Квантовая механика изучает материю и ее взаимодействие 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 по- прежнему используется во многих областях современной науки и техники. Однако к концу 19 века ученые обнаружили явления как в большом ( макро ), так и в малом ( микро ) мире, которые классическая физика не могла объяснить. [1] Желание разрешить несоответствия между наблюдаемыми явлениями и классической теорией привело к революции в физике, сдвигу в исходной научной парадигме : [2] развитию квантовой механики .
Многие аспекты квантовой механики являются контринтуитивными [3] и могут казаться парадоксальными , поскольку они описывают поведение, совершенно отличное от наблюдаемого в более крупных масштабах. По словам квантового физика Ричарда Фейнмана , квантовая механика имеет дело с «природой, как она есть — абсурд». [4] Особенности квантовой механики часто не поддаются простым объяснениям на повседневном языке. Одним из примеров этого является принцип неопределенности : точные измерения положения не могут быть объединены с точными измерениями скорости. Другим примером является запутанность : измерение, выполненное на одной частице (например, электрон , у которого измерен спин «вверх»), будет коррелировать с измерением на второй частице (будет обнаружено, что у электрона спин «вниз»), если у двух частиц общая история. Это будет применяться, даже если невозможно, чтобы результат первого измерения был передан второй частице до того, как будет выполнено второе измерение.
Квантовая механика помогает нам понять химию , потому что она объясняет, как атомы взаимодействуют друг с другом и образуют молекулы . Многие замечательные явления можно объяснить с помощью квантовой механики, например, сверхтекучесть . Например, если жидкий гелий, охлажденный до температуры, близкой к абсолютному нулю, поместить в контейнер, он самопроизвольно потечет вверх и через край контейнера; этот эффект не может быть объяснен классической физикой.
Объединение Джеймсом С. Максвеллом уравнений , управляющих электричеством, магнетизмом и светом в конце 19-го века, привело к экспериментам по взаимодействию света и материи. Некоторые из этих экспериментов имели аспекты, которые не могли быть объяснены до тех пор, пока квантовая механика не появилась в начале 20-го века. [5]
Семена квантовой революции появляются в открытии Дж. Дж. Томсона в 1897 году, что катодные лучи не являются непрерывными, а «корпускулами» ( электронами ). Электроны были названы всего шестью годами ранее как часть формирующейся теории атомов . В 1900 году Макс Планк , не убежденный атомной теорией , обнаружил, что ему нужны дискретные сущности, такие как атомы или электроны, чтобы объяснить излучение черного тела . [6]
Очень горячие — раскаленные докрасна или раскаленные добела — объекты выглядят одинаково, если нагреть их до одной и той же температуры. Этот вид является результатом общей кривой интенсивности света на разных частотах (цветах), которая называется излучением черного тела. Раскаленные добела объекты имеют интенсивность во многих цветах видимого диапазона. Самые низкие частоты выше видимых цветов — это инфракрасный свет , который также выделяет тепло. Теории непрерывной волны света и материи не могут объяснить кривую излучения черного тела. Планк распределил тепловую энергию между отдельными «осцилляторами» неопределенного характера, но с дискретной энергетической емкостью; эта модель объясняла излучение 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», в противоречии с устоявшейся наукой о свете как о непрерывной волне, восходящей к работам Томаса Юнга по дифракции на сто лет назад .
Революционное предложение Эйнштейна началось с повторного анализа теории черного тела Планка, придя к тем же выводам с помощью новых «квантов энергии». Затем Эйнштейн показал, как кванты энергии связаны с электроном Томсона. В 1902 году Филипп Ленард направил свет от дуговой лампы на свежеочищенные металлические пластины, помещенные в откачанную стеклянную трубку. Он измерил электрический ток, исходящий от металлической пластины, при более высокой и низкой интенсивности света и для разных металлов. Ленард показал, что величина тока — количество электронов — зависит от интенсивности света, но что скорость этих электронов не зависит от интенсивности. Это фотоэлектрический эффект . Теории непрерывной волны того времени предсказывали, что большая интенсивность света ускорит то же количество тока до более высокой скорости, вопреки этому эксперименту. Кванты энергии Эйнштейна объяснили увеличение объема: один электрон выбрасывается на каждый квант: больше квантов означает больше электронов. [6] : 23
Затем Эйнштейн предсказал, что скорость электрона будет увеличиваться прямо пропорционально частоте света выше фиксированного значения, которое зависит от металла. Здесь идея заключается в том, что энергия в квантах энергии зависит от частоты света; энергия, передаваемая электрону, пропорциональна частоте света. Тип металла создает барьер , фиксированное значение, которое электроны должны преодолеть, чтобы покинуть свои атомы, испустить с поверхности металла и измерить.
Прошло десять лет, прежде чем окончательный эксперимент Милликена [7] подтвердил предсказание Эйнштейна. В то время многие ученые 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 озадачивающую закономерность. Когда свет пропускался через очищенные газы, определенные частоты (цвета) не проходили. Эти темные «линии» поглощения следовали характерной закономерности: промежутки между линиями неуклонно уменьшались. К 1889 году формула Ридберга предсказала линии для водорода, используя только постоянное число и целые числа для индексации линий. [5] : v1:376 Происхождение этой закономерности было неизвестно. Разгадка этой тайны в конечном итоге стала первым крупным шагом на пути к квантовой механике.
На протяжении всего 19 века росли доказательства атомной природы материи. С открытием Томсоном электрона в 1897 году ученые начали поиск модели внутренней части атома. Томсон предположил, что отрицательные электроны плавают в бассейне 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 падает на положительный заряд. В 1913 году Нильс Бор и Эрнест Резерфорд связали новые модели атома с загадкой формулы Ридберга: орбитальный радиус электронов был ограничен, а результирующие различия в энергии соответствовали различиям в энергии в линиях поглощения. Это означало, что поглощение и испускание света атомами было квантовано по энергии: испускались или поглощались только определенные энергии, соответствующие разнице в орбитальной энергии. [6] : 31
Обмен одной тайны – регулярного шаблона формулы Ридберга – на другую тайну – ограничения на электронные орбиты – может показаться не таким уж большим шагом вперед, но новая модель атома обобщила многие другие экспериментальные открытия. Квантование фотоэлектрического эффекта, а теперь и квантование электронных орбит подготовили почву для окончательной революции.
На протяжении первой и современной эпохи квантовой механики концепция, что классическая механика должна быть справедливой, макроскопически ограничена возможными квантовыми моделями. Эта концепция была формализована Бором в 1923 году как принцип соответствия . Он требует, чтобы квантовая теория сходилась к классическим пределам. [9] : 29 Связанная концепция — теорема Эренфеста , которая показывает, что средние значения, полученные из квантовой механики (например, положение и импульс), подчиняются классическим законам. [10]
В 1922 году Отто Штерн и Вальтер Герлах продемонстрировали , что магнитные свойства атомов серебра не поддаются классическому объяснению, работа, которая способствовала получению Штерном Нобелевской премии по физике в 1943 году . Они пропустили пучок атомов серебра через магнитное поле. Согласно классической физике, атомы должны были появиться в виде брызг с непрерывным диапазоном направлений. Вместо этого пучок разделился на два, и только на два, расходящихся потока атомов. [11] В отличие от других квантовых эффектов, известных в то время, этот поразительный результат касается состояния одного атома. [5] : v2:130 В 1927 году TE Phipps и JB Taylor получили аналогичный, но менее выраженный эффект, используя атомы водорода в их основном состоянии , тем самым устранив любые сомнения, которые могли быть вызваны использованием атомов серебра . [12]
В 1924 году Вольфганг Паули назвал это «двузначностью, не описываемой классически» и связал ее с электронами на самой внешней оболочке. [13] Эксперименты привели к формулировке ее теории, описанной как возникающая из спина электрона в 1925 году Сэмюэлем Гоудсмитом и Джорджем Уленбеком под руководством Пауля Эренфеста . [14]
В 1924 году Луи де Бройль предположил [15] , что электроны в атоме ограничены не «орбитами», а как стоячие волны. В деталях его решение не работало, но его гипотеза – что электронная «корпускула» движется в атоме как волна – подтолкнула Эрвина Шредингера к разработке волнового уравнения для электронов; применительно к водороду формула Ридберга была точно воспроизведена. [6] : 65
Статья Макса Борна 1924 года «Zur Quantenmechanik» была первым использованием слов «квантовая механика» в печати. [16] [17] Его более поздние работы включали разработку моделей квантовых столкновений; в сноске к статье 1926 года он предложил правило Борна, связывающее теоретические модели с экспериментом. [18]
В 1927 году в Bell Labs Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер обстреляли медленно движущимися электронами кристаллическую никелевую мишень, которая показала дифракционную картину [19] [20] [21] [22], указывающую на волновую природу электрона, теорию которого полностью объяснил Ганс Бете . [23] Похожий эксперимент Джорджа Пейджета Томсона и Александра Рида, обстреливавших электронами тонкую целлулоидную фольгу, а позднее и металлические пленки, наблюдая кольца, независимо друг от друга открыли материальную волновую природу электронов. [24]
В 1928 году Поль Дирак опубликовал свое релятивистское волновое уравнение, одновременно включающее в себя теорию относительности , предсказывающее существование антиматерии и дающее полную теорию для 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 квантов, которые разрушили непрерывные модели материи и света. Двадцать лет спустя «корпускулы», такие как электроны, стали моделироваться 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 от света также имеют импульс; три года спустя «кванты энергии» получили новое название « фотон » [25]. Несмотря на свою роль почти на всех этапах квантовой революции, не существовало явной модели для квантов света до 1927 года, когда Поль Дирак начал работу над квантовой теорией излучения [26] , которая стала квантовой электродинамикой . В течение следующих десятилетий эта работа развилась в квантовую теорию поля , основу современной квантовой оптики и физики элементарных частиц .
Концепция корпускулярно-волнового дуализма гласит, что ни классическое понятие «частицы», ни «волны» не может полностью описать поведение объектов квантового масштаба, будь то фотоны или материя. Корпускулярно-волновой дуализм 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 десятилетие спустя [32] , луч света направляется через две узкие, близко расположенные щели, создавая интерференционную картину светлых и темных полос на экране. Такое же поведение можно продемонстрировать в волнах на воде: 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 наблюдается тот же тип интерференционной картины. Таким образом, было продемонстрировано, что вся материя обладает волновыми характеристиками.
Если интенсивность источника уменьшить, та же самая интерференционная картина будет медленно нарастать, по одному «отсчету» или частице (например, фотону или электрону) за раз. Квантовая система действует как волна при прохождении через двойные щели, но как частица при ее обнаружении. Это типичная особенность квантовой дополнительности: квантовая система 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 любая отдельная частица, является результатом случайного процесса. Однако картина распределения многих отдельных частиц имитирует дифракционную картину, создаваемую волнами.
Предположим, что требуется измерить положение и скорость объекта, например, автомобиля, проходящего через радарную ловушку для измерения скорости. Можно предположить, что автомобиль имеет определенное положение и скорость в определенный момент времени. Насколько точно эти значения могут быть измерены, 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 оперативно 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 измеряется или определяется в операционных терминах, тем менее точно можно таким образом обрабатывать другое. Это утверждение известно как принцип неопределенности . Принцип неопределенности — это не только утверждение о точности нашего измерительного оборудования, но, что более глубоко, о концептуальной природе измеряемых величин — предположение о том, что автомобиль имел одновременно определенные положение и скорость, не работает в квантовой механике. В масштабе автомобилей и людей эти неопределенности незначительны, но при работе с атомами и электронами они становятся критическими. [37]
Гейзенберг привел в качестве иллюстрации измерение положения и импульса электрона с помощью фотона света. При измерении положения электрона, чем выше частота фотона, тем точнее измерение положения удара фотона с электроном, но тем больше возмущение электрона. Это происходит потому, что от удара с фотоном электрон поглощает случайное количество энергии, делая полученное измерение его импульса все более неопределенным, поскольку мы обязательно измеряем его послеударный возмущенный импульс от продуктов столкновения, а не его первоначальный импульс (импульс, который должен быть одновременно измерен с положением). С фотоном более низкой частоты возмущение (и, следовательно, неопределенность) в импульсе меньше, но также меньше и точность измерения положения удара. [38]
В основе принципа неопределенности лежит тот факт, что для любого математического анализа в областях 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 острота в области положения требует вклада большего количества частот в области скорости для создания более узкой кривой, и наоборот. Это фундаментальный компромисс, присущий любым таким связанным или дополнительным измерениям, но он действительно заметен только в наименьшем (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 заставило или преобразовало квантовое (вероятностное или потенциальное) состояние в определенное измеренное значение. Это явление наблюдается только в квантовой механике, а не в классической механике.
Например, до того, как фотон действительно «появится» на экране обнаружения, его можно описать только набором вероятностей того, где он может появиться. Когда он появляется, например, в ПЗС электронной камеры, время и пространство, где он взаимодействовал с устройством, известны в очень узких пределах. Однако фотон исчез в процессе захвата (измерения), и его квантовая волновая функция исчезла вместе с ним. На его месте появилось некоторое макроскопическое физическое изменение на экране обнаружения, например, экспонированное пятно на листе фотопленки или изменение электрического потенциала в некоторой ячейке ПЗС.
Из-за принципа неопределенности утверждения как о положении, так и об импульсе частиц могут приписывать только вероятность того, что положение или импульс имеют некоторое численное значение. Поэтому необходимо четко сформулировать разницу между состоянием чего-то неопределенного, например, электрона в облаке вероятности, и состоянием чего-то, имеющего определенное значение. Когда объект может быть определенно "закреплен" в каком-то отношении, говорят, что он обладает собственным состоянием .
В эксперименте Штерна–Герлаха, обсуждавшемся выше, квантовая модель предсказывает два возможных значения спина для атома по сравнению с магнитной осью. Эти два собственных состояния названы произвольно «вверх» и «вниз». Квантовая модель предсказывает, что эти состояния будут измерены с равной вероятностью, но никаких промежуточных значений не будет видно. Это то, что показывает эксперимент Штерна–Герлаха.
Собственные состояния спина вокруг вертикальной оси не являются одновременно собственными состояниями спина вокруг горизонтальной оси, поэтому этот атом имеет равную вероятность быть обнаруженным с любым значением спина вокруг горизонтальной оси. Как описано в разделе выше, измерение спина вокруг горизонтальной оси может позволить атому, который был раскручен вверх, раскрутиться вниз: измерение его спина вокруг горизонтальной оси коллапсирует его волновую функцию в одно из собственных состояний этого измерения, что означает, что он больше не находится в собственном состоянии спина 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 для разрешения несоответствий между наблюдаемыми молекулярными спектрами и предсказаниями квантовой механики. В частности, спектр атомарного водорода имел дублет , или пару линий, отличающихся на небольшую величину, тогда как ожидалась только одна линия. Паули сформулировал свой принцип исключения , заявив: «Не может существовать атом в таком квантовом состоянии, чтобы два электрона внутри [него] имели одинаковый набор квантовых чисел». [39]
Год спустя Уленбек и Гаудсмит отождествили новую степень свободы Паули со свойством, называемым спином , эффекты которого наблюдались в эксперименте Штерна–Герлаха .
В 1928 году Поль Дирак расширил уравнение Паули , описывающее вращающиеся электроны, для учета специальной теории относительности . Результатом стала теория, которая правильно рассматривала события, такие как скорость, с которой электрон вращается вокруг ядра, происходящая на существенной доле скорости света . Используя простейшее электромагнитное взаимодействие , Дирак смог предсказать значение магнитного момента, связанного со спином электрона, и нашел экспериментально наблюдаемое значение, которое было слишком большим, чтобы быть значением вращающейся заряженной сферы, управляемой классической физикой . Он смог решить для спектральных линий атома водорода и воспроизвести из физических первых принципов успешную формулу Зоммерфельда для 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 многочастичной квантовой теории поля .
В квантовой физике группа частиц может взаимодействовать или создаваться вместе таким образом, что квантовое состояние каждой частицы группы не может быть описано независимо от состояния других, в том числе, когда частицы разделены большим расстоянием. Это известно как квантовая запутанность .
Ранней вехой в изучении запутанности был парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР) , мысленный эксперимент, предложенный Альбертом Эйнштейном, Борисом Подольским и Натаном Розеном , который утверждает, что описание физической реальности, предоставляемое квантовой механикой, является неполным. [40] В статье 1935 года под названием «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?» они утверждали о существовании «элементов реальности», которые не были частью квантовой теории, и предполагали, что должно быть возможно построить теорию, содержащую эти скрытые переменные .
Мысленный эксперимент включает пару частиц, подготовленных в том, что позже стало известно как запутанное состояние. Эйнштейн, Подольский и Розен указали, что в этом состоянии, если измерить положение первой частицы, можно было бы предсказать результат измерения положения второй частицы. Если вместо этого измерить импульс первой частицы, то можно было бы предсказать результат измерения импульса второй частицы. Они утверждали, что никакое действие, предпринятое в отношении первой частицы, не может мгновенно повлиять на другую, поскольку это включало бы передачу информации быстрее света, что запрещено теорией относительности . Они сослались на принцип, позже известный как «критерий реальности ЭПР», утверждающий, что: «Если, никоим образом не возмущением системы, мы можем предсказать с уверенностью (т. е. с вероятностью, равной единице) значение физической величины, то существует элемент реальности, соответствующий этой величине». Из этого они сделали вывод, что вторая частица должна иметь определенное значение как положения, так и импульса до того, как будет измерена любая из величин. Но квантовая механика считает эти два наблюдаемых несовместимыми и, таким образом, не связывает одновременные значения для обоих с какой-либо системой. Поэтому Эйнштейн, Подольский и Розен пришли к выводу, что квантовая теория не дает полного описания реальности. [41] В том же году Эрвин Шредингер использовал слово «запутанность» и заявил: «Я бы не назвал это одним , а скорее характерной чертой квантовой механики». [42]
Ирландский физик Джон Стюарт Белл продвинул анализ квантовой запутанности гораздо дальше. Он пришел к выводу, что если измерения проводятся 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, которые нарушают это неравенство. Следовательно, единственный способ, которым скрытые переменные могут 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 будут разделены. [43] [44] 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. [45] [46]
Идея квантовой теории поля возникла в конце 1920-х годов у британского физика Поля Дирака, когда он попытался квантовать энергию электромагнитного поля ; так же, как в квантовой механике квантовалась энергия электрона в атоме водорода. Квантование — это процедура построения квантовой теории, начиная с классической теории.
Merriam-Webster определяет поле в физике как «область или пространство, в котором существует данный эффект (например, магнетизм )». [47] Другими эффектами, которые проявляются как поля, являются гравитация и статическое электричество . [48] 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) являются непрерывными классическими сущностями. КТП ... идет на шаг дальше и допускает создание и уничтожение частиц ...
Однако он добавил, что квантовая механика часто используется для обозначения «всего понятия квантовой теории». [49] : 108
В 1931 году Дирак предположил существование частиц, которые позже стали известны как антиматерия . [50] Дирак разделил Нобелевскую премию по физике за 1933 год со Шредингером «за открытие новых продуктивных форм атомной теории». [51]
Квантовая электродинамика (КЭД) — это название квантовой теории электромагнитной силы . 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 электрон, протон и даже кварки , среди прочих. Когда прикладывается сила, электрические заряды движутся, течет ток и создается магнитное поле. Изменяющееся магнитное поле, 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. Она стала прародителем современной квантовой электродинамики, поскольку в ней были основные компоненты современной теории. Однако проблема неразрешимых бесконечностей развилась в этой релятивистской квантовой теории . Годы спустя перенормировка в значительной степени решила эту проблему. Первоначально рассматриваемая некоторыми ее создателями как временная, подозрительная процедура, перенормировка в конечном итоге была принята как важный и самосогласованный инструмент в КЭД и других областях физики. Кроме того, в конце 1940-х годов диаграммы Фейнмана предоставили способ делать предсказания с помощью КЭД, находя амплитуду вероятности для каждого возможного способа, которым могло произойти взаимодействие. Диаграммы показали, в частности, что электромагнитная сила представляет собой обмен фотонами между взаимодействующими частицами. [52]
Сдвиг Лэмба — пример предсказания квантовой электродинамики, подтвержденного экспериментально. Это эффект, при котором квантовая природа электромагнитного поля заставляет уровни энергии в атоме или ионе слегка отклоняться от того, какими они были бы в противном случае. В результате спектральные линии могут смещаться или разделяться.
Аналогично, в свободно распространяющейся электромагнитной волне ток может быть просто абстрактным током смещения , а не включать носители заряда. В КЭД его полное описание существенно использует короткоживущие виртуальные частицы . Там КЭД 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 — за исключением гравитации ) во Вселенной и классифицирует все известные элементарные частицы . Она разрабатывалась поэтапно в течение второй половины 20-го века благодаря работе многих ученых по всему миру, а текущая формулировка была окончательно оформлена в середине 1970-х годов после экспериментального подтверждения существования кварков . С тех пор доказательство существования топ-кварка (1995), тау-нейтрино (2000) и бозона Хиггса (2012) добавило еще больше доверия 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 предоставлении экспериментальных предсказаний , она оставляет некоторые физические явления необъясненными и поэтому не может считаться полной теорией фундаментальных взаимодействий . Например, она не полностью объясняет барионную асимметрию , не включает полную теорию гравитации , описанную общей теорией относительности , и не учитывает ускоряющееся расширение Вселенной , возможно, описанное темной энергией . Модель не содержит ни одной жизнеспособной частицы темной материи , которая обладала бы всеми требуемыми свойствами, выведенными из наблюдательной космологии . Она также не включает нейтринные осцилляции и их ненулевые массы. Соответственно, она используется в качестве основы для построения более экзотических моделей, которые включают гипотетические частицы , дополнительные измерения и сложные симметрии (такие как суперсимметрия ) для объяснения экспериментальных результатов, противоречащих Стандартной модели, таких как существование темной материи и нейтринных осцилляций.
Физические измерения, уравнения и предсказания, относящиеся к квантовой механике, все согласованы и имеют очень высокий уровень подтверждения. Однако вопрос о том, что эти абстрактные модели говорят о базовой природе реального мира, получил противоречивые ответы. Эти интерпретации сильно различаются и иногда несколько абстрактны. Например, копенгагенская интерпретация утверждает, что до измерения утверждения о свойствах частицы совершенно бессмысленны, в то время как многомировая интерпретация описывает существование мультивселенной, состоящей из всех возможных вселенных. [53]
Свет ведет себя в некоторых аспектах как частицы, а в других — как волны. Материя — «вещество» вселенной, состоящее из частиц, таких как электроны и атомы, — также демонстрирует волновое поведение . Некоторые источники света, такие как неоновые огни , испускают только определенные определенные частоты света, небольшой набор отдельных чистых цветов, определяемых атомной структурой неона. Квантовая механика показывает, что свет, наряду со всеми другими формами электромагнитного излучения , существует в дискретных единицах, называемых фотонами , и предсказывает его спектральные энергии (соответствующие чистым цветам) и интенсивности его световых лучей. Отдельный фотон — это квант , или наименьшая наблюдаемая частица, электромагнитного поля. Частичный фотон никогда не наблюдается экспериментально. В более широком смысле, квантовая механика показывает, что многие свойства объектов, такие как положение, скорость и угловой момент , которые кажутся непрерывными в уменьшенном масштабе классической механики, оказываются (в очень крошечном, увеличенном масштабе квантовой механики) квантованными . Такие свойства элементарных частиц должны принимать одно из множества малых, дискретных допустимых значений, и поскольку разрыв между этими значениями также мал, разрывы проявляются только в очень малых (атомных) масштабах.
Связь между частотой электромагнитного излучения и энергией каждого фотона является причиной того, почему ультрафиолетовый свет может вызвать солнечный ожог , а видимый или инфракрасный свет — нет. Фотон ультрафиолетового света несет большое количество энергии — достаточное для того, чтобы способствовать повреждению клеток, например, как это происходит при солнечном ожоге. Фотон инфракрасного света несет меньше энергии — достаточной только для того, чтобы согреть кожу. Таким образом, инфракрасная лампа может нагреть большую поверхность, возможно, достаточно большую, чтобы люди чувствовали себя комфортно в холодной комнате, но она не может вызвать солнечный ожог. [54]
Приложения квантовой механики включают лазер , транзистор , электронный микроскоп и магнитно-резонансную томографию . Особый класс приложений квантовой механики связан с макроскопическими квантовыми явлениями, такими как сверхтекучий гелий и сверхпроводники. Изучение полупроводников привело к изобретению диода и транзистора , которые незаменимы для современной электроники .
Даже в простом выключателе света квантовое туннелирование абсолютно необходимо, так как в противном случае электроны в электрическом токе не смогли бы проникнуть через потенциальный барьер, образованный слоем оксида. Микросхемы флэш-памяти, используемые в USB-накопителях, также используют квантовое туннелирование для стирания ячеек памяти. [55]
Примечания в основном сценарии
принцип дополнительности корпускулярно-волновой дуализм.
[I]na трехрешеточный интерферометр... Мы наблюдаем высококонтрастные квантовые картины интерференции молекул... имеющих 810 атомов в одной частице.
Когда две системы, состояния которых мы знаем по их соответствующему представлению, вступают во временное физическое взаимодействие из-за известных сил между ними и когда после некоторого времени взаимного влияния системы снова разделяются, то их больше нельзя описать, как прежде, а именно, наделяя каждую из них собственным представителем. Я бы назвал это не
одной,
а скорее
характерной
чертой квантовой механики, той, которая обеспечивает ее полный отход от классических линий мышления.
В следующих работах, написанных практикующими физиками, предпринята попытка донести квантовую теорию до неспециалистов, используя минимум технических средств.
