Квантовая механика

Квантовая механика - фундаментальная физическая теория, что в описании микроскопических объектов расширяет, уточняет и объединяет результаты классической механики и классической электродинамики. Эта теория является базой для многих направлений физики и химии, включая физику твердого тела, квантовую химию и физику элементарных частиц. Термин «квантовая» (от лат. Quantum - «сколько») связан с дискретными порциями, которые теория присваивает определенным физическим величинам, например, энергии атома.

Механика - наука, описывающая движение тел и сопоставлены ему физические величины, такие как энергия или импульс. Она дает точные и достоверные результаты для многих явлений. Это касается как явлений микроскопического масштаба (здесь классическая механика не способна объяснить даже существование стабильного атома), так и некоторых макроскопических явлений, таких как сверхпроводимость, сверхтекучесть или излучения абсолютно черного тела. Уже на протяжении века существования квантовой механики ее предсказания никогда не были оспорены экспериментом. Квантовая механика объясняет крайней мере три типа явлений, которыx классическая механика и классическая электродинамика не может описать:

1) квантования некоторых физических величин;

2) корпускулярно-волнового дуализма;

3) существование смешанных квантовых состояний.

Квантовая механика может быть сформулирована как релятивистская или нерелявистська теория. Хотя релявистська квантовая механика является одной из самых фундаментальных теорий - нерелявистська квантовая механика также часто используется учитывая удобство.



Теоретическая база квантовой механики

Различные формулировки квантовой механики

Одно из первых формулировок квантовой механики - это «волновая механика», предложенная Эрвина Шредингера. В этой концепции состояние исследуемой системы определятся «волновой функцией», отражающую распределение вероятности всех измеряемых физических величин системы. Таких, как энергия, координаты, импульс или момент импульса. Волнового функция (с математической точки зрения) - это комплексная квадратично интегрируема функция координат и времени системы.

В квантовой механике физическим величинам не сопоставляются какие конкретные числовые значения. Зато, делаются предположения о распределении вероятности величин измеряемого параметра. Как правило, эти вероятности будут зависеть от вида вектора состояния в момент проведения измерения. Хотя, если быть точнее, каждому определенному значению измеряемой величины соответствует определенный вектор состояния, известный как «собственное состояние» измеряемой величины.

Возьмем конкретный пример. Представим себе свободную частицу. Ее вектор состояния произвольный. Наша задача - определить координату частицы. Собственное состояние координаты частицы в пространстве - это вектор состояния, норма якго в определенной точке х достаточно велика, в то же время в любом другом месте пространства - нулевая. Если мы теперь сделаем измерения, то со стопроцентной вероятностью получим самое значение х.

Иногда система, нас интересует, не находится в собственном состоянии ни измеряемой нами физической величины. Тем не менее, если мы попробуем провести измерения, волновая функция мгновенно станет собственным состоянием измеряемой величины. Этот процесс называется коллапса волновой функции. Если мы знаем волновую функцию в момент перед измерением, то в состоянии вычислить вероятность коллапса в каждый из возможных собственных состояний. Например, свободная частица в нашем предыдущем примере к измерению будет иметь волновой функции, является волновым пакетом с центром в некоторой точке х0, не является собственным состоянием координаты. Когда мы начинаем измерение координаты частицы, то невозможно предсказать результат, который мы получим. Вероятно, но не точно, что он будет находиться близко от х0, где амплитуда волновой функции велика. После проведения измерения, когда мы получим какой-то результат х, волновая функция коллапсирует в позицию с собственным состоянием, сосредоточенным именно в х.

Векторы состояния являются функциями времени. ψ = ψ (t) Уравнение Шредингера определяет изменение вектора состояния со временем.


Некоторые векторы состояния приводят к распределений вероятности, которые являются постоянными во времени. Многие системы, которые считаются динамическими в классической механике, в действительности описываются такими «статическими» функциями. Например, электрон в невозбужденном атоме в классической физике изображается как частица, которая движется по круговой траектории вокруг ядра атома, тогда как в квантовой механике он статичен, сферически-симметричной вероятностной облачком вокруг ядра.

Эволюция вектора состояния во времени является детерминистской в том смысле, что, имея определенный вектор состояния в начальный момент времени, можно сделать точное предсказание того, какой он будет в любой другой момент. В процессе измерения изменение конфигурации вектора состояния является вероятностной, а не детерминистский. Вероятностная природа квантовой механики, таким образом, проявляется именно в процессе выполнения измерений.

Существует несколько интерпретаций квантовой механики, которые вкладывают новое понятие в сам акт измерения в квантовой механике. Основной интерпретацией квантовой механики, является общепринятая на сегодня, является вероятностная интерпретация.

Физические основы квантовой механики

Принцип неопределенности, который утверждает, что существуют фундаментальные препятствия для точного одновременного измерения двух или более параметров системы с произвольной погрешностью. В примере со свободной частицей, это означает, что принципиально невозможно найти такую волновую функцию, которая была бы собственным состоянием одновременно и импульса, и координаты. Из этого и вытекает, что координата и импульс не могут быть одновременно определены с произвольной погрешностью. С повышением точности измерения координаты, максимальная точность измерения импульса уменьшается и наоборот. Те параметры, для которых такое утверждение справедливо, называются канонически сопряженными в классической физике.

Экспериментальные база квантовой механики

Существуют такие эксперимента, которые невозможно объяснить без привлечения квантовой механики. Первая разновидность квантовых эффектов - квантования определенных физических величин. Если локализовать свободную частицу из рассмотренного выше примера в прямоугольной потенциальной яме - области протору размером L, ограниченной с обеих сторон бесконечно высоким потенциальным барьером, то окажется, что импульс частицы может иметь только определенные дискретные значения, Где h - постоянная Планка, а n - произвольное натуральное число. О параметрах, которые могут приобретать лишь дискретных значений говорят, что они квантуются. Примерами квантованных параметров является также момент импульса, полная энергия ограниченной в пространстве системы, а также энергия электромагнитного излучения определенной частоты.

Еще один квантовый эффект - это корпускулярно-волновой дуализм. Можно показать, что при определенных условиях проведения эксперимента, микроскопические объекты, такие как атомы или электроны, приобретают свойства частиц (то есть могут быть локализованы в определенной области пространства). При других условиях, те же объекты приобретают свойства волн и демонстрируют такие эффекты, как интерференция.

Следующий квантовый эффект - это эффект спутанных квантовых состояний. В некоторых случаях, вектор состояния системы из многих частиц не может быть представлена как сумма отдельных волновых функций, соответствующих каждой из частиц. В таком случае говорят, что состояния частиц спутаны. И тогда, измерения, которое было проведено лишь для одной частицы, будет иметь результатом коллапс общей волновой функции системы, т.е. такое измерение будет иметь мгновенный влияние на волнового функции других частиц системы, пусть даже некоторые из них находятся на значительном расстоянии. (Это не противоречит специальной теории относительности, поскольку передача информации на расстояние таким образом невозможна.)

Математический аппарат квантовой механики

В строгом математическом аппарате квантовой механики, который был разработан Полем Дираком и Джоном фон Нейманом, возможные состояния квантово-механической системы репрезентируются векторами состояний в комплексном сепарабельном гильбертовом пространстве. Эволюция квантового состояния описывается уравнением Шредингера, в котором оператор Гамильтона, или гамильтониан, соответствующий полной энергии системы, определяет ее эволюцию во времени.

Каждый вимирюваний параметр системы представляется эрмитовых операторов в пространстве состояний. Каждый собственное состояние измеряемого параметра соответствует собственному вектору оператора, а соответствующее собственное значение равно значению измеряемого параметра в данном собственном состоянии. В процессе измерения, вероятность перехода системы в один из собственных состояний определяется как квадрат скалярного произведения вектора собственного состояния и вектора состояния перед измерением. Возможные результаты измерения - это собственные значения оператора, объясняет выбор эрмитовых операторов, для которых все собственные значения являются действительными числами. Распределение вероятности измеряемого параметра может быть получен вычислением спектральной декомпозиции соответствующего оператора (здесь спектром оператора называется супупнисть всех возможных значений соответствующей физической величины). Принципа неопределенности Гейзенберга соответствует то, что операторы соответствующих Физический величин не коммутируют между собой. Детали математического аппарата изложены в специальной статье Математический аппарат квантовой механики.

Аналитическое решение уравнения Шредингера существует для небольшого количества гамильтониан, например для гармонического осциллятора, модели атома водорода. Даже атом гелия, который отличается от атома водорода на один электрон, не полностью аналитического решения уравнения Шредингера. Однако существуют определенные методы приближенного решения этих уравнений. Например, методы теории возмущений, где аналитический результат решения простой квантово-механической модели используется для получения решений для более сложных систем, добавлением определенного «возмущения» в виде, например, потенциальной энергии. Другой метод, «Квазиклассическое уравнения движения» прикладывается к системам, для которых квантовая механика производит лишь слабые отклонения от классической поведения. Такие отклонения могут быть вычислены методами классической физики. Этот подход важен в теории квантового хаоса, которая бурно развивается в последнее время.

Взаимодействие с другими теориями

Фундаментальные принципы квантовой механики достаточно абстрактные. Они утверждают, что пространство состояний системы является гильбертовом, а физические величины соответствуют эрмитовых операторов, действующих в этом пространстве, но не указывают конкретно, что это за гильбертово пространство и что это за операторы. Они должны быть выбраны соответствующим образом для получения количественного описания квантовой системы. Важный путеводитель здесь - это принцип соответствия, который утверждает, что квантовомеханическая эффекты перестают быть значительными, и система приобретает черты классической, с увеличением ее размеров. Такой лимит «большой системы» также называется классическим лимитом или лимитом соответствия. Кроме того, можно начать с рассмотрения классической модели системы, а затем пытаться понять, какая квантовая модель соответствует той классической, находящегося вне лимита соответствия.

Когда квантовая механика была впервые сформулирована, она применялась к моделям, которые отвечали классическим моделям нерелятивистской механики. Например, известная модель гармонического осциллятора использует откровенно нерелятивистских описание кинетической энергии осциллятора, как и соответствующая квантовая модель.

Первые попытки связать квантовую механику со специальной теорией относительности привели к замене уравнения Шредингера на уравнения Дирака. Эти теории были успешными в объяснении многих экспериментальных результатов, но игнорировали такие факты, как релятивистское создания и аннигиляция элементарный частиц. Полностью релятивистская квантовая теория требует разработки квантовой теории поля, которая будет применять понятие квантования в поле, а не к фиксированному списку частиц. Первая завершена квантовая теория поля, квантовая электродинамика, предоставляет полностью квантовый описание процессов электромагнитного взаимодействия.

Полный аппарат квантовой теории поля часто является чрезмерным для описания электромагнитных систем. Простой подход, взятый из квантовой механики, предлагает считать заряженные частицы квантовомеханических объектами в классическом электромагнитном поле. Например, элементарная квантовая модель атома водорода описывает электромагнитное поле атома с использованием классического потенциала Кулона (т.е. обратно пропорционального расстоянию). Такой «псевдоклассическим» подход не работает, если квантовые флуктуации электромагнитного поля, такие как эмиссия фотонов заряженными частицами, начинают играть весомую роль.

Квантовые теории поля для сильных и слабых ядерных взаимодействий также были разработаны. Квантовая теория поля для сильных взаимодействий называется квантовой хромодинамики и описывает взаимодействие субъядерных частиц - кварков и глюонов. Слабые ядерные и электромагнитные взаимодействия были объединены в их квантовой форме, в одну квантовую теорию поля, которая называется теорией электрослабых взаимодействий.

Построить квантовую модель гравитации, последней из фундаментальных сил, пока не удается. Псевдоклассическим приближения работают, и даже предусмотрели некоторые эффекты, такие как радиация Хоукинга. Но формулировка полной теории квантовой гравитации осложняется существующими противоречиями между общей теорией относительности, наиболее точной теорией гравитацией из известных сегодня, и некоторыми фундаментальными положениями квантовой теории. Пересечение этих противоречий - область активного научного поиска, и такие теории, как теория струн, являются возможными кандидатами на звание будущей теории квантовой гравитации.

Применение квантовой механики

Квантовая механика имела большой успех в объяснении многих феноменов из окружающей среды. Поведение микроскопических частиц, формирующих все формы материи электронов, протонов, нейтронов и т.д. - часто может быть удовлетворительно объяснена только методами квантовой механики.

Квантовая механика важна в понимании того, как индивидуальные атомы комбинируются между собой и формируют химические элементы и соединения. Применение квантовой механики к химическим процессам известно как квантовая химия. Квантовая механика может далее качественно нового понимания процессам формирования химических соединений, показывая, какие молекулы энергетически выгоднее других, и насколько. Большинство из проведенных вычислений, сделанных в вычислительной химии, основанные на квантовомеханических принципах.

Современные технологии уже достигли того масштаба, где квантовые эффекты становятся важными. Примерами являются лазеры, транзисторы, электронные микроскопы, магниторезонансная томография. Вивичення полупроводников привело к изобретению диода и транзистора, которые являются незаменимыми в современной электронике.

Исследователи сегодня находятся в поисках надежных методов прямого манипулирования квантовых состояний. Были сделаны успешные попытки создать основы квантовой криптографии, которая позволит гарантированно секретное передачи информации. Более отдаленная цель - разработка квантовых компьютеров, которые, как ожидается, смогут реализовывать определенные алгоритмы с гораздо большей эффективностью, чем классические компьютеры. Другая тема активных исследований - квантовая телепортация, которая имеет дело с технологиями передачи квантовых состояний на значительные расстояния.

Философский аспект квантовой механики

С самого момента создания квантовой механики, ее выводы, противоречили традиционной представлении о мироустройстве, имели следствием активную философскую дискуссию и возникновения многих интерпретаций. Даже такие фундаментальные положения, как сформулированы Максом Борном правила амплитуд вероятности и распределения вероятности, ждали десятилетия на восприятие научным сообществом.

Другая проблема квантовой механики состоит в том, что природа исследуемого ею объекта неизвестна. В том смысле, что координаты объекта, или пространственное распределение вероятности его присутствия, могут быть определены только при наличии у него определенных свойств (заряда, например) и окружающих условий (наличия электрического потенциала).

Копенгагенская интерпретация, благодаря прежде всего Нильсу Бору, является базовой интерпретацию квантовой механики с момента ее формулировки и до современности. Она утверждала, что вероятностная природа квантовомеханических предсказаний не могла быть объяснено в терминах иные детерминистических теорий и накладывает ограничения на наши знания об окружающей среде. Квантовая механика поэтому предоставляет лишь вероятностные результаты, сама природа Вселенной является вероятностной, хотя и детерминированной в новом квантовом смысле.

Альберт Эйнштейн, сам один из основателей квантовой теории, испытывал дискомфорт из того, что в этой теории происходит отход от классического детерминизма в определении значений физических величин объектов. Он считал что существующая теория незавершенная и должна была быть еще какая дополнительная теория. Поэтому он выдвинул серию замечаний к квантовой теории, наиболее известной из которых стал так называемый ЭПР-парадокс. Джон Белл показал, что этот парадокс может привести к появлению таких расхождений в квантовой теории, которые можно будет измерить. Но эксперименты показали, что квантовая механика является корректным. Однако некоторые «несоответствия» этих экспериментов оставляют вопросы, на которые до сих пор не дан ответ.

Интерпретация множественных миров Эверетта, сформулированная в 1956 году предлагает модель мира, в которой все возможности принятия физическими величинами тех или иных значений в квантовой теории, одновременно происходят на самом деле, в «мультивсесвити», собранном из преимущественно независимых параллельных вселенных. Мультивсесвит детерминистический, но мы получаем вероятностную поведение вселенной только потому, что не можем наблюдать за всеми вселенными одновременно.

История

Фундамент квантовой механики заложен в первой половине 20 века Максом Планком, Альбертом Эйнштейном, Вернером Гейзенбергом, Эрвина Шредингера, Максом Борном, Полем Дираком, Ричардом Фейнманом и другими. Некоторые фундаментальные аспекты теории все еще нуждаются в изучении. В 1900 г. Макс Планк предложил концепцию квантования энергии для того, чтобы получить правильную формулу для энергии излучения абсолютно черного тела. В 1905 Эйнштейн объяснил природу фотоэлектрического эффекта, постулируя, что энергия света поглощается не непрерывно, а порциями, которые он назвал квантами. В 1913 Бор объяснил конфигурацию спектральных линий атома водорода, опять же с помощью квантования. В 1924 Луи де Бройль предложил гипотезу корпоскулярно-волнового дуализма.

Эти теории, хотя и успешные, были слишком фрагментарными и вместе составляют так называемую старую квантовую теорию.

Современная квантовая механика родилась в 1925, когда Гейзенберг разработал матричную механику, а Шредингер предложил волновую механику и свое уравнение. Впоследствии Янош фон Нейман доказал, что оба подхода эквивалентны.

Следующий шаг произошел тогда, когда Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности в 1927 году, и примерно тогда начала складываться вероятностная интерпретация. В 1927 году Поль Дирак объединил квантовую механику со специальной теорией относительности. Он также первым применил теорию операторов, включая популярную бра-кет нотацию. В 1932 Джон фон Нойман сформулировал математическое базис квантовой механики на основе теории операторов.

Эра квантовой химии была начата Вальтером Гайтлера и Фрицем Лондоном, которые опубликовали теорию образования ковалентных связей в молекуле водорода в 1927. В дальнейшем квантовая химия развивалась большой сообществом ученых во всем мире.

Начиная с 1927, начались попытки применения квантовой механики к багаточастинокових систем, следствием появление квантовой теории поля. Работы в этом направлении осуществлялись Дираком, Паули, Вайскопф, Жордану. Кульминацией этого направления исследований стала квантовая электродинамика, сформулированная Фейнманом, Дайсоном, Швингера и Томонагою течение 1940-х. Квантовая электродинамика - это квантовая теория электронов, позитронов и электромагнитного поля.

Теория квантовой хромодинамики была сформулирована в ранних 1960-х. Эта теория, такая какой ее мы знаем теперь, была предложена Полицтером, Гроссом и Вилчек в 1975. Опираясь на исследования Швингера, Хиггса, Голдстона и других, Глэшоу, Вайнберг и Салам независимо показали, что слабые ядерные взаимодействия и квантовая электродинамика могут быть объединены и рассматриваться как единая електрослаба сила.

Квантования

В квантовой механике срок квантования употребляется в нескольких близких, но разных значениях.

Квантованием называют дисктеризацию значений физической величины, что в классической физике является непрерывной. Например, электроны в атомах могут находиться только на определенных орбиталях с определенными значениями энергии. Другой пример - орбитальный момент квантовомеханической частицы может иметь только вполне определенные значения. Дискретизация энергетических уровней физической системы при уменьшении размеров называется размерным квантованием.
Квантованием называют также переход от классического описания физической системы к квантового. В частности, процедура разложения классических полей (например, электромагнитного поля) на нормальные моды и представления их в виде квантов поля (для электромагнитного поля - это фотоны) называется вторичным квантованием.