 года, когда была открыта новая физическая фундаментальная константа, получившая название постоянной Планка в честь немецкого физика, ее открывшего, - Макса Планка. Он решил проблему спектрального распределения света, который излучают нагретые тела, в то время как классическая общая физика этого сделать не смогла. Планк высказал гипотезу о квантовой энергии осциллятора, которая была несовместима с классической физикой. Благодаря ей многие физики стали пересматривать старые понятия, изменять их, в результате чего возникла квантовая физика. Это совершенно новое представление о мире.
Феномен человеческого сознания с точки зрения квантовой механики не является совсем новым. Основа его была заложена еще Юнгом и Паули. Но лишь сейчас, со становлением этого нового направления науки, феномен стал рассматриваться и изучаться более масштабно.
Квантовый мир многолик и многомерен, в нем есть множество классических лиц и проекций.
Двумя основными свойствами в рамках предложенной концепции являются сверхинтуиция (то есть получение как бы ниоткуда информации) и управление субъективной реальностью. В обычном сознании человек может видеть лишь одну картину мира и не способен рассмотреть две сразу. Тогда как в реальности существует их огромное количество. Все это в совокупности и есть квантовый мир и свет.
Это физика квантовая учит видеть новую для человека реальность (хотя многие восточные религии, а также маги давно владеют такой техникой). Необходимо лишь поменять человеческое сознание. Теперь человек неотделим от всего мира, но во внимание принимаются интересы всего живого и сущего.
Именно тогда, погружаясь в состояние, где он способен увидеть все альтернативы, ему приходит озарение, являющееся абсолютной истиной.
Принцип жизни с точки зрения квантовой физики заключается для человека в том, чтобы он, помимо всего прочего, внес свой вклад в лучшее мироустройство.
fb.ru
Квантовая физика - это... Что такое Квантовая физика?
Ква́нтовая фи́зика — раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения. Основные законы квантовой физики изучаются в рамках квантовой механики и квантовой теории поля и применяются в других разделах физики.
История
Квантовая физика и её основные теории — квантовая механика, квантовая теория поля — были созданы в первой половине XX века многими учёными, среди которых Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Артур Комптон, Луи де Бройль, Нильс Бор, Эрвин Шрёдингер, Поль Дирак, Вольфганг Паули.
Подразделы
Квантовая физика объединяет несколько разделов физики, в которых принципиальную роль играют явления квантовой механики и квантовой теории поля, проявляющиеся на уровне микромира, но и имеющие следствия на уровне макромира.
Сюда относятся:См. также
Ссылки
Разделы квантовой физикиКатегория:
- Квантовая физика
Wikimedia Foundation. 2010.
- Оптика
- Специальная теория относительности
Смотреть что такое "Квантовая физика" в других словарях:
квантовая физика — kvantinė fizika statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. quantum physics vok. Quantenphysik, f rus. квантовая физика, f pranc. physique quantique, f … Fizikos terminų žodynas
Стационарное состояние (квантовая физика) — У этого термина существуют и другие значения, см. Стационарное состояние. Стационарным состоянием (от лат. stationarius стоящий на месте, неподвижный) называется состояние квантовой системы, при котором её энергия и другие динамические … Википедия
Состояние (квантовая физика) — … Википедия
Квантовая теория — имеет следующие подразделы (список неполный): Квантовая механика Алгебраическая квантовая теория Квантовая теория поля Квантовая электродинамика Квантовая хромодинамика Квантовая термодинамика Квантовая гравитация Теория суперструн См. также… … Википедия
Квантовая система — Квантовая механика Принцип неопределённости Введение ... Математическая формулировка ... Основа … Википедия
ФИЗИКА. — ФИЗИКА. 1. Предмет и структура физики Ф. наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиб. общие свойства и законы движения окружающих нас объектов материального мира. Вследствие этой общности не существует явлений природы, не имеющих физ. свойств … Физическая энциклопедия
Физика гиперядер — Физика гиперядер раздел физики на стыке ядерной физики и физики элементарных частиц, в котором предметом исследования выступают ядроподобные системы, содержащие кроме протонов и нейтронов другие элементарные частицы гипероны. Также… … Википедия
Физика ускорителей — раздел физики, изучающий динамику частиц в ускорителях, а также многочисленные технические задачи, связанные с сооружением и эксплуатацией ускорителей частиц. Физика ускорителей включает в себя вопросы, связанные с получением и накоплением частиц … Википедия
Физика твердого тела — Физика кристаллов Кристалл кристаллография Кристаллическая решётка Типы кристаллических решёток Дифракция в кристаллах Обратная решётка Ячейка Вигнера Зейтца Зона Бриллюэна Структурный фактор базиса Атомный фактор рассеяния Типы связей в… … Википедия
Квантовая логика — Квантовая логика раздел логики, необходимый для рассуждения о предложениях, которые учитывают принципы квантовой теории. Эта область исследований была основана в 1936 году работой Гарита Бирхофа и Джона фон Неймана, которые пытались… … Википедия
Книги
- Квантовая физика, Леонид Мартинсон. Подробно изложен теоретический и экспериментальный материал, лежащий в основе квантовой физики. Большое внимание уделено физическому содержанию основных квантовых понятий и математическому… Подробнее Купить за 590 руб электронная книга
- Квантовая физика, Мартинсон Леонид Карлович, Смирнов Евгений Васильевич. Подробно изложен теоретический и экспериментальный материал, лежащий в основе квантовой физики. Большое внимание уделено физическому содержанию основных квантовых понятий и математическому… Подробнее Купить за 536 руб
- Квантовая физика, Мартинсон Л.К.. Подробно изложен теоретический и экспериментальный материал, лежащий в основе квантовой физики. Большое внимание уделено физическому содержанию основных квантовых понятий и математическому… Подробнее Купить за 505 руб
dic.academic.ru
