Kas yra kvantinė teorija: Nuo pagrindų iki programų

"Kas yra kvantinė teorija: Tai straipsnis, kuriame nagrinėjamas intriguojantis kvantinės teorijos pasaulis, išsamiai supažindinama su pagrindinėmis kvantinės teorijos sąvokomis ir išryškinamas įvairus jos taikymo spektras.

Kvantinė teorija yra kertinis fizikos akmuo, suteikiantis pagrindą suprasti sudėtingą materijos ir energijos elgseną mažiausiuose masteliuose. Ši teorija, sukurta XX a. pradžioje, sukėlė revoliuciją mūsų supratime apie pagrindinę tikrovės prigimtį, paneigdama klasikines sampratas ir pateikdama tokias protu nesuvokiamas sąvokas kaip superpozicija ir susietumas.

Nesvarbu, ar esate naujokas kvantinės teorijos sąvokoje, ar siekiate geriau suprasti jos reikšmę, knyga "Kas yra kvantinė teorija: Nuo pagrindų iki taikymo" pateikiama išsami apžvalga, kurioje atskleidžiami šios įdomios mokslo sistemos pagrindai. Straipsnio pabaigoje skaitytojai įgis tvirtus kvantinės teorijos pagrindus ir žvilgsnį į jos įdomias galimybes.

Kas yra kvantinė teorija?

Kvantinė teorija, dar vadinama kvantinė mechanikayra pagrindinė fizikos sistema, apibūdinanti medžiagos ir energijos elgseną mikroskopiniu masteliu. Tai matematinė sistema, leidžianti suprasti ir numatyti dalelių, tokių kaip elektronai, fotonai ir atomai, savybes ir sąveiką. Kvantinė teorija sukėlė revoliuciją mūsų supratime apie fizikinį pasaulį, nes įvedė sąvokas, kurios skiriasi nuo klasikinės fizikos, įskaitant bangų ir dalelių dualumą, superpoziciją ir susietumą.

Kvantinė teorija iš esmės teigia, kad dalelės pasižymi ir banginėmis, ir dalelėmis savybėmis. Ji aprašo tikimybinį dalelių pobūdį, kai jų savybės, tokios kaip padėtis, impulsas ir energija, yra išreikštos banginėmis funkcijomis, kurios lemia skirtingų rezultatų tikimybę matuojant. Neapibrėžtumo principas, pagrindinė kvantinės teorijos sąvoka, teigia, kad egzistuoja prigimtinės ribos tikslumui, su kuriuo vienu metu gali būti žinomos tam tikros viena kitą papildančių savybių poros, pavyzdžiui, padėtis ir impulsas.

Kvantinė teorija plačiai taikoma įvairiose srityse, įskaitant kvantinę kompiuteriją, kvantinę kriptografiją, medžiagų mokslą ir kvantinę optiką. Ji sudarė sąlygas technologinei pažangai ir paskatino naujas mokslinių tyrimų sritis, žadėdama spartesnius skaičiavimus, didesnį saugumą ir naujas medžiagas, pasižyminčias unikaliomis savybėmis.

Kvantinės mechanikos istorija

Kvantinės mechanikos istorija prasidėjo 1900 m. Maxui Planckui pristačius kvantinę hipotezę, o 1905 m. Albertui Einšteinui paaiškinus fotoelektrinį efektą. Po to 1913 m. Nielsas Boras sukūrė kvantinį atomo modelį, o 1924 m. Louis de Broglie pasiūlė bangų ir dalelių dualumą. Werneris Heisenbergas 1927 m. suformulavo neapibrėžtumo principą, o Erwinas Schrödingeris tais pačiais metais sukūrė banginę lygtį.

Šie atradimai lėmė kvantinės mechanikos gimimą, kai buvo sukurta matricų mechanika ir bangų mechanika. Vėliau kvantinė mechanika buvo toliau tobulinama ir sėkmingai taikoma įvairiose srityse. Ji tebėra gyvybinga mokslinių tyrimų sritis, kuri formuoja mūsų supratimą apie kvantinį pasaulį ir skatina technologinę pažangą.

Kvantinės teorijos pagrindai

Štai pagrindiniai kvantinės teorijos pagrindai:

Bangos funkcija ir tikimybės tankio funkcija

Kvantinėje teorijoje dalelės aprašomos banginėmis funkcijomis - matematiniais atvaizdais, kurie suteikia informacijos apie dalelės būseną ir elgseną. Banginėje funkcijoje pateikiama vertinga informacija, pavyzdžiui, dalelės padėtis, impulsas ir energija. Banginės funkcijos absoliutus kvadratas duoda tikimybės tankio funkciją, kuri nustato tikimybę rasti dalelę skirtingose padėtyse. Banginė funkcija ir tikimybės tankio funkcija leidžia suprasti kvantinių sistemų tikimybinę prigimtį.

Matricų mechanika ir Šrioderio lygtis

XX a. trečiajame dešimtmetyje sukurta matricų mechanika yra viena iš dviejų matematinių kvantinės mechanikos formuluočių. Joje stebimiems dydžiams, pavyzdžiui, padėčiai, impulsui ir energijai, vaizduoti naudojamos matricos. Matricų mechanika suteikia pagrindą prognozuoti kvantinių sistemų matavimų rezultatus.

Kita kvantinės mechanikos formuluotė yra bangų mechanika, pagrįsta Erwinas Schrödingerisbangų lygtį, kuri taip pat buvo sukurta XX a. trečiajame dešimtmetyje. Schrödingerio lygtis aprašo banginės funkcijos kitimą laike. Ji apima bangos ir dalelės dvilypumo sąvoką, leidžiančią apskaičiuoti dalelės radimo skirtingose padėtyse tikimybės pasiskirstymą.

Heizenbergo neapibrėžtumo principas

Vienas iš pagrindinių kvantinės mechanikos principų yra Heizenbergo neapibrėžtumo principas, kurį suformulavo Werneris Heisenbergas 1927 m. Neapibrėžtumo principas teigia, kad tam tikros viena kitą papildančių savybių poros, pavyzdžiui, padėtis ir judesio momentas, negali būti vienu metu žinomos bet kokiu tikslumu. Tikslesnis vienos savybės matavimas savaime riboja tikslumą, kuriuo galima nustatyti kitą savybę. Šis principas pabrėžia kvantinėms sistemoms būdingus apribojimus ir tikimybinį jų pobūdį.

Superpozicija

Kvantinė teorija leidžia nustatyti būsenų superpoziciją, t. y. kvantinė sistema vienu metu gali būti kelių būsenų. Šis principas leidžia sukurti kvantinio lygiagretumo sąvoką ir yra kvantinės kompiuterijos bei kvantinio informacijos apdorojimo pagrindas. Superpozicija leidžia manipuliuoti keliomis galimybėmis ir vienu metu jas nagrinėti.

Susipainiojimas

Susipynimas yra pagrindinė kvantinės mechanikos sąvoka, kai dalelės koreliuoja taip, kad jų savybės akimirksniu susiejamos nepriklausomai nuo atstumo. Šis paslaptingas reiškinys prieštarauja klasikinei priežasties ir pasekmės sampratai, nes pokyčiai, padaryti vienai susipynusiai dalelei, iš karto veikia kitas, net jei jos yra toli viena nuo kitos. Susipynimas yra labai svarbus kvantinės informacijos apdorojimo šaltinis, leidžiantis užtikrinti saugų ryšį ir naudojamas kaip kvantinių technologijų, pavyzdžiui, kvantinės kompiuterijos, pagrindas. Nepaisant to, kad susipynimas prieštarauja intuicijai, kvantinės mechanikos srityje jis tebėra nuolatinių tyrimų ir tyrinėjimų objektas.

Bangų ir dalelių dvilypumo pamatas

Bangų ir dalelių dvilypumas - tai pagrindinė kvantinės mechanikos sąvoka, pagal kurią dalelės, pavyzdžiui, elektronai ir fotonai, gali pasižymėti ir bangų, ir dalelių savybėmis. Ši sąvoka sukėlė revoliuciją mūsų supratime apie dalelių elgseną mikroskopiniu lygmeniu ir metė iššūkį klasikinei dalelių, kaip grynai lokalizuotų objektų, sampratai.

Louiso de Broglie bangų teorija

1924 m, Louis de Broglie pasiūlė novatorišką bangų teoriją, kurioje teigė, kad dalelės, kaip ir bangos, turi banginę prigimtį. Jis teigė, kad dalelės, pavyzdžiui, elektronai, turi susijusias bangines charakteristikas, kurias lemia jų impulsas ir energija. De Broilio bangų teorija įvedė materijos bangų arba de Broilio bangų sąvoką, kuri matematiškai atspindi dalelių banginį elgesį.

Eksperimentai, rodantys bangų ir dalelių dvilypumą

Keletas eksperimentų įrodė dalelių bangų ir dalelių dvilypumą, patvirtino de Broilio bangų teoriją ir dar labiau sutvirtino kvantinės mechanikos pagrindus. Toliau pateikiami du žymūs eksperimentai, rodantys bangų ir dalelių dualumą:

Dvigubo apšvietimo eksperimentas: Dvigubo plyšio eksperimentas, kurį 1801 m. pirmą kartą atliko Thomas Youngas ir kuris vėliau buvo pakartotas su elektronais ir kitomis dalelėmis, įrodo dalelių banginį elgesį. Šio eksperimento metu dalelės nukreipiamos į barjerą su dviem plyšiais, o už barjero esančiame ekrane sukuriamas interferencijos raštas. Pastebėtas modelis būdingas bangoms, interferuojančioms tarpusavyje, o tai rodo, kad dalelės pasižymi į bangas panašiu elgesiu.
Davisson-Germerio eksperimentas: 1927 m. Klintonas Davissonas ir Lesteris Germeris atliko Davissono ir Germerio eksperimentą, kurio metu į kristalo paviršių buvo paleisti elektronai. Išsklaidyti elektronai sukūrė interferencijos modelį, panašų į dvigubo plyšio eksperimentą, rodantį, kad elektronai elgiasi kaip bangos. Šis eksperimentas tiesiogiai įrodė dalelių banginę prigimtį ir patvirtino de Broilio bangų teoriją.

Šie eksperimentai ir kiti panašūs tyrimai su įvairiomis dalelėmis patvirtino medžiagos bangų ir dalelių dualumą. Bangos ir dalelės dualumo sąvoka šiuo metu yra pagrindinis kvantinės mechanikos principas, lemiantis mūsų supratimą apie kvantinį pasaulį ir tapęs kertiniu akmeniu tolesnei šios srities pažangai.

Kvantinės teorijos taikymai

Kvantinė teorija, pasižyminti unikaliais principais ir matematine sistema, atvėrė kelią daugybei pritaikymų įvairiose mokslo srityse. Štai keletas svarbių taikymų:

Vienas elektronas ir kinetinė energija

Suprasti atskirų elektronų elgseną medžiagose ir prietaisuose labai padeda kvantinės teorijos taikymas. Ji padeda paaiškinti tokius reiškinius kaip elektronų tuneliavimas, kai elektronai gali prasiskverbti pro energijos barjerus dėl savo banginės prigimties. Be to, kvantinė teorija labai svarbi nustatant dalelių kinetinę energiją, nes joje atsižvelgiama į jų bangų ir dalelių dualumą ir tikimybinį elgesį.

Kvantinė chemija ir kvantinės mechanikos taisyklės

Kvantinė teorija yra kvantinės chemijos, kuri tiria atomų ir molekulių elgesį, pagrindas. Ji leidžia mokslininkams suprasti atomų elektroninę sandarą, molekulinius ryšius ir chemines reakcijas fundamentaliu lygmeniu. Kvantine mechanika grindžiami skaičiavimai ir modeliavimas padeda atrasti vaistus, kurti medžiagas ir suprasti sudėtingus cheminius procesus.

Kvantiniai objektai ir energijos išsaugojimas

Kvantinėje teorijoje energijos išsaugojimas turi didelę reikšmę. Energijos lygmenų kvantavimas kvantinėse sistemose užtikrina, kad energija išlieka ir ja keičiamasi diskrečiaisiais vienetais. Ši savybė leidžia kurti tokius prietaisus kaip lazeriai, kuriuose energijos perėjimai tarp kvantuotų būsenų skleidžia koherentinę šviesą.

Kvantinė kompiuterija

Kvantinė kompiuterija naudoja kvantinės teorijos principus, kad atliktų skaičiavimus, viršijančius klasikinių kompiuterių galimybes. Kvantiniai bitai, arba kubitai, pasitelkia superpoziciją ir susietumą, kad būtų galima lygiagrečiai apdoroti duomenis ir pasiekti eksponentinę skaičiavimo galią. Kvantiniai skaičiavimai gali sukelti revoliuciją tokiose srityse kaip kriptografija, optimizavimas ir sudėtingų sistemų modeliavimas.

Išlaisvinkite infografikos galią naudodami "Mind The Graph

Iš esmės pakeiskite savo mokslinę komunikaciją naudodami Mind the Graph! Ši patogi platforma išlaisvina infografikos galią ir padeda mokslininkams be vargo kurti vizualiai patrauklią grafiką. Prisijunkite prie Mind the Graph bendruomenės ir atskleiskite tikrąjį infografikos potencialą, kad padidintumėte savo mokslinio darbo pasiekiamumą ir poveikį. Užsiregistruokite nemokamai!