Що таке квантова фізика

Причини виникнення квантової фізики

Фізика - наука, що описує закони, за якими функціонує навколишній світ. Ньютоновская, або класична фізика виникла ще в Середні століття, а її передумови можна було бачити в давнину. Вона відмінно пояснює все, що відбувається на масштабах, що сприймаються людиною без додаткових вимірювальних приладів. Але люди зіткнулися з безліччю суперечностей, коли почали вивчати мікро- і макросвіт, досліджувати як найдрібніші частинки, з яких складається речовина, так і гігантські галактики, навколишні рідної людині Чумацький шлях. Виявилося, що класична фізика підходить не для всього. Саме так з`явилася квантова фізика - наука, що вивчає квантово-механічні та квантово-польові системи. Технічні прийоми для вивчення квантової фізики - це квантова механіка і квантова теорія поля. Вони також використовуються і в інших, суміжних розділах фізики.

Основні положення квантової фізики, в порівнянні з класичною

Тим, хто тільки знайомиться з квантовою фізикою, її положення нерідко здаються нелогічними або навіть абсурдними. Однак, вникаючи в них глибше, простежити логіку вже набагато простіше. Найпростіше дізнаватися основні положення квантової фізики, порівнюючи її з класичною.

Якщо в класичній фізиці вважається, що природа незмінна, якими б способами вчені її ні описували, то в квантовій фізиці результат спостережень буде дуже сильно залежати від того, яким способом вимірювання користуватися.

Згідно законам механіки Ньютона, які є основою класичної фізики, частинка (або матеріальна точка) в кожен момент часу має певне положення і швидкість. У квантовій механіці це не так. В її основі - принцип суперпозиції відстаней. Тобто, якщо квантова частинка може перебувати в одному і в іншому стані, то, значить, вона може перебувати і в третьому стані - сумою двох попередніх (це називається лінійна комбінація). Тому не можна точно визначити, де буде знаходитися частинка в певний момент часу. Можна лише обчислити вірогідність її перебування де б то не було.

Якщо в класичній фізиці можна побудувати траєкторію руху фізичного тіла, то в квантовій - тільки розподіл ймовірностей, яке буде змінюватися у часі. При цьому максимум розподілу завжди знаходиться там, де його визначає класична механіка! Це дуже важливо, оскільки дозволяє, по-перше, простежити зв`язок між класичною і квантовою механікою, а по-друге, показує, що вони не суперечать один одному. Можна сказати, що класична фізика є приватним випадків квантової.

Імовірність в класичній фізиці з`являється, коли досліднику невідомі якісь властивості об`єкта. У квантовій фізиці ймовірність фундаментальна і присутній завжди, незалежно від ступеня незнання.

У класичній механіці допускаються будь-які значення енергії і швидкості для частинки, а в квантовій - тільки певні значення, «квантовані». Їх називають власними значеннями, кожному з яких відповідає власний стан. Квант - це «порція» якої-небудь величини, яку не можна розділити на складові.

Один з фундаментальних принципів квантової фізики - Принцип невизначеності Гейзенберга. Мова в ньому йде про те, що ніяк не вийде одночасно з`ясувати і швидкість, і положення частинки. Виміряти можна тільки лише щось одне. Причому, чим краще прилад виміряє швидкість частинки, тим менше буде відомо про її становищі, і навпаки.

Справа в тому, що для того, щоб частинку виміряти, потрібно на неї «подивитися», тобто, відправити у її бік частинку світла - фотон. Цей фотон, про який досліднику все відомо, зіткнеться з вимірюваної часткою і змінить свої і її властивості. Це приблизно те ж саме, що вимірювати швидкість автомобіля, що рухається, посилаючи інший автомобіль з відомою швидкістю йому назустріч, а потім, по зміненій швидкість і траєкторії другого автомобіля досліджувати перший. У квантовій фізиці досліджуються настільки малі об`єкти, що навіть фотони - частинки світла - змінюють їх властивості.