Главное

Квантовая механика - это теория, описывающая странное поведение материи и энергии на атомном и субатомном уровне. Основная идея заключается в том, что на этом крошечном масштабе частицы проявляют как волновые, так и корпускулярные свойства, и все квантуется в дискретные пакеты. Это приводит к очень странным явлениям, которые, казалось бы, противоречат здравому смыслу, таким как частицы, находящиеся в нескольких состояниях одновременно (суперпозиция), и мгновенно влияющие друг на друга на расстоянии (запутанность). Но, несмотря на всю свою странность, квантовая механика была подтверждена с чрезвычайной точностью и лежит в основе таких областей, как химия и современные технологии.

Термины

• Теория: Научное объяснение некоторого аспекта окружающего мира, подкрепленное доказательствами и поддающееся проверке.

• Механика: Раздел физики, изучающий поведение физических тел при воздействии на них сил или смещений.

• Материя: Физическое вещество, занимающее пространство и обладающее массой покоя, особенно в отличие от энергии.

• Энергия: Способность совершать работу, которая может существовать в потенциальной, кинетической, тепловой, электрической, химической, ядерной или других формах.

• Атомный масштаб: Диапазон размеров отдельных атомов, обычно измеряемый в пикометрах или ангстремах.

• Субатомный масштаб: Относится к частицам, меньшим, чем атомы, таким как электроны, протоны и кварки.

• Кванты: Наименьшая дискретная единица, в которой свойства, такие как энергия, проявляются в квантовом масштабе.

• Корпускулярно-волновой дуализм: Как частицы проявляют как волновые, так и корпускулярные характеристики.

• Суперпозиция: Частица, находящаяся в нескольких возможных состояниях одновременно, пока не будет измерена.

• Запутанность: Когда частицы взаимодействуют таким образом, что измерение одной мгновенно влияет на другую, даже на больших расстояниях.

• Принцип неопределенности: Невозможно одновременно знать точное положение и импульс частицы - измерение одного уменьшает точность другого.

Аналогия

Представьте себе пиксельный мир видеоигры. Издалека он выглядит плавным и непрерывным, но при увеличении видно, что он состоит из дискретных блоков с заданными свойствами. Квантовая механика утверждает, что наша реальность похожа - на нашем уровне она кажется гладкой и предсказуемой, но квантованной и вероятностной, когда вы приближаетесь к атомному царству.

Основное заблуждение

Многие думают, что квантовая механика утверждает, что "все может случиться" или что она позволяет передавать информацию быстрее света. Это неверно. Квантовая механика странная, но точно предсказуемая с помощью математики. Такие эффекты, как запутанность, на самом деле не могут передавать информацию быстрее света.

История

1. 1900 - Макс Планк обнаруживает, что энергия квантуется, чтобы решить проблему излучения абсолютно черного тела

2. 1905 - Эйнштейн объясняет фотоэлектрический эффект с помощью световых квантов (фотонов)

3. 1924 - де Бройль предлагает корпускулярно-волновой дуализм

4. 1925-1926 - Гейзенберг и Шредингер создают первые полные математические основы квантовой механики

5. 1935 - Статья EPR Эйнштейна, Подольского и Розена освещает кажущийся парадокс запутанности

6. 1940-1960-е годы - Квантовая механика позволяет разрабатывать транзисторы, лазеры и современную электронику

7. 1964 - Теорема Белла показывает, что квантовая механика несовместима с локальными теориями скрытых переменных

8. 1970-1980-е годы - Эксперименты подтверждают квантовую запутанность и нарушения неравенств Белла

9. 1980-2000-е годы - Квантовая теория информации и квантовые вычисления начинают развиваться как области

10. 2000-е годы - настоящее время - Продолжается развитие квантовых технологий, таких как криптография, сенсорика и моделирование

Три случая, как использовать это прямо сейчас

1. Квантовые генераторы случайных чисел используют присущую квантовым процессам случайность для создания по-настоящему случайных чисел, что крайне важно для шифрования.

2. Аппараты МРТ используют квантовое свойство спина для получения изображений мягких тканей тела без излучения.

3. Квантовые компьютеры, хотя и находятся на ранней стадии, как ожидается, когда-нибудь смогут решать определенные задачи намного быстрее, чем классические компьютеры, используя суперпозицию и запутанность.

Интересные факты

• Благодаря квантовой механике частица может проходить через барьер, через который у нее не должно хватать энергии.

• Квантовая запутанность была продемонстрирована между частицами, разделенными расстоянием более 1200 км.

• Квантовая механика утверждает, что существует крошечная, но ненулевая вероятность того, что вы можете пройти сквозь стену благодаря квантовому туннелированию.

• Квантовый эффект Зенона гласит, что наблюдение за частицей может предотвратить ее распад.

• Квантовая механика была разработана по меньшей мере 12 учеными, получившими Нобелевскую премию.