Sima Orekhanov
август 2016.
12216

Что такое квантовая физика и чем она отличается от обычной (спрашивает гуманитарий)?

Ответить
Ответить
Комментировать
0
Подписаться
24
5 ответов
Поделиться

Гуманитарию я бы постарался объяснить без использования сложных терминов, а скорее "на пальцах". Хотя все перечисленное в ответах коллег - верно.

Примерно так.

Как вы знаете, все окружающие нас в быту предметы состоят из атомов, очень маленьких частиц. При этом типичное количество этих атомов в близких нам объектах действительно колоссально, что-то типа единички с 25 нулями.

При этом мы из собственного опыта прекрасно знаем, как ведет себя этот ансамбль атомов: упавшая со стола чашка долетит до пола и разобьется, дверь откроется и так далее. И нам сразу кажется, что мы отлично понимаем и каждый атом по отдельности - ведь их совокупность для нас так понятна.

И тут нужно провести аналогию с социологией или экономикой. Там мы работаем с большим количеством агентов и изучаем общие закономерности. Например, проведя перепись населения мы можем узнать, что в отдельной стране на каждую семью приходится по 1,2 ребенка. Или смотря за ценой на гречку, мы можем понять, что в общем и целом люди больше склонны покупать ее.

Дает ли нам это информацию о конкретном индивидууме? С одной стороны вроде да, а с другой совсем нет. То есть встретив отдельного 40-летнего мужчину на улице, мы вообще не сможем сказать, сколько у него детей, и покупал ли он недавно гречку.

Вот если очень грубо, то переход от обычной физике к квантовой похож на переход от социологии к психологии. Становится понятно, что инструменты нужны совсем другие, формулы другие, исследования другие - и так далее.

Ну и начинаются всякие следствия, о которых уже говорили. Например, действительно оказывается, что про ансамбль атомов мы можем сказать что-то с большой точностью, а вот для каждого отдельного атома - есть заметная и неликвидируемая неопределенность. В общем, как и в социологии/психологии.

Сразу оговорюсь для физиков - я понимаю, что это достаточно сильно натянутая аналогия, но мне кажется, что это самое главное, что нужно понимать про квантовую физику гуманитарию.

Идея квантовой физики — в том, что наш мир состоит из очень маленьких частиц, которых мы не видим, и они ведут себя по особым законам, не таким, как видимый мир, к которому мы привыкли. Когда их много, они ведут себя как обычно, а вот по одной — совсем иначе. В обычной физике мы привыкли к тому, что объекты обладают конкретными свойствами. Они могут быть жесткими или упругими. А в квантовой физике они умеют вести себя как волны. Частицы могут проходить сквозь стены (потому что для них это не совсем стена), складываться и вычитаться между собой.

Начиная отвечать на этот вопрос, я не могу избавиться от мысли, что не смогу дать вам полного представления о квантовой физике, и не потому, что вы гуманитарий, а потому, что это очень глубокая тема.

Итак, до начала 20-го века в физике главенствовала механика Ньютона, в которой пространство и время полагались абсолютными, не изменяемыми и существующими как бы отдельно от материального мира. Изменение любых величин (например, энергии и импульса) всегда полагались непрерывными. Наиболее ёмко описывающая механику Ньютона идея - это детерминизм Лапласа (почитайте на вики). Изменилось всё с приходом Макса Планка и его дерзкой идеи рассматривать энергию не как непрерывную величину, а как квантованную, т.е. изменяющуюся дискретно (скачками). Такое представление позволило ответить на вопрос, почему электрон не падает на ядро, и вместе с тем привело к постулатам Бора, о том, что атомы могут долго пребывать только в стационарных состояниях с определенной энергией, а поглощать и испускать энергию только порциями (квантами).

Квантовая физика использует совершенно другой способ описания объектов и другой математический аппарат. Если в классической физике можно запросто находить координаты, траектории, импульсы объектов, просто измеряя их приборами, то в квантовой физике все эти величины носят вероятностный характер! Ищется координата с помощью волновой функции, квадрат плотности которой представляет собой плотность вероятности нахождения частицы в какой-либо точке пространства. В квантовой физике нет траекторий, как в классической. Вернее даже так: траектории есть, но объект движется по всем траекториям сразу с различной вероятностью.

Всем величинам в классической физике поставлены в соответствие операторы в квантовой физике. А всем значениям (числа), которые могут принимать эти величины, поставлены в соответствие собственные значения операторов(числа). Операторы - это просто правила по которым одной функции ставится в соответствие другая функция. То есть, если нам нужно получить значение энергии системы, то в классической физике мы просто его измерим, а в квантовой физике подействуем оператором полной энергии на волновую функцию системы и получим собственное значение оператора. Так как в волновой функции содержится вся информация о чистом состоянии системы, а извлечь эту информацию можно, применяя к функции различные операторы.

В квантовой физике существует принцип неопределенности, который гласит, что нельзя измерить одновременно некоторые величины, такие как, например, импульс и координата, энергия и время измерения энергии. Максимальное уточнение одного параметра приводит к все более расплывчатой информации о другом. Этот принцип можно описать так, будто бы когда мы загоняем природу в очень маленькое пространство и пытаемся исследовать, она начинает бесноваться и не дает это сделать! Поэтому на больших масштабах никаких квантовых эффектов нет.

Еще одна важная особенность: любая квантовая система как бы живет в неопределенном состоянии, и как только над ней проводится измерение, её волновая функция схлопывается и система приходит навсегда в конкретное определенное состояние. В классической же физике все системы всегда пребывают в каком-то конкретном состоянии. Сколько бы мы не проводили эксперимент по бросанию мяча в одном и том же направлении, результат всегда будет одинаков, а в квантовой физике нет.

Говоря в целом, квантовая физика - это расширение классической физики на микромир (атомные и планковские масштабы). В уравнениях квантовой физики есть такой параметр S, который называется действие, и если устремить его к бесконечности, то уравнения кв. физики перейдут в ур-я класс. физики.

Показать ещё 2 ответа
Ответить