Что такое квантовая физика

Теория относительности описывает поведение больших повседневных объектов в окружающем нас мире.

Однако одной этой теории недостаточно для описания вещей в очень малом масштабе. На уровне атомов и субатомных частиц объекты ведут себя совершенно по-разному, и квантовая теория является попыткой описать поведение материи и энергии в этом субатомном масштабе.

Эксперименты с частицами в начале 1900-х годов дали весьма запутанные результаты. Один из выводов из этих экспериментов заключается в том, что мелкие частицы, такие как фотоны и электроны могут вести себя либо как волна, либо как частица при разных обстоятельствах.

Частицы могут подвергаться интерференции и дифракции, как световые волны. Однако акт наблюдения за частицей заставляет ее обнаруживаться как частица в определенном месте, а не волна.

Кот Шредингера

Шредингер создал аналогию со своим знаменитым воображаемым котом.

Кошка в закрытом ящике с запечатанным смертельным ядом. В какой-то момент печать будет сломана и яд выйдет в коробку, которая убьет кошку.

В любой момент невозможно сказать, жив кот или мертв, не заглянув в коробку и не наблюдая за котом. Как только коробка открыта, состояние кошки определяется.

В квантовой теории, если частица помещена в коробку, частица может находиться в любом количестве мест в коробке, но ее положение не является определенным до тех пор, пока «коробка» не будет открыта и частица «наблюдалась».

Немного «Теории струн»

Одна из теорий, которая пытается объяснить квантовую физику и физику частиц — это теория струн, которая предполагает, что частицы больше похожи на крошечные струны, которые только выглядят как частицы, потому что они такие маленькие.

Подобные теории могут позволить нам ответить на фундаментальные вопросы о Вселенной и мире, в котором мы живем, которые до сих пор не могут быть объяснены.

Почему это так важно?

Квантовая теория имеет самые разнообразные следствия. Квантовая механика объяснила структуру атома и строение ядра. Без знания структуры атома большая часть физики и химии, которые мы знаем сегодня, была бы невозможна. Квантовая теория предсказала существование антиматерии и объясняет радиоактивность.

Теория лазеров была впервые изложена в 1917 году в статье «о квантовой теории излучения» Альберта Эйнштейна, а первые функциональные лазеры были построены в 1950-х годах.

Квантовая теория также объясняет фотоэлектрический эффект, при котором электроны испускаются из материи в результате поглощения энергии света — это происходит в зрении человека и имеет практическое применение в цифровых камерах.

Квантовая физика также используется в очках ночного видения и «сканирующих туннельных микроскопах» (которые создают изображения поверхностей, где можно увидеть отдельные атомы).

Несколько изобретений в разработке, которые могут широко применяться в будущем:

  • Квантовая запутанность-это явление, когда две частицы квантово связаны друг с другом независимо от того, насколько они далеки друг от друга. Нарушение одной из частиц нарушает и другую. Этот принцип использовался для шифрования информации, так как любая попытка перехвата одной из частиц будет нарушать другую, которую затем можно обнаружить.
  • Квантовые вычисления используют свойство, что квантовые частицы могут существовать в нескольких состояниях одновременно, поэтому их можно использовать для параллельных вычислений. В настоящее время созданы очень маленькие квантовые компьютеры, но в настоящее время существуют технические трудности, связанные с построением больших систем.

Погружение в квантовую физику и ее изучение на данном этапе развития человечества, представляет огромную перспективу для нашего последующего понимания нашего мира и Вселенной в целом.