Наука стала проще: что такое квантовая механика?

Квантовая механика является важным разделом физики, который объясняет свойства и поведение частиц на атомном и субатомном уровне. Она бросает вызов принципам классической механики с помощью таких концепций, как квантование, где такие свойства, как энергия, существуют в дискретных единицах, и корпускулярно-волновой дуализм, где частицы проявляют как корпускулярные, так и волновые характеристики. Эта теория разрешила многие загадки атомного мира, что привело к значительным технологическим достижениям в различных областях, от электроники до медицины.

Квантовая механика является ключевой физической теорией, которая объясняет уникальное поведение атомных и субатомных частиц, вводя революционные концепции, такие как квантование и корпускулярно-волновой дуализм.

Введение в квантовую механику

Квантовая механика — это область физики, которая объясняет, как чрезвычайно малые объекты одновременно обладают характеристиками как частиц (крошечных кусочков материи), так и волн (возмущений или вариаций, передающих энергию). Физики называют это «корпускулярно-волновым дуализмом».

Корпускулярно-волновой дуализм и кванты

Корпускулярная часть корпускулярно-волнового дуализма включает в себя то, как объекты могут быть описаны как «кванты». Кванты — это наименьшая дискретная единица (например, частица) природного явления в системе, где единицы находятся в связанном состоянии. Например, кванты электромагнитного излучения, или света, являются фотонами. Связанное состояние — это состояние, в котором частицы захвачены. Одним из примеров связанного состояния являются электроны, нейтроны и протоны, находящиеся в атоме.

Квантование в квантовой механике

«Квантование» означает, что частицы в связанном состоянии могут иметь только дискретные значения таких свойств, как энергия или импульс. Например, электрон в атоме может иметь только очень специфические энергетические уровни. Это отличается от нашего мира макроскопических частиц, где эти свойства могут быть любыми значениями в диапазоне. Бейсбольный мяч может иметь практически любую энергию, так как он бросается, перемещается по воздуху, постепенно замедляется, а затем останавливается.

Электроны не просто движутся по кругу. Из-за квантовой механики их положение описывается вероятностями того, что они находятся в определенном месте. Эти цифры описывают вероятность появления электронов в различных конфигурациях в атоме водорода.

Волновые функции и квантовый мир

В то же время крошечные квантованные частицы, такие как электроны, также могут быть описаны как волны. Подобно волне в океане в нашем макроскопическом мире – мире, который мы можем видеть глазами – волны в квантовом мире постоянно смещаются. В квантовой механике ученые говорят о «волновой функции» частицы. Это математическое представление, используемое для описания вероятности того, что частица существует в определенном месте в определенное время с определенным импульсом.

Квантовая и классическая механика

Мир квантовой механики сильно отличается от того, как мы обычно видим наш макроскопический мир, который управляется тем, что физики называют классической механикой. Квантовая механика выросла из огромного прогресса, достигнутого физиками в начале 20-го века в понимании микроскопического мира вокруг нас и того, чем он отличается от макроскопического мира.

Квантовая механика и научный прогресс

Как и многое другое в науке, новые открытия порождали новые вопросы. До этого времени ученые считали, что свет существует в виде электромагнитной волны, а электроны — в виде дискретных, точечных частиц. Однако это создавало проблемы в объяснении различных явлений в физике. К ним относится излучение абсолютно черного тела — излучение света от объектов в зависимости от их температуры. Квантовая механика также помогла объяснить строение атома. Это помогло разобраться в фотоэлектрическом эффекте, который заключается в том, как материалы испускают электроны, когда на них попадает свет определенной длины волны. Объясняя, как вещи могут быть как частицами, так и волнами, квантовая механика решила эти проблемы.

Влияние на науку и технику

Это новое знание оказало глубокое влияние на науку и технику. Квантовая механика привела к разработке таких вещей, как лазеры, светодиоды, транзисторы, медицинская визуализация, электронные микроскопы и множество других современных устройств. Ваш мобильный телефон не существовал бы без науки квантовой механики!

Интересные факты

• Многие субатомные частицы, включая протон, обладают моментом импульса, который часто называют «спином». Медицинские специалисты используют это свойство в устройствах для МРТ-визуализации.
• Смартфоны содержат миллиарды транзисторов, которые работают на основе волновой природы электронов, которую ученые понимают с помощью квантовой механики.
• Квантовые компьютеры и квантовые сети — это новые приложения квантовой механики, которые используют квантованную природу частиц для хранения и передачи информации.