Квантовая механика — это изучение материи и ее взаимодействия с энергией в масштабе атомных и субатомных частиц . Напротив, классическая физика объясняет материю и энергию только в масштабе, знакомом человеческому опыту, включая поведение астрономических тел, таких как Луна. Классическая физика до сих пор используется в большей части современной науки и техники. Однако ближе к концу XIX века учёные открыли явления как в большом ( макро ), так и в малом ( микро ) мирах, которые классическая физика не могла объяснить. [1] Желание разрешить несоответствия между наблюдаемыми явлениями и классической теорией привело к революции в физике, сдвигу исходной научной парадигмы : [2] развитию квантовой механики .
Многие аспекты квантовой механики противоречат здравому смыслу [3] и могут показаться парадоксальными , поскольку описывают поведение, совершенно отличное от того, которое наблюдается в более крупных масштабах. По словам квантового физика Ричарда Фейнмана , квантовая механика имеет дело с «природой такой, какая она есть — абсурдной». [4] Особенности квантовой механики часто не поддаются простым объяснениям на повседневном языке. Одним из примеров этого является принцип неопределенности : точные измерения положения не могут сочетаться с точными измерениями скорости. Другой пример — запутанность . В определенных обстоятельствах две частицы с общей историей могут стать взаимно «запутанными», и в этом случае измерение, выполненное на одной частице (например, электроне, спин которого измерен вверх), будет статистически коррелировать с результатом эквивалентного измерения. на другой частице (вероятнее всего, у другой частицы будет спин вниз). Это применимо даже в том случае, если частицы могут находиться настолько далеко друг от друга, что результат первого измерения не может быть передан второй частице до того, как произойдет второе измерение.
Квантовая механика помогает нам понять химию , поскольку она объясняет, как атомы взаимодействуют друг с другом и образуют молекулы . Многие замечательные явления можно объяснить с помощью квантовой механики, например, сверхтекучесть . Жидкий гелий в контейнере, охлажденный до температуры, близкой к абсолютному нулю , самопроизвольно перетекает вверх и через край контейнера, эффект, который не может быть объяснен классической физикой.
Объединение Максвеллом электричества, магнетизма и света в 1880-х годах привело к экспериментам по взаимодействию света и материи. Некоторые из этих экспериментов имели аспекты, которые невозможно было объяснить. Квантовая механика возникла в начале 20 века в результате попыток объяснить эти результаты. [5]
Семена квантовой революции появились в открытии Дж. Дж. Томсона в 1897 году, что катодные лучи не были непрерывными, а были «частицами», которые теперь называются электронами . Электроны были названы всего шестью годами ранее в рамках развивающейся теории атомов . В 1900 году Макс Планк , консервативный физик, которого не убедила атомная теория , обнаружил, что ему нужны дискретные объекты, такие как атомы или электроны, для объяснения излучения черного тела . [6]
Горячие предметы излучают тепло; очень горячие объекты – раскаленные докрасна, раскаленные добела – все выглядят одинаково, если их нагреть до одной и той же температуры. Этот зависимый от температуры «вид» возникает из-за общей кривой интенсивности света на разных частотах (цветах). Общая кривая называется излучением черного тела. Самые низкие частоты – это невидимые тепловые лучи – инфракрасный свет. Белые горячие объекты имеют интенсивность многих цветов видимого диапазона. Теории непрерывных волн света и материи не могут объяснить кривую излучения черного тела. Планк распределил тепловую энергию между отдельными «осцилляторами» неопределенного характера, но с дискретной энергоемкостью: затем эта модель предсказала поведение излучения черного тела.
В то время электроны, атомы и дискретные осцилляторы были экзотическими идеями для объяснения экзотических явлений. Но в 1905 году Альберт Эйнштейн предположил, что свет также является корпускулярным, состоящим из «квантов энергии», что, по-видимому, противоречило устоявшейся науке о свете как непрерывной волне, восходящей сто лет назад к работам Томаса Янга по дифракции .
Его революционное предложение началось с повторного анализа теории черного тела Планка и прихода к тем же выводам, используя новые «кванты энергии». Затем Эйнштейн показал, как кванты энергии соединяются с электроном Дж. Дж. Томсона. В 1902 году Филипп Ленард направил свет дуговой лампы на только что очищенные металлические пластины, помещенные в вакуумированную стеклянную трубку. Он измерил электрический ток, исходящий от металлической пластины, для большей и меньшей интенсивности света и для разных металлов. Это фотоэлектрический эффект . Ленард показал, что величина тока – количество электронов – зависит от интенсивности света, но скорость этих электронов не зависит от интенсивности. Теории непрерывных волн того времени предсказывали, что большая интенсивность света приведет к ускорению того же количества тока до более высокой скорости, вопреки эксперименту. Энергетические кванты Эйнштейна объяснили увеличение объема: на каждый квант выбрасывается один электрон: больше квантов означает больше электронов. [6] : 23
Затем Эйнштейн предсказал, что скорость электронов будет увеличиваться прямо пропорционально частоте света выше фиксированного значения, зависящего от металла. Здесь идея состоит в том, что энергия в квантах энергии зависит от частоты света; энергия, передаваемая электрону, пропорциональна частоте света. Тип металла определяет барьер , фиксированную величину, которую электроны должны преодолеть, чтобы покинуть свои атомы, вылететь с поверхности металла и быть измерены.
Прошло десять лет, прежде чем окончательный эксперимент Милликена [7] подтвердил предсказание Эйнштейна. В то время многие учёные отвергли революционную идею квантов. [8] Но концепция Планка и Эйнштейна витала в воздухе и вскоре начала влиять на другие физические и квантовые теории.
Эксперименты со светом и материей в конце 1800-х годов выявили воспроизводимую, но загадочную закономерность. При пропускании света через очищенные газы определенные частоты (цвета) не проходили. Эти темные «линии» поглощения следовали характерной схеме: промежутки между линиями постепенно уменьшались. К 1889 году формула Ридберга предсказала линии для газообразного водорода, используя только постоянное число и целые числа для индексации линий. [5] : v1:376 Происхождение этой закономерности было неизвестно. Решение этой загадки в конечном итоге станет первым важным шагом на пути к квантовой механике.
На протяжении XIX века росли доказательства атомной природы материи. С открытием Дж. Дж. Томсоном электрона в 1897 году учёный начал поиск модели внутреннего строения атома. Томсон предположил, что отрицательные электроны плавают в резервуаре с положительным зарядом . Между 1908 и 1911 годами Резерфорд показал, что положительная часть составляет всего 1/3000 диаметра атома. [6] : 26
Были предложены модели «планетарных» электронов, вращающихся вокруг ядерного «Солнца», но они не могут объяснить, почему электрон просто не попадает в положительный заряд. В 1913 году Нильс Бор и Эрнест Резерфорд связали новые модели атома с загадкой формулы Ридберга: радиус орбит электронов был ограничен, и результирующие различия в энергии соответствовали различиям в энергии в линиях поглощения. Это означало, что поглощение и излучение света атомами было квантовано по энергии: излучались или поглощались только определенные энергии, соответствующие разнице в орбитальной энергии. [6] : 31
Обмен одной загадки – регулярности формулы Ридберга – на другую загадку – ограничения на орбиты электронов – может показаться не таким уж большим достижением, но новая модель атома суммировала многие другие экспериментальные открытия. Квантование фотоэлектрического эффекта, а теперь и квантование электронных орбит подготовили почву для последней революции.
В 1922 году Отто Штерн и Вальтер Герлах продемонстрировали , что магнитные свойства атомов серебра не поддаются классическому объяснению. Они выпустили луч атомов серебра через магнитное поле и в следующем году получили Нобелевскую премию по физике в 1943 году. Согласно классической физике, атомы должны были появиться в виде брызг с непрерывным диапазоном направлений. Вместо этого луч разделился на два и только два расходящихся потока атомов. [9] В отличие от других квантовых эффектов, известных в то время, этот поразительный результат касается состояния одного атома. [5] : v2:130 В 1927 году Т. Э. Фиппс и Дж. Б. Тейлор получили аналогичный, но менее выраженный эффект, используя атомы водорода в основном состоянии , тем самым устранив любые сомнения, которые могли быть вызваны использованием атомов серебра . [10]
В 1924 году Вольфганг Паули назвал это «двузначностью, не поддающейся классическому описанию» и связал ее с электронами во внешней оболочке. [11] Эксперименты привели к формулировке его теории, описанной как возникновение спина электрона в 1925 году Сэмюэлем Гаудсмитом и Джорджем Уленбеком по совету Пола Эренфеста . [12]
В 1924 году Луи де Бройль предположил [13] , что электроны в атоме удерживаются не на «орбитах», а в виде стоячих волн. В деталях его решение не сработало, но его гипотеза о том, что электронная «тельце» движется в атоме как волна, побудила Эрвина Шредингера разработать волновое уравнение для электронов; применительно к водороду формула Ридберга была точно воспроизведена. [6] : 65
Статья Макса Борна «Zur Quantenmechanik» 1924 года была первым использованием слова «квантовая механика» в печати. [14] [15] Его более поздние работы включали разработку моделей квантовых столкновений; в сноске к статье 1926 года он предложил правило Борна , связывающее теоретические модели с экспериментом. [16]
В 1927 году в Bell Labs Клинтон Дэвиссон и Лестер Гермер выпустили медленно движущиеся электроны в мишень из кристаллического никеля , которая показала дифракционную картину [17] [18] [19] [20] , указывающую на волновую природу электрона, теория которой была полностью объяснена Гансом . Быть . [21] Аналогичный эксперимент, проведенный Джорджем Пэджетом Томсоном и Александром Ридом, запуская электронами тонкую целлулоидную фольгу, а затем и металлические пленки, наблюдая за кольцами, независимо друг от друга открыл волновую природу электронов. [22]
В 1928 году Поль Дирак опубликовал свое релятивистское волновое уравнение, одновременно включив теорию относительности , предсказав антиматерию и предоставив полную теорию результата Штерна-Герлаха. [6] : 131 Эти успехи положили начало новому фундаментальному пониманию нашего мира в малых масштабах: квантовой механике.
Планк и Эйнштейн начали революцию с квантами, которые разрушили непрерывные модели материи и света. Двадцать лет спустя «корпускулы», подобные электронам, стали моделировать как непрерывные волны. Этот результат стал называться корпускулярно-волновым дуализмом — одной из знаковых идей наряду с принципом неопределенности, который отличает квантовую механику от старых моделей физики.
В 1923 году Комптон продемонстрировал, что кванты энергии Планка-Эйнштейна света также обладают импульсом; три года спустя «кванты энергии» получили новое название « фотон » [23] . Несмотря на свою роль почти на всех этапах квантовой революции, явной модели квантов света не существовало до 1927 года, когда Поль Дирак начал работу над квантовой теорией излучения. [24] , которая стала квантовой электродинамикой . В течение следующих десятилетий эта работа превратилась в квантовую теорию поля , основу современной квантовой оптики и физики элементарных частиц .
На протяжении всей первой и современной эры квантовой механики концепция о том, что классическая механика должна быть обоснованной, макроскопически ограничивала возможные квантовые модели. Это понятие было формализовано Бором в 1923 году как принцип соответствия . Это требует, чтобы квантовая теория сходилась к классическим пределам. [25] : 29
Одним из принципиальных «парадоксов» является очевидное несоответствие между законами Ньютона и квантовой механикой, которое можно объяснить с помощью теоремы Эренфеста , которая показывает, что средние значения, полученные из квантовой механики (например, положение и импульс), подчиняются классическим законам. [26] Однако теорема Эренфеста далеко не способна объяснить все наблюдаемые контринтуитивные явления ( квантовые странности ), а, скорее, является математическим выражением принципа соответствия.
Концепция корпускулярно-волнового дуализма гласит, что ни классическая концепция «частицы», ни «волны» не может полностью описать поведение объектов квантового масштаба, будь то фотонов или материи. Дуальность волны и частицы является примером принципа дополнительности в квантовой физике. [27] [28] [29] [30] [31] Элегантным примером корпускулярно-волнового дуализма является эксперимент с двумя щелями.
В эксперименте с двумя щелями, первоначально проведенном Томасом Юнгом в 1803 году [32] , а затем Огюстеном Френелем десять лет спустя [32] , луч света направляется через две узкие, близко расположенные щели, создавая интерференционную картину света. и темные полосы на экране. Если одну из щелей закрыть, можно наивно ожидать, что интенсивность полос из-за интерференции везде уменьшится вдвое. На самом деле наблюдается гораздо более простая картина — дифракционная картина , диаметрально противоположная открытой щели. То же самое поведение можно продемонстрировать и в водных волнах, поэтому эксперимент с двумя щелями рассматривался как демонстрация волновой природы света.
Вариации эксперимента с двумя щелями были выполнены с использованием электронов, атомов и даже больших молекул [33] [34] , и наблюдалась интерференционная картина того же типа. Таким образом, было продемонстрировано, что вся материя обладает как корпускулярными, так и волновыми характеристиками.
Даже если интенсивность источника уменьшена так, что через устройство одновременно проходит только одна частица (например, фотон или электрон), со временем развивается та же самая интерференционная картина. Квантовая частица действует как волна, проходя через двойные щели, и как частица, когда ее обнаруживают. Это типичная особенность квантовой дополнительности: квантовая частица действует как волна в эксперименте по измерению ее волноподобных свойств и как частица в эксперименте по измерению ее частицеподобных свойств. Точка на экране детектора, где появляется какая-либо отдельная частица, является результатом случайного процесса. Однако картина распределения многих отдельных частиц имитирует картину дифракции, создаваемую волнами.
Предположим, необходимо измерить положение и скорость объекта — например, автомобиля, проходящего через радарную ловушку. Можно предположить, что автомобиль имеет определенное положение и скорость в конкретный момент времени. Насколько точно можно измерить эти значения, зависит от качества измерительного оборудования. Если точность измерительного оборудования повышается, оно обеспечивает результат, более близкий к истинному значению. Можно предположить, что скорость автомобиля и его положение могут быть определены и измерены одновременно настолько точно, насколько это необходимо.
В 1927 году Гейзенберг доказал, что это последнее предположение неверно. [36] Квантовая механика показывает, что некоторые пары физических свойств, например, положение и скорость, не могут быть одновременно измерены или определены в операционных терминах с произвольной точностью: чем точнее одно свойство измерено или определено в операционных терминах, тем менее точно может другой. Это утверждение известно как принцип неопределенности . Принцип неопределенности — это не только утверждение о точности нашего измерительного оборудования, но, более глубоко, он касается концептуальной природы измеряемых величин — предположение, что автомобиль одновременно определял положение и скорость, не работает в квантовой механике. В масштабах автомобилей и людей эти неопределенности незначительны, но когда речь идет об атомах и электронах, они становятся критическими. [37]
Гейзенберг в качестве иллюстрации привел измерение положения и импульса электрона с помощью фотона света. При измерении положения электрона, чем выше частота фотона, тем точнее измерение положения удара фотона о электрон, но тем больше возмущение электрона. Это связано с тем, что в результате удара с фотоном электрон поглощает случайное количество энергии, что делает измерение его импульса все более неопределенным, поскольку его возмущенный импульс после удара обязательно измеряется по продуктам столкновения, а не по его первоначальному импульсу ( импульс, который следует измерять одновременно с положением). Для фотона более низкой частоты возмущение (и, следовательно, неопределенность) импульса меньше, но снижается и точность измерения положения удара. [38]
В основе принципа неопределенности лежит тот факт, что для любого математического анализа в области положения и скорости достижение более острой (более точной) кривой в области положения может быть достигнуто только за счет более плавной (менее точной) кривой. в области скорости и наоборот. Большая резкость в области положения требует вклада большего количества частот в области скорости для создания более узкой кривой, и наоборот. Это фундаментальный компромисс, присущий любым подобным связанным или дополнительным измерениям, но он действительно заметен только в самом маленьком (планковском) масштабе, близком к размеру элементарных частиц .
Принцип неопределенности математически показывает, что произведение неопределенности положения и импульса частицы (импульс — это скорость, умноженная на массу) никогда не может быть меньше определенного значения, и что это значение связано с постоянной Планка .
Коллапс волновой функции означает, что измерение привело или преобразовало квантовое (вероятностное или потенциальное) состояние в определенную измеренную величину. Это явление наблюдается только в квантовой механике, а не в классической механике.
Например, прежде чем фотон действительно «появится» на экране обнаружения, его можно описать только с помощью набора вероятностей того, где он может появиться. Когда он появляется, например, в ПЗС-матрице электронной камеры, время и пространство, в котором он взаимодействовал с устройством, известны в очень узких пределах. Однако в процессе захвата (измерения) фотон исчез, а вместе с ним исчезла и его квантовая волновая функция . Вместо этого появилось какое-то макроскопическое физическое изменение в экране детектирования, например, засвеченное пятно на листе фотопленки или изменение электрического потенциала в какой-либо ячейке ПЗС-матрицы.
Из-за принципа неопределенности утверждения о положении и импульсе частиц могут определять только вероятность того, что положение или импульс имеют некоторое числовое значение. Поэтому необходимо четко сформулировать разницу между состоянием чего-то неопределенного, например электрона в облаке вероятностей, и состоянием чего-то, имеющего определенную величину. Когда объект в каком-то отношении определенно может быть «закреплен», говорят, что он обладает собственным состоянием .
В эксперименте Штерна-Герлаха, обсуждавшемся выше, вращение атома вокруг вертикальной оси имеет два собственных состояния: вверх и вниз. Прежде чем измерить его, мы можем только сказать, что любой отдельный атом имеет равную вероятность оказаться со спином вверх или вниз. Процесс измерения приводит к коллапсу волновой функции в одно из двух состояний.
Собственные состояния вращения вокруг вертикальной оси не являются одновременно собственными состояниями вращения вокруг горизонтальной оси, поэтому этот атом имеет равную вероятность обнаружить любое значение вращения вокруг горизонтальной оси. Как описано в разделе выше, измерение вращения вокруг горизонтальной оси может позволить атому, который был раскручен вверх, вращаться вниз: измерение его вращения вокруг горизонтальной оси сжимает его волновую функцию в одно из собственных состояний этого измерения, что означает, что это больше не находится в собственном состоянии вращения вокруг вертикальной оси, поэтому может принимать любое значение.
В 1924 году Вольфганг Паули предложил новую квантовую степень свободы (или квантовое число ) с двумя возможными значениями, чтобы разрешить несоответствия между наблюдаемыми молекулярными спектрами и предсказаниями квантовой механики. В частности, спектр атомарного водорода имел дублет или пару линий, различающихся на небольшую величину, тогда как ожидалась только одна линия. Паули сформулировал свой принцип исключения , заявив: «Не может существовать атом в таком квантовом состоянии, в котором два электрона внутри него имеют одинаковый набор квантовых чисел». [39]
Год спустя Уленбек и Гаудсмит идентифицировали новую степень свободы Паули со свойством, называемым спином , эффекты которого наблюдались в эксперименте Штерна-Герлаха .
В 1928 году Поль Дирак расширил уравнение Паули , описывающее вращение электронов, для учета специальной теории относительности . Результатом стала теория, которая правильно рассматривала такие события, как скорость, с которой электрон вращается вокруг ядра, происходящую со значительной долей скорости света . Используя простейшее электромагнитное взаимодействие , Дирак смог предсказать значение магнитного момента, связанного со вращением электрона, и нашел экспериментально наблюдаемое значение, которое было слишком большим, чтобы соответствовать вращающейся заряженной сфере, подчиняющейся классической физике . Ему удалось найти спектральные линии атома водорода и воспроизвести на основе физических принципов успешную формулу Зоммерфельда для определения тонкой структуры спектра водорода.
Уравнения Дирака иногда давали отрицательное значение энергии, для чего он предложил новое решение: он постулировал существование антиэлектрона и динамического вакуума. Это привело к созданию многочастичной квантовой теории поля .
Принцип запрета Паули гласит, что два электрона в одной системе не могут находиться в одном и том же состоянии. Однако природа оставляет открытой возможность того, что два электрона могут иметь оба состояния, «наложенные» на каждое из них. Напомним, что волновые функции, одновременно выходящие из двойных щелей, попадают на экран регистрации в состоянии суперпозиции. Ни в чем нельзя быть уверенным до тех пор, пока наложенные сигналы не «разрушатся». В этот момент где-то появляется электрон в соответствии с вероятностью, которая равна квадрату абсолютного значения суммы комплексных амплитуд двух наложенных сигналов. Ситуация там уже очень абстрактная. Конкретный способ мышления о запутанных фотонах, фотонах, в которых два противоположных состояния накладываются на каждый из них в одном и том же событии, заключается в следующем:
Представьте, что у нас есть два состояния фотонов с цветовой кодировкой: одно состояние помечено синим , а другое состояние помечено красным . Пусть суперпозиция красного и синего состояний предстанет (в воображении) как фиолетовое состояние. Мы рассматриваем случай, когда два фотона рождаются в результате одного атомного события. Возможно, они возникают в результате возбуждения кристалла, который поглощает фотон определенной частоты и испускает два фотона с половиной исходной частоты. В этом случае фотоны связаны между собой общим происхождением в одном атомном событии. Эта установка приводит к наложению состояний фотонов. Таким образом, два фотона становятся фиолетовыми. Если теперь экспериментатор проведет некоторый эксперимент, который определит, является ли один из фотонов синим или красным , то этот эксперимент изменит задействованный фотон с фотона, имеющего суперпозицию синих и красных характеристик, на фотон, обладающий только одной из этих характеристик. Проблема, с которой столкнулся Эйнштейн в такой воображаемой ситуации, заключалась в том, что если бы один из этих фотонов продолжал прыгать между зеркалами в земной лаборатории, а другой пролетел половину пути к ближайшей звезде, когда его двойник был вынужден проявить себя как либо синий или красный, это означало, что удаленный фотон теперь тоже должен был потерять свой фиолетовый статус. Поэтому всякий раз, когда его можно было исследовать после измерения его двойника, он обязательно оказывался в состоянии, противоположном тому, что обнаружил его близнец.
Пытаясь показать, что квантовая механика не является законченной теорией, Эйнштейн начал с предсказания теории о том, что две или более частицы, которые взаимодействовали в прошлом, могут оказаться сильно коррелированными, когда позже будут измерены их различные свойства. Он стремился объяснить это кажущееся взаимодействие классически, через их общее прошлое, а не каким-то «жутким действием на расстоянии». Этот аргумент разработан в знаменитой статье Эйнштейна, Подольского и Розена (1935; сокращенно ЭПР), в которой изложено то, что сейчас называется парадоксом ЭПР . Предполагая то, что сейчас обычно называют локальным реализмом , ЭПР попыталась показать с помощью квантовой теории, что частица одновременно обладает и положением, и импульсом, в то время как, согласно копенгагенской интерпретации , реально существует только одно из этих двух свойств и только в тот момент, когда оно измерено. ЭПР пришел к выводу, что квантовая теория неполна, поскольку она отказывается учитывать физические свойства, объективно существующие в природе. (Эйнштейн, Подольский и Розен, 1935 г. в настоящее время являются наиболее цитируемой публикацией Эйнштейна в физических журналах.) В том же году Эрвин Шредингер использовал слово «запутывание» и заявил: «Я бы не назвал это явление , а скорее характерной чертой квантовой механики». ." [40] Ирландский физик Джон Стюарт Белл продвинул анализ квантовой запутанности гораздо дальше. Он пришел к выводу, что если измерения выполняются независимо на двух разделенных частицах запутанной пары, то предположение о том, что результаты зависят от скрытых переменных внутри каждой половины, подразумевает математическое ограничение на то, как коррелируют результаты двух измерений. Это ограничение позже будет названо неравенством Белла . Затем Белл показал, что квантовая физика предсказывает корреляции, нарушающие это неравенство. Следовательно, единственный способ, которым скрытые переменные могли бы объяснить предсказания квантовой физики, — это если они «нелокальны», то есть каким-то образом две частицы способны мгновенно взаимодействовать, независимо от того, насколько далеко они когда-либо были разделены. [41] [42] Проводя эксперименты, подобные тем, которые предложил Белл, физики обнаружили, что природа подчиняется квантовой механике и нарушает неравенства Белла. Другими словами, результаты этих экспериментов несовместимы с любой локальной теорией скрытых переменных. [43] [44]
Идея квантовой теории поля возникла в конце 1920-х годов у британского физика Поля Дирака, когда он попытался квантовать энергию электромагнитного поля ; точно так же, как в квантовой механике, энергия электрона в атоме водорода квантовалась. Квантование — это процедура построения квантовой теории, исходя из классической теории.
Мерриам-Вебстер определяет поле в физике как «область или пространство, в котором существует данный эффект (например, магнетизм ). [45] Другими эффектами, которые проявляются в виде полей, являются гравитация и статическое электричество . [46] В 2008 году физик Ричард Хаммонд писал:
Иногда мы различаем квантовую механику (КМ) и квантовую теорию поля (КТП). КМ относится к системе, в которой число частиц фиксировано, а поля (например, электромеханическое поле) представляют собой непрерывные классические объекты. QFT... идет на шаг дальше и позволяет создавать и уничтожать частицы...
Однако он добавил, что квантовая механика часто используется для обозначения «всего понятия квантовой теории». [47] : 108
В 1931 году Дирак предположил существование частиц, которые позже стали известны как антивещество . [48] Дирак разделил Нобелевскую премию по физике за 1933 год со Шредингером «за открытие новых продуктивных форм атомной теории». [49]
Квантовая электродинамика (КЭД) — это название квантовой теории электромагнитных сил . Понимание КЭД начинается с понимания электромагнетизма . Электромагнетизм можно назвать «электродинамикой», потому что это динамическое взаимодействие между электрическими и магнитными силами . Электромагнетизм начинается с электрического заряда .
Электрические заряды являются источниками и создают электрические поля . Электрическое поле — это поле, которое оказывает силу на любые частицы, несущие электрические заряды, в любой точке пространства. Сюда входят, среди прочего, электрон, протон и даже кварки . Под действием силы электрические заряды движутся, течет ток и создается магнитное поле. Изменение магнитного поля, в свою очередь, вызывает электрический ток (часто движущиеся электроны). Физическое описание взаимодействующих заряженных частиц , электрических токов, электрических полей и магнитных полей называется электромагнетизмом.
В 1928 году Поль Дирак создал релятивистскую квантовую теорию электромагнетизма. Это был прародитель современной квантовой электродинамики, поскольку он содержал важные компоненты современной теории. Однако в этой релятивистской квантовой теории возникла проблема неразрешимых бесконечностей . Спустя годы перенормировка во многом решила эту проблему. Первоначально некоторые из ее создателей рассматривали перенормировку как временную и подозрительную процедуру, но в конечном итоге она стала важным и самосогласованным инструментом в КЭД и других областях физики. Кроме того, в конце 1940-х годов диаграммы Фейнмана позволили делать прогнозы с помощью КЭД, находя амплитуду вероятности для каждого возможного способа возникновения взаимодействия. Диаграммы показали, в частности, что электромагнитная сила представляет собой обмен фотонами между взаимодействующими частицами. [50]
Лэмбовский сдвиг является примером предсказания квантовой электродинамики, которое было подтверждено экспериментально. Это эффект, при котором квантовая природа электромагнитного поля заставляет уровни энергии в атоме или ионе слегка отклоняться от тех, которыми они были бы в противном случае. В результате спектральные линии могут смещаться или разделяться.
Точно так же внутри свободно распространяющейся электромагнитной волны ток может быть просто абстрактным током смещения , а не затрагивать носители заряда. В КЭД его полное описание существенно использует короткоживущие виртуальные частицы . Здесь QED снова подтверждает более раннюю, довольно загадочную концепцию.
Стандартная модель физики элементарных частиц — это квантовая теория поля, которая описывает три из четырех известных фундаментальных сил ( электромагнитное , слабое и сильное взаимодействия , исключая гравитацию ) во Вселенной и классифицирует все известные элементарные частицы . Она разрабатывалась поэтапно на протяжении второй половины 20-го века благодаря работе многих ученых со всего мира, а нынешняя формулировка была завершена в середине 1970-х годов после экспериментального подтверждения существования кварков . С тех пор доказательства существования топ-кварка (1995 г.), тау-нейтрино (2000 г.) и бозона Хиггса (2012 г.) еще больше усилили доверие к Стандартной модели. Кроме того, Стандартная модель с большой точностью предсказала различные свойства слабых нейтральных токов и W- и Z-бозонов .
Хотя Стандартная модель считается теоретически самосогласованной и продемонстрировала успех в экспериментальных предсказаниях , она оставляет некоторые физические явления необъяснимыми и поэтому не может быть полной теорией фундаментальных взаимодействий . Например, она не объясняет полностью барионную асимметрию , не включает полную теорию гравитации , описанную общей теорией относительности , и не объясняет ускоряющееся расширение Вселенной , которое, возможно, описывается темной энергией . Модель не содержит ни одной жизнеспособной частицы темной материи , которая обладала бы всеми необходимыми свойствами, выведенными из наблюдательной космологии . Он также не учитывает нейтринные осцилляции и их ненулевые массы. Соответственно, он используется в качестве основы для построения более экзотических моделей, которые включают гипотетические частицы , дополнительные измерения и сложные симметрии (например, суперсимметрию ) для объяснения экспериментальных результатов, противоречащих Стандартной модели, таких как существование темной материи и нейтринных осцилляций. .
Физические измерения, уравнения и предсказания, относящиеся к квантовой механике, непротиворечивы и имеют очень высокий уровень подтверждения. Однако вопрос о том, что эти абстрактные модели говорят о природе реального мира, получил противоречивые ответы. Эти интерпретации весьма разнообразны и иногда несколько абстрактны. Например, копенгагенская интерпретация утверждает, что до измерения утверждения о свойствах частицы совершенно бессмысленны, тогда как интерпретация многих миров описывает существование мультивселенной, состоящей из всех возможных вселенных. [51]
Свет в некоторых отношениях ведет себя как частицы, а в других — как волны. Материя — «вещество» Вселенной, состоящее из таких частиц, как электроны и атомы , — также демонстрирует волновое поведение . Некоторые источники света, такие как неоновые лампы , излучают только определенные частоты света — небольшой набор различных чистых цветов, определяемых атомной структурой неона. Квантовая механика показывает, что свет, наряду со всеми другими формами электромагнитного излучения , приходит в виде дискретных единиц, называемых фотонами , и предсказывает его спектральную энергию (соответствующую чистым цветам) и интенсивность световых лучей. Одиночный фотон — это квант или наименьшая наблюдаемая частица электромагнитного поля. Парциальный фотон никогда экспериментально не наблюдался. В более широком смысле, квантовая механика показывает, что многие свойства объектов, такие как положение, скорость и угловой момент , которые казались непрерывными в уменьшенном представлении классической механики, на самом деле (в очень крошечном, увеличенном масштабе) квантовая механика) квантованная . Такие свойства элементарных частиц должны принимать одно из множества небольших дискретных допустимых значений, а поскольку разрыв между этими значениями также мал, разрывы заметны только на очень крошечных (атомных) масштабах.
Взаимосвязь между частотой электромагнитного излучения и энергией каждого фотона объясняет, почему ультрафиолетовый свет может вызвать солнечный ожог , а видимый или инфракрасный свет — нет. Фотон ультрафиолетового света излучает большое количество энергии — достаточное, чтобы способствовать повреждению клеток, например, при солнечном ожоге. Фотон инфракрасного света излучает меньше энергии — ее достаточно, чтобы согреть кожу. Итак, инфракрасная лампа может нагреть большую поверхность, возможно, достаточно большую, чтобы людям было комфортно в холодной комнате, но она не может вызвать солнечный ожог. [52]
Приложения квантовой механики включают лазер , транзистор , электронный микроскоп и магнитно-резонансную томографию . Особый класс квантовомеханических приложений связан с макроскопическими квантовыми явлениями, такими как сверхтекучий гелий и сверхпроводники. Изучение полупроводников привело к изобретению диода и транзистора , незаменимых для современной электроники .
Даже в простом выключателе света квантовое туннелирование абсолютно необходимо, поскольку в противном случае электроны в электрическом токе не смогли бы проникнуть через потенциальный барьер , состоящий из слоя оксида. Чипы флэш-памяти , обнаруженные в USB-накопителях , также используют квантовое туннелирование для стирания ячеек памяти. [53]
принцип дополнительности корпускулярно-волновой дуализм.
[Я] в интерферометре с тремя решетками... Мы наблюдаем высококонтрастные квантовые полосы молекул... имеющих 810 атомов в одной частице.
Следующие книги, написанные работающими физиками, представляют собой попытку донести квантовую теорию до непрофессионалов, используя минимум технических средств.
