La fisica quantistica di solito è solo intimidatoria fin dall’inizio. È un po ‘ strano e può sembrare contro-intuitivo, anche per i fisici che si occupano di esso ogni giorno. Ma non è incomprensibile. Se stai leggendo qualcosa sulla fisica quantistica, ci sono davvero sei concetti chiave che dovresti tenere a mente. Fallo e troverai la fisica quantistica molto più facile da capire.
Tutto è fatto di onde; Inoltre, Particelle
Luce sia come particella che come onda., (Image credit: Fabrizio Carbone / EPFL)
Ci sono un sacco di posti per iniziare questo tipo di discussione, e questo è buono come qualsiasi: tutto nell’universo ha sia la natura delle particelle che delle onde, allo stesso tempo. C’è una linea nella duologia fantasy di Greg Bear (The Infinity Concerto and The Serpent Mage), dove un personaggio che descrive le basi della magia dice “Tutto è onde, senza nulla che ondeggia, senza alcuna distanza.”Mi è sempre piaciuto molto che come descrizione poetica della fisica quantistica deep in fondo, tutto nell’universo ha natura ondulatoria.,
Naturalmente, tutto nell’universo ha anche la natura delle particelle. Questo sembra completamente pazzo, ma è un fatto sperimentale, elaborato da un processo sorprendentemente familiare:
(c’è anche una versione animata di questo che ho fatto per TED-Ed).
Naturalmente, descrivere oggetti reali come particelle e onde è necessariamente un po ‘ impreciso., Propriamente parlando, gli oggetti descritti dalla fisica quantistica non sono né particelle né onde, ma una terza categoria che condivide alcune proprietà delle onde (una frequenza e una lunghezza d’onda caratteristiche, alcune distribuite nello spazio) e alcune proprietà delle particelle (sono generalmente numerabili e possono essere localizzate in una certa misura)., Questo porta ad un vivace dibattito all’interno della comunità di educazione fisica sul fatto che sia davvero appropriato parlare di luce come particella nei corsi di fisica introduttiva; non perché ci sia qualche polemica sul fatto che la luce abbia qualche natura di particella, ma perché chiamare i fotoni “particelle” piuttosto che “eccitazioni di un campo quantico” potrebbe portare ad alcune idee sbagliate Tendo a non essere d’accordo con questo, perché molte delle stesse preoccupazioni potrebbero essere sollevate sulla chiamata di elettroni “particelle”, ma rappresenta una fonte affidabile di conversazioni sul blog.,
Questa natura di “porta numero tre” degli oggetti quantistici si riflette nel linguaggio a volte confuso che i fisici usano per parlare di fenomeni quantistici. Il bosone di Higgs è stato scoperto al Large Hadron Collider come particella, ma sentirete anche i fisici parlare del “campo di Higgs” come una cosa delocalizzata che riempie tutto lo spazio., Questo accade perché in alcune circostanze, come collider esperimenti, è più conveniente per discutere di eccitazioni del campo di Higgs in un modo che mette in risalto la particella-come caratteristiche, mentre in altre circostanze, come la discussione generale, il perché di alcune particelle hanno massa, è più conveniente per discutere di fisica in termini di interazioni con un universo di riempimento del campo quantico. È solo un linguaggio diverso che descrive lo stesso oggetto matematico.,
La fisica quantistica è discreta
Queste oscillazioni hanno creato un’immagine di luce “congelata”. (Credit: Princeton)
È proprio lì nel nome– la parola “quantum” deriva dal latino per “quanto” e riflette il fatto che i modelli quantistici implicano sempre qualcosa che arriva in quantità discrete. L’energia contenuta in un campo quantistico viene in multipli interi di qualche energia fondamentale., Per la luce, questo è associato alla frequenza e alla lunghezza d’onda della luce-la luce ad alta frequenza a lunghezza d’onda corta ha una grande energia caratteristica, che la luce a bassa frequenza a lunghezza d’onda lunga ha una piccola energia caratteristica.
In entrambi i casi, tuttavia, l’energia totale contenuta in un particolare campo luminoso è un multiplo intero di quell’energia-1, 2, 14, 137 volte-mai una frazione strana come una e mezza, π o la radice quadrata di due., Questa proprietà si vede anche nei livelli di energia discreti degli atomi e nelle bande energetiche dei solidi-alcuni valori di energia sono consentiti, altri no. Gli orologi atomici funzionano a causa della discrezione della fisica quantistica, utilizzando la frequenza della luce associata a una transizione tra due stati consentiti nel cesio per mantenere il tempo a un livello che richiede il tanto discusso “secondo salto” aggiunto la scorsa settimana.
La spettroscopia ultra-precisa può anche essere utilizzata per cercare cose come la materia oscura, e fa parte della motivazione per un istituto di fisica fondamentale a bassa energia.,
Questo non è sempre ovvio-anche alcune cose che sono fondamentalmente quantistiche, come la radiazione del corpo nero, sembrano coinvolgere distribuzioni continue. Ma c’è sempre una sorta di granularità nella realtà sottostante se si scava nella matematica, e questa è una gran parte di ciò che porta alla stranezza della teoria.,
la Fisica Quantistica È Probabilistica
(Credit: Graham Barclay/Bloomberg News)
Uno dei più sorprendenti e (storicamente, almeno) controversi aspetti della fisica quantistica è che è impossibile prevedere con certezza l’esito di un singolo esperimento su di un sistema quantistico., Quando i fisici predicono l’esito di qualche esperimento, la previsione assume sempre la forma di una probabilità per trovare ciascuno dei particolari risultati possibili, e il confronto tra teoria ed esperimento comporta sempre dedurre distribuzioni di probabilità da molti esperimenti ripetuti.
La descrizione matematica di un sistema quantistico assume tipicamente la forma di una “funzione d’onda”, generalmente rappresentata nelle equazioni dalla lettera greca psi: Ψ., C’è un sacco di dibattito su cosa, esattamente, questa funzione d’onda rappresenta, con la suddivisione in due campi principali: quelli che pensano che la funzione d’onda come un vero e proprio cosa fisica (l’espressione è “ontico” teorie, portando alcuni spiritoso persona per doppiare i loro sostenitori “psi-ontologists”) e quelli che pensano che la funzione d’onda come semplice espressione di nostra conoscenza (o la mancanza di esso) per quanto riguarda lo stato sottostante di un particolare oggetto quantistico (“epistemica” teorie).,
In ciascuna classe di modello fondamentale, la probabilità di trovare un esito non è dato direttamente dalla funzione d’onda, ma con il quadrato della funzione d’onda (genericamente parlando, in ogni caso, la funzione d’onda è un complesso oggetto matematico (nel senso che prevede numeri immaginari come la radice quadrata di meno uno), e l’operazione per ottenere la probabilità è leggermente più complessa, ma il “quadrato della funzione d’onda” è sufficiente per ottenere l’idea di base)., Questa è conosciuta come la” Regola del nato ” dopo il fisico tedesco Max Born che per primo ha suggerito questo (in una nota a piè di pagina di un documento nel 1926), e colpisce alcune persone come una brutta aggiunta ad hoc. C’è uno sforzo attivo in alcune parti della comunità quantum foundations per trovare un modo per derivare la regola Born da un principio più fondamentale; ad oggi, nessuno di questi ha avuto pieno successo, ma genera molta scienza interessante.
Questo è anche l’aspetto della teoria che porta a cose come le particelle che si trovano in più stati contemporaneamente., Tutto ciò che possiamo prevedere è la probabilità, e prima di una misurazione che determina un particolare risultato, il sistema misurato è in uno stato indeterminato che mappa matematicamente una sovrapposizione di tutte le possibilità con probabilità diverse., Se si considerano questo come il sistema di essere davvero in tutti gli stati in una volta, o semplicemente di essere in uno stato sconosciuto dipende in gran parte i tuoi sentimenti riguardo ontico contro epistemica modelli, anche se questi sono entrambi soggetti a vincoli dal prossimo elemento della lista:
la Fisica Quantistica È Non-Locale
Un teletrasporto quantistico esperimento. (Credit: IQOQI / Vienna)
L’ultimo grande contributo che Einstein diede alla fisica non fu ampiamente riconosciuto come tale, soprattutto perché si sbagliava., In un documento del 1935 con i suoi colleghi più giovani Boris Podolsky e Nathan Rosen (il “documento EPR”), Einstein fornì una chiara dichiarazione matematica di qualcosa che lo infastidiva da qualche tempo, un’idea che ora chiamiamo “entanglement.”
Il documento EPR sosteneva che la fisica quantistica consentiva l’esistenza di sistemi in cui le misurazioni effettuate in posizioni ampiamente separate potevano essere correlate in modi che suggerivano che il risultato di uno fosse determinato dall’altro., Essi hanno sostenuto che questo significava i risultati di misurazione devono essere determinati in anticipo, da qualche fattore comune, perché l’alternativa richiederebbe trasmettere il risultato di una misurazione alla posizione dell’altro a velocità più veloce rispetto alla velocità della luce., Così, la meccanica quantistica deve essere incompleta, una mera approssimazione di alcuni approfondimenti di teoria (un locale “variabile nascosta” teoria, quello in cui i risultati di una particolare misura non dipendono da nulla di più lontano dalla posizione di misurazione di un segnale in grado di viaggiare alla velocità della luce (“locale”), ma è determinata da alcuni fattori comuni ad entrambi i sistemi entangled coppia (la “variabile nascosta”)).,
Questo fu considerato come una nota a piè di pagina strana per circa trent’anni, poiché sembrava non esserci modo di testarlo, ma a metà degli anni 1960 il fisico irlandese John Bell elaborò le conseguenze del documento EPR in modo più dettagliato. Bell ha mostrato che è possibile trovare circostanze in cui la meccanica quantistica predice correlazioni tra misurazioni distanti che sono più forti di qualsiasi possibile teoria del tipo preferito da E, P e R., Questo è stato testato sperimentalmente a metà degli anni 1970 da John Clauser, e una serie di esperimenti di Alain Aspect nei primi anni 1980 è ampiamente considerato di aver definitivamente dimostrato che questi sistemi entangled non può essere spiegato da qualsiasi teoria locale variabile nascosta.
L’approccio più comune per comprendere questo risultato è dire che la meccanica quantistica è non locale: che i risultati delle misurazioni effettuate in una particolare posizione possono dipendere dalle proprietà di oggetti distanti in un modo che non può essere spiegato usando segnali che si muovono alla velocità della luce., Ciò, tuttavia, non consente l’invio di informazioni a velocità superiori alla velocità della luce, sebbene ci siano stati numerosi tentativi di trovare un modo per utilizzare la non-località quantistica per farlo. Confutare questi si è rivelato essere un’impresa sorprendentemente produttiva check scopri Come gli Hippies di David Kaiser hanno salvato la fisica per maggiori dettagli. La non-località quantistica è anche centrale nel problema delle informazioni nell’evaporazione dei buchi neri e nella controversia “firewall” che ha generato molte attività recenti., Ci sono anche alcune idee radicali che coinvolgono una connessione matematica tra le particelle entangled descritte nel documento EPR e wormhole.
La fisica quantistica è (per lo più) molto piccola
Immagini di un atomo di idrogeno visto attraverso un telescopio quantistico. (Credito: Stodolna et al. Phys. Rev…. Lett.)
La fisica quantistica ha la reputazione di essere strana perché le sue previsioni sono drammaticamente diverse dalla nostra esperienza quotidiana (almeno, per gli umani the la presunzione del mio libro è che non sembra così strano per i cani)., Questo accade perché gli effetti coinvolti diventano più piccoli man mano che gli oggetti diventano più grandi-se vuoi vedere un comportamento quantistico inequivocabile, in pratica vuoi vedere le particelle che si comportano come onde, e la lunghezza d’onda diminuisce all’aumentare della quantità di moto. La lunghezza d’onda di un oggetto macroscopico come un cane che cammina attraverso la stanza è così ridicolmente piccola che se espandessi tutto in modo che un singolo atomo nella stanza fosse delle dimensioni dell’intero Sistema Solare, la lunghezza d’onda del cane sarebbe all’incirca delle dimensioni di un singolo atomo all’interno di quel sistema solare.,
Ciò significa che, per la maggior parte, i fenomeni quantistici sono limitati alla scala degli atomi e delle particelle fondamentali, dove le masse e le velocità sono abbastanza piccole perché le lunghezze d’onda diventino abbastanza grandi da essere osservate direttamente. C’è uno sforzo attivo in un sacco di aree, però, per spingere la dimensione dei sistemi che mostrano effetti quantistici fino a dimensioni più grandi., Ho bloggato un sacco di esperimenti del gruppo di Markus Arndt che mostrano un comportamento ondulatorio in molecole sempre più grandi, e ci sono un sacco di gruppi in “opto-meccanica della cavità” che cercano di usare la luce per rallentare il movimento di pezzi di silicio fino al punto in cui la natura quantistica discreta del movimento diventerebbe chiara. Ci sono anche alcuni suggerimenti che potrebbe essere possibile farlo con specchi sospesi con masse di diversi grammi, il che sarebbe incredibilmente bello.,
La fisica quantistica non è magica
Fumetto da “Sopravvivere al mondo” di Dante Shepherd. (http://survivingtheworld.net/Lesson1518.html)… Usato con il permesso.
Il punto precedente porta molto naturalmente in questo: per quanto strano possa sembrare, la fisica quantistica non è assolutamente magica. Le cose che predice sono strane per gli standard della fisica quotidiana, ma sono rigorosamente vincolate da regole e principi matematici ben compresi.,
Quindi, se qualcuno viene da te con un’idea “quantistica” che sembra troppo bella per essere vera-energia libera, poteri di guarigione mistici, unità spaziali impossibili-quasi certamente lo è. Ciò non significa che non possiamo usare la fisica quantistica per fare cose incredibili-puoi trovare una fisica davvero fantastica nella tecnologia mondana-ma queste cose rimangono ben entro i confini delle leggi della termodinamica e solo del buon senso di base.
Quindi il gioco è fatto: gli elementi essenziali della fisica quantistica., Probabilmente ho lasciato alcune cose fuori, o fatto alcune dichiarazioni che non sono sufficientemente precisi per piacere a tutti, ma questo dovrebbe almeno servire come un utile punto di partenza per ulteriori discussioni.
