WikiHow работает по принципу вики, а это значит, что многие наши статьи написаны несколькими авторами. При создании этой статьи над ее редактированием и улучшением работали, в том числе анонимно, 11 человек(а).
Квантовая физика (она же квантовая теория или квантовая механика) – это отдельное направление физики, которое занимается описанием поведения и взаимодействия материи и энергии на уровне элементарных частиц, фотонов и некоторых материалов при очень низких температурах. Квантовое поле определяется как «действие» (или в некоторых случаях угловой момент) частицы, что по размеру находится в пределах величины крошечной физической константы, которая называется постоянной Планка.
Шаги
постоянная Планка
- Например, момент импульса электрона, привязанного к атому или молекуле, квантуется и может принимать только значения кратные приведенной постоянной Планка. Это квантование увеличивает орбиталь электрона на серию целого первичного квантового числа. В отличие от этого, момент импульса несвязанных электронов, находящихся рядом, не квантуется. Постоянная Планка также применяется в квантовой теории света, где квантом света является фотон, и материя взаимодействует с энергией посредством перехода электронов между атомами или «квантового скачка» связанного электрона.
- Единицы постоянной Планка также можно рассматривать как время момента энергии. Например, в предметной области физики элементарных частиц, виртуальные частицы представлены, как масса частиц, которые спонтанно возникают из вакуума на очень малом участке и играют роль в их взаимодействии. Предел жизни этих виртуальных частиц – это энергия (масса) каждой частицы. Квантовая механика имеет большую предметную область, но в каждой математической ее части присутствует постоянная Планка.
-
Узнайте о тяжелых частицах. Тяжелые частицы проходят от классического к квантовому энергетическому переходу. Даже если свободный электрон, обладающий некоторыми квантовыми свойствами (таким как вращение), в качестве несвязанного электрона, приближается к атому и замедляется (возможно, из-за испускания им фотонов), он переходит от классического к квантовому поведению, так как его энергия опускается ниже энергии ионизации. Электрон связывается с атомом и его момент импульса по отношению к атомному ядру ограничивается тем квантовым значением орбитали, которую он может занять. Этот переход внезапен. Его можно сравнить с механической системой, которая изменяет свое состояние от нестабильного к стабильному, или ее поведение меняется с простого на хаотическое, или можно даже сравнить с ракетным кораблем, который замедляется и идет ниже скорости отрыва, и занимает орбиту вокруг какой-нибудь звезды или другого небесного объекта. В отличие от них, фотоны (которые невесомы) такой переход не осуществляют: они просто пересекают пространство без изменений до тех пор, пока не взаимодействуют с другими частицами и не исчезают. Если вы посмотрите в ночное небо, фотоны от некоторых звезд без изменений пролетают долгие световые годы, затем взаимодействуют с электроном в молекуле вашей сетчатки, испуская свою энергию, а затем исчезая.
Начните с изучения физического понятия постоянной Планка. В квантовой механике, постоянная Планка – это квант действия, обозначается как h . Аналогично, для взаимодействующих элементарных частиц, квант момента импульса - это приведенная постоянная Планка (постоянная Планка поделенная на 2 π) обозначается как ħ и называется «h с чертой». Значение постоянной Планка чрезвычайно мало, она объединяет те моменты импульса и обозначения действий, что имеют более общую математическую концепцию. Название квантовая механика подразумевает, что некоторые физические величины, подобные моменту импульса могут меняться только дискретно , а не непрерывным (см. аналоговым) способом.
Начиная отвечать на этот вопрос, я не могу избавиться от мысли, что не смогу дать вам полного представления о квантовой физике, и не потому, что вы гуманитарий, а потому, что это очень глубокая тема.
Итак, до начала 20-го века в физике главенствовала механика Ньютона, в которой пространство и время полагались абсолютными, не изменяемыми и существующими как бы отдельно от материального мира. Изменение любых величин (например, энергии и импульса) всегда полагались непрерывными. Наиболее ёмко описывающая механику Ньютона идея - это детерминизм Лапласа (почитайте на вики). Изменилось всё с приходом Макса Планка и его дерзкой идеи рассматривать энергию не как непрерывную величину, а как квантованную, т.е. изменяющуюся дискретно (скачками). Такое представление позволило ответить на вопрос, почему электрон не падает на ядро, и вместе с тем привело к постулатам Бора, о том, что атомы могут долго пребывать только в стационарных состояниях с определенной энергией, а поглощать и испускать энергию только порциями (квантами).
Квантовая физика использует совершенно другой способ описания объектов и другой математический аппарат. Если в классической физике можно запросто находить координаты, траектории, импульсы объектов, просто измеряя их приборами, то в квантовой физике все эти величины носят вероятностный характер! Ищется координата с помощью волновой функции, квадрат плотности которой представляет собой плотность вероятности нахождения частицы в какой-либо точке пространства. В квантовой физике нет траекторий, как в классической. Вернее даже так: траектории есть, но объект движется по всем траекториям сразу с различной вероятностью.
Всем величинам в классической физике поставлены в соответствие операторы в квантовой физике. А всем значениям (числа), которые могут принимать эти величины, поставлены в соответствие собственные значения операторов(числа). Операторы - это просто правила по которым одной функции ставится в соответствие другая функция. То есть, если нам нужно получить значение энергии системы, то в классической физике мы просто его измерим, а в квантовой физике подействуем оператором полной энергии на волновую функцию системы и получим собственное значение оператора. Так как в волновой функции содержится вся информация о чистом состоянии системы, а извлечь эту информацию можно, применяя к функции различные операторы.
В квантовой физике существует принцип неопределенности, который гласит, что нельзя измерить одновременно некоторые величины, такие как, например, импульс и координата, энергия и время измерения энергии. Максимальное уточнение одного параметра приводит к все более расплывчатой информации о другом. Этот принцип можно описать так, будто бы когда мы загоняем природу в очень маленькое пространство и пытаемся исследовать, она начинает бесноваться и не дает это сделать! Поэтому на больших масштабах никаких квантовых эффектов нет.
Еще одна важная особенность: любая квантовая система как бы живет в неопределенном состоянии, и как только над ней проводится измерение, её волновая функция схлопывается и система приходит навсегда в конкретное определенное состояние. В классической же физике все системы всегда пребывают в каком-то конкретном состоянии. Сколько бы мы не проводили эксперимент по бросанию мяча в одном и том же направлении, результат всегда будет одинаков, а в квантовой физике нет.
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 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 выполняют разные измерения. При падении тела, к примеру, измеряют высоту, массу, скорость и время. Все это является 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.
и сознание
Феномен человеческого сознания с точки зрения 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.
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.
29.10.2016Несмотря 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 .
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 и физик Иоганн Бальмер вывел эмпирически формулу, которая позволяла рассчитать длины волн спектральных линий 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 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 .
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 -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 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 ), 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 , квантовой электроники, техники, квантовой теории твердого тела, материаловедения, квантовой химии.
Без появления и развития отмеченных отраслей знания было бы невозможно создание , космических кораблей, атомных ледоколов, мобильной связи и многих других полезных изобретений.
