Вікіпедія

Квантова механіка: відмінності між версіями

Інтерактивний перегляд історії
[перевірена версія][перевірена версія]
← Попереднє редагуванняНаступне редагування →
Вилучено вміст Додано вміст
ВізуальнийВікірозмітка
м правопис
Рядок 4:
'''Ква́нтова меха́ніка''' — фундаментальна фізична [[теорія]], що в описі мікроскопічних об'єктів розширює, уточнює і поєднує результати [[Класична механіка|класичної механіки]] і [[Класична електродинаміка|класичної електродинаміки]]. Ця теорія є базою для багатьох напрямів [[фізика|фізики]] та [[хімія|хімії]], включаючи [[фізика твердого тіла|фізику твердого тіла]], [[квантова хімія|квантову хімію]] та [[фізика елементарних частинок|фізику елементарних частинок]]. Термін «квантова» (від {{lang-la|quantum}} — «скільки») пов'язаний з дискретними порціями, які теорія присвоює певним фізичним величинам, наприклад, [[енергія|енергії]] [[електромагнітна хвиля|електромагнітної хвилі]].
 
[[Механіка]] — наука, що описує [[Рух (механіка)|рух]] [[фізичне тіло|тіл]] і співставлені йомувідповідні фізичні величини, такі як [[енергія]] чи [[імпульс]]. Розвиток [[класична механіка|класичної механіки]] призвів до значних успіхів у розумінні навколишнього світу, однак вона має свої обмеження. Квантова механіка дає точніші і правдивіші результати для багатьох явищ. Це стосується як явищ мікроскопічного масштабу (тут класична механіка не може пояснити навіть існування стабільного атома), так і деяких макроскопічних явищ, таких як [[надпровідність]], [[надплинність]] чи випромінювання [[абсолютно чорне тіло|абсолютно чорного тіла]]. Уже впродовж століття існування квантової механіки її передбачення ніколи не були заперечені [[експеримент]]ом. Квантова механіка пояснює принаймні три типи явищ, яких [[класична механіка]] та [[класична електродинаміка]] не може описати:
# [[квантування (квантова механіка)|квантування]] деяких фізичних величин;
# існування хвильових властивостей у частинок та корпускулярних власивостей у випромінювання, тобто [[корпускулярно-хвильовий дуалізм]];
Рядок 12:
 
=== Різні формулювання квантової механіки ===
Існують два принципово різні підходи до формулювання квантової мехінікимеханіки. І - підхід Шредінгера, ІІ - підхід ГейзенбергаГайзенберга. У першому варіанті ([[Ервін Шредінгер]]) [[вектор стану|вектори станів]] змінюються з часом, а оператори - ні. У другому варіанті (ГейзенбергГайзенберг), навпаки, [[вектор стану|вектори станів]] є сталими у [[час]]і, а уся [[еволюція]] у часі перенесена на [[Оператор (математика)|оператори]].
 
У зображенні Шредінгера: [[Вектор стану|вектори стану]] є функціями часу. <math> \psi = \psi(t)</math>
Рядок 25:
Іноді система, що нас цікавить, не знаходиться у власному стані жодної вимірюваної нами фізичної величини. Тим не менше, якщо ми спробуємо провести [[вимірювання]], [[вектор стану]] миттєво стане власним станом вимірюваної величини. Цей процес має назву [[колапс хвильової функції|колапсу хвильової функції]]. Якщо ми знаємо [[вектор стану]] в момент перед вимірюванням, то в змозі обчислити імовірність колапсу в кожний з можливих власних станів. Наприклад, вільна частинка в нашому попередньому прикладі до вимірювання буде мати хвильову функцію, яка є плоскою хвилею. Коли ми розпочинаємо вимірювання координати частинки, то неможливо передбачити результат, який ми отримаємо. Після проведення вимірювання, коли ми отримаємо якийсь результат ''х''', хвильова функція колапсує в позицію з власним станом, зосередженим саме в ''х'''.
 
Деякі вектори стану призводять до розподілів імовірності, які є постійними в часі. Багато систем, які вважаються динамічними в класичній механіці, насправді описуються такими «статичними» функціями. Наприклад, [[електрон]] в незбудженому [[атом]]і в [[класична фізика|класичній фізиці]] зображується як [[частинка]], яка рухається по круговій траєкторії навколо [[ядро атома|ядра атома]], тоді як ву квантовій механіці він є статичною, сферично-симетричною імовірнісною хмаркою навколо ядра.
 
Еволюція вектора стану в часі є [[детермінізм|детерміністською]] в тому сенсі, що, маючи визначений [[вектор стану]] в початковий момент часу, можна зробити точне передбачення того, яким він буде в будь-який інший момент. В процесі вимірювання зміна конфігурації вектора стану є імовірнісною, а не детерміністською. Імовірнісна природа квантової механіки, таким чином, проявляється саме в процесі здійснення вимірювань.
Рядок 52:
де символом <math> \hat p </math> позначено операцію диференціювання <math> \hat p = -i \hbar d / dx </math>.
 
Кожний вимірюваний параметр системи представляється [[Ермітів оператор|ермітовим оператором]] у просторі станів. Кожний [[власний стан]] вимірюваного параметру відповідає [[власна функція|власному вектору]] оператора, а відповідне власне значення дорівнює значенню вимірюваного параметру в даному власному стані. В процесі вимірювання, [[ймовірність]] переходу системи в один із власних станів визначається як квадрат [[скалярний добуток|скалярного добутку]] вектора власного стану та вектора стану перед вимірюванням. Можливі результати вимірювання&nbsp;— це [[власний вектор|власні значення]] оператора, що пояснює вибір [[ермітова матриця|ермітових операторів]], для яких всі власні значення є дійсними числами. Розподіл ймовірності вимірюваного параметру може бути отриманий обчисленням [[спектральна декомпозиція|спектральної декомпозиції]] відповідного оператора (тут спектром оператора називається сукупність всіх можливих значень відповідної фізичної величини). [[Принцип невизначеності|Принципу невизначеності ГейзенбергаГайзенберга]] відповідає те, що оператори відповідних фізичної величин не [[комутативність|комутують]] між собою. Деталі математичного апарату викладені в спеціальній статті [[Математичний апарат квантової механіки]].
 
Аналітичний розв'язок [[рівняння Шредінгера]] існує для невеликої кількості гамільтоніанів, наприклад для [[гармонічний осцилятор|квантового гармонічного осцилятора]], моделі [[атом водню|атома водню]]. Навіть [[атом]] [[гелій|гелію]], який відрізняється від атомуатома водню на один [[електрон]], не має повністю аналітичного розв'язку рівняння Шредінгера. Проте існують певні методи наближеного розв'язку цих рівнянь. Наприклад, методи теорії збурень, де аналітичний результат розв'язку простої квантово-механічної моделі використовується для отримання розв'язків для складніших систем, додаванням певного «збурення» у вигляді, наприклад, потенціальної енергії. Інший метод, «квазікласичного рівняння руху» прикладається до систем, для яких квантова механіка продукує лише слабкі відхилення від класичної поведінки. Такі відхилення можут бути обчислені методами класичної фізики. Цей підхід важливий у теорії [[квантовий хаос|квантового хаосу]], яка бурхливо розвивається останнім часом.
 
== Взаємодія з іншими теоріями ==
Рядок 67:
Квантові теорії поля для сильних та слабких ядерних взаємодій також були розроблені. Квантова теорія поля для сильних взаємодій має назву квантової хромодинаміки та описує взаємодію суб'ядерних частинок&nbsp;— кварків та глюонів. Слабкі ядерні та електромагнітні взаємодії були об'єднані в їх квантовій формі, в одну квантову теорію поля, яка називається теорією електрослабких взаємодій.
 
Побудувати квантову [[модель гравітації]], останньої з фундаментальних сил, поки не вдається. Псевдокласичні наближення працюють, і навіть передбачили деякі ефекти, такі як радіаціявипромінювання ХоукінгаГокінга. Але формулювання повної теорії квантової гравітації ускладнюється наявними протиріччями між [[загальна теорія відносності|загальною теорією відносності]], найточнішою теорією гравітації з відомих сьогодні, та деякими фундаментальними положеннями квантової теорії. Перетин цих протиріч&nbsp;— область активного наукового пошуку, і такі теорії, як [[теорія струн]], є можливими кандидатами на звання майбутньої теорії квантової гравітації.
 
== Застосування квантової механіки ==
Рядок 87:
[[Альберт Ейнштейн]], сам один з фундаторів квантової теорії, відчував [[дискомфорт]] з приводу того, що в цій теорії відбувається відхід від класичного детермінізму в визначенні значень фізичних величин об'єктів. Він вважав що наявна теорія незавершена і мала бути ще якась додаткова теорія. Тому він висунув серію зауважень до квантової теорії, найвідомішим з яких став так званий [[Парадокс Ейнштейна-Подольського-Розена|ЕПР-парадокс]]. [[Джон Белл]] показав, що цей [[парадокс]] може призвести до появи таких розбіжностей у квантовій теорії, які можна буде виміряти. Але експерименти показали, що квантова механіка є коректною. Однак, деякі «невідповідності» цих експериментів залишають питання, на які досі не знайдено відповіді.
 
Інтерпретація множинних світів [[Еверетт]]а, сформульована в 1956 році пропонує [[модель]] світу, в якій усі можливості прийняття фізичними величинами тих чи інших значень в квантовій теорії, одночасно відбуваються насправді, в «мультивсесвітібагатосвіті», зібраному з переважно незалежних паралельних всесвітів. МультивсесвітБагатосвіт детерміністичний, але ми отримуємо ймовірнісну поведінку всесвіту лише тому, що не можемо спостерігати за всіма всесвітами одночасно.
 
== Історія ==
Рядок 95:
Ці теорії, хоча й успішні, були занадто фрагментарними і вкупі складають так звану [[Стара квантова теорія|стару квантову теорію]].
 
Сучасна квантова механіка народилась в [[1925]], коли [[Гейзенберг Вернер Карл|ГейзенбергГайзенберг]] розробив [[матрична механіка|матричну механіку]], а Шредінгер запропонував [[хвильова механіка|хвильову механіку]] та своє рівняння. Згодом [[Янош фон Нейман]] довів, що обидва підходи є еквівалентними.
 
Наступний крок відбувся тоді, коли [[Гейзенберг Вернер Карл|ГейзенбергГайзенберг]] сформулював принцип невизначеності в [[1927]] році, і приблизно тоді почала складатися ймовірнісна інтерпретація. В 1927 році Поль Дірак об'єднав квантову механіку зі [[спеціальна теорія відносності|спеціальною теорією відносності]]. Він також першим застосував теорію операторів, включаючи популярну [[Бра-кет нотація|бра-кет нотацію]]. В [[1932]] [[Джон фон Нойман]] сформулював математичний базис квантової механіки на основі [[теорія операторів|теорії операторів]].
 
Ера квантової хімії була розпочата [[Вальтер Гайтлер|Вальтером Гайтлером]] та [[Фріц Лондон|Фріцем Лондоном]], які опублікували теорію утворення [[Ковалентний зв'язок|ковалентних зв'язків]] в [[молекула водню|молекулі водню]] в [[1927]]. Надалі квантова хімія розвивалася великою спільнотою науковців у всьому світі.
 
Починаючи з [[1927]], розпочались спроби застосування квантової механіки до багаточастиноковихбагаточастинкових систем, що мало наслідком появу [[Квантова теорія поля|квантової теорії поля]]. Роботи в цьому напрямі здійснювались [[Поль Дірак|Діраком]], [[Вольфганг Паулі|Паулі]], [[Віктор Вайскопф|Вайскопфом]], [[Жордан]]ом. Кульмінацією цього напрямку досліджень стала [[квантова електродинаміка]], сформульована [[Фейнман]]ом, [[Фрімен Дайсон|Дайсоном]], [[Джуліан Швінгер|Швінгером]] та [[Томонага Синітіро|Томонагою]] протягом 1940-х. Квантова електродинаміка&nbsp;— це квантова теорія [[електромагнітне поле|електромагнітного поля]] та його взаємодії із полями, що описують заряджені частинки, передусім [[електрон]]и і [[позитрон]]и.
 
Теорія [[квантова хромодинаміка|квантової хромодинаміки]] була сформульована в ранніх [[1960-ті|1960]]-х. Ця теорія, така якою її ми знаємо тепер, була запропонована Поліцтером, Гроссом та Вілчеком у [[1975]]. Спираючись на дослідження Швінгера, Хіггса, Голдстона та інших, Глешоу, Вайнберг та Салам незалежно показали, що [[Слабка взаємодія|слабкі ядерні взаємодії]] та [[квантова електродинаміка]] можуть бути поєднані та розглядатись як єдина [[електрослабка взаємодія]].
Отримано з https://uk.wikipedia.org/wiki/Квантова_механіка