Kvantová mechanika
zh-cn: 量子力学Kvantová mechanika, také odkazoval se na jako kvantová fyzika, je fyzická teorie, která popisuje chování záležitosti u krátkých délkových měřidl.
| Tabulka s obsahem |
| 1 úvod 2 druh teorie 3 matematické vyjadřování 4 vzájemná ovlivňování s jinými teoriemi fyziky 5 aplikací 6 filozofické debaty 7 historie 8 některé citace 9 externích spojení |
Úvod
Kvantová teorie dá kvantitativní vysvětlení pro dva druhy jevů ta klasická mechanika a klasické electrodynamics nemohou odpovídat za:
- Některé pozorovatelné fyzické kvantity, takový jako úhrn energie blackbody, přijmout jednotlivý poněkud než nepřetržité hodnoty. Tento jev je volán quantizationa nejmenší možné intervaly mezi diskrétními hodnotami jsou volány quanta (singulární: quantum, od latinského slova pro “kvantitu”, proto jméno “kvantová mechanika.”) velikost quanta typicky se liší od systému k systému.
- Dolů jisté experimentální podmínky, mikroskopické objekty jako atomy nebo elektrony vystavují mávat-jako chování, takový jako překážení. Pod ostatními podmínkami, stejný druhy objektů vystavují částečku-jako chování (“částečkový” význam objekt, který může být soustředil se ke zvláštní oblasti prostoru), takový jako rozptyl. Tento jev je znán jak mávat-dualita částečky.
Kvantová mechanika popisuje okamžitý stav systému s funkce vlny to zakóduje rozdělení pravděpodobnosti všech měřitelných vlastností, nebo observables. Možné observables pro systém zahrnují energii, pozici, hybnosta moment hybnosti. Kvantová mechanika nepřiřadí konečné hodnoty k observables, místo toho dělat předpovědi o jejich rozděleních pravděpodobnosti. Vlnkovité vlastnosti záležitosti jsou vysvětleny překážením funkcí vlny.
Funkce vlny mohou měnit se, zatímco čas postupuje. Například, pohybování částečky ve volném prostoru může být popsané funkcí vlny, která je vlnový balík soustředěný kolem některých znamenat pozici. Jak čas postupuje, centrum vlnového balíku se mění, tak že částečka stane se více pravděpodobná, že je lokalizován u různé pozice. Evoluce času funkcí vlny je popisována Schrödinger rovnice.
Některé funkce vlny popisují rozdělení pravděpodobnosti, která jsou konstantní včas. Mnoho systémů, které byly by ošetřovalo dynamicky v klasické mechanice být popsaný takovými statickými vlnovými funkcemi. Například, elektron v unexcited atom je zobrazen klasicky jako částečka obíhat atomové jádro, zatímco v kvantové mechanice to je popsané statickou elektřinou, spherically symmetric mrak pravděpodobnosti obklopovat jádro.
Když měření je vykonáváno na pozorovatelný systému, wavefunction se změní na jeden z souboru wavefunctions, které jsou volány eigenstates pozorovatelný. Tento proces je známý jako wavefunction zhroucení. Poměrné pravděpodobnosti zřícení do každého možného eigenstates je popsaný okamžitým wavefunction těsně před zhroucením. Zvážit to nad příkladem částečky pohybovat se ve volném prostoru. Jestliže my změříme pozici částečky, my dostaneme náhodnou hodnotu ' \ ' x. Obecně, to je nemožné pro nás předpovídat s jistotou hodnota x který my budeme trvat, ačkoli to je pravděpodobné, že my dostaneme jednoho to je blízko centra vlnového balíku, kde amplituda funkce vlny je velká. Po měření bylo vykonávané, wavefunction částečky se zhroutí do jednoho to je ostře soustředěné kolem pozorované pozice x ' '.
Během procesu wavefunction zhroucení, wavefunction se nepodřídí Schrödinger rovnice. Schrödinger rovnice je deterministická v pocitu, že, daný wavefunction v počáteční době, to dělá konečnou předpověď co wavefunction bude v nějaké pozdnější době. Během měření, eigenstate ke kterému wavefunction se zhroutí probabilistic, ne deterministický. Probabilistic povaha kvantové mechaniky tak pochází z věci měření.
Jeden z důsledků wavefunction zhroucení je to jisté páry observables, takový jako pozice a hybnost, moci nikdy být současně zjištěn k libovolné preciznosti. Tento účinek je znán jak Heisenberg je princip neurčitosti.
V matematicky pečlivé formulaci rozvinutý Paul Dirac a John von Neumanna, možné státy quantum mechanický systém být reprezentován jednotkovými vektory (volal státní vektory) bydlet v komplexu oddělitelný Hilbert prostor (volal prostor státu.) přesná povaha Hilbert prostoru je závislá na systému; například, státní prostor pro pozici a státy hybnosti je prostor čtvercový-integrable funguje. Evoluce času kvantového stavu je popisována Schrödinger rovnice, ve kterém Hamiltonian, operátor odpovídající energii úhrnu systému, hraje ústřední role.
Každý pozorovatelný je reprezentován hustě-definoval Hermitian lineární operátor jednat podle státního prostoru. Každý eigenstate pozorovatelný odpovídá eigenvector operátora, a spojený eigenvalue odpovídá hodnotě pozorovatelný v tom eigenstate. Jestliže spektrum operátora je jednotlivé, pozorovatelný moci jen dosáhnout těch jednotlivých eigenvalues. Během měření, pravděpodobnost že systém se hroutí ke každému eigenstate je dán absolutním čtvercem skalárního součinu mezi eigenstate vektorem a státním vektorem těsně před měřením. My můžeme proto najít rozdělení pravděpodobnosti pozorovatelný v daném stavu tím, že počítá spektrální rozložení korespondenčního operátora. Heisenberg princip neurčitosti je reprezentován sdělením že operátoři odpovídající jistému observables nedojíždějí.
Detaily matematického vyjadřování jsou obsažené v článku Matematické vyjadřování kvantové mechaniky.
Vzájemná ovlivňování s jinými teoriemi fyziky
Základní pravidla kvantové mechaniky jsou velice široká. Oni říkají, že státní doba systému je Hilbert prostor a observables Hermitian operátoři jednají podle toho prostoru, ale neřeknou nám který Hilbert prostor nebo které operátory. Tito musí být vybráni přiměřeně v rozkazu dostat kvantitativní popis kvantového systému. Důležitý průvodce pro učinění těchto voleb je princip korespondence, který říká, že předpovědi kvantové mechaniky sesadí na ty klasický (tj. non-quantum) fyzika když systém se zvětší, který je znán jak klasický nebo limit korespondence. Jeden může proto vyjet z ustaveného klasického modelu zvláštního systému a pokusu myslet si základový kvantový model, který dá svah klasickému modelu v limitu korespondence.
Když kvantové mechaniky byly původně vytvořeny, to bylo aplikováno na modely jehož limit korespondence byl non-relativistic klasická mechanika. Například, známý model quantum harmonický oscilátor použití výslovně non-relativistic výraz pro kinetickou energii oscilátoru, a je tak kvantová verze klasického harmonického oscilátoru.
Brzy pokusy sloučit kvantovou mechaniku s relativností speciality zahrnovaly nahrazení Schrödinger rovnice s rovnicí covariant takový jak Klein-Gordon rovnice nebo Dirac rovnice. Zatímco tyto teorie byly úspěšné v vysvětlovat mnoho experimentálních výsledků, oni měli jisté neuspokojivé kvality pocházet z jejich zanedbání relativistic vytvoření a zničení částeček. Plně relativistic kvantová teorie vyžadovala vývoj kvantové polní teorie, který aplikuje quantization na pole poněkud než fixovaný soubor částeček. První kompletní kvantová polní teorie, kvantové electrodynamics, podá plně relativistic popis elektromagnetického vzájemného ovlivňování.
Plný aparát kvantové polní teorie je často zbytečný pro popisovat, jak electrodynamic systémy. Jednodušší přístup, jeden upotřebil od založení kvantové mechaniky, je zacházet s nabitými částečkami jak quantum mechanický bytí objektů jednalo podle klasickým elektromagnetickým polem. Například, základní kvantový model atomu vodíku popisuje elektrické pole používání atomu vodíku klasický 1/r Coulomb potenciál. Toto “polořadovka-klasický” se blížit k selháním jestliže kvantové fluktuace v elektromagnetickém poli hrají důležitou roli, takový jak v emisi fotonů nosiči proudu.
Kvantové polní teorie pro silnou nukleární sílu a slabou nukleární sílu byly rozvinuté. Kvantová polní teorie silné nukleární síly je kvantové chromodynamics, který popisuje vzájemná ovlivňování subnuclear částeček, quarks a gluons. slabá nukleární síla a elektromagnetická síla byli sjednoceni, v jejich formách quantized, do jedné kvantové polní teorie známé jako electroweak teorie.
To ukázalo se obtížné sestrojit kvantové modely vážnosti, zůstávat základní sílou. Polořadovka-klasická přiblížení jsou přijatelná, a vedli k předpovědím takový jako Odkašlávající si radiace. Nicméně, formulace kompletní teorie kvantové vážnosti je komplikována zřejmým incompatibilities mezi obecnou relativností, nejpřesnější teorie vážnosti nyní známý, a některé ty základní předpoklady kvantové teorie. Řešení těchto incompatibilities je oblast aktivního výzkumu.
Polořadovka-klasická přiblížení jsou techniky, které umožňují vytvořit kvantový problém s některými fyzickými kvantitama nahrazenými jejich klasickými analogiemi, v úsilí redukovat složitost modelu. Even uvnitř non-relativistic kvantovou mechaniku, plně mikroskopická léčba obecně vyžaduje large-scale numerické výpočty. Analytická kvantová řešení, která popisují chování systému v podmínkách známých matematických funkcí jsou dostupná jen pro malou třídu systémů, který harmonický oscilátor a vodíkový atom jsou nejdůležitější zástupcové.
Vyrovnat hélium atom, obsahovat jen ještě jeden elektron než vodík, vzdoruje všech pokusů u plně analytické léčby v kvantové mechanice. V takový situace, přiblížit se polořadovce-klasické výsledky mohou poskytovat cenná nahlédnutí. Nutné metody se spoléhají na detailní chápání korespondenční klasické mechaniky, dovolit zvláště pro existenci chaosu. Studie o těchto přiblíženích patří k poli kvantového chaosu.
Hodně moderní technologie operuje dolů quantum mechanické principy. Příklady zahrnují laser, elektronový mikroskop, a magnetický resonance imaging. Většina z výpočtů vykonávaných v výpočetní chemii se spoléhat na kvantovou mechaniku.
Mnoho z jevů studovaných v zhuštěné záležitostní fyzice být úplně quantum mechanický, a moci ne být modeled satisfactorily používat klasickou fyziku. Toto zahrnuje elektronické vlastnosti pevných látek, takový jako supravodivost a semiconductivity. Studie o polovodičích vedla k vynálezu diody a tranzistoru, který být nepostradatelný pro moderní elektronika.
Výzkumníci současně hledají robustní metody přímo obsluhujících kvantových stavů. Úsilí jsou bytí předstíralo, že vyvine kvantovou kryptografii, který dovolí zaručený bezpečný přenos informací. Více vzdálený cíl je vývoj kvantových počítačů, který být čekal, že vykoná jisté výpočetní úkoly se hodně lepší výkonností než klasický počítače. Další aktivní výzkumné téma je kvantové teleportation, který se zabývá technikami předat kvantové stavy přes libovolné vzdálenosti.
Od jeho založení, mnoho pultu-intuitivní výsledky kvantové mechaniky vyvolaly silnou filozofickou debatu a mnoho výkladů. Viďte výklad kvantové mechaniky pro další podrobnosti.
Kodaň výklad, náležitý velmi k Nielsi Bohrovi, byl výklad standardu kvantové mechaniky když to bylo nejprve formulováno. Shodovat se k tomu, probabilistic povaha předpovědí kvantové mechaniky nemůže být vysvětlena v podmínkách nějaké jiné deterministické teorie, a jednoduše neodrážejí naše omezené vědomosti. Kvantová mechanika poskytuje výsledky probabilistic, protože fyzický vesmír je sám probabilistic poněkud než deterministický.
Albert Einstein, sám jeden z zakladatelů kvantové teorie, disliked tato ztráta determinizmu v měření. On si myslel, že kvantová mechanika musí být neúplná, a produkoval sérii námitek k teorii. Nejslavnější tito byli EPR paradox. Zvonek Johna Stewarta' s teoretické řešení EPR paradoxu a jeho pozdnějšího experimentálního ověření, vyvrátil velkou třídu takových skrytých proměnných teorií a přiměl většinu fyziků že kvantová mechanika není přiblížení k nominálně klasický skrytý-teorie proměnné.
mnoho výkladu světů, formuloval v 1956, si myslí, že všechny možnosti popsané kvantovou teorií současně vyskytují se v”multiverse” klidný většinou nezávislé paralelní vesmíry. Zatímco multiverse je deterministický, my si všimneme non-deterministické chování řízené pravděpodobnostmi protože my můžeme pozorovat to jen vesmír, který my obýváme.
Bohm výklad postuluje existenci nelokálního, univerzálního wavefunction (Schrödinger rovnice) který dovolí vzdálené částečky se ovlivňovat okamžitě. To není populární mezi fyziky velmi, protože to je zvažováno velmi nevkusný.
V 1900, Max Planck představil názor, že energie je quantized, aby odvodil vzorec pro pozorovanou kmitočtovou závislost energie vydávané černým tělesem. V 1905, Einstein vysvětlil photoelectric účinek tím, že předpokládá, že světelná energie přijde quanta volal fotony. V 1913, Bohr vysvětlil spektrální čáry atomu vodíku, znovu tím, že používá quantization. V 1924, Louis de Broglie navrhnout jeho teorii vln záležitosti.
Tyto teorie, ačkoli úspěšný, byl přísně fenomenologický: tam bylo žádné pečlivé ospravedlnění pro quantization. Oni jsou kolektivně známí jako stará kvantová teorie.
Fráze “kvantová fyzika” byla nejprve použita v Johnstone je Planck vesmír ve světle moderní fyziky.
Moderní kvantová mechanika byla narozena v 1925, když Heisenberg vyvinul maticovou mechaniku a Schrödinger vynalezl vlnovou mechaniku a Schrödinger rovnice. Schrödinger následovně ukázal, že dva přístupy byly rovnocenné.
Heisenberg vytvořil jeho princip neurčitosti v 1927, a Kodaň výklad nabyl tvar u o stejném čase. V 1927, Paul Dirac sjednocená kvantová mechanika s relativností speciality. On také propagoval použití teorie operátora, včetně vlivný podprsenka-ket notace. V 1932, John von Neumanna formuloval pečlivé matematické východisko pro kvantovou mechaniku jako teorie operátora.
V čtyřicátých létech, kvantový electrodynamics byl vyvinut Feynman, Dyson, Schwinger, a Tomonaga. To sloužilo jako idol pro následující kvantové pole teorie.
Mnoho výkladu světů bylo vytvořeno Everett v 1956.
Kvantový chromodynamics měl dlouhou historii, začínat v brzy šedesátá léta. Teorie jak my víme, že to dnes bylo vytvořeno Polizter, Gross a Wilzcek v 1975. Stavět na průkopnické práci Schwinger, Higgs, Goldstone a jiní, Glashow, Weinberg a Salam samostatně se ukázal jak slabá nukleární síla a kvantové electrodynamics mohli být sloučeni do jedné electroweak síly.
Nedávno, tam byl hodně zájem na kvantových informacích.
- Já dělám ne jako to, a omlouvám se já vždy jsem měl něco potřebovat to.
- Erwin Schrödinger, mluvit o kvantové mechanice
- Ti kdo být ne šokoval když oni nejprve se uplatní kvantová mechanika nemůže možná mít rozumělo to.
- Bůh nehraje kostku s vesmírem.
- Einstein, neřeknou bohu co dělat.
- Niels Bohr v odezvě na Einstein
- Já myslím si, že to je bezpečné říkat, že žádný rozumí kvantová mechanika.
- To je vždy legrace se učit něco nový o kvantové mechanice.
- Jestliže to dopadá být pravdivý, já opustím fyziku.
- Max von Laue, Nobelův laureát 1914, de Broglie teze na elektronech mít vlnové vlastnosti.
- Někdo chtít diskutovat quantum mechanický problém měl lépe rozumět a učit se aplikovat kvantovou mechaniku k tomu problému.
- Willis Lamb, Nobelův laureát 1955
Externí odkazy
- Minulost kvantové mechaniky
- George W Mackey, “matematická založení kvantové mechaniky”, New York, W. A. Benjamin, 1963.
- David Mermin na budoucích směrech fyziky