La fisica quantistica è di solito solo intimidatorio dal get-go.
È un po ‘strano e può sembrare contro-intuitivo, anche per i fisici che si occupano di tutti i giorni.
Ma non è incomprensibile. Se stai leggendo qualcosa sulla fisica quantistica, ci sono davvero sei concetti chiave su di esso che si dovrebbe tenere a mente. Farlo, e troverete la fisica quantistica molto più facile da capire.
Tutto è fatto di onde; Inoltre, le particelle
C’è un sacco di posti per iniziare questo tipo di discussione, e questo è buono come qualsiasi: tutto l’universo ha sia la natura delle particelle e delle onde, allo stesso tempo. C’è una linea in Duology fantasia di Greg Bear (The Infinity Concerto e il serpente Mage), in cui un personaggio che descrive le basi della magia dice “Tutto è onde, senza nulla agitando, su nessuna distanza a tutti.” Ho sempre è piaciuto molto che come una descrizione poetica di quantum physics- in fondo, tutto l’universo ha dell’onda natura.
Naturalmente, tutto l’universo ha anche la natura delle particelle. Questo sembra completamente pazzo, ma è un fatto sperimentale, elaborato da un processo sorprendentemente familiare
Naturalmente, descrivendo gli oggetti reali sia come particelle e onde è necessariamente un po ‘impreciso. Propriamente parlando, gli oggetti descritti dalla fisica quantistica sono né particelle né onde, ma una terza categoria che condivide alcune proprietà delle onde (una frequenza caratteristica e lunghezza d’onda, un po ‘si sviluppa su spazio) e alcune proprietà delle particelle (sono generalmente numerabile e può essere localizzato in una certa misura). Questo porta ad una certa vivace dibattito all’interno della comunità didattica della fisica sul fatto che è davvero appropriato parlare di luce come una particella in corsi di fisica intro; Non perché non c’è alcuna polemica sul fatto che la luce ha un po ‘la natura delle particelle, ma perché chiamare fotoni “particelle”, piuttosto che “eccitazioni di un campo quantistico” potrebbe portare ad alcune idee sbagliate degli studenti. Tendo a non essere d’accordo con questo, perché molti degli stessi problemi possano essere sollevato di chiamare elettroni “particelle”, ma si fa per una fonte affidabile di conversazioni blog.
Questa natura “porta numero tre” degli oggetti quantistici si riflette nel linguaggio a volte confuso i fisici usano per parlare di fenomeni quantistici. Il bosone di Higgs è stato scoperto presso il Large Hadron Collider come una particella, ma si sente anche i fisici parlano di “Higgs campo” come una cosa delocalizzata riempire tutto lo spazio.
Questo accade perché in alcune circostanze, come esperimenti collider, è più conveniente per discutere eccitazioni del campo Higgs in un modo che enfatizza le caratteristiche delle particelle simili, mentre in altre circostanze, come detto in generale perché certe particelle hanno massa, è più conveniente per discutere la fisica in termini di interazioni con un campo quantistico universo di riempimento.
E ‘solo linguaggio diverso che descrive lo stesso oggetto matematico.
E ‘proprio lì nel nome- la parola “quantum” deriva dal latino “quanto” e riflette il fatto che i modelli quantistici coinvolgono sempre qualcosa proveniente in quantità discrete. L’energia contenuta in un campo quantistico viene in multipli interi di qualche energia fondamentale. Per la luce, questo è associato con la frequenza e lunghezza d’onda ad alta frequenza light-, luce a breve lunghezza d’onda ha una grande energia caratteristica, che a bassa frequenza, la luce di lunghezza d’onda ha un piccolo un’energia caratteristica.
In entrambi i casi, però, l’energia totale contenuta in un particolare campo di luce è un multiplo intero di quella energetica 1, 2, 14, 137 volte- mai una frazione strano come uno-e-un-metà, π, o la piazza radice di due. Questa struttura è visto anche nei livelli di energia discreti di atomi, e le bande di energia di solids- certi valori di energia sono ammessi, altri non lo sono. Gli orologi atomici di lavoro a causa della discretezza della fisica quantistica, utilizzando la frequenza della luce associata ad una transizione tra due stati ammessi in cesio per tenere il tempo ad un livello che richiede la tanto discussa “leap second”, ha aggiunto la scorsa settimana.
Spettroscopia può essere utilizzata anche per cercare le cose come materia oscura, ed è parte della motivazione per un istituto di fisica fondamentale a basso consumo energetico.
Questo non è sempre evidente infatti anche alcune cose che sono fondamentalmente quantistica, come la radiazione del corpo nero, sembrano coinvolgere distribuzioni continue. Ma c’è sempre una sorta di granularità alla realtà sottostante se si scava in matematica, e questa è una gran parte di ciò che conduce alla stranezza della teoria.
Fisica quantistica è probabilistica.
Uno dei più sorprendenti e (storicamente, almeno) gli aspetti controversi della fisica quantistica è che è impossibile prevedere con certezza l’esito di un singolo esperimento su un sistema quantistico. Quando fisici predicono l’esito di qualche esperimento, la previsione assume sempre la forma di una probabilità per reperire ciascuna delle particolari possibili risultati e confronti tra teoria ed esperimento comporta sempre inferire distribuzioni di probabilità da molti esperimenti ripetuti.
La descrizione matematica di un sistema quantistico assume tipicamente la forma di una “funzione d’onda”, generalmente rappresentato nelle equazioni dalla lettera greca psi: Ψ. C’è un sacco di dibattito su che cosa, esattamente, questa funzione d’onda rappresenta, abbattendo in due campi principali: quelli che pensano della funzione d’onda, come un vero e proprio cosa fisica (il termine gergo per queste è teorie “ontiche”, che porta una persona spiritosa al dub i loro sostenitori “psi-ontologi”) e quelli che pensano della funzione d’onda come una semplice espressione della nostra conoscenza (o la sua assenza) per quanto riguarda lo stato di fondo di un particolare oggetto quantistico (teorie “epistemiche”).
In entrambi classe di modello fondamentale, la probabilità di trovare un esito non è dato direttamente dalla funzione d’onda, ma per il quadrato della funzione d’onda (in senso lato, in ogni caso, la funzione d’onda è un oggetto matematico complesso (cioè si tratta di numeri immaginari come la piazza radice di uno negativo), e l’operazione per ottenere probabilità è leggermente più coinvolti, ma “quadrato della funzione d’onda” è sufficiente per ottenere l’idea di base).
Questo è noto come la “Regola Born” dopo fisico tedesco Max Born che per primo ha suggerito questo (in una nota di un documento nel 1926), e colpisce alcune persone come aggiunta brutto ad hoc. C’è uno sforzo attivo in alcune parti della comunità fondazioni quantistica per trovare un modo per ricavare la regola Nata da un principio più fondamentale; Fino ad oggi, nessuno di questi sono stati pieno successo, ma genera un sacco di scienza interessante.
Questo è anche l’aspetto della teoria che conduce a cose come particelle essendo in stati multipli contemporaneamente. Tutti possiamo prevedere è probabilità, e prima di una misura che determina un risultato particolare, il sistema essendo misurata è in uno stato indeterminato che mappa matematicamente ad una sovrapposizione di tutte le possibilità con diverse probabilità. Se si considera questo come il sistema di essere veramente in tutti gli stati in una sola volta, o semplicemente di essere in uno stato sconosciuto dipende in gran parte i tuoi sentimenti sui modelli ontiche contro epistemici, anche se questi sono entrambi soggetti a vincoli.
Fisica quantistica è non locale.
L’ultima grande contributo Einstein fatto per la fisica non è stato ampiamente riconosciuto come tale, soprattutto perché si era sbagliato. In un documento 1935 con i suoi più giovani colleghi Boris Podolsky e Nathan Rosen (la “carta EPR”), Einstein ha fornito una chiara dichiarazione matematica di qualcosa che lo aveva fastidio per qualche tempo, un’idea che noi oggi chiamiamo “entanglement”.
Il documento EPR ha sostenuto che la fisica quantistica ha permesso l’esistenza di sistemi in cui misurazioni effettuate in luoghi molto distanti potrebbe essere correlato in modo che suggerivano l’esito di uno stato determinato dagli altri. Essi hanno affermato che questo significava i risultati di misura devono essere determinati in anticipo, da qualche fattore comune, perché l’alternativa richiederebbe la trasmissione del risultato di una misurazione della posizione dell’altro ad una velocità superiore alla velocità della luce. Così, meccanica quantistica devono essere incompleta, una mera approssimazione qualche teoria più profonda (una teoria “locale nascosto variabile”, quella in cui i risultati di una determinata misura non dipendono nulla più lontano dalla posizione di misurazione di un segnale potrebbe viaggiare alla velocità della luce ( “locale”), ma sono determinati da un fattore comune ad entrambi i sistemi in una coppia entangled ( “variabile nascosta”).
Questo è stato considerato come una nota strana per circa trent’anni, come ci sembrava di essere in alcun modo di testarlo, ma a metà degli anni 1960-del fisico irlandese John Bell elaborato le conseguenze della carta EPR in maggiore dettaglio.
Campana ha dimostrato che si possono trovare le circostanze in cui la meccanica quantistica prevede correlazioni tra le misurazioni lontani che sono più forti di ogni possibile teoria del tipo preferito da E, P e R.
Questo è stato testato sperimentalmente a metà degli anni 1970 da John Clauser, e una serie di esperimenti di Alain Aspect nei primi anni del 1980 è ampiamente considerata definitivamente dimostrato che questi sistemi entangled non può assolutamente essere spiegate da alcun teoria variabile locale nascosto.
L’ultima grande contributo Einstein fatto per la fisica non è stato ampiamente riconosciuto come tale, soprattutto perché si era sbagliato. In un documento 1935 con i suoi più giovani colleghi Boris Podolsky e Nathan Rosen (la “carta EPR”), Einstein ha fornito una chiara dichiarazione matematica di qualcosa che lo aveva fastidio per qualche tempo, un’idea che noi oggi chiamiamo “entanglement”.
Il documento EPR ha sostenuto che la fisica quantistica ha permesso l’esistenza di sistemi in cui misurazioni effettuate in luoghi molto distanti potrebbe essere correlato in modo che suggerivano l’esito di uno stato determinato dagli altri. Essi hanno affermato che questo significava i risultati di misura devono essere determinati in anticipo, da qualche fattore comune, perché l’alternativa richiederebbe la trasmissione del risultato di una misurazione della posizione dell’altro ad una velocità superiore alla velocità della luce.
Così, meccanica quantistica devono essere incompleta, una mera approssimazione qualche teoria più profonda (una teoria “locale nascosto variabile”, quella in cui i risultati di una determinata misura non dipendono nulla più lontano dalla posizione di misurazione di un segnale potrebbe viaggiare alla velocità della luce ( “locale”), ma sono determinati da un fattore comune ad entrambi i sistemi in una coppia entangled ( “variabile nascosta”)).
Questo è stato considerato come una nota strana per circa trent’anni, come ci sembrava di essere in alcun modo di testarlo, ma a metà degli anni 1960-del fisico irlandese John Bell elaborato le conseguenze della carta EPR in maggiore dettaglio. Campana ha dimostrato che si possono trovare le circostanze in cui la meccanica quantistica prevede correlazioni tra le misurazioni lontani che sono più forti di ogni possibile teoria del tipo preferito da E, P e R. Questo è stato testato sperimentalmente a metà degli anni 1970 da John Clauser, e una serie di esperimenti di Alain Aspect nei primi anni del 1980 è ampiamente considerata definitivamente dimostrato che questi sistemi entangled non può assolutamente essere spiegate da alcun teoria variabile locale nascosto.
La fisica quantistica ha una reputazione di essere strano perché le sue previsioni sono drammaticamente a differenza nostra. (Do tuo understand Traduzione Italiota ???!)
esperienza quotidiana (almeno, per humans- la presunzione del mio libro è che non sembra così strano per cani). Questo accade perché gli effetti coinvolte diventano più piccoli come oggetti ottengono larger- se si vuole vedere il comportamento senza ambiguità quantistica, che, fondamentalmente, desidera vedere le particelle si comportano come onde, e la lunghezza d’onda diminuisce all’aumentare della quantità di moto. La lunghezza d’onda di un oggetto macroscopico come un cane a piedi attraverso la stanza è così ridicolmente piccolo che se si ampliato tutto in modo che un singolo atomo nella stanza erano le dimensioni di tutto il sistema solare, la lunghezza d’onda del cane sarebbe di circa la dimensione di un singolo atomo all’interno di quel sistema solare.
Ciò significa che, per la maggior parte, fenomeni quantistici sono limitate alla scala di atomi e particelle fondamentali, dove le masse e le velocità sono abbastanza piccolo per le lunghezze d’onda per ottenere abbastanza grande da osservare direttamente.
C’è uno sforzo attivo in una serie di settori, però, a spingere le dimensioni dei sistemi che mostrano effetti quantistici fino a dimensioni maggiori. Ho bloggato un gruppo su esperimenti dal gruppo che mostra un comportamento ondulatorio di Markus Arndt in molecole sempre più grandi, e ci sono un sacco di gruppi di “cavità opto-meccanica”, cercando di utilizzare la luce per rallentare il movimento di blocchi di silicio verso il basso al punto in cui la natura discreta quantistica del moto sarebbe diventato chiaro. Ci sono anche alcuni suggerimenti che potrebbe essere possibile farlo con specchi sospesi avere masse di diversi grammi, il che sarebbe incredibilmente cool.
Il punto precedente conduce molto naturalmente in questo: come strano che possa sembrare, la fisica quantistica è più enfaticamente non è magia. Le cose si predice sono strane per gli standard della fisica di tutti i giorni, ma sono rigorosamente vincolati da regole e principi matematici ben compresi.
Quindi, se qualcuno viene a voi con un’idea “quantum” che sembra troppo bello per essere vero-energia libera, poteri di guarigione mistica, spazio impossibile drives- quasi certamente è. Questo non significa che non possiamo utilizzare la fisica quantistica per fare sorprendente cose- si possono trovare alcuni fisica davvero cool in tecnologia-mondano, ma queste cose rimanere ben entro i confini delle leggi della termodinamica e solo buon senso comune.
Quindi il gioco è fatto: gli elementi essenziali di base della fisica quantistica. Probabilmente ho lasciato un paio di cose, o fatto alcune dichiarazioni che sono sufficientemente precisi per piacere a tutti, ma questo dovrebbe almeno servire come un utile punto di partenza per ulteriori discussioni.