La physique quantique est habituellement juste intimidant du rendez-vous aller. Il est un peu bizarre et peut sembler contre-intuitif, même pour les physiciens qui traitent de tous les jours. Mais ce n'est pas incompréhensible. Si vous lisez quelque chose sur la physique quantique, il y a vraiment six concepts clés à ce sujet que vous devez garder à l'esprit. Faites cela, et vous trouverez la physique quantique beaucoup plus facile à comprendre.
Tout est fait de vagues; Aussi, les particules
Il y a beaucoup d'endroits pour commencer ce genre de discussion, ce qui est aussi bon que: tout dans l'univers est à la fois la nature des particules et des vagues, en même temps. Il y a une ligne dans le duology fantastique de Greg Bear ( Le Concerto Infinity et Le Serpent Mage ), où un personnage décrit les bases de la magie dit : « Tout est vagues, sans rien onduler, sur aucune distance. » J'ai toujours bien aimé que comme une description poétique quantique physics-- en profondeur, tout dans l'univers a la nature des vagues.
Bien sûr, tout dans l'univers a aussi la nature des particules. Cela semble complètement fou, mais il est un fait expérimental, élaboré par un processus étonnamment familier:
Bien sûr, la description des objets réels comme les particules et les ondes est nécessairement quelque peu imprécis. A proprement parler, les objets décrits par la physique quantique ne sont ni particules, ni vagues, mais une troisième catégorie qui partage certaines propriétés des ondes (une fréquence caractéristique et longueur d'onde, une propagation dans l'espace) et certaines propriétés des particules (ils sont généralement dénombrables et peut être localisée dans une certaine mesure). Cela conduit à un débat animé au sein de la communauté éducative de la physique pour savoir s'il est vraiment approprié de parler de la lumière comme une particule dans les cours de physique d'introduction; non pas parce qu'il ya une controverse quant à savoir si la lumière a une certaine nature des particules, mais parce que d'appeler photons « particules » plutôt que « d'un champ excitations quantique » pourrait conduire à des idées fausses étudiants. Je tendance à ne pas être d'accord avec cela,
Cette nature « numéro de porte trois » des objets quantiques se reflète dans la langue des physiciens parfois confus utilisent pour parler de phénomènes quantiques. Le boson de Higgs a été découvert au Grand collisionneur de hadrons comme une particule, mais vous entendrez les physiciens parlent du « champ de Higgs » comme une chose délocalisée remplissant tout l'espace. Cela se produit parce que dans certaines circonstances, telles que des expériences collisionneur, il est plus pratique pour discuter excitations du champ de Higgs d'une manière qui met l'accent sur les caractéristiques propres aux particules, alors que dans d'autres circonstances, comme la discussion générale pourquoi certaines particules ont une masse, il est plus pratique pour discuter de la physique en termes d'interactions avec un champ quantique univers de remplissage. Il est tout simplement un langage différent décrivant le même objet mathématique.
La physique quantique est discret
Il est là dans le mot Nom-Mettez « quantum » vient du latin « combien » et reflète le fait que les modèles quantiques impliquent toujours quelque chose à venir en quantités discrètes. en multiples entiers d'une certaine énergie fondamentale L'énergie contenue dans un champ quantique vient. Pour la lumière, ceci est associé à la fréquence et la longueur d'onde de la haute fréquence light--, la lumière courte longueur d'onde a une grande énergie caractéristique, à basse fréquence, la lumière grande longueur d'onde a une petite énergie caractéristique.
Dans les deux cas, cependant, l'énergie totale contenue dans un champ de lumière donnée est un multiple entier de cette energy-- 1, 2, 14, 137 times-- jamais une fraction bizarre comme un-et-demi, π, ou la racine carrée de deux. Cette propriété est également vu dans les niveaux discrets d'énergie d'atomes, et sont autorisés les bandes d'énergie de solids-- certaines valeurs de l' énergie, d' autres ne sont pas. Les horloges atomiques fonctionnent en raison de la discrétisation de la physique quantique, en utilisant la fréquence de la lumière associée à une transition entre deux états autorisés dans le césium pour garder le temps à un niveau exigeant le très discuté « sauter deuxième » a ajouté la semaine dernière.
La spectroscopie ultra-précise peut également être utilisé pour chercher des choses comme la matière noire , et fait partie de la motivation pour un institut de physique fondamentale à faible énergie .
L'un des plus surprenants et (historiquement, au moins) les aspects controversés de la physique quantique est qu'il est impossible de prédire avec certitude l'issue d'une expérience unique sur un système quantique. Lorsque les physiciens prédisent le résultat d'une certaine expérience, la prédiction prend toujours la forme d'une probabilité de trouver chacun des résultats particuliers possibles, et les comparaisons entre la théorie et l'expérience impliquent toujours déduisant des distributions de probabilité de nombreuses expériences répétées.
La description mathématique d'un système quantique prend généralement la forme d'une « fonction d'onde », généralement représentée dans les équations par la lettre grecque psi: Ψ. Il y a beaucoup de débat sur ce qui, exactement, ce wavefunction représente, se décomposant en deux camps principaux: ceux qui pensent de la fonction d'onde comme une chose réelle physique (le terme de jargon pour ces derniers est des théories « ontique », menant une personne pleine d'esprit de dub leurs partisans « psi-ONTOLOGISTS ») et ceux qui pensent de la fonction d'onde comme une simple expression de nos connaissances (ou l'absence) en ce qui concerne l'état sous-jacent d'un objet quantique particulière (théories « épistémiques »).
Dans les deux classes de modèle fondamental, la probabilité de trouver un résultat n'est pas donnée directement par la fonction d' onde, mais par le carré de la fonction d' onde ( en parlant vaguement, de toute façon, la fonction d' onde est un objet mathématique complexe ( ce qui signifie qu'il implique des nombres imaginaires comme le carré racine d'un négatif), et l'opération pour obtenir la probabilité est un peu plus complexe, mais « carré de la fonction d' onde » est suffisant pour obtenir l'idée de base). Ceci est connu comme la « Règle Born » après le physicien allemand Max Born qui a d' abord suggéré ceci (dans une note à un document en 1926), et frappe certaines personnes comme un vilain ad hocune addition. Il y a un effort actif dans certaines parties de la communauté des fondations quantiques pour trouver un moyen de tirer le principe de la naissance d'un principe plus fondamental; à ce jour, aucun d'entre eux ont été pleinement couronnée de succès, mais il génère beaucoup de science intéressante.
Ceci est aussi l'aspect de la théorie qui conduit à des choses comme étant des particules dans plusieurs états en même temps. Tout ce que nous pouvons prédire la probabilité est, et avant une mesure qui détermine un résultat particulier, le système mesuré est dans un état indéterminé qui associe mathématiquement à une superposition de toutes les possibilités avec des probabilités différentes. Que vous considérez cela comme le système vraiment être dans tous les états à la fois, ou tout simplement être dans un état inconnu dépend en grande partie de vos sentiments au sujet des modèles ontique par rapport épistémiques, bien que ceux - ci sont à la fois soumis à des contraintes de l'élément suivant sur la liste:
Le document EPR a fait valoir que la physique quantique a permis l'existence de systèmes où les mesures effectuées à des endroits très éloignés les uns pourraient être corrélés de manière qui suggéraient l'issue d'un a été déterminé par l'autre. Ils ont fait valoir que cela signifiait les résultats de mesure doivent être déterminés à l'avance, par un facteur commun, parce que l'alternative nécessiterait la transmission du résultat d'une mesure à l'emplacement de l'autre à des vitesses supérieures à la vitesse de la lumière. Ainsi, la mécanique quantique doit être incomplète, une simple approximation d'une théorie plus profonde (une théorie « variable locale cachée », celle où les résultats d'une mesure particulière ne dépendent pas de quoi que ce soit plus loin de l'emplacement de mesure qu'un signal pourrait voyager au vitesse de la lumière ( "local"),
Cela a été considéré comme une note étrange pour une trentaine d' années, car il semble y avoir aucun moyen de le tester, mais au milieu des années 1960 , le physicien irlandais John Bell a travaillé sur les conséquences du document EPR plus en détail. Bell a montré que vous pouvez trouver des circonstances dans lesquelles la mécanique quantique prédit des corrélations entre les mesures distantes qui sont plus fortes que toute théorie possible du type préféré par E, P et R. Cela a été testé expérimentalement au milieu des années 1970 par John Clauser, et série d'expériences d'Alain Aspect au début des années 1980 est largement considéré comme ayant définitivement montré que ces systèmes enchevêtrés ne peuvent pas être expliqués par une théorie variable locale cachée.
L'approche la plus commune à la compréhension de ce résultat est de dire que la mécanique quantique est non local: que les résultats des mesures effectuées à un endroit particulier peut dépendre des propriétés des objets lointains d'une manière qui ne peut être expliquée à l' aide des signaux se déplaçant à la vitesse de la lumière. Cela ne permet toutefois l'envoi d'informations à des vitesses dépassant la vitesse de la lumière, bien qu'il y ait eu un certain nombre de tentatives de trouver un moyen d'utiliser la non-localité quantique pour le faire. Réfutant ces est avéré être une production étonnamment enterprise-- vérifier David Kaiser Comment l'Hippies Saved physique pour plus de détails. Non-localité quantique est également au centre du problème de l' information dans l' évaporation des trous noirs, et le « pare - feu ». There are even some radical ideas involving a mathematical connection between the entangled particles described in the EPR paper and wormholes.
La physique quantique (La plupart du temps) Très Petit
La physique quantique a la réputation d'être bizarre parce que ses prédictions sont radicalement contrairement à notre expérience quotidienne (au moins, pour humans-- la vanité de mon livre est qu'il ne semble pas si étrange pour les chiens). Cela se produit parce que les effets impliqués deviennent plus petits que les objets se larger-- si vous voulez voir le comportement quantique sans ambiguïté, vous voulez voir essentiellement des particules se comportent comme des vagues, et la longueur d' onde diminue à mesure que l'augmentation de la quantité de mouvement. La longueur d' onde d'un objet macroscopique comme un chien marchant à travers la pièce est si ridiculement minuscule que si vous tout assouplis pour qu'un seul atome dans la chambre étaient la taille de l'ensemble du système solaire, la longueur d' onde du chien serait de la taille d'un atome dans ce système solaire.
Cela signifie que, pour la plupart, les phénomènes quantiques sont confinés à l'échelle des atomes et des particules fondamentales, où les masses et les vitesses sont assez petites pour les longueurs d' onde pour obtenir assez grand pour observer directement. Il y a un effort actif dans un tas de domaines, cependant, de pousser la taille des systèmes montrant des effets quantiques jusqu'à des tailles plus grandes. J'ai blogué un tas au sujet des expériences par le groupe de Markus Arndtmontrant le comportement ondulatoire en molécules plus en plus grandes, et il y a un groupe de groupes « mécanique opto-cavité » en essayant d'utiliser la lumière pour ralentir le mouvement des morceaux de silicium jusqu'au point où la nature quantique discret de la motion devenir clair. Il y a même des suggestions qu'il pourrait être possible de le faire avec des miroirs suspendus ayant des masses de plusieurs grammes, ce qui serait incroyablement cool.
La physique quantique est pas magique
Le point précédent conduit tout naturellement dans celui - ci: aussi bizarre que cela puisse paraître, la physique quantique est le plus emphatiquement pas magique. Les choses sont étranges , il prédit par les normes de la physique quotidienne, mais ils sont rigoureusement limités par des règles et des principes mathématiques bien compris.
Donc, si quelqu'un vient à vous avec une idée « quantique » qui semble trop beau pour être énergie libre true--, les pouvoirs mystiques de guérison, l' espace impossible drives-- il est presque certainement. Cela ne signifie pas que nous ne pouvons pas utiliser la physique quantique pour faire étonnant things-- vous pouvez trouver quelques physique vraiment cool dans la technologie banale - mais ces choses restent bien dans les limites des lois de la thermodynamique et tout bon sens.
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