Mechanika kwantowa - krok po kroku

Wiadomości, wydarzenia, kalendaria​, literatura, samouczki, Radio...

Postaxeloka | 20 Lip 2022, 15:44

Cześć!
To mój pierwszy artykuł na forum, proszę więc o wyrozumiałość i sugestię co do ewentualnych korekt. Jestem ciekaw czy widzicie potrzebę rozwijania tego tematu szerzej, bo nie wiem czy mam audytorium dla którego mógłbym temat rozwijać. Parę słów wstępu poniżej.

Mechanika kwantowa jest jedną z nowszych dziedzin fizyki, postęp jaki poczyniła ludzkość w XX i XXI wieku pozwoliła na odkrycie i potwierdzenie wielu nowych praw rządzących materią. W mechanice kwantowej "zaglądamy" do świata cząstek elementarnych z których zbudowana jest nie tylko materia, ale i antymateria. Poziom abstrakcji jakim cechuje się mechanika kwantowa nadał jej miano synonimu rzeczy trudnej - niepojętej; ma to w sobie ziarno prawdy, jednak poczyniliśmy w tej dziedzinie spore postępy i rzeczy nieodgadnione, mimo że trudne, udało nam się zbadać, a nawet potwierdzić w praktyce.
A zatem zacznijmy swoją krótką i wyboistą drogę do zrozumienia mechaniki kwantowej, a tym samym praw rządzących w mikroskali.

Dobrym początkiem byłoby uzasadnienie po co nam ta mechanika kwantowa? Przecież Newton i jego prawo powszechnego ciążenia świetnie opisuje to co się dzieje na powierzchni Ziemi w środowisku czyli stosunkowo małych energii i małych mas, a tym samym w stosunkowo niskiej grawitacji. Ogólna teoria względności z dużą precyzją opisuje zjawiska czasoprzestrzenne i grawitacyjne w makroskali, gdzie teoria Newtona nie ma już zastosowania (załamuje się).
A jak to się dzieje w mikroskali? W atomach? W atomach nie sprawdza się ani ogólna teoria względności, ani powszechne prawo ciążenia (wyniki nie zgadzają się z obserwacjami). Jak to możliwe, że świetnie sprawdzające się teorie zawodzą w określonych warunkach? Wydaje się, że mechanika kwantowa jest jedną z części odpowiedzi na to pytanie, tak - jedną z części, ponieważ aby w pełni zrozumieć te zależności potrzebujemy kwantowej teorii grawitacji - wielkiej układanki, do której nie znaleźliśmy jeszcze wszystkich klocków.
W 1900 roku Max Planck badając rozbieżności w promieniowaniu ciał doskonale czarnych stwierdził, że m.in. energia nie jest emitowana w dowolnie ciągłych ilościach, można stwierdzić, że nie możemy "zatrzymać filmu w dowolnym momencie, ale np. co 5 sekund co trochę przypomina skokowe przewijanie w dzisiejszych odtwarzaczach". Stwierdzenie to zrewolucjonizowało świat nauki i niesie ogromne implikacje dla naszej wiedzy dotyczącej wszechświata. Najmniejszą porcję energii, jaką może wyemitować ciało Planck nazwał kwantem, liczbę tą nazywamy dzisiaj stałą Plancka.
Dawniej sądzono, że znając położenie i prędkość danej cząstki jesteśmy w stanie przewidzieć co się z nią działo przed pomiarem i co się z nią stanie po pomiarze. Mówiąc inaczej bylibyśmy w stanie spojrzeć w przyszłość i w przeszłość z dużą dokładnością (jeśli nawet byśmy dysponowali odpowiednią mocą obliczeniową). W fizyce klasycznej możemy mierzyć prędkości z dużą dokładnością, w miarę precyzyjnie jesteśmy w stanie określić położenie, mówi się, że dokładność pomiaru jest zdeterminowana jakością urządzeń pomiarowych oraz nie ma teoretycznych ograniczeń na dokładność z jaką mogą być wykonane pomiary. W mechanice kwantowej im lepiej wyznaczamy prędkość tym bardziej nam umyka położenie cząstki i odwrotnie. Mówiąc inaczej te dwie wielkości są do siebie odwrotnie proporcjonalne.
Zasadę tą nazywamy zasadą nieoznaczoności Heisenberga i jest ona fundamentalnym pojęciem mechaniki kwantowej.

Badania Plancka i Heisenberga stoją w sprzeczności z przewidywaniami Einsteina, który twierdził, że "Bóg nie grywa w kości"; Einstein nie dopuszczał myśli o możliwym losowym elemencie, który wykreował wszechświat. Tymczasem badania Plancka i Heisenberga wyraźnie dowodzą, że nie tylko emitowana energia nie jest emitowana w sposób ciągły, ale nie możemy określić prędkości i położenia z tą samą dokładnością, co w naturalny sposób prowadzi nas do zdarzeń jedynie mniej lub bardziej prawdopodobnych, co jest wyraźnym elementem losowości. Wydaje się, że prawa fizyki klasycznej nie obowiązują w mikroskali, a tym samym nie są takie uniwersalne jak mogłoby się nam jeszcze niedawno wydawać...
 
Posty: 4
Rejestracja: 19 Lip 2022, 21:25
Miejscowość: Baborów k. Raciborza

 

PostMielcar | 20 Lip 2022, 16:48

Bardzo fajny temat i ciekawy tekst.

Zdaje się, że często astronomiczni hobbyści interesują się mechaniką kwantową czy fizyką w ogóle. Właściwie astronomia obecnie nie jest oddzielną nauką a mowa raczej o astrofizyce. Oczywiście na naszym amatorskim „poziomie” trudno obserwować, z tego co mi wiadomo, nawet pośrednio jakiekolwiek zjawiska kwantowe. Może jednak się mylę i ktoś z koleżanek i kolegów będzie mógł mnie poprawić? Jednak już efekty przewidziane w Ogólnej Teorii Względności, jak soczewkowanie grawitacyjne, są dostępne „z przydomowego ogródka”. Na jednej z transmisji Astrolife udało się Mateuszowi „złapać” „Franią” ten efekt. Istnieje pewnie wiele innych manifestacji OTW, o których nie wiem, a które można obserwować względnie amatorskim teleskopem. Oczywiście o ile 14” czy 16” newton z prowadzeniem jest amatorskim teleskopem ^^

Pozostając jednak w temacie, mogę polecić książkę Kasi Głowackiej i Jean Pierre Lasoty „Czy wielki wybuch był głośny” - wiedza fajnie podana dla amatora lub naukowca z innej dziedziny. Istnieje oczywiście wiele innych świetnych „popularnonaukowych” pozycji, także ściśle traktujących o mechanice kwantowej.


Sent from my iPhone using Tapatalk
 
Posty: 96
Rejestracja: 04 Sie 2021, 15:40

 

Postaxeloka | 20 Lip 2022, 20:19

Mielcar napisał(a):Bardzo fajny temat i ciekawy tekst.

Zdaje się, że często astronomiczni hobbyści interesują się mechaniką kwantową czy fizyką w ogóle. Właściwie astronomia obecnie nie jest oddzielną nauką a mowa raczej o astrofizyce. Oczywiście na naszym amatorskim „poziomie” trudno obserwować, z tego co mi wiadomo, nawet pośrednio jakiekolwiek zjawiska kwantowe. Może jednak się mylę i ktoś z koleżanek i kolegów będzie mógł mnie poprawić? Jednak już efekty przewidziane w Ogólnej Teorii Względności, jak soczewkowanie grawitacyjne, są dostępne „z przydomowego ogródka”. Na jednej z transmisji Astrolife udało się Mateuszowi „złapać” „Franią” ten efekt. Istnieje pewnie wiele innych manifestacji OTW, o których nie wiem, a które można obserwować względnie amatorskim teleskopem. Oczywiście o ile 14” czy 16” newton z prowadzeniem jest amatorskim teleskopem ^^

Pozostając jednak w temacie, mogę polecić książkę Kasi Głowackiej i Jean Pierre Lasoty „Czy wielki wybuch był głośny” - wiedza fajnie podana dla amatora lub naukowca z innej dziedziny. Istnieje oczywiście wiele innych świetnych „popularnonaukowych” pozycji, także ściśle traktujących o mechanice kwantowej.


Sent from my iPhone using Tapatalk


Dziękuję za przeczytanie i opinię. Masz rację - efekty kwantowe ciężko złapać doświadczalnie, musiałbym sam się zagłębić, ale o ile się nie mylę to pośrednio do uchwycenia jest zasada holograficzna, efekt Casimira i Feynmanowska suma po historiach. Książkę dopisałem do listy.
Dziękuję.
 
Posty: 4
Rejestracja: 19 Lip 2022, 21:25
Miejscowość: Baborów k. Raciborza

 

Postekolog | 22 Lip 2022, 16:30

Warto wspomnieć o paradoksie EPR.

Dopiero pomiar (lub trafienie cząstki w coś) ustala jej spin i może on być taki lub inny - zgodnie z rozkładem prawdopodobieństwa rozpoznanym w mechanice kwantowej.

Tymczasem cząstka splątana otrzymuje natychmiast spin przeciwny czyli dowiaduje się o tym szybciej niż z prędkością światła - co jest sprzeczne z oczekiwaniami (uznanej) teorii Einsteina.

Można zgadywać, ratując sytuację, że cząstki te mają jakąś ukrytą cechę (parametr) która od początku ich zaistnienia ustala,
że np ta po lewej ma ujawnić spin -1 a ta po prawej +1.

Czyli w momencie trafienia w detektor tylko pozornie zachodzi losowanie spinu dla jednej cząstki (i "ustawianie" dla drugiej).

Tymczasem pewien fizyk opracował subtelny eksperyment który to zbadał statystycznymi metodami.

Okazało się, że naprawdę spin jest losowany dopiero w chwili zderzenia cząstki z czymś, a uzgadnianie przeciwnego dla drugiej następuje natychmiast choćby tamta odleciała już na miliard lat świetlnych.

Twierdzenie Bella:
"Żadna lokalna teoria zmiennych ukrytych nie może opisać wszystkich zjawisk mechaniki kwantowej"

Cóż. Splątanie cząstek jest najwidoczniej dla natury mocniejsze nawet niż ich położenie. Jak wielka miłość ponad wszystko.

https://pl.wikipedia.org/wiki/Paradoks_EPR
https://pl.wikipedia.org/wiki/Twierdzenie_Bella
Siema
_
Wszystkie wszechświaty są wieczne
Załączniki
Mechanika kwantowa - krok po kroku: spl2.jpg
Mechanika kwantowa - krok po kroku: tb.png
tb.png (16.18 KiB) Obejrzany 4070 razy
Ostatnio edytowany przez ekolog, 22 Lip 2022, 20:22, edytowano w sumie 1 raz
Awatar użytkownika
 
Posty: 6166
Rejestracja: 25 Gru 2017, 01:12
Miejscowość: Wrocław

 

Postaxeloka | 22 Lip 2022, 17:32

ekolog napisał(a):Warto wspomnieć o paradoksie EPR.

Dopiero pomiar (lub trafienie cząstki w coś) ustala jej spin i może on być taki lub inny - zgodnie z rozkładem prawdopodobieństwa rozpoznanym w mechanice kwantowej.

Tymczasem cząstka splątana otrzymuje natychmiast spin przeciwny czyli dowiaduje się o tym szybciej niż z prędkością światła - co jest sprzeczne z oczekiwaniami (uznanej) teorii Einsteina.

Można zgadywać, ratując sytuację, że cząstki te mają jakąś ukrytą cechę (parametr) która od początku ich zaistnienia ustala,
że np ta po lewej ma ujawnić spin -1 a ta po prawej +1.

Czyli w momencie trafienia w detektor tylko pozornie zachodzi losowanie spinu dla jednej cząstki (i "ustawianie" dla drugiej).

Tymczasem pewien fizyk opracował subtelny eksperyment który to zbadał statycznymi metodami.

Okazało się, że naprawdę spin jest losowany dopiero w chwili zderzenia cząstki z czymś, a uzgadnianie przeciwnego dla drugiej następuje natychmiast choćby tamta odleciała już na miliard lat świetlnych.

Twierdzenie Bella:
"Żadna lokalna teoria zmiennych ukrytych nie może opisać wszystkich zjawisk mechaniki kwantowej"

Cóż. Splątanie cząstek jest najwidoczniej dla natury mocniejsze nawet niż ich położenie. Jak wielka miłość ponad wszystko.

https://pl.wikipedia.org/wiki/Paradoks_EPR
https://pl.wikipedia.org/wiki/Twierdzenie_Bella
Siema
_
Wszystkie wszechświaty są wieczne


Będę uzupełniał ten wątek, dziękuję za włączenie do dyskusji. Zjawisko splątania kwantowego jest jednym z ciekawszych. W dodatku będzie miało bardzo ciekawe praktyczne zastosowanie w postaci szyfrowania kwantowego we współczesnych komputerach, będzie to miało ogromne znaczenie gdy zostaną wprowadzone komputery kwantowe. Obecne szyfry zostałyby przez taki komputer szybko złamane, a to ogromne niebezpieczeństwo.
Zjawisko splątania kwantowego w zasadzie nie daje możliwości "podłuchania" przekazu z tego powodu, że w tzw. połowie drogi do celu nie wiadomo jaka jest jego wartość. Tak jak wspomniałeś będzie znana dopiero po dotarciu do adresata. Bardzo fajny temat.
 
Posty: 4
Rejestracja: 19 Lip 2022, 21:25
Miejscowość: Baborów k. Raciborza

 

PostMaciek_Cz | 10 Sie 2022, 20:08

Fajny temat.
Kwantowe zjawiska mogą być obserwowane przez amatorów.
Na przykład budując prosty spektroskop optyczny można obserwować linie widmowe w świetle gwiazd.
To zjawisko czysto kwantowe.

Co do mechaniki kwantowej a teorii względności to nie wiem czy się zastanawialiście ale samo równanie Schrodingera zależne od czasu ma postać czterowektora przestrzeni i czasu znanego ze szczególnej teorii względności. Ot taka ciekawostka.
Dlaczego w nocy niebo jest ciemne, skoro patrząc w każdym kierunku, patrzę na jakąś gwiazdę? Heinrich Wilhelm Olbers
Awatar użytkownika
 
Posty: 1198
Rejestracja: 22 Lip 2011, 12:27
Miejscowość: Lublin

 

Użytkownicy przeglądający to forum: Brak zarejestrowanych użytkowników oraz 11 gości

AstroChat

Wejdź na chat