Що таке квантова фізика

Що таке квантова фізика

Квантова фізика стала величезним поштовхом для розвитку науки в XX столітті. Спроба описати взаємодію найдрібніших частинок зовсім іншим чином, за допомогою квантової механіки, коли деякі проблеми класичної механіки вже здавалися нерозв 'язними, справила справжню революцію.

Причини виникнення квантової фізики

Фізика - наука, що описує закони, за якими функціонує навколишній світ. Ньютонівська, або класична фізика виникла ще в Середні століття, а її передумови можна було бачити в давнину. Вона чудово пояснює все, що відбувається на масштабах, сприйманих людиною без додаткових вимірювальних приладів. Але люди зіткнулися з безліччю суперечностей, коли почали вивчати мікро- і макромир, досліджувати як найдрібніші частинки, з яких складається речовина, так і гігантські галактики, що оточують рідну людину Чумацький шлях. Виявилося, що класична фізика підходить не для всього. Саме так з 'явилася квантова фізика - наука, що вивчає квантово-механічні та квантово-польові системи. Технічні прийоми для вивчення квантової фізики - це квантова механіка і квантова теорія поля. Вони також використовуються і в інших, суміжних розділах фізики.

Основні положення квантової фізики порівняно з класичною

Тим, хто тільки знайомиться з квантовою фізикою, її положення нерідко здаються нелогічними або навіть абсурдними. Однак, вникаючи в них глибше, простежити логіку вже набагато простіше. Найпростіше дізнаватися основні положення квантової фізики, порівнюючи її з класичною.

Якщо в класичній фізиці вважається, що природа незмінна, якими б способами вчені її не описували, то в квантовій фізиці результат спостережень буде дуже сильно залежати від того, яким способом вимірювання користуватися. Відповідно до законів механіки Ньютона, які є основою класичної фізики, частинка (або матеріальна точка) в кожен момент часу має певне положення і швидкість. У квантовій механіці це не так. В її основі - принцип суперпозиції відстаней. Тобто, якщо квантова частинка може перебувати в одному і в іншому стані, то, значить, вона може перебувати і в третьому стані - сумі двох попередніх (це називається лінійна комбінація). Тому не можна точно визначити, де буде знаходитися частинка в певний момент часу. Можна лише вирахувати ймовірність її перебування де б то не було. Якщо в класичній фізиці можна побудувати траєкторію руху фізичного тіла, то в квантовій - тільки розподіл ймовірностей, який буде змінюватися в часі. При цьому максимум розподілу завжди знаходиться там, де його визначає класична механіка! Це дуже важливо, оскільки дозволяє, по-перше, простежити зв 'язок між класичною і квантовою механікою, а по-друге, показує, що вони не суперечать один одному. Можна сказати, що класична фізика є приватним випадкам квантової. Ймовірність у класичній фізиці з 'являється, коли досліднику невідомі якісь властивості об' єкта. У квантовій фізиці ймовірність фундаментальна і присутня завжди, незалежно від ступеня незнання. У класичній механіці допускаються будь-які значення енергії і швидкості для частинки, а в квантовій - тільки певні значення, "квантовані". Їх називають власними значеннями, кожному з яких відповідають власні статки. Квант - це "порція" будь-якої величини, яку не можна розділити на складові. Один з фундаментальних принципів квантової фізики - Принцип невизначеності Гейзенберга. Мова в ньому йде про те, що ніяк не вийде одночасно з 'ясувати і швидкість, і положення частинки. Виміряти можна тільки лише щось одне. Причому, чим краще прилад виміряє швидкість частинки, тим менше буде відомо про її положення, і навпаки. Справа в тому, що для того, щоб частинку виміряти, потрібно на неї "подивитися", тобто, відправити в її бік частинку світла - фотон. Цей фотон, про який досліднику все відомо, зіткнеться з вимірюваною часткою і змінить свої та її властивості. Це приблизно те ж саме, що вимірювати швидкість рухомого автомобіля, посилаючи інший автомобіль з відомою швидкістю йому назустріч, а потім, за зміною швидкість і траєкторією другого автомобіля досліджувати перший. У квантовій фізиці досліджуються настільки малі об 'єкти, що навіть фотони - частинки світла - змінюють їх властивості.