| Главная|Системная классификация|Поиск | Вход |
Системная классификация археологической науки
| Фрагменты|Понятия|Граф|Поиск |
Просмотр понятия
| Квантовая физика | Квантовая физика является одной из многих теорий современой физики. Она была сформулирована во второй половине 20-ого века и описывает поведение материи и энергии в мелком масштабе.
Квантовая механика простыми словами Фи́зика а́томов и моле́кул - раздел физики, изучающий поведение и свойства одного или нескольких атомов или молекул. Как и для многих других задач нескольких тел, особенность этой области физики состоит в том, что, с одной стороны, количество частиц уже достаточно велико, так что точные решения уравнений получить уже не удаётся. С другой стороны, количество частиц всё же не настолько велико, чтобы можно было пользоваться методами статистической физики. В результате приходится придумывать новые подходы специально для таких систем. Среди основных направлений исследований: физика атомных кластеров физика сложных молекул физика ридберговских атомов - высоковозбуждённых состояний атомов атомы и молекулы при сверхнизких температурах и бозе-эйнштейновская конденсация Зачем нужна новая теория Эксперименты, проводимые на уровне микромира, говорят о том, что электроны и другие неделимые элементарные частицы ведут себя не как точки, а скорее как небольшие <облачка>. Правда, каждое такое <облачко> обладает поразительным свойством - неделимостью. Электрон - несмотря на то, что его облачко имеет какой-то вполне конечный размер - нельзя разбить на кусочки. То есть, при попытке экспериментально выяснить, где именно находится электрон, мы получим ответ не в виде <часть электрона тут, часть электрона там>, а в виде <весь электрон, целиком, находится или тут, или там, или здесь>. Электрон находится сразу везде (правда, в большинстве случаев он <предпочитает> жить лишь в небольшом объёме пространства). Подчеркнём: это экспериментальный факт, это надёжно установленное свойство нашего мира. Итак, сформулируем первое важнейшее свойство квантовой механики, вероятностное описание микрочастиц: электрон можно зарегистрировать только целиком, но зато в любой области пространства (с какой-то определённой вероятностью). Даже если нам известно абсолютно всё о состоянии электрона, мы всё равно не можем предсказать точный результат какого-либо конкретного эксперимента по определению положения электрона. Мы можем лишь сказать, к какому распределению будут стремиться результаты при многократном повторе эксперимента. Это свойство сразу рушит все попытки применить к микрочастицам обычную ньютоновскую механику. Действительно, вся механика строится на понятии координаты материальной точки и более сложных механических систем и на её зависимости от времени, т.е. траектории. В случае микрочастиц выясняется, что понятие чётко определённой координаты и траектории для них отсутствует. Таким образом, обычная механика неприменима к описанию микрочастиц, ей просто не с чем работать. Именно поэтому приходится формулировать новую физическую теорию - квантовую механику. Как она строится см. ниже. Ровно так же, как это было с координатой электрона, его скорость также не фиксирована, и если у нас есть прибор, измеряющий скорость электрона, то он, при идентичном повторении эксперимента, будет показывать различные значения (с какой-либо вероятностью). Предсказать результат каждого конкретного эксперимента нельзя, и квантовая механика может лишь сказать, к какому распределению по скоростям будут стремиться результаты многократных идентичных экспериментов. [править] Соотношение неопределённостей Другим необычным свойством электронного <облачка> является его неподдатливость. Если мы со всех сторон начнём сдавливать это облачко, стремясь уменьшить его размеры, то оно станет оказывать всё большее и большее давление. И каковы бы ни были <тиски>, сдавливающие электрон, рано или поздно электрон вырвется их них. Можно представить себе этот процесс, словно электрон начинает метаться по облачку, и чем меньше его размеры, тем сильнее он мечется, т.е. тем больше его кинетическая энергия. Мы приходим к выводу: если мы пытаемся насильно избавить электрон от неопределённости в координате, то мы неизбежно увеличиваем неопределённость в импульсе электрона. Оказывается, произведение этих двух неопределённостей никогда не бывает меньше конкретной величины, постоянной Планка. Это соотношение называется соотношением неопределённостей. Аналогичные соотношения неопределённостей связывают и некоторые другие характеристики микрочастицы. Такие характеристики частицы называются дополнительными друг к другу. Общее словесное описание этого закона таково: улучшая наше знание о какой-либо одной характеристике частицы, мы ухудшаем наше знание о дополнительных её характеристиках. Важно понимать, что такое <квантовое дрожание> (чаще говорят, нулевые колебания) локализованной микроскопической частицы неустранимо, и именно оно приводит к некоторым чисто квантовым явлениям. Например, даже при нулевой температуре, когда, согласно классической механике, никакого движения не должно быть, нулевые колебания по-прежнему остаются. Именно из-за этого жидкий гелий не затвердевает при нормальном давлении даже при нулевой температуре. [править] Наблюдение микрочастиц Предыдущее свойство сразу же меняет понятие наблюдения за микрочастицей. Действительно, наблюдение - это процесс взаимодействия объекта с прибором, в результате которого на выходе прибора появляется какой-то определённый сигнал. Но всякое взаимодействие, а значит, и просто наблюдение, само по себе возмущает наблюдаемый объект, изменяет его свойства. И важно, что это возмущение нельзя сделать пренебрежимо малым. Итак, при измерении какого-либо свойства частицы, и даже просто при её наблюдении, исходное состояние частицы, как правило, разрушается. Можно сказать, что какое-либо определённое квантовое состояние частицы - невероятно <хрупкая> вещь. Это важное свойство используется в квантовой телепортации и квантовой криптографии. [править] Квантование Следующим важным свойством микрочастицы является тот факт, что она не всегда может находиться в произвольном состоянии. В частности, если она удерживается какими-либо силами в более-менее локализованном состоянии (т.е. <не убегает на бесконечность>), то состояния частицы оказываются квантованными: т.е. частица может обладать только определённым дискретным набором энергий в поле связывающих сил. Это кардинально отличается от классической механики: в ней частица может обладать непрерывным набором энергий. С практической точки зрения, самым важным следствием этого является линейчатый (а не непрерывный) спектр излучения и поглощения атомов. [править] Математические основания квантовой механики Математический аппарат квантовой механики - теория гильбертовых пространств и действующих в них операторов. Состояние изолированной квантовой системы - это вектор в гильбертовом пространстве, причем постулируется, что задание вектора состояния - это суть задание полной информации о квантовой системе. Наблюдаемым физическим величинам соответствуют определенные эрмитовые операторы в этом пространстве, а результатам измерения соответствующей физической величины отвечают средние значения этих операторов по заданному вектору состояний. Эволюция квантовой системы со временем также определяется с помощью оператора эволюции, который, в свою очередь, выражается через гамильтониан системы. В некоторых ситуациях, структура этого пространства и действующих в нём операторов выглядит существенно проще не в абстрактном виде, а в каком-либо представлении. Так, курсы квантовой механики стандартно начинаются с координатного представления, в котором вместо вектора состояния используется его разложение по базису координатного представления, т.е. волновая функция. Уравнение эволюции во времени в этом случае имеет вид дифференциального уравнения в частных производных и называется уравнением Шрёдингера. Подчеркнём, что какой бы громоздкой ни казалась эта конструкция, она - единственная известная на сегодня теория, способная описать экспериментально наблюдаемое поведение микроскопических частиц. [править] Разделы квантовой механики В стандартных курсах квантовой механики изучаются следующие разделы математическая основа квантовой механики и теория представлений точные решения одномерного стационарного уравнения Шрёдингера для различных потенциалов приближённые методы (квазиклассическое приближение, теория возмущений и т.д.) нестационарные явления уравнение Шрёдингера в трёхмерном случае и теория углового момента теория спина тождественность частиц строение атомов и молекул рассеяние частиц [править] Комментарии Обычно квантовая механика формулируется для нерелятивистских систем. Попытка рассмотрения релятивистских частиц в рамках стандартного квантовомеханического подхода наталкивается на трудности, связанные с возможностью порождать новые частицы <из ничего>. Эти трудности устраняются в квантовой теории поля, которая и является самосогласованной теорией релятивистских квантовых систем. Важным свойством квантовой механики является принцип соответствия: в рамках квантовой механики доказывается, что в пределе больших энергий (квазиклассический предел) и в случае, когда квантовая система взаимодействует с внешним миром (декогеренция), уравнения квантовой механики редуцируются в уравнения классической физики. Таким образом, квантовая механика не противоречит классической физике, а лишь дополняет ее на микроскопических масштабах. Некоторые свойства квантовых систем кажутся нам непривычными (невозможность одновременно измерить координату и импульс, несуществование траектории частицы, вероятностное описание, дискретность наблюдаемых величин). Это вовсе не значит, что они неверны: это означает, что наша повседневная интуиция никогда не сталкивалась с таким поведением, т.е. в данном случае <здравый смысл> не может быть критерием, поскольку он годится только для макроскопических систем. Квантовая механика - самосогласованная математическая теория, предсказания которой согласуются с экспериментами. В настоящее время огромное число приборов, используемых в повседневной жизни, основываются на законах квантовой механики. Важно понимать, что квантовая механика не выводится из классической. Квантовая механика - это теория, построенная <с нуля>, только при построении ее требуется контролировать принцип соответствия. Грубо говоря, <квантование системы> - это не дополнительное видоизменение классических уравнений движения, а совершенно новый взгляд на систему. Впрочем, неоднократно делались попытки вывести квантовую механику из какой-то более глубокой, и, возможно, более простой, теории, т.е. понять, почему законы квантовой механики именно такие, а не другие. К этим попыткам можно отнести можно отнести множество интерпретаций квантовой механики. Строго говоря, в настоящее время нет какой-либо одной общепринятой интерпретации квантовой механики. Консервативно настроенные физики предпочитают считать, что вопросы, связанные с интерпретацией квантовой механики, выходят за рамки физики. |