В старшей школе мы привыкли изучать физику. Однако существует один вид физики, о котором вы, возможно, не знакомы, и о котором должен знать каждый: квантовая физика . Многие не знают, что такое квантовая физика. Это очень обсуждаемая и увлекательная область, которая может произвести революцию в нашем понимании Вселенной. Это теория физики, описывающая поведение материи, и она также имеет множество применений в повседневной жизни.
Поэтому в этой статье мы расскажем вам, что такое квантовая физика и каковы ее характеристики.
Что такое квантовая физика
Квантовая физика также называется квантовой или механической теорией. Потому что он основан на механической теории, которая фокусируется на масштабе длины и явлениях атомной и субатомной энергии, давая новую жизнь предыдущим теориям, которые теперь считаются устаревшими.
В чём разница между классической физикой и квантовой физикой? Последняя описывает излучение и материю как дуальные явления: волны и частицы. Следовательно, волно-частичный дуализм можно считать одной из определяющих характеристик этой механики. Связь между волнами и частицами изучается и подтверждается двумя принципами:
- Принцип дополнительности
- Принцип неопределенности Гейзенберга (последний формализует первый).
Мы можем с уверенностью сказать, что после открытия теории относительности и зарождения классической физики эти знания положили начало новой эре: современной физике. Для всестороннего изучения квантовой механики необходима интеграция различных областей физики:
- Атомная физика
- Физические частицы
- Физика материи
- Ядерная физика
Происхождение
К концу XIX века классическая физика уже не могла изучать материю на микроуровне, что, возможно, выходит за рамки возможностей атомных измерений. Поэтому невозможно изучать экспериментальную реальность, особенно явления, связанные со светом и электронами. Но люди всегда стремятся к большему, и их врожденное любопытство побуждает их к дальнейшим исследованиям.
В начале XNUMX века открытия, сделанные в атомном масштабе, бросили вызов старым предположениям. Квантовая теория родилась благодаря термину, введенному академиком Максом Планком в начале XNUMX века. Основная идея состоит в том, что микроскопическая величина и количество некоторых физических систем могут даже изменяться прерывисто, но дискретно.
Эти исследования и исследования позволили прийти к таким выводам:
- 1803: признание атомов как составного элемента молекул
- 1860: таблица Менделеева группирует атомы по химическим свойствам
- 1874: открытие электрона и ядра
- 1887: исследования ультрафиолетового излучения
Последняя дата может служить главной разделительной линией. Для частот излучения ниже порогового значения явление взаимодействия (фотоэлектрический эффект) между электромагнитным излучением и материей исчезает. Благодаря фотоэлектрическому эффекту энергия электронов пропорциональна частоте электромагнитного излучения. Волновой теории Максвелла уже недостаточно для объяснения некоторых явлений. Вы можете подробнее узнать об этой истории в нашей статье о том, что такое свет.
Квантовая теория
Чтобы суммировать факторы, которые способствовали рождению квантовой физики, мы можем перечислить более важные даты, которые связаны с открытиями и знаниями, используемыми для прослеживания истории квантовой механики:
- 1900: Планк выдвигает идею о том, что энергия квантуется, поглощается и излучается.
- 1905: Эйнштейн демонстрирует фотоэлектрический эффект (энергия электромагнитного поля переносится квантами света (фотонами)
- 1913: Бор количественно определяет орбитальное движение электрона.
- 1915: Зоммерфельд вводит новые правила, обобщающие методы количественной оценки.
Но именно с 1924 года начала формироваться квантовая теория в том виде, в каком мы её знаем сегодня. В тот день Луиза де Брогги разработала теорию волновых функций материи. В следующем году её работу продолжил Хайнсбург, сформулировав матричную механику, а затем, в 1927 году, Дирак предложил специальную теорию относительности. До 1982 года, когда Орсеский институт оптики завершил свои исследования нарушения неравенства Белла, эти открытия следовали одно за другим. Интересно, что биография Макса Планка может предоставить более подробную информацию о его вкладе.
Принципы квантовой физики
Среди наиболее интересных открытий мы находим:
- Дуальность волна-частица
- Принцип дополнительности
- Начало неопределенности
Дуализм волна-частица
Раньше существовала только классическая физика. Это было разделено на две группы законов:
- Законы Ньютона
- Законы Максвелла
Первый набор законов описывает движение и динамику механических объектов, а второй набор законов описывает тенденции и взаимосвязи между объектами, входящими в состав электромагнитных полей: например, светом и радиоволнами .
Некоторые эксперименты показывают, что свет можно рассматривать как волну. Но они не подтверждены. С другой стороны, свет имеет природу частиц (от Эйнштейна и Планка), и поэтому идея о том, что он состоит из фотонов, приобретает все большую и большую легитимность. Благодаря Бору стало понятно, что природа материи и излучения:
- Сделайте это волной
- Сделайте это тело
Теперь стало невозможно мыслить с одной или другой точки зрения, а скорее с точки зрения взаимодополняемости. Принцип взаимодополняемости Бора лишь подчеркивает этот момент; то есть явления, происходящие на атомном уровне, обладают двойственными свойствами как волн, так и частиц. Для более глубокого понимания этого явления можно обратиться к статье о квантовой суперпозиции.
Принцип неопределенности Хайнзенберга
Как мы уже упоминали, в 1927 году Гейзенберг продемонстрировал, что некоторые пары физических величин, такие как скорость и положение, не могут быть зарегистрированы одновременно без ошибок . Точность может повлиять на одно из двух измерений, но не на оба одновременно, поскольку такие явления, как скорость, повлияют на результат другого измерения и сделают его недействительным.
Для обнаружения электрона необходимо испустить фотон. Чем короче длина волны фотона, тем точнее измерение положения электрона. В квантовой физике низкочастотные фотоны несут больше энергии и скорости, чем могут поглотить электроны. Однако эти измерения невозможно определить точно. Подробнее об этом принципе можно прочитать в статье о биографии Гейзенберга.
Я надеюсь, что с этой информацией вы сможете больше узнать о том, что такое квантовая физика и каковы ее характеристики.
