- Сообщения
- 8.436
- Реакции
- 11.082
Пожалуйста Войдите или Зарегистрируйтесь чтобы видеть скрытые ссылки.
, такие как электроны и фотоны, квантовые явления окружают нас повсюду, действуя во всех масштабах. Однако мы, возможно, не сможем легко обнаружить их в более крупных объектах. Это может создать неверное впечатление, что квантовые явления являются причудливыми или потусторонними. Фактически, квантовая наука устраняет пробелы в наших знаниях физики, чтобы дать нам более полную картину нашей повседневной жизни.Квантовые открытия были включены в наше фундаментальное понимание материалов, химии, биологии и астрономии. Эти открытия являются ценным ресурсом для инноваций, создавая такие устройства, как лазеры и транзисторы, и обеспечивая реальный прогресс в технологиях, которые когда-то считались чисто умозрительными, таких как квантовые компьютеры . Физики изучают потенциал квантовой науки для изменения нашего представления о гравитации и ее связи с пространством и временем. Квантовая наука может даже показать, как все во Вселенной (или во множестве вселенных) связано со всем остальным через более высокие измерения, которые наши чувства не могут постичь.
Область квантовой физики возникла в конце 1800-х и начале 1900-х годов в результате серии экспериментальных наблюдений за атомами, которые не имели интуитивного смысла в контексте классической физики. Среди основных открытий было осознание того, что материю и энергию можно рассматривать как дискретные пакеты, или кванты, которые имеют минимальное значение, связанное с ними. Например, свет фиксированной частоты будет доставлять энергию в виде квантов, называемых "фотонами". Каждый фотон на этой частоте будет иметь одинаковое количество энергии, и эта энергия не может быть разбита на более мелкие единицы. На самом деле слово "квант" имеет латинские корни и означает "сколько".
Пожалуйста Войдите или Зарегистрируйтесь чтобы видеть скрытые ссылки.
, который состоит из ядра, окруженного электронами. Ранние модели изображали электроны как частицы, вращающиеся вокруг ядра, очень похожие на то, как спутники вращаются вокруг Земли. Современная квантовая физика вместо этого понимает электроны как распределенные внутри орбиталей, математических описаний, которые представляют вероятность существования электронов в более чем одном месте в пределах заданного диапазона в любой данный момент времени. Электроны могут перепрыгивать с одной орбитали на другую по мере того, как они набирают или теряют энергию, но их нельзя найти между орбиталями. Поскольку многие концепции квантовой физики нам трудно, если не невозможно, представить себе, математика имеет важное значение для этой области. Уравнения используются для описания или помощи в предсказании квантовых объектов и явлений более точными способами.
Математика также необходима для представления вероятностной природы квантовых явлений. Например, положение электрона может быть точно неизвестно. Вместо этого он может быть описан как находящийся в диапазоне возможных местоположений (например, в пределах орбиты), причем каждое местоположение связано с вероятностью нахождения там электрона.
Учитывая их вероятностную природу, квантовые объекты часто описываются с помощью математических "волновых функций", которые являются решениями так называемого уравнения Шредингера . Волны в воде можно охарактеризовать изменением высоты воды по мере того, как волна проходит заданную точку. Аналогично, звуковые волны можно охарактеризовать изменением сжатия или расширения молекул воздуха по мере их прохождения мимо определенной точки. Волновые функции таким образом не связаны с физическим свойством. Решения волновых функций обеспечивают вероятность того, где наблюдатель может найти конкретный объект по целому ряду потенциальных вариантов. Однако точно так же, как рябь на пруду или нота, сыгранная на трубе, распространяются и не ограничиваются одним местом, квантовые объекты также могут находиться в нескольких местах — и принимать разные состояния, как в случае суперпозиции — одновременно.
Акт наблюдения является предметом значительных дискуссий в квантовой физике. В самом начале работы в этой области ученые были сбиты с толку, обнаружив, что простое наблюдение за экспериментом влияет на результат. Например, электрон вел себя как волна, когда его не наблюдали, но акт наблюдения за ним привел к коллапсу волны (или, точнее, к "декогерированию"), и электрон вместо этого стал вести себя как частица. Теперь ученые понимают, что термин "наблюдение" вводит в заблуждение в этом контексте, предполагая, что здесь замешано сознание. Вместо этого "измерение" лучше описывает эффект, при котором изменение результата может быть вызвано взаимодействием между квантовым явлением и внешней средой, включая устройство, используемое для измерения явления. Однако даже в этой связи есть свои оговорки, и по-прежнему необходимо полное понимание взаимосвязи между измерением и результатом.
Возможно, самым окончательным экспериментом в области квантовой физики является
Пожалуйста Войдите или Зарегистрируйтесь чтобы видеть скрытые ссылки.
Этот эксперимент, который включает в себя прохождение частиц, таких как фотоны или электроны, через барьер с двумя щелями, первоначально использовался в 1801 году, чтобы показать, что свет состоит из волн. С тех пор были использованы многочисленные воплощения эксперимента, чтобы продемонстрировать, что материя также может вести себя как волна, и продемонстрировать принципы суперпозиции, запутывания и эффекта наблюдателя.
Представьте, что вы касаетесь поверхности пруда в двух разных точках одновременно. Волны распространялись бы наружу от каждой точки, в конечном счете накладываясь друг на друга, образуя более сложный узор. Это суперпозиция волн. Аналогично, в квантовой науке такие объекты, как электроны и фотоны, обладают волновыми свойствами, которые могут объединяться и становиться так называемым наложением.
В то время как волны на поверхности пруда образуются в результате движения воды, квантовые волны являются математическими. Они выражаются в виде уравнений, описывающих вероятности того, что объект существует в заданном состоянии или обладает определенным свойством. Уравнения могут давать информацию о вероятности того, что электрон движется с определенной скоростью или находится в определенном месте. Когда электрон находится в суперпозиции, его различные состояния можно рассматривать как отдельные исходы, каждый из которых с определенной вероятностью будет наблюдаться. Можно сказать, что электрон находится в суперпозиции двух разных скоростей или в двух местах одновременно. Понимание суперпозиции может помочь продвинуть вперед квантовые технологии, такие как квантовые компьютеры .
Концепцию квантовой суперпозиции может быть трудно визуализировать. В традиционных описаниях использовалась аналогия с монетой, которая лежит орлом вверх и решкой вверх одновременно, или знаменитым мысленным экспериментом Шредингера с котом, в котором физик Эрвин Шредингер представил, как кошку помещают в запечатанную коробку вместе с ядовитым веществом, которое имеет равные шансы убить кошку — или нет— в течение часа. Шредингер предположил, что в конце часа можно сказать, что кошка одновременно жива и мертва, в суперпозиции состояний, пока коробка не будет открыта, и что акт наблюдения случайным образом определяет, жива кошка или мертва. Шредингер хотел, чтобы этот пример продемонстрировал то, что он считал абсурдностью квантовой науки.
В математических терминах суперпозицию можно рассматривать как уравнение, имеющее более одного решения. Когда мы решаем x 2 = 4, x может быть либо 2, либо -2. Оба ответа верны. Наложенные волновые функции будет сложнее решить, но к ним можно подойти с тем же мышлением.
Как наблюдают суперпозицию?
Было проведено много экспериментов, которые окончательно доказали существование суперпозиции. В одном из примеров требуется помощь светофильтров: экранов, которые избирательно блокируют свет, например, в поляризованных солнцезащитных очках или объективах фотоаппаратов.Большая часть света, который мы видим вокруг себя, представляет собой комбинацию множества различных волн, исходящих от солнца и других источников. Пики и впадины этих волн вращаются одновременно в разных направлениях. Другими словами, свет находится в суперпозиции этих различных поляризованных состояний.
По мере того как световые волны взаимодействуют с окружающей средой, их свойства меняются. Свет, отражающийся от поверхности озера или заснеженной земли, с большей вероятностью будет поляризован горизонтально. Если этот свет затем столкнется с фильтром, который пропускает только вертикально поляризованный свет, отражение будет заблокировано. Именно так поляризованные солнцезащитные очки отфильтровывают блики от отражающих поверхностей в ясный день.
Суперпозиция становится очевидной, когда мы размещаем несколько фильтров по-разному, чтобы выявить дополнительные свойства света. Свет, проходящий через горизонтальный фильтр, будет иметь 100-процентную вероятность прохождения через второй горизонтальный фильтр, то есть весь он пройдет через него. Если этот второй фильтр постепенно поворачивать в вертикальную ориентацию, вероятность прохождения света через оба фильтра неуклонно уменьшается. Половина света будет проходить, когда фильтр достигнет диагонали (45 градусов), и никакой свет не будет проходить, когда фильтр установлен вертикально.
Если бы суперпозиции не существовало, свет был бы полностью заблокирован, как только второй фильтр был повернут хотя бы на долю градуса, потому что весь свет, прошедший через первый фильтр, был бы строго горизонтально поляризован.
Ни один фотон не проходит через горизонтальный фильтр, за которым следует вертикальный фильтр.
Илюстрация: Lance Hayashida
Удивительно, но добавление диагонального фильтра между горизонтальным и вертикальным фильтрами позволяет некоторому количеству света проходить через всю систему. Это тоже результат суперпозиции. Новый фильтр позволит пропускать 50 процентов света, проходящего через горизонтальный фильтр. Затем, поскольку новый фильтр также расположен по диагонали относительно вертикального фильтра, вертикальный фильтр будет пропускать 50 процентов света.
Некоторое количество света проходит через горизонтальный фильтр, за которым последовательно следуют диагональный фильтр и вертикальный фильтр.
Иллюстрация: Лэнс Хаяшида
Диагональный фильтр "сбрасывает" суперпозицию света, повышая вероятность его вертикальной поляризации.
Пожалуйста Войдите или Зарегистрируйтесь чтобы видеть скрытые ссылки.
, но и на нашу повседневную жизнь. Вот несколько способов, которыми вы можете наблюдать суперпозицию каждый день.- Любой звук , который мы производим, состоит из суперпозиций разных длин волн, которые объединяются, образуя разные тона. Вы можете почувствовать это еще сильнее, когда играете на любом музыкальном инструменте.
- Солнечный свет (белый свет) представляет собой суперпозицию различных длин волн света, и они образуют радугу, когда коллапсируют.
- В электротехнике , если у вас есть схема с несколькими источниками питания, вы можете анализировать схему, используя один источник питания за раз, чтобы получить те же результаты.
Если вы хотите подписаться на обновления статей в разделе,
то напишите об этом в комментариях или подпишитесь на
Neural Network или Aintelligence
Чтобы задать вопрос, предложить тему для публикации или высказать свое мнение,
то для этого создана тема
Высказывайте своё мнение и комментируйте ПО ТЕХНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ И РАЗВИТИЮ ЯuToR Science, ваша позиция и оценка — очень важна для нас.
то для этого создана тема
Пожалуйста Войдите или Зарегистрируйтесь чтобы видеть скрытые ссылки.
Высказывайте своё мнение и комментируйте ПО ТЕХНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ И РАЗВИТИЮ ЯuToR Science, ваша позиция и оценка — очень важна для нас.
Если вы хотите живого общения с другими членами сообщества,
и при этом получить возможность выиграть криптовалюту на свой кошелёк приглашаем вас в
Тема создана для свободного интеллектуального общения на любые темы!
и при этом получить возможность выиграть криптовалюту на свой кошелёк приглашаем вас в
Пожалуйста Войдите или Зарегистрируйтесь чтобы видеть скрытые ссылки.
Тема создана для свободного интеллектуального общения на любые темы!
Принимайте участие в наших неординарных, необычных и интересных конкурсах
вас ждет общение и большие денежные призы
Пожалуйста Войдите или Зарегистрируйтесь чтобы видеть скрытые ссылки.
вас ждет общение и большие денежные призы
Наш телеграм канал
Пожалуйста Войдите или Зарегистрируйтесь чтобы видеть скрытые ссылки.
и
Пожалуйста Войдите или Зарегистрируйтесь чтобы видеть скрытые ссылки.
