هیچ کس در این دنیا نمی داند مکانیک کوانتومی چیست. این شاید مهمترین چیزی است که باید در مورد او بدانید. البته بسیاری از فیزیکدانان یاد گرفته اند که از قوانین استفاده کنند و حتی پدیده ها را بر اساس محاسبات کوانتومی پیش بینی کنند. اما هنوز مشخص نیست که چرا ناظر آزمایش رفتار سیستم را تعیین می کند و آن را مجبور به گرفتن یکی از دو حالت می کند.

در اینجا چند نمونه از آزمایشات با نتایجی که به ناچار تحت تأثیر ناظر تغییر خواهند کرد، آورده شده است. آنها نشان می دهند که مکانیک کوانتومی عملاً با مداخله تفکر آگاهانه در واقعیت مادی سروکار دارد.

امروزه تفاسیر زیادی از مکانیک کوانتومی وجود دارد، اما تفسیر کپنهاگ شاید بهترین شناخته شده باشد. در دهه 1920، اصول کلی آن توسط نیلز بور و ورنر هایزنبرگ تدوین شد.

اساس تفسیر کپنهاگ تابع موج بود. این یک تابع ریاضی است که حاوی اطلاعاتی در مورد تمام حالت های ممکن یک سیستم کوانتومی است که در آن به طور همزمان وجود دارد. بر اساس تفسیر کپنهاگ، وضعیت یک سیستم و موقعیت آن نسبت به حالت های دیگر تنها با مشاهده قابل تعیین است (از تابع موج فقط برای محاسبه ریاضی احتمال قرار گرفتن سیستم در یک حالت یا حالت دیگر استفاده می شود).

می توان گفت که پس از مشاهده، یک سیستم کوانتومی کلاسیک می شود و بلافاصله در حالت هایی غیر از حالتی که در آن مشاهده شده، وجود خود را از دست می دهد. این نتیجه‌گیری مخالفان خود را پیدا کرد (به یاد بیاورید «خدا تاس بازی نمی‌کند» انیشتین را به یاد بیاورید)، اما دقت محاسبات و پیش‌بینی‌ها همچنان خاص خود را داشت.

با این وجود، تعداد حامیان تفسیر کپنهاگ در حال کاهش است و دلیل اصلی این امر، سقوط آنی مرموز تابع موج در طول آزمایش است. آزمایش فکری معروف اروین شرودینگر با یک گربه فقیر باید پوچ بودن این پدیده را نشان دهد. بیایید جزئیات را به خاطر بسپاریم.

درون جعبه سیاه یک گربه سیاه و همراه با آن یک شیشه سم و مکانیزمی که می تواند سم را به طور تصادفی آزاد کند، قرار دارد. به عنوان مثال، یک اتم رادیواکتیو در طول واپاشی می تواند یک حباب را بشکند. زمان دقیق فروپاشی اتم مشخص نیست. فقط نیمه عمر مشخص است که در طی آن پوسیدگی با احتمال 50٪ رخ می دهد.

بدیهی است که برای یک ناظر خارجی، گربه در داخل جعبه در دو حالت است: اگر همه چیز خوب پیش رفت، یا زنده است، یا اگر پوسیدگی رخ داده باشد و ویال شکسته باشد. هر دوی این حالت ها با عملکرد موج گربه توصیف می شوند که در طول زمان تغییر می کند.

هر چه زمان بیشتر می گذرد، احتمال آن بیشتر می شود تجزیه رادیواکتیواتفاق افتاد اما به محض باز کردن جعبه، تابع موج فرو می ریزد و بلافاصله نتایج این آزمایش غیر انسانی را می بینیم.

در واقع، تا زمانی که ناظر جعبه را باز نکند، گربه بی‌پایان بین مرگ و زندگی تعادل برقرار می‌کند یا هم زنده و هم مرده است. سرنوشت آن را فقط می توان در نتیجه اقدامات ناظر تعیین کرد. شرودینگر به این پوچی اشاره کرد.

بر اساس نظرسنجی از فیزیکدانان معروف انجام شده توسط جدید یورک تایمز، آزمایش پراش الکترون یکی از شگفت انگیزترین مطالعات در تاریخ علم است. ماهیت آن چیست؟ منبعی وجود دارد که پرتوی از الکترون ها را روی صفحه حساس به نور منتشر می کند. و مانعی بر سر راه این الکترون ها وجود دارد، یک صفحه مسی با دو شیار.

اگر الکترون ها معمولاً به صورت توپ های باردار کوچک برای ما نمایش داده شوند، چه تصویری را می توانیم روی صفحه نمایش انتظار داشته باشیم؟ دو نوار در مقابل شکاف های صفحه مسی. اما در واقع، الگوی بسیار پیچیده تری از نوارهای سفید و سیاه متناوب روی صفحه ظاهر می شود. این به این دلیل است که هنگام عبور از شکاف، الکترون ها نه تنها به عنوان ذرات، بلکه به صورت امواج نیز شروع به رفتار می کنند (فوتون ها یا سایر ذرات نوری که در همان زمان می توانند موج باشند به همان شیوه رفتار می کنند).

این امواج در فضا برهم کنش دارند و با هم برخورد می کنند و یکدیگر را تقویت می کنند و در نتیجه الگوی پیچیده ای از نوارهای روشن و تاریک متناوب روی صفحه نمایش داده می شود. در عین حال، نتیجه این آزمایش تغییر نمی کند، حتی اگر الکترون ها یکی یکی عبور کنند - حتی یک ذره می تواند موج باشد و همزمان از دو شکاف عبور کند. این فرضیه یکی از اصلی ترین موارد در تفسیر کپنهاگی از مکانیک کوانتومی بود، زمانی که ذرات می توانند به طور همزمان "معمولی" خود را نشان دهند. مشخصات فیزیکیو خواص عجیب و غریب مانند موج.

اما ناظر چطور؟ اوست که این داستان گیج کننده را بیشتر گیج کننده می کند. هنگامی که فیزیکدانان در آزمایش‌هایی مانند این سعی کردند از ابزارهایی برای تعیین اینکه یک الکترون واقعاً از کدام شکاف عبور می‌کند استفاده کنند، تصویر روی صفحه به‌طور چشمگیری تغییر کرد و «کلاسیک» شد: با دو بخش نورانی دقیقاً در مقابل شکاف‌ها، بدون هیچ گونه نوار متناوب.

به نظر می‌رسید که الکترون‌ها تمایلی به نشان دادن ماهیت موجی خود برای چشمان بیدار تماشاگران ندارند. به نظر می رسد رازی که در تاریکی پوشیده شده است. اما یک توضیح ساده تر وجود دارد: مشاهده سیستم بدون تأثیر فیزیکی بر روی آن انجام نمی شود. بعداً در این مورد بحث خواهیم کرد.

2. فولرن های گرم شده

آزمایش‌های مربوط به پراش ذرات نه تنها با الکترون‌ها، بلکه با اجسام بسیار بزرگ‌تر نیز انجام شد. به عنوان مثال، فولرن ها، مولکول های بزرگ و بسته ای که از چند ده اتم کربن تشکیل شده بودند، استفاده شد. اخیراً گروهی از دانشمندان دانشگاه وین به سرپرستی پروفسور زایلینگر سعی کردند عنصری از مشاهده را در این آزمایشات بگنجانند. برای این کار، مولکول های فولرن متحرک را با پرتوهای لیزر تابش کردند. سپس، با گرم شدن توسط یک منبع خارجی، مولکول ها شروع به درخشش کردند و به ناچار حضور خود را به ناظر منعکس کردند.

همراه با این نوآوری، رفتار مولکول ها نیز تغییر کرده است. قبل از چنین مشاهدات جامعی، فولرن‌ها با موفقیت از مانعی اجتناب کردند (خواص موجی را نشان می‌دهند)، مشابه مثال قبلی با برخورد الکترون‌ها به صفحه. اما با حضور یک ناظر، فولرن ها مانند ذرات فیزیکی کاملاً قانونمند رفتار کردند.

3. اندازه گیری خنک کننده

یکی از معروف ترین قوانین در دنیای فیزیک کوانتومی اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است که بر اساس آن نمی توان سرعت و موقعیت یک جسم کوانتومی را همزمان تعیین کرد. هرچه تکانه یک ذره را با دقت بیشتری اندازه گیری کنیم، با دقت کمتری می توانیم موقعیت آن را اندازه گیری کنیم. با این حال، در دنیای واقعی ماکروسکوپی ما، اعتبار قوانین کوانتومی که روی ذرات کوچک عمل می‌کنند معمولاً مورد توجه قرار نمی‌گیرد.

آزمایشات اخیر پروفسور شواب از ایالات متحده کمک بسیار ارزشمندی در این زمینه دارد. اثرات کوانتومی در این آزمایش‌ها نه در سطح الکترون‌ها یا مولکول‌های فولرن (که قطر تقریبی 1 نانومتر دارند)، بلکه روی اجسام بزرگ‌تر، یک نوار آلومینیومی کوچک نشان داده شد. این نوار از دو طرف به گونه‌ای ثابت می‌شد که وسط آن در حالت معلق قرار می‌گرفت و تحت تأثیر خارجی می‌توانست به لرزه درآید. علاوه بر این، دستگاهی با قابلیت ضبط دقیق موقعیت نوار در نزدیکی آن قرار داده شد. در نتیجه آزمایش، چندین چیز جالب کشف شد. اولاً، هر اندازه گیری مربوط به موقعیت جسم و مشاهده نوار روی آن تأثیر می گذاشت، پس از هر اندازه گیری موقعیت نوار تغییر می کرد.

آزمایش‌کنندگان مختصات نوار را با دقت بالایی تعیین کردند و بنابراین، مطابق با اصل هایزنبرگ، سرعت آن و در نتیجه موقعیت بعدی را تغییر دادند. ثانیا، و کاملا غیر منتظره، برخی از اندازه گیری ها منجر به خنک شدن نوار شد. بنابراین ناظر می تواند تغییر کند ویژگیهای فیزیکیاشیاء با حضور صرف آنها

4. انجماد ذرات

همانطور که می دانید، ذرات رادیواکتیو ناپایدار نه تنها در آزمایش با گربه ها، بلکه خود به خود نیز تجزیه می شوند. هر ذره دارای ترم متوسطزندگی، که، همانطور که معلوم است، می تواند زیر نظر ناظر افزایش یابد. این اثر کوانتومی در دهه 60 پیش‌بینی شد و اثبات تجربی درخشان آن در مقاله‌ای منتشر شد که توسط گروهی به رهبری ولفگانگ کترل برنده جایزه نوبل فیزیک از موسسه فناوری ماساچوست منتشر شد.

در این کار، فروپاشی اتم‌های روبیدیم برانگیخته ناپایدار مورد مطالعه قرار گرفت. بلافاصله پس از آماده سازی سیستم، اتم ها با استفاده از آن برانگیخته شدند پرتو لیزر. مشاهده در دو حالت انجام شد: پیوسته (سیستم به طور مداوم در معرض پالس های نور کوچک بود) و پالسی (سیستم هر از گاهی با پالس های قوی تر تابش می شد).

نتایج به‌دست‌آمده با پیش‌بینی‌های نظری مطابقت کامل داشت. اثرات نور خارجی باعث کاهش پوسیدگی ذرات می شود و آنها را به حالت اولیه خود باز می گرداند که با حالت پوسیدگی فاصله زیادی دارد. بزرگی این اثر نیز با پیش بینی ها همزمان بود. حداکثر طول عمر اتم های روبیدیم برانگیخته ناپایدار با ضریب 30 افزایش یافت.

5. مکانیک کوانتومی و آگاهی

الکترون‌ها و فولرن‌ها خاصیت موجی خود را نشان نمی‌دهند، صفحات آلومینیومی خنک می‌شوند و ذرات ناپایدار فروپاشی آنها را کاهش می‌دهند. چشم بیدار بیننده به معنای واقعی کلمه دنیا را تغییر می دهد. چرا این نمی تواند دلیلی بر دخالت ذهن ما در کار دنیا باشد؟ شاید کارل یونگ و ولفگانگ پاولی (فیزیکدان اتریشی، برنده جایزه جایزه نوبلاز پیشگامان مکانیک کوانتومی) بالاخره درست می گفتند که قوانین فیزیک و آگاهی را باید مکمل یکدیگر دانست؟

ما یک قدم تا تشخیص این موضوع فاصله داریم که دنیای اطراف ما صرفاً محصول واهی ذهن ماست. ایده ترسناک و وسوسه انگیز است. بیایید سعی کنیم دوباره به فیزیکدانان مراجعه کنیم. به خصوص در سال های گذشتهوقتی کمتر و کمتر مردم کمتربر این باورند که تفسیر کپنهاگی از مکانیک کوانتومی با تابع موج مرموزش فرو می ریزد و به یک انسجام عادی تر و قابل اعتماد تر تبدیل می شود.

واقعیت این است که در تمام این آزمایش‌ها با مشاهدات، آزمایش‌کنندگان به ناچار روی سیستم تأثیر گذاشتند. با لیزر روشن کردند و نصب کردند ابزار اندازه گیری. آنها با یک اصل مهم متحد شدند: شما نمی توانید یک سیستم را مشاهده کنید یا ویژگی های آن را بدون تعامل با آن اندازه گیری کنید. هر فعل و انفعالی فرآیندی برای تغییر ویژگی ها است. به خصوص زمانی که یک سیستم کوانتومی کوچک در معرض اجسام کوانتومی عظیم قرار می گیرد. اصولاً برخی از ناظران بودایی بی‌طرف ابدی غیرممکن است. و در اینجا اصطلاح "decoherence" وارد بازی می شود، که از نقطه نظر ترمودینامیک غیر قابل برگشت است: خواص کوانتومی یک سیستم هنگام تعامل با یک سیستم بزرگ دیگر تغییر می کند.

در طی این برهمکنش، سیستم کوانتومی ویژگی های اصلی خود را از دست می دهد و کلاسیک می شود، گویی از یک سیستم بزرگ "اطاعت" می کند. این همچنین پارادوکس گربه شرودینگر را توضیح می دهد: گربه خیلی زیاد است سیستم بزرگبنابراین نمی توان آن را از بقیه جهان جدا کرد. طراحی این آزمایش فکری کاملاً درست نیست.

در هر صورت، اگر واقعیت عمل آفرینش توسط آگاهی را فرض کنیم، به نظر می رسد که عدم انسجام رویکرد بسیار راحت تری باشد. شاید حتی خیلی راحت. با این رویکرد، کل جهان کلاسیک به یکی از پیامدهای بزرگ عدم ​​انسجام تبدیل می شود. و همانطور که نویسنده یکی از مشهورترین کتاب های این حوزه بیان کرده است، چنین رویکردی منطقاً به جملاتی مانند "هیچ ذره ای در جهان وجود ندارد" یا "زمانی در سطح بنیادی وجود ندارد" منجر می شود.

حقیقت چیست: در پدیدآورنده- ناظر یا ناهماهنگی قدرتمند؟ ما باید بین دو بد یکی را انتخاب کنیم. با این وجود، دانشمندان به طور فزاینده ای متقاعد می شوند که اثرات کوانتومی مظاهر ما هستند فرایندهای ذهنی. و اینکه مشاهده به پایان می رسد و واقعیت آغاز می شود به هر یک از ما بستگی دارد.

اگر ناگهان متوجه شدید که اصول و فرضیه های مکانیک کوانتومی را فراموش کرده اید یا نمی دانید مکانیک چیست، وقت آن رسیده است که این اطلاعات را در حافظه خود تجدید کنید. از این گذشته، هیچ کس نمی داند مکانیک کوانتومی چه زمانی می تواند در زندگی مفید واقع شود.

بیهوده پوزخند و پوزخند می زنید و فکر می کنید که اصلاً در زندگی خود مجبور به پرداختن به این موضوع نخواهید بود. به هر حال، مکانیک کوانتومی می تواند تقریبا برای همه افراد، حتی کسانی که بی نهایت از آن دور هستند، مفید باشد. مثلاً بی خوابی دارید. برای مکانیک کوانتومی، این مشکلی نیست! قبل از رفتن به رختخواب یک کتاب درسی بخوانید - و بخوابید عمیق ترین خوابصفحه در حال حاضر تبلیغات در سوم. یا می توانید نام گروه راک جالب خود را به این ترتیب نام گذاری کنید. چرا که نه؟

به کنار شوخی، بیایید یک گفتگوی کوانتومی جدی را شروع کنیم.

از کجا شروع کنیم؟ البته از آنچه کوانتوم است.

کوانتومی

کوانتوم (از کوانتوم لاتین - "چقدر") بخش غیرقابل تقسیمی از کمیت فیزیکی است. به عنوان مثال، آنها می گویند - یک کوانتوم نور، یک کوانتوم انرژی یا یک کوانتوم میدان.

چه مفهومی داره؟ این بدان معنی است که به سادگی نمی تواند کمتر باشد. وقتی آنها می گویند که مقداری کوانتیزه شده است، می فهمند که این مقدار تعدادی مقادیر خاص و گسسته به خود می گیرد. بنابراین، انرژی یک الکترون در یک اتم کوانتیزه می شود، نور در "بخش ها"، یعنی کوانتوم، منتشر می شود.

خود اصطلاح «کوانتوم» کاربردهای زیادی دارد. یک کوانتوم نور (میدان الکترومغناطیسی) یک فوتون است. بر اساس قیاس، ذرات یا شبه ذرات متناظر با سایر زمینه های برهمکنش، کوانتا نامیده می شوند. در اینجا می‌توان بوزون معروف هیگز را به یاد آورد که کوانتومی از میدان هیگز است. اما ما هنوز به این جنگل ها صعود نکرده ایم.

مکانیک کوانتومی برای آدمک ها

چگونه مکانیک می تواند کوانتومی باشد؟

همانطور که قبلاً متوجه شدید، در گفتگوی خود بارها به ذرات اشاره کرده ایم. شاید شما به این واقعیت عادت کرده اید که نور موجی است که به سادگی با سرعتی منتشر می شود با . اما اگر از این منظر به همه چیز نگاه کنید دنیای کوانتومییعنی دنیای ذرات همه چیز غیرقابل تشخیص تغییر می کند.

مکانیک کوانتومی یک بخش است فیزیک نظری، جزء نظریه کوانتومی که توصیف می کند پدیده های فیزیکیدر ابتدایی ترین سطح، سطح ذرات.

تأثیر چنین پدیده هایی از نظر بزرگی با ثابت پلانک قابل مقایسه است و مکانیک کلاسیک و الکترودینامیک نیوتن برای توصیف آنها کاملاً نامناسب است. به عنوان مثال، با توجه به نظریه کلاسیکیک الکترون که با سرعت زیاد به دور هسته می چرخد، باید انرژی بتابد و در نهایت بر روی هسته بیفتد. همانطور که می دانید این اتفاق نمی افتد. به همین دلیل است که آنها به مکانیک کوانتومی دست یافتند - پدیده های کشف شده باید به نحوی توضیح داده شوند، و معلوم شد که دقیقاً نظریه ای است که در آن توضیح قابل قبول ترین است و همه داده های تجربی "همگرا" هستند.

راستی! برای خوانندگان ما اکنون 10٪ تخفیف در نظر گرفته شده است

کمی تاریخ

تولد نظریه کوانتومی در سال 1900 اتفاق افتاد، زمانی که ماکس پلانک در جلسه انجمن فیزیک آلمان سخنرانی کرد. آن وقت پلانک چه گفت؟ و اینکه تابش اتم ها گسسته است و کوچکترین قسمت انرژی این تابش برابر است با

جایی که h ثابت پلانک است، nu فرکانس است.

سپس آلبرت اینشتین با معرفی مفهوم "کوانتوم نور" از فرضیه پلانک برای توضیح اثر فوتوالکتریک استفاده کرد. نیلز بور وجود سطوح انرژی ساکن در یک اتم را فرض کرد و لویی دو بروگلی ایده دوگانگی موج-ذره را توسعه داد، یعنی یک ذره (جسم) نیز دارای خواص موجی است. شرودینگر و هایزنبرگ به این امر پیوستند و بنابراین، در سال 1925، اولین فرمول مکانیک کوانتومی منتشر شد. در واقع، مکانیک کوانتومی به دور از یک نظریه کامل است، در حال حاضر به طور فعال در حال توسعه است. همچنین باید در نظر گرفت که مکانیک کوانتومی با مفروضات خود قادر به توضیح همه سؤالات پیش روی خود نیست. کاملاً ممکن است که نظریه کامل تری جایگزین آن شود.

در گذار از دنیای کوانتومی به دنیای چیزهای آشنا، قوانین مکانیک کوانتومی به طور طبیعی به قوانین مکانیک کلاسیک تبدیل می‌شوند. می توان گفت که مکانیک کلاسیک مورد خاصی از مکانیک کوانتومی است، زمانی که عمل در عالم کلان آشنا و آشنا انجام می شود. در اینجا، اجسام بی سر و صدا در چارچوب های مرجع غیر اینرسی با سرعتی بسیار کمتر از سرعت نور حرکت می کنند و به طور کلی - همه چیز در اطراف آرام و قابل درک است. اگر می خواهید موقعیت بدن را در سیستم مختصات بدانید - مشکلی نیست، اگر می خواهید تکانه را اندازه گیری کنید - همیشه خوش آمدید.

مکانیک کوانتومی رویکرد کاملا متفاوتی به این سوال دارد. در آن، نتایج اندازه گیری است مقادیر فیزیکیاحتمالی هستند. این بدان معنی است که وقتی یک مقدار تغییر می کند، چندین نتیجه ممکن است که هر کدام با احتمال خاصی مطابقت دارد. بیایید مثالی بزنیم: یک سکه روی میز می چرخد. در حالی که در حال چرخش است، در حالت خاصی (سر-دم) نیست، بلکه فقط احتمال قرار گرفتن در یکی از این حالت ها را دارد.

اینجا کم کم داریم نزدیک میشیم معادله شرودینگرو اصل عدم قطعیت هایزنبرگ.

طبق افسانه، اروین شرودینگر در یک سمینار علمی در سال 1926 با گزارشی در مورد دوگانگی موج-ذره، توسط یک دانشمند ارشد مورد انتقاد قرار گرفت. شرودینگر با امتناع از گوش دادن به سخنان بزرگان، پس از این حادثه، به طور فعال درگیر توسعه معادله موج برای توصیف ذرات در چارچوب مکانیک کوانتومی شد. و او عالی عمل کرد! معادله شرودینگر (معادله اساسی مکانیک کوانتومی) به شکل زیر است:

این نوعمعادلات - معادله ثابت شرودینگر یک بعدی ساده ترین است.

در اینجا x فاصله یا مختصات ذره، m جرم ذره، E و U به ترتیب انرژی کل و پتانسیل آن هستند. راه حل این معادله تابع موج (psi) است.

تابع موج یکی دیگر از مفاهیم اساسی در مکانیک کوانتومی است. بنابراین، هر سیستم کوانتومی که در یک حالت باشد، تابع موجی دارد که این حالت را توصیف می کند.

مثلا، هنگام حل معادله ثابت شرودینگر یک بعدی، تابع موج موقعیت ذره را در فضا توصیف می کند. به طور دقیق تر، احتمال یافتن یک ذره در یک نقطه خاص از فضا.به عبارت دیگر، شرودینگر نشان داد که احتمال را می توان با یک معادله موجی توصیف کرد! موافقم، باید به این فکر می شد!

اما چرا؟ چرا باید با این احتمالات غیرقابل درک و توابع موج کنار بیاییم، در حالی که به نظر می رسد هیچ چیز ساده تر از اندازه گیری و اندازه گیری فاصله تا یک ذره یا سرعت آن نیست.

همه چیز خیلی ساده است! در واقع، در جهان کلان این درست است - ما فاصله را با یک نوار اندازه گیری با دقت خاصی اندازه می گیریم و خطای اندازه گیری با ویژگی های دستگاه تعیین می شود. از طرف دیگر، ما می توانیم تقریباً با دقت فاصله یک جسم، به عنوان مثال، تا یک میز را با چشم تعیین کنیم. در هر صورت، ما موقعیت آن را در اتاق نسبت به خود و سایر اشیاء به دقت متمایز می کنیم. در دنیای ذرات، وضعیت اساساً متفاوت است - ما به سادگی ابزارهای اندازه گیری فیزیکی برای اندازه گیری مقادیر مورد نیاز با دقت نداریم. از این گذشته، ابزار اندازه گیری مستقیماً با جسم اندازه گیری شده تماس پیدا می کند و در مورد ما هم جسم و هم ابزار ذرات هستند. این نقص، عدم امکان اساسی برای در نظر گرفتن همه عوامل مؤثر بر یک ذره، و همچنین واقعیت تغییر در وضعیت سیستم تحت تأثیر اندازه گیری است که اساس اصل عدم قطعیت هایزنبرگ را تشکیل می دهد.

اجازه دهید ساده ترین فرمول آن را ارائه دهیم. تصور کنید که ذره ای وجود دارد و ما می خواهیم سرعت و مختصات آن را بدانیم.

در این زمینه، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ بیان می کند که اندازه گیری دقیق موقعیت و سرعت یک ذره به طور همزمان غیرممکن است. . از نظر ریاضی اینگونه نوشته شده است:

در اینجا دلتا x خطا در تعیین مختصات، دلتا v خطا در تعیین سرعت است. تاکید می کنیم که این اصل می گوید که هر چه مختصات را دقیق تر تعیین کنیم، سرعت را با دقت کمتری می دانیم. و اگر سرعت را تعریف کنیم، کوچکترین تصوری در مورد مکان ذره نخواهیم داشت.

شوخی ها و حکایات زیادی در مورد اصل عدم قطعیت وجود دارد. اینجا یکی از آنها است:

یک پلیس یک فیزیکدان کوانتومی را متوقف می کند.
-آقا میدونی با چه سرعتی حرکت میکردی؟
- نه، اما من دقیقا می دانم کجا هستم.

و البته ما به شما یادآوری می کنیم! اگر به طور ناگهانی، به دلایلی، حل معادله شرودینگر برای یک ذره در یک چاه پتانسیل به شما اجازه نمی دهد به خواب بروید، با متخصصانی که با مکانیک کوانتومی در لبان خود بزرگ شده اند تماس بگیرید!

در این مقاله خواهیم داد نکات مفیدبرای مطالعه فیزیک کوانتومی برای آدمک ها. بیایید پاسخ دهیم که رویکرد در چه چیزی باید باشد یادگیری فیزیک کوانتومی برای مبتدیان.

فیزیک کوانتومی - این یک رشته نسبتاً پیچیده است که جذب آن برای همه آسان نیست. با این وجود، فیزیک به عنوان یک موضوع جالب و مفید است، و بنابراین فیزیک کوانتومی (http://www.cyberforum.ru/quantum-physics/) طرفداران خود را پیدا می کند که آماده مطالعه آن هستند و در نتیجه از مزایای عملی بهره مند می شوند. برای سهولت در یادگیری مطالب، باید از همان ابتدا شروع کنید، یعنی از ساده ترین کتاب های درسی فیزیک کوانتومی برای مبتدیان. این به شما این امکان را می دهد که پایگاه خوبی برای دانش به دست آورید و در عین حال دانش خود را به خوبی در ذهن خود ساختار دهید.

باید خودآموزی را با ادبیات خوب شروع کنید. این ادبیات است که عاملی تعیین کننده در فرآیند کسب دانش است و کیفیت آن را تضمین می کند. مکانیک کوانتومی مورد توجه خاصی است و بسیاری مطالعات خود را از آن آغاز می کنند. همه باید فیزیک را بدانند، زیرا این علم زندگی است که بسیاری از فرآیندها را توضیح می دهد و آنها را برای دیگران قابل درک می کند.

به خاطر داشته باشید که وقتی شروع به مطالعه فیزیک کوانتومی می کنید، باید دانش ریاضی و فیزیک داشته باشید، زیرا بدون آنها به سادگی نمی توانید با آن کنار بیایید. خوب است اگر فرصتی برای یافتن پاسخ سوالات خود با استاد تماس بگیرید. اگر این امکان پذیر نیست، می توانید سعی کنید وضعیت را در انجمن های تخصصی روشن کنید. انجمن ها همچنین می توانند در یادگیری بسیار مفید باشند.

هنگامی که در مورد انتخاب یک کتاب درسی تصمیم می گیرید، باید برای این واقعیت آماده باشید که بسیار پیچیده است و باید نه تنها آن را بخوانید، بلکه در همه چیزهایی که در آن نوشته شده است نیز غرق شوید. برای اینکه در پایان آموزش این فکر به وجود نیاید که اینها همه دانشی است که هیچکس به آن نیاز ندارد، سعی کنید هر بار تئوری را با عمل مرتبط کنید. همچنین مهم است که از قبل هدفی را که برای آن شروع به یادگیری فیزیک کوانتومی کردید تعیین کنید تا از فکر بی فایده بودن دانش به دست آمده جلوگیری کنید. مردم به دو دسته تقسیم می‌شوند: افرادی که فیزیک کوانتومی را موضوعی جالب و مفید می‌دانند و کسانی که این موضوع را ندارند. خودتان انتخاب کنید که متعلق به کدام دسته هستید و بر این اساس مشخص کنید که آیا جایی برای فیزیک کوانتومی در زندگی شما وجود دارد یا خیر. شما همیشه می توانید در سطح یک مبتدی در مطالعه فیزیک کوانتوم باقی بمانید، یا می توانید به آن دست پیدا کنید موفقیت واقعی، همه در دستان شماست

اول از همه، انتخاب کنید واقعا جالب و مواد با کیفیتدر فیزیک برخی از آنها را می توانید در لینک های زیر بیابید.
و این همه فعلا! فیزیک کوانتومی را به روشی جالب یاد بگیرید و قوری نباشید!

فیزیک کلاسیک، که قبل از اختراع مکانیک کوانتومی وجود داشت، طبیعت را در مقیاس معمولی (ماکروسکوپی) توصیف می کند. بیشتر نظریه‌های فیزیک کلاسیک را می‌توان به صورت تقریبی استنباط کرد که در مقیاس‌هایی که ما به آن‌ها عادت کرده‌ایم عمل می‌کنند. فیزیک کوانتومی (همچنین مکانیک کوانتومی است) با علم کلاسیک تفاوت دارد زیرا انرژی، تکانه، تکانه زاویه ای و سایر مقادیر یک سیستم جفت شده به مقادیر گسسته (کوانتیزاسیون) محدود می شود. اجسام هم به صورت ذرات و هم به صورت امواج (دوگانگی ذرات موج) ویژگی های خاصی دارند. همچنین در این علم محدودیت هایی برای دقت اندازه گیری کمیت ها وجود دارد (اصل عدم قطعیت).

می توان گفت پس از پیدایش فیزیک کوانتومی، نوعی انقلاب در علوم دقیق رخ داد که امکان بازنگری و تجزیه و تحلیل تمامی قوانین قدیمی را که قبلاً حقایق غیرقابل انکار به شمار می رفتند، میسر ساخت. این خوب است یا بد؟ شاید خوب باشد، زیرا علم واقعی هرگز نباید ثابت بماند.

با این حال، «انقلاب کوانتومی» نوعی ضربه به فیزیکدانان قدیمی بود، که باید با این واقعیت کنار می آمدند که آنچه قبلاً به آن اعتقاد داشتند، تنها مجموعه ای از تئوری های اشتباه و قدیمی است که نیاز به تجدید نظر فوری دارند. و سازگاری با واقعیت جدید. اکثر فیزیکدانان با اشتیاق این ایده های جدید در مورد یک علم شناخته شده را پذیرفتند و در مطالعه، توسعه و اجرای آن سهیم بودند. امروزه، فیزیک کوانتومی پویایی را برای کل علم تعیین می کند. پروژه های آزمایشی پیشرفته (مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون) دقیقاً به خاطر او پدید آمدند.

افتتاح

در مورد مبانی فیزیک کوانتومی چه می توان گفت؟ به تدریج از نظریه‌های مختلفی که برای توضیح پدیده‌هایی که نمی‌توان با فیزیک کلاسیک تطبیق داد، پدیدار شد، مانند راه‌حل ماکس پلانک در سال 1900 و رویکرد او به مسئله تابش بسیاری از مسائل علمی، و مطابقت بین انرژی و فرکانس در مقاله‌ای در سال 1905. توسط آلبرت اینشتین، که اثرات فوتوالکتریک را توضیح داد. نظریه اولیه فیزیک کوانتومی در اواسط دهه 1920 توسط ورنر هایزنبرگ، ماکس بورن و دیگران به طور کامل مورد بازنگری قرار گرفت. تئوری مدرن در مفاهیم مختلف ریاضی توسعه یافته فرموله شده است. در یکی از آنها، تابع حسابی (یا تابع موج) اطلاعات جامعی در مورد دامنه احتمال مکان ضربه به ما می دهد.

تحقیق علمیجوهر موجی نور بیش از 200 سال پیش آغاز شد، زمانی که دانشمندان بزرگ و شناخته شده آن زمان نظریه نور را بر اساس مشاهدات تجربی خود پیشنهاد، توسعه و اثبات کردند. اسمش را گذاشتند موج.

در سال 1803، دانشمند مشهور انگلیسی توماس یانگ آزمایش دوگانه معروف خود را انجام داد، در نتیجه او اثر معروف "درباره طبیعت نور و رنگ" را نوشت. نقش بزرگدر تشکیل ایده های معاصردر مورد این پدیده های آشنا برای همه ما. این آزمایش نقش عمده ای در پذیرش عمومی این نظریه داشت.

چنین آزمایش‌هایی اغلب در کتاب‌های مختلف توصیف می‌شوند، به عنوان مثال، "مبانی فیزیک کوانتومی برای آدمک". آزمایشات مدرن با شتاب ذرات بنیادی، به عنوان مثال، جستجوی بوزون هیگز در برخورد دهنده بزرگ هادرون (به اختصار LHC) دقیقاً به منظور یافتن تأیید عملی بسیاری از نظریه های کوانتومی صرفا نظری انجام می شود.

داستان

در سال 1838، مایکل فارادی، برای خوشحالی تمام جهان، پرتوهای کاتدی را کشف کرد. این مطالعات هیجان انگیز با بیانی در مورد مشکل تشعشع، به اصطلاح "جسم سیاه" (1859) توسط گوستاو کیرشهوف، و همچنین فرض معروف لودویگ بولتزمن که حالت های انرژی هر سیستم فیزیکی نیز می تواند گسسته باشد (1877). بعدها، فرضیه کوانتومی توسعه یافته توسط ماکس پلانک (1900) ظاهر شد. این یکی از پایه های فیزیک کوانتومی در نظر گرفته می شود. این جمله جسورانه که انرژی می‌تواند هم در «کوانتا» (یا بسته‌های انرژی) گسسته منتشر شود و هم جذب شود، دقیقاً مطابق با الگوهای قابل مشاهده تابش جسم سیاه است.

کمک بزرگی به فیزیک کوانتومی توسط آلبرت انیشتین مشهور جهانی انجام شد. او تحت تأثیر نظریه های کوانتومی، نظریه خود را توسعه داد. نظریه نسبیت عام - این چیزی است که به آن می گویند. اکتشافات در فیزیک کوانتوم نیز بر توسعه نظریه نسبیت خاص تأثیر گذاشت. بسیاری از دانشمندان در نیمه اول قرن گذشته به پیشنهاد انیشتین شروع به مطالعه این علم کردند. او در آن زمان در خط مقدم بود، همه او را دوست داشتند، همه به او علاقه داشتند. جای تعجب نیست، زیرا او بسیاری از "حفره ها" را در علوم فیزیکی کلاسیک بست (اما، او سوراخ های جدیدی نیز ایجاد کرد)، توجیه علمی برای سفر در زمان، تله حرکت، تله پاتی و جهان های موازی.

نقش ناظر

هر رویداد یا حالتی مستقیماً به ناظر بستگی دارد. معمولاً اصول فیزیک کوانتومی به طور مختصر برای افرادی که از علوم دقیق دور هستند توضیح داده می شود. با این حال، در واقعیت، همه چیز بسیار پیچیده تر است.

این با بسیاری از سنت های غیبی و مذهبی که برای قرن ها بر توانایی مردم برای تأثیرگذاری بر رویدادهای اطراف اصرار داشته اند، کاملاً مطابقت دارد. به نوعی، این نیز مبنایی است توضیح علمیادراک فراحسی، زیرا اکنون این ادعا که یک شخص (ناظر) قادر است با قدرت فکر بر رویدادهای فیزیکی تأثیر بگذارد، پوچ به نظر نمی رسد.

هر حالت ویژه یک رویداد یا شیء قابل مشاهده با بردار ویژه ناظر مطابقت دارد. اگر طیف عملگر (ناظر) گسسته باشد، شی مشاهده شده فقط می تواند به مقادیر ویژه گسسته برسد. یعنی موضوع مشاهده و همچنین ویژگی های آن کاملاً توسط همین عملگر تعیین می شود.

بر خلاف مکانیک کلاسیک معمولی (یا فیزیک)، نمی توان متغیرهای مزدوج مانند موقعیت و تکانه را به طور همزمان پیش بینی کرد. برای مثال، الکترون‌ها می‌توانند (با احتمال مشخصی) تقریباً در یک منطقه خاص از فضا قرار گیرند، اما موقعیت دقیق ریاضی آنها در واقع ناشناخته است.

خطوطی با چگالی احتمال ثابت، که اغلب به آنها "ابرها" گفته می شود، می توانند در اطراف هسته اتم ترسیم شوند تا تصور کنند که الکترون در کجا قرار دارد. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ عدم ​​توانایی در مکان یابی دقیق یک ذره را با توجه به تکانه مزدوج آن ثابت می کند. برخی از مدل‌ها در این نظریه دارای یک ویژگی محاسباتی کاملاً انتزاعی هستند و به معنای ارزش کاربردی نیستند. با این حال، آنها اغلب برای محاسبه تعاملات پیچیده در سطح و سایر موارد ظریف استفاده می شوند. علاوه بر این، این شاخه از فیزیک به دانشمندان این امکان را می دهد که امکان وجود واقعی بسیاری از جهان ها را فرض کنند. شاید به زودی بتوانیم آنها را ببینیم.

توابع موج

قوانین فیزیک کوانتومی بسیار حجیم و متنوع هستند. آنها با ایده توابع موج تلاقی می کنند. برخی از موارد خاص گسترش احتمالات را ایجاد می کنند که ذاتاً ثابت یا مستقل از زمان است، برای مثال، زمانی که در یک حالت ثابت انرژی، به نظر می رسد زمان نسبت به تابع موج ناپدید می شود. این یکی از تأثیرات فیزیک کوانتومی است که برای آن اساسی است. واقعیت عجیب این است که پدیده زمان به طور اساسی در این علم غیرعادی تجدید نظر شده است.

تئوری اغتشاش

با این حال، چندین راه قابل اعتماد برای توسعه راه حل های مورد نیاز برای کار با فرمول ها و نظریه ها در فیزیک کوانتومی وجود دارد. یکی از این روش ها، که معمولا به عنوان "نظریه اغتشاش" شناخته می شود، استفاده می کند نتیجه تحلیلیبرای یک مدل مکانیکی کوانتومی ابتدایی این برای به دست آوردن نتایج از آزمایش ها برای توسعه یک مدل حتی پیچیده تر که به یک مدل ساده تر مربوط می شود، ایجاد شد. در اینجا بازگشت است.

این رویکرد به ویژه در نظریه آشوب کوانتومی که برای تفسیر رویدادهای مختلف در واقعیت میکروسکوپی بسیار محبوب است، اهمیت دارد.

قوانین و مقررات

قوانین مکانیک کوانتومی اساسی هستند. آنها ادعا می کنند که فضای استقرار یک سیستم کاملاً اساسی است (آن یک محصول نقطه ای دارد). بیانیه دیگر این است که اثرات مشاهده شده توسط این سیستم در عین حال عملگرهای عجیب و غریبی هستند که بردارها را در همین محیط تحت تأثیر قرار می دهند. با این حال، آنها به ما نمی گویند که در کدام فضای هیلبرت یا کدام عملگرها وجود دارند این لحظه. آنها را می توان به طور مناسب برای به دست آوردن یک توصیف کمی از یک سیستم کوانتومی انتخاب کرد.

اهمیت و تأثیر

از زمان ظهور این علم غیرمعمول، بسیاری از جنبه ها و نتایج ضد شهودی مطالعه مکانیک کوانتومی بحث های فلسفی بلند و تفسیرهای بسیاری را برانگیخته است. حتی سؤالات اساسی، مانند قوانین محاسبه دامنه های مختلف و توزیع احتمال، شایسته احترام عموم و بسیاری از دانشمندان برجسته است.

به عنوان مثال، یک روز او با ناراحتی اظهار داشت که اصلاً مطمئن نیست که هیچ یک از دانشمندان اصلاً مکانیک کوانتومی را درک کرده باشند. به گفته استیون واینبرگ، در حال حاضر هیچ تفسیر واحدی از مکانیک کوانتومی وجود ندارد. این نشان می دهد که دانشمندان یک "هیولا" ایجاد کرده اند، تا وجود آن را به طور کامل درک و توضیح دهند که خود قادر به درک آن نیستند. با این حال، این به هیچ وجه به ارتباط و محبوبیت این علم آسیب نمی رساند، بلکه متخصصان جوانی را جذب می کند که می خواهند مشکلات واقعا پیچیده و غیرقابل درک را حل کنند.

علاوه بر این، مکانیک کوانتومی مجبور به تجدید نظر کامل در قوانین فیزیکی عینی جهان شده است که خبر خوبی است.

تفسیر کپنهاگ

بر اساس این تفسیر، تعریف استاندارد علیت که از فیزیک کلاسیک برای ما شناخته شده است، دیگر نیازی نیست. بر اساس نظریه های کوانتومی، علیت به معنای معمول برای ما اصلا وجود ندارد. همه پدیده های فیزیکی در آنها از نقطه نظر تعامل کوچکترین ذرات بنیادی در سطح زیر اتمی توضیح داده شده است. این منطقه، با وجود نامحتمل به نظر می رسد، بسیار امیدوار کننده است.

روانشناسی کوانتومی

در مورد رابطه بین فیزیک کوانتومی و آگاهی انسان چه می توان گفت؟ این به زیبایی در کتابی نوشته رابرت آنتون ویلسون در سال 1990 به نام روانشناسی کوانتومی نوشته شده است.

با توجه به تئوری مطرح شده در این کتاب، تمام فرآیندهایی که در مغز ما اتفاق می‌افتد توسط قوانینی که در این مقاله توضیح داده شده است تعیین می‌شوند. یعنی این نوعی تلاش برای تطبیق نظریه فیزیک کوانتومی با روانشناسی است. این تئوری یک نظریه فراعلمی تلقی می شود و توسط جامعه دانشگاهی به رسمیت شناخته نمی شود.

کتاب ویلسون از این جهت قابل توجه است که او مجموعه ای از موارد را ذکر می کند تکنیک های مختلفو تمرین‌کنندگانی که تا حدی فرضیه او را ثابت می‌کنند. به هر طریقی، خواننده باید خودش تصمیم بگیرد که آیا به عملی بودن چنین تلاش هایی برای اعمال مدل های ریاضی و فیزیکی در علوم انسانی اعتقاد دارد یا خیر.

برخی کتاب ویلسون را تلاشی برای توجیه تفکر عرفانی و گره زدن آن به صورت‌بندی‌های فیزیکی جدید و اثبات‌شده علمی دانسته‌اند. این اثر بسیار بی اهمیت و چشمگیر بیش از 100 سال است که مورد تقاضا بوده است. این کتاب در سراسر جهان منتشر، ترجمه و خوانده می شود. چه کسی می داند، شاید با توسعه مکانیک کوانتومی، نگرش جامعه علمی نسبت به روانشناسی کوانتومی نیز تغییر کند.

نتیجه

به لطف این نظریه قابل توجه، که به زودی به یک علم جداگانه تبدیل شد، ما توانستیم واقعیت اطراف را در سطح ذرات زیر اتمی کشف کنیم. این کوچکترین سطح ممکن است که برای درک ما کاملاً غیرقابل دسترس است. آنچه فیزیکدانان قبلاً در مورد جهان ما می دانستند نیاز به بازنگری فوری دارد. کاملاً همه با این موافق هستند. آشکار شد که ذرات مختلف می توانند در فواصل کاملاً غیرقابل تصور با یکدیگر تعامل داشته باشند که ما فقط می توانیم با فرمول های پیچیده ریاضی اندازه گیری کنیم.

علاوه بر این، مکانیک کوانتومی (و فیزیک کوانتومی) امکان بسیاری از واقعیت‌های موازی، سفر در زمان و چیزهای دیگری را که در طول تاریخ فقط به عنوان مواد علمی تخیلی در نظر گرفته می‌شد، اثبات کرده است. این بدون شک کمک بزرگی نه تنها به علم، بلکه برای آینده بشریت است.

برای دوستداران تصویر علمی جهان، این علم می تواند هم دوست باشد و هم دشمن. واقعیت این است که نظریه کوانتومباز می شود فرصت های گستردههمانطور که قبلاً در یکی از گزینه‌های جایگزین نشان داده شده است، برای گمانه‌زنی‌های مختلف پار علمی نظریه های روانشناختی. برخی از غیبت شناسان، باطنی گرایان و حامیان جنبش های دینی و معنوی بدیل (اغلب روان پرستان) برای اثبات عقلانیت و حقیقت نظریه ها، باورها و اعمال عرفانی خود به ساخت های نظری این علم روی می آورند.

این یک مورد بی‌سابقه است، زمانی که گمانه‌زنی‌های ساده نظریه‌پردازان و فرمول‌های ریاضی انتزاعی به واقعیت بسیار واقعی منجر شد. انقلاب علمیو ایجاد کرد علم جدید، همه چیزهایی را که قبلاً شناخته شده بود خط زد. تا حدودی، فیزیک کوانتومی قوانین منطق ارسطویی را رد کرده است، زیرا نشان داده است که هنگام انتخاب "یا-یا" یک گزینه دیگر (یا، شاید، چندین) وجود دارد.

سلام به خوانندگان عزیز. اگر می خواهید با زندگی همراه باشید، واقعاً شاد باشید و یک فرد سالم، شما باید در مورد اسرار کوانتومی بدانید فیزیک مدرن، حداقل یک ایده کوچک تا چه عمقی از جهان امروز دانشمندان حفر کرده اند. شما زمانی برای وارد شدن به جزئیات علمی عمیق ندارید، اما می خواهید فقط ماهیت آن را درک کنید، اما می خواهید زیبایی دنیای ناشناخته را ببینید، پس این مقاله: فیزیک کوانتومی برای آدمک های معمولی یا شاید بتوان گفت برای زنان خانه دار، فقط کافی است. برای شما. من سعی خواهم کرد توضیح دهم که فیزیک کوانتومی چیست، اما به زبان ساده، به وضوح نشان دهید.

می‌پرسید: «ارتباط بین شادی، سلامتی و فیزیک کوانتومی چیست؟»

واقعیت این است که به پاسخگویی به بسیاری از سؤالات غیرقابل درک مربوط به آگاهی انسان، تأثیر آگاهی بر بدن کمک می کند. متأسفانه پزشکی با تکیه بر فیزیک کلاسیک همیشه به ما کمک نمی کند که سالم باشیم. و روانشناسی نمی تواند به درستی به شما بگوید چگونه شادی را پیدا کنید.

تنها دانش عمیق تر از جهان به ما کمک می کند تا بفهمیم چگونه واقعاً با بیماری کنار بیاییم و شادی در کجا زندگی می کند. این دانش در لایه های عمیق کیهان یافت می شود. فیزیک کوانتومی به کمک می آید. به زودی همه چیز را خواهید دانست.

فیزیک کوانتومی با کلمات ساده چه چیزی را مطالعه می کند

بله، در واقع، درک فیزیک کوانتومی بسیار دشوار است زیرا قوانین جهان خرد را مطالعه می کند. یعنی دنیا در لایه‌های عمیق‌ترش، در فواصل بسیار کوچک، جایی که انسان به آن‌ها نگاه می‌کند بسیار دشوار است.

و جهان، به نظر می رسد، در آنجا بسیار عجیب، مرموز و غیرقابل درک رفتار می کند، نه آنطور که ما عادت کرده ایم.

از این رو تمام پیچیدگی و درک نادرست فیزیک کوانتومی است.

اما پس از خواندن این مقاله، افق های دانش خود را گسترش می دهید و به جهان کاملاً متفاوت نگاه می کنید.

مختصری در مورد تاریخچه فیزیک کوانتومی

همه چیز از ابتدای قرن بیستم شروع شد، زمانی که فیزیک نیوتنی نتوانست بسیاری از چیزها را توضیح دهد و دانشمندان به بن بست رسیدند. سپس ماکس پلانک مفهوم کوانتوم را معرفی کرد. آلبرت انیشتین این ایده را برداشت و ثابت کرد که نور به طور مداوم منتشر نمی شود، بلکه در بخش هایی - کوانتا (فوتون) منتشر می شود. پیش از این اعتقاد بر این بود که نور ماهیت موجی دارد.

اما همانطور که بعدا مشخص شد، هر کدام ذره بنیادی، نه تنها یک کوانتوم، یعنی یک ذره جامد، بلکه یک موج نیز هست. اینگونه بود که دوآلیسم موج جسمی در فیزیک کوانتومی ظاهر شد، اولین پارادوکس و آغاز اکتشافات پدیده های مرموز جهان خرد.

جالب ترین پارادوکس ها زمانی شروع شد که آزمایش معروف دو شکافی انجام شد و پس از آن رازها بسیار بیشتر شد. می توان گفت که فیزیک کوانتومی با او شروع شد. بیایید نگاهی به آن بیندازیم.

آزمایش دو شکاف در فیزیک کوانتوم

یک بشقاب با دو شکاف به شکل نوارهای عمودی را تصور کنید. ما یک صفحه نمایش در پشت این صفحه قرار می دهیم. اگر نور را به صفحه هدایت کنیم، یک الگوی تداخلی را روی صفحه مشاهده خواهیم کرد. یعنی نوارهای عمودی تیره و روشن متناوب. تداخل نتیجه رفتار موج چیزی است، در مورد ما نور.

اگر موجی از آب را از دو سوراخ کنار هم عبور دهید، متوجه خواهید شد که تداخل چیست. یعنی نور به نوعی شبیه به ماهیت موجی است. اما همانطور که فیزیک یا بهتر است بگوییم انیشتین ثابت کرده است، توسط ذرات فوتون منتشر می شود. در حال حاضر یک پارادوکس. اما اشکالی ندارد، ثنویت موج جسمی دیگر ما را شگفت زده نخواهد کرد. فیزیک کوانتومی به ما می گوید که نور مانند یک موج رفتار می کند اما از فوتون ها تشکیل شده است. اما معجزه ها تازه شروع شده اند.

بیایید یک اسلحه را جلوی صفحه ای با دو شکاف قرار دهیم که نه نور، بلکه الکترون از خود ساطع می کند. بیایید تیراندازی به الکترون ها را شروع کنیم. روی صفحه پشت بشقاب چه خواهیم دید؟

از این گذشته، الکترون ها ذرات هستند، به این معنی که جریان الکترون ها که از دو شکاف می گذرد، باید فقط دو نوار روی صفحه باقی بگذارد، دو اثر در مقابل شکاف ها. آیا تصور کرده اید که سنگریزه ها از میان دو شکاف پرواز می کنند و به صفحه نمایش برخورد می کنند؟

اما واقعاً چه می بینیم؟ همه یک الگوی تداخل. نتیجه چیست: الکترون ها در امواج منتشر می شوند. بنابراین الکترون ها موج هستند. اما بالاخره یک ذره بنیادی است. باز هم دوگانگی موجی جسمی در فیزیک.

اما می‌توانیم فرض کنیم که در سطح عمیق‌تر، الکترون یک ذره است و وقتی این ذرات به هم می‌رسند، شروع به رفتار امواج می‌کنند. به عنوان مثال، موج دریا یک موج است، اما از قطرات آب و در سطح کوچکتر از مولکول ها و سپس اتم ها تشکیل شده است. خوب، منطق محکم است.

سپس بیایید از یک تفنگ نه با جریانی از الکترون ها، بلکه اجازه دهید الکترون ها را جداگانه، پس از مدت زمان مشخصی آزاد کنیم. انگار از شکاف ها می گذشتیم موج دریا، اما از یک تپانچه آبی بچه ها قطرات جداگانه تف می داد.

کاملاً منطقی است که در این حالت قطرات مختلف آب در شکاف های مختلف بریزند. در صفحه پشت صفحه، نه یک الگوی تداخلی از موج، بلکه دو حاشیه برخوردی متمایز در مقابل هر شکاف را می‌توان دید. اگر سنگ‌های کوچک را پرتاب کنیم، همین را خواهیم دید، آن‌ها که از میان دو شکاف پرواز می‌کنند، اثری مانند سایه‌ای از دو سوراخ باقی می‌گذارند. اکنون بیایید از تک تک الکترون ها شلیک کنیم تا این دو نوار را از برخورد الکترون ها روی صفحه ببینیم. یکی را آزاد کردند، منتظر ماندند، دومی را منتظر ماندند و غیره. فیزیکدانان کوانتومی توانسته اند چنین آزمایشی را انجام دهند.

اما وحشت به جای این دو حاشیه، تناوب تداخلی یکسان چندین حاشیه به دست می آید. چطور؟ این می تواند اتفاق بیفتد اگر یک الکترون به طور همزمان از میان دو شکاف عبور کند، اما در پشت صفحه، مانند یک موج، با خود برخورد کند و تداخل کند. اما این نمی تواند باشد، زیرا یک ذره نمی تواند همزمان در دو مکان باشد. یا از طریق شکاف اول یا از شکاف دوم پرواز می کند.

اینجاست که چیزهای واقعاً خارق العاده فیزیک کوانتومی شروع می شود.

برهم نهی در فیزیک کوانتومی

با تجزیه و تحلیل عمیق تر، دانشمندان متوجه می شوند که هر ذره کوانتومی بنیادی یا همان نور (فوتون) در واقع می تواند در چندین مکان به طور همزمان باشد. و اینها معجزه نیستند، اما حقایق واقعیدنیای خرد این چیزی است که فیزیک کوانتومی می گوید. به همین دلیل است که هنگام شلیک یک ذره جدا از یک توپ، نتیجه تداخل را مشاهده می کنیم. در پشت صفحه، الکترون با خود برخورد می کند و یک الگوی تداخل ایجاد می کند.

اشیاء معمولی کیهان کلان همیشه در یک مکان هستند، یک حالت دارند. به عنوان مثال، شما اکنون روی یک صندلی نشسته اید، مثلاً 50 کیلوگرم وزن دارید، ضربان نبض شما 60 ضربه در دقیقه است. البته این نشانه ها تغییر خواهند کرد، اما پس از مدتی تغییر خواهند کرد. به هر حال، شما نمی توانید همزمان در خانه و محل کار با وزن 50 و 100 کیلوگرم باشید. همه اینها قابل درک است، این عقل سلیم است.

در فیزیک عالم صغیر، همه چیز متفاوت است.

مکانیک کوانتومی ادعا می کند، و این قبلاً به طور تجربی تأیید شده است، که هر ذره بنیادی می تواند همزمان نه تنها در چند نقطه از فضا باشد، بلکه چندین حالت را نیز در یک زمان داشته باشد، مانند اسپین.

همه اینها در ذهن نمی گنجد، ایده معمول جهان، قوانین قدیمی فیزیک را تضعیف می کند، تفکر را تغییر می دهد، با خیال راحت می توان گفت که شما را دیوانه می کند.

اینگونه است که ما اصطلاح «ابرجایگاه» را در مکانیک کوانتومی درک می کنیم.

برهم نهی به این معنی است که یک شی از عالم صغیر می تواند همزمان در نقاط مختلف فضا باشد و همچنین چندین حالت را همزمان داشته باشد. و این برای ذرات بنیادی طبیعی است. این قانون دنیای خرد است، مهم نیست که چقدر عجیب و خارق العاده به نظر می رسد.

شما تعجب می کنید، اما اینها فقط گل هستند، غیرقابل توضیح ترین معجزات، اسرار و پارادوکس های فیزیک کوانتومی هنوز در راه است.

فروپاشی تابع موج در فیزیک به زبان ساده

سپس دانشمندان تصمیم گرفتند تا دریابند و ببینند که آیا الکترون واقعاً از هر دو شکاف عبور می کند یا خیر. ناگهان از یک شکاف می گذرد و سپس به نوعی جدا می شود و در حین عبور یک الگوی تداخلی ایجاد می کند. خوب، شما هرگز نمی دانید. یعنی باید دستگاهی را در نزدیکی شکاف قرار دهید که عبور یک الکترون از آن را به دقت ثبت کند. زودتر گفته شود. البته اجرای این کار دشوار است، برای دیدن عبور الکترون به وسیله ای نیاز ندارید، بلکه به چیز دیگری نیاز دارید. اما دانشمندان این کار را انجام داده اند.

اما در نهایت نتیجه همه را حیرت زده کرد.

به محض اینکه شروع به نگاه کردن می کنیم که یک الکترون از کدام شکاف عبور می کند، نه مانند یک موج، نه مانند یک ماده عجیب و غریب که در نقاط مختلف فضا به طور همزمان قرار دارد، بلکه مانند یک ذره معمولی رفتار می کند. یعنی شروع به نشان دادن خصوصیات خاص یک کوانتوم می کند: فقط در یک مکان قرار دارد، از یک شکاف عبور می کند، یک مقدار اسپین دارد. آنچه روی صفحه ظاهر می شود یک الگوی تداخلی نیست، بلکه یک ردپای ساده در مقابل شکاف است.

اما چگونه ممکن است. انگار الکترون شوخی می کند و با ما بازی می کند. ابتدا مانند یک موج رفتار می کند و بعد از اینکه تصمیم گرفتیم به عبور آن از یک شکاف نگاه کنیم، خواص یک ذره جامد را نشان می دهد و تنها از یک شکاف عبور می کند. اما در عالم صغیر این گونه است. اینها قوانین فیزیک کوانتومی هستند.

دانشمندان یکی دیگر از ویژگی های اسرارآمیز ذرات بنیادی را مشاهده کرده اند. اینگونه بود که مفاهیم عدم قطعیت و فروپاشی تابع موج در فیزیک کوانتوم ظاهر شد.

هنگامی که یک الکترون به سمت شکاف پرواز می کند، در حالت نامعین یا همانطور که در بالا گفتیم در یک برهم نهی قرار دارد. یعنی مانند یک موج رفتار می کند، به طور همزمان در نقاط مختلف فضا قرار دارد، دارای دو مقدار چرخش است (یک چرخش فقط دو مقدار دارد). اگر آن را لمس نمی‌کردیم، سعی نمی‌کردیم به آن نگاه کنیم، دقیقاً نمی‌دانستیم کجاست، اگر مقدار چرخش آن را اندازه نمی‌گرفتیم، مانند یک موج از میان دو شکاف در در همان زمان، به این معنی که یک الگوی تداخل ایجاد می کند. فیزیک کوانتومی مسیر و پارامترهای خود را با استفاده از تابع موج توصیف می کند.

بعد از اینکه اندازه گیری کردیم (و اندازه گیری یک ذره از ریزجهان فقط با برهمکنش با آن امکان پذیر است، مثلاً با برخورد ذره ای دیگر با آن)، تابع موج فرو می ریزد.

یعنی اکنون الکترون دقیقاً در یک مکان در فضا است، یک مقدار اسپین دارد.

می توان گفت که یک ذره بنیادی مانند یک شبح است، به نظر می رسد وجود دارد، اما در عین حال در یک مکان نیست و با احتمال خاصی می تواند در هر جایی از توضیحات تابع موج باشد. اما به محض اینکه شروع به تماس با آن می کنیم، از یک شی شبح مانند به یک ماده ملموس واقعی تبدیل می شود که مانند اشیاء معمولی دنیای کلاسیک که برای ما آشنا هستند رفتار می کند.

شما می گویید: "این فوق العاده است." مطمئنا، اما شگفتی های فیزیک کوانتومی تازه شروع شده اند. باورنکردنی ترین چیز هنوز در راه است. اما اجازه دهید از انبوه اطلاعات فاصله بگیریم و بار دیگر در مقاله ای دیگر به ماجراهای کوانتومی بازگردیم. در این میان، آنچه را که امروز آموخته‌اید فکر کنید. چنین معجزاتی می تواند منجر به چه چیزی شود؟ از این گذشته ، آنها ما را احاطه کرده اند ، این خاصیت دنیای ما است ، البته در سطح عمیق تر. آیا هنوز فکر می کنیم در دنیایی خسته کننده زندگی می کنیم؟ اما بعداً نتیجه گیری خواهیم کرد.

سعی کردم در مورد مبانی فیزیک کوانتومی به طور مختصر و واضح صحبت کنم.

اما اگر چیزی را متوجه نشدید، پس این کارتون در مورد فیزیک کوانتومی را تماشا کنید، در مورد آزمایش با دو شکاف، همه چیز نیز در آنجا به زبانی قابل فهم و ساده بیان شده است.

کارتون در مورد فیزیک کوانتومی:

یا می توانید این ویدیو را تماشا کنید، همه چیز در جای خود قرار می گیرد، فیزیک کوانتومی بسیار جالب است.

ویدئویی در مورد فیزیک کوانتومی:

چطور قبلا از این موضوع خبر نداشتید؟

اکتشافات مدرن در فیزیک کوانتومی در حال تغییر دنیای مادی آشنای ما هستند.