С самого появления квантовой теории основной задачей было детальное описание взаимодействия элементарных частиц между собой, а также особенности действия физических веществ в среде. Многие физики обращались к этой проблеме, еще не имея представления о том, что вскоре этот вопрос станет одним из самых значимых вызовов науке. Так родились квантовая электродинамика и известная всем квантовая теория поля.
Рисунок 1. Квантовая теория поля. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Релятивистская идея с ее принципом эквивалентности энергии и массы позволяет установить — хотя бы качественно — все процессы, в которых создаются частицы. Понятие фотона как отдельной частицы в виде кванта света изначально помогало исследовать процессы столкновения микрочастиц, включая электромагнитное нестабильное излучение, применяя общие известные свойства — сохранение импульса, энергии и угловой момент.
В начале 1917 года Эйнштейн реализовал первую серьезную попытку грамотно выстроить квантовую теорию, постулаты которой позволили бы описать атомные состояния и само электромагнитное поле. Тогда исследователь ввел свои знаменитые коэффициенты поглощения и излучения и поглощения. С возникновением квантовой механики начинается постоянный поиск последовательной гипотезы, которая в силах рассчитать коэффициенты Эйнштейна и объяснить взаимосвязь частиц между собой.
Основные принципы квантовой механики
Как показывает общая история естествознания, все свойства элементарных частиц, с которыми работали ученые в течение длительного периода времени, изучая микромир, не укладываются в границы традиционных физических идей. Попытки объяснить сущность микромира посредством общепринятых принципов классической физики потерпели в результате неудачу.
Поиски новых объяснений привели ученых к необходимости создания абсолютно нового направления в науке – квантовой гипотезы, первооткрывателями которой были такие выдающиеся исследователи, как В.Гейзенберг, Н.Бор, М.Планк, Э.Шредингер и др.
Изучение особенностей микрообъектов началось с опытов, в ходе которых было определено, что микрообъекты в одних экспериментах обнаруживают себя как корпускулы, а в других – как волны.
Если вспомнить историю исследования природы света, а точнее серьезные разногласия между Гюйгенсом и Ньютоном, тогда становится вполне возможным определить основные принципы квантовой теории:
- дуализм волны и частицы – все материальные вещества обладают двойственными свойствами;
- принцип дополнительности – результат противоречивости волновых и корпускулярных свойств;
- принцип неопределенности – предполагающий невозможность точно и одновременно и определить координату микрочастицы и ее импульс;
- принцип детерминизма – начальная информация даже в классической теории не может быть определена с предельной точностью.
Постулаты квантовой теории по своему существу являются убеждениями ученых, основанных на статистических закономерностях. Так, судьбу и историю развития отдельной микрочастицы можно проследить только в весьма общих чертах. Частицу можно локализовать только с конкретной и непродолжительной степенью вероятности в пространстве, и этот процесс будет ухудшаться – таков прямой результат соотношения и действия неопределенностей.
Это, однако, нисколько не снижает ценности квантовой механики. Не следует рассматривать статистический характер закономерности в квантовом учении как ее неполноценность или надобность искать детерминистическую теорию – таковой, скорее всего, не существует.
Постоянный характер квантовой теории вовсе не означает, что в ней вовсе отсутствует причинность.
Причинность в квантовой механике определяется как определенная форма упорядочения процессов в пространстве и во времени, следовательно, такие статистические условия накладываю свои ограничения даже на самые хаотические события.
В статистических гипотезах причинность выражается неоднозначно и двояким образом:
- сами закономерности статистики строго упорядочены;
- индивидуальные элементарные частицы расположены таким образом, что одна из них может воздействовать на другую только в том случае, если их позиция в пространстве и во времени помогает ученым сделать это без строгого нарушения причинности.
Применение методов квантовой теории в различных областях науки
По мере развития методов квантовой теории, основанной на принципах математического аппарата элементарных частиц, стало ясно, что их с большим успехом можно применять и в других сферах теоретической физики.
Изучение свойств симметрии – одна из центральных задач изучения физических систем, для описания которой используется пространственная и внутренняя симметрия.
Метод суперсимметрии был введено в теоретическую физику в контексте громких гипотез элементарных частиц в начале 1970-х годов. Первостепенной задачей было преодоление так называемой «no-go» идеи о невозможности длительного объединения пространственных и внутренних разногласий элементарных частиц. Техническим аппаратом указанного предположения стало применение анти коммутирующих переменных.
Посредством метода суперсимметрии возможно получить интересные аналитические данные: в частности, находить уникальные точно решаемые модели в двумерных задачах. В итоге, эта концепция, появившаяся в рамках теории элементарных частиц, дала значимый и мощный импульс в исследованиях нерелятивистской квантовой физики. Эти проблемы изучаются и на сегодняшний день.
Метод сложных систем неожиданным образом нашёл свое применение в абсолютно иных областях: в физике строения физического тела, гипотезе конденсированного состояния и статистической науке. Неожиданно успешным оказалось его использование в теории фазовых переходов. Многочисленные концепции самой разной природы находят сингулярное интересное поведение в пределах движения критических точек. Поведение веществ оказывается не зависящим от конкретной физической среды и от иных механизмов, которые приводят к фазовой трансформации.
Опыт использования квантово-полевых методов в изучении принципов действия критических явлений продемонстрировал, что закономерности физики сложных систем могут описать детально и с максимальной точностью дальнейшее поведение элементарных частиц. В динамике реальных природных процессов (землетрясение, вспышки солнечной активности, лесные пожары, наводнения, вымирание видов, экологические, демографические, социальные, информационные процессы) наблюдаются вполне характерные особенности организованной критичности.
Другая обширная сфера применения аппарата квантовой теории – стремительно развивающаяся в наши дни гидродинамическая турбулентность, для которой характерны систематичность, универсальность, а также скейлинговое поведение с бесконечным комплексом “аномальных параметров”.
Квантовая запутанность
В настоящее время квантовая физика показала хороший результат и ушла достаточно далеко. Ученые открыли много различных природных явлений. Каждый вправе верить в данную науку или же не понимать ее. В этом аспекте целесообразно будет упомянуть такую закономерность, как квантовая запутанность частиц.
Именно это явление повергло научный мир в положение абсолютного непонимания и недоумения. Еще большим ажиотажем стало то, что возникший парадокс несовместим с теоремами Ньютона и Эйнштейна. Впервые эффект квантовой запутанности фотонов был поднят в 1927 году на очередном Сольвеевском Конгрессе. Между Эйнштейном и Нильсом Бором возник спор, а затем парадокс квантовой неопределенности полностью изменил понимание сути создания материального мира.
Принцип запутанности в квантовой физике может быть применен для передачи важной информации на огромные расстояния мгновенно.
Подобный вывод противоречит гипотезе относительности Эйнштейна, согласно которой максимальная скорость перемещения физических тел присуща только свету – а это триста тысяч километров в одну секунду.
Это в очередной раз свидетельствует о том, что человечество находится на пороге великих открытий – перемещения и трансформация во времени и пространстве. Время во Вселенной совершенно дискретно, поэтому, возможно, в ближайшем будущем путешествия по мирам станут реальностью, как и мобильный телефон сегодня.
