Квантовая механика - обширная область физики, изучающая законы природы, которые проявляются на малых расстояниях и при небольших энергиях атомов и субатомных частиц.
Рисунок 1. Принцип соответствия между классической и квантовой механикой. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Данное направление последовательно вытекает из идей Макса Планка, который в 1900 году продолжил изучать задачи излучения черного вещества и работы Альберта Эйнштейна. Таким образом ученый предложил использовать теорию квантов для объяснения фотоэлектрического эффекта. Ранняя квантовая гипотеза была полностью переосмыслена в середине 1920-х годов.
Классическая физика – это особый раздел науки, который возник еще до квантовой механики и выступает в качестве предельного перехода, справедливого только при глобальных масштабах.
Квантовая механика отличается от классической физики тем, что импульс, энергия и другие показатели, часто ограничиваются только дискретными значениями (квантование), предметы имеют свойства и волн, и частиц (корпускулярно-волновой дуализм), и существуют некие ограничения на установление точности, с которой эти величины определяются.
Переосмысленная теория квантов характеризуется предоставлением новых разработанных математических формализмов, где волновая функция дает информацию об амплитуде вероятности положения физических тел и других характеристик веществ.
Основными областями использования квантовой гипотезы являются: сверхпроводящие магниты, молекулярная химия, светоизлучающие диоды, транзистор, лазер и полупроводниковые устройства и электронная микроскопия.
Связь квантовой механики с классической механикой
Предсказания квантовой механики были давно подтверждены экспериментально с высокой степенью точности. Согласно принципу общего соответствия между классической и квантовой механиками, все предметы подчиняются закономерностям действия квантов, а механика помогает только приблизить объекты к большим системам.
Таким образом, законы классической механики в основном вытекают из теорий квантовой механики как:
- статистическое среднее при определении большого предельного значения числа элементов системы;
- общих значений квантовых показателей;
- связь между числами квантов и описаниями этих систем.
Квантовая когерентность считается самым весомым различием между классическим и квантовым учениями, хорошо иллюстрирующим парадокс Эйнштейна–Подольского–Розен.
Данная концепция стала первым выпадом против известной философской трактовки квантовой механики путем прямого обращения к локальному реализму.
Квантовая интерференция подразумевает сложение действующих амплитуд вероятности, в то время как классические "волны" предполагают только сложение интенсивностей. Принципы построения механики квантов обычно не проявляются в макроскопических масштабах, это возможно обнаружить в соответствии со следующими наблюдениями: многие макроскопические свойства классической гипотезы выступают в качестве прямых следствий квантового поведения всех частей, а "экзотическое" поведение материи, постулируемое методами квантовой механикой и гипотезой относительности, становится более понятным при работе с элементарными частицами или при перемещении со скоростями, которые возможно приравнять к скорости света.
Отличие квантовой механики от классической
Квантовая и классическая механика сильно отличаются тем, что применяют кардинально разные кинематические описания. По мнению исследователей, для исследования квантово-механических процессов требуется проведение экспериментов, с полным и детальным описанием всех устройств концепции.
Правильная подача информации представляются в макроскопических понятиях, выраженных на простом языке, дополненных определениями классической механики. Изначальные условия и итоговое состояние системы описывается общим положением в конфигурационной среде. Квантовая механика не может самостоятельно точно описать действие физических процессов, как со стороны импульса, точного детерминированного предсказания конечного условия, так и с точки зрения положения материальных веществ.
В этом смысле, квантовое явление - это универсальный и постепенный процесс перехода от начального к итоговому состоянию, а не мгновенная «трансформация» в классическом смысле данного слова.
Ученые выделяют два вида процессов в квантовой механике: переходные и стационарные, для которых начальное и конечное положения элементов будет одинаковым. Для переходных - они являются различны.
Очевидно по самому термину, что явление невозможно определить, если известно только одно положение. Учитывая все обстоятельства и факторы, предсказание конечного состояния возможно, но только, если волновая функция полностью описывает систему в вероятностном смысле.
Во многих научных исследованиях можно принимать сразу два состояния системы за одну частицу. При проведении некоторых экспериментов удалось установить, что существует несколько пространственно-потенциальных траекторий, по которым материальное тело может менять свою изначальную позицию. Ключевой особенностью квантового описания является то, что оно не дает возможности однозначно определить, какой из этих путей использовать при переходе между заданными состояниями.
В каждом конкретном случае, для которого требуется кинематическая трактовка, всегда есть весомая причина такого ограничения квантовой точности, ведь для экспериментального нахождения мельчайшего элемента в определенном положении этот показатель должен быть неподвижным; для теоретического определения частицы с конкретным импульсом параметр стабильности находится в свободном движении; эти два требования абсолютно несовместимы. С самого начала своего возникновения классическая кинематика не требовала экспериментального подтверждения ее явлений.
Это позволяет ученым более точно описать мгновенное состояние концепции положением вещества в фазовом пространстве. Такое описание просто подразумевает положение элементов как физическую особенность, не переживая по поводу ее измеримости. Трактовка данного явления вместе с закономерностями движения Ньютона позволяет точно сделать причинно-следственное и детерминированное предсказание конечного состояния вместе с определенной позицией эволюции системы. Для этого часто применяется гамильтоновская динамика.
Классическая механика также помогает описать процесс, подобно описанию двух состояний, используемых в квантовой физике. Для явлений, в которых требуется учитывать величину действия порядка нескольких постоянных констант, механика квантов не подходит; здесь необходимо использовать принципы классической механики.
Общая теория относительности
Рисунок 2. Общая теория относительности. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Несмотря на то, что главные постулаты гипотез общей относительности и квантовой механики Эйнштейна в целом подкрепляются повторяющимися и строгими эмпирическими фактами, которые не противоречат друг другу теоретически, однако их крайне трудно интегрировать в одну единую модель.
Гравитацией возможно иногда пренебречь во многих сферах физики элементарных частиц, так что взаимодействие исследуемых теорий не является главным вопросом в научных приложениях. Однако, отсутствие правильной гипотезы квантовой гравитации считается важным вопросом в физической космологии и обнаружении учеными элегантной "Теории происхождения всего живого на Земле". Многие исследователи продолжаются трудиться в надежде открыть идею, лежащую в основе всего.
Такая теория сможет объединить различные модели атомной физики и вывести четыре фундаментальные силы природы:
- сильное взаимодействие;
- электромагнетизм;
- слабое взаимодействие;
- гравитацию.
Следовательно, решение существующих несоответствий между теорией квантовой механики и классической механикой является одной из основных целей для физики 21 века, хотя эти научные течения имеют общую теорию относительности.
