Какое правильное и простое определение квантовой физики?

Квантовая физика — это теория вероятности, в которой появляются амплитуды вероятности. Любое явление, в котором появляются амплитуды вероятности, является квантовым явлением, будь оно микроскопическим или макроскопическим. Амплитуды вероятности объединяют классические пределы частиц и волн в один объект, и они, вероятно, применимы ко всем объектам, микроскопическим и макроскопическим.

Уникальный способ, которым человечество может определить, нуждается ли эффект в описании квантовой механики, состоит в вычислении действия (см. Википедию) и сравнении его с постоянной Планка. Если он намного больше, в квантовой механике нет необходимости; если он находится в том же порядке, вам понадобится QM, чтобы описать этот эффект.

Действие, намного превышающее постоянную Планка, не означает, что КМ нельзя использовать. Бор раньше думал, что макроскопический и микроскопический миры принципиально разные, но такие примеры, как квантовая левитация (которая является макроскопической — см. Википедию), предполагают, что фундаментальное описание было синонимом описания с помощью КМ.

Правильно ли определять квантовую физику как изучение физики в субатомном масштабе? Нет.

Изучает ли квантовая физика что-то еще, кроме субатомных явлений? Да.

Возьмем в качестве примеров искусственные атомы или сверхпроводящие потоковые кубиты .

Каково правильное и простое определение квантовой физики? Правильное и простое определение: «квантовая физика» — это совокупность моделей физических явлений, которые используют математику «гильбертова пространства» для оперативного предсказания результатов лабораторных экспериментов. Какие физические явления? Ну, те, для которых мы можем сделать хорошие прогнозы.

Краткий ответ: это физика малых масштабов или высоких энергий.

Длинный ответ: Не слушайте Короткого ответа Джима, он не знает, о чем говорит. (Он также на несколько колец меньше Сатурна, если вы понимаете, о чем я)

Самый простой способ правильно определить квантовую физику, который я могу придумать, состоит в том, что это комбинация наших лучших и наиболее правильных физических теорий, не включающая общую теорию относительности.

Есть два соответствующих и важных класса физики для этого объяснения: классическая физика и квантовая физика .

Физики тоже люди. Если мы сможем одинаково хорошо достичь наших целей двумя разными методами, мы выберем метод, который нам легче использовать. При этом не должно вызывать удивления тот факт, что теории, которые мы выбираем для использования в той или иной задаче, как правило, являются самыми простыми теориями, которые эффективно удовлетворяют потребности этой задачи.

Квантовая физика обычно считается более правильной версией физики по сравнению с классической физикой. То есть классическая физика по большей части неверна. Однако классическая физика обычно достаточно точна, чтобы в большинстве повседневных приложений вы не заметили разницы между квантовыми и классическими результатами. С технической точки зрения возможночтобы вы делали абсолютно все, используя только квантовую физику (кроме всего, что связано с ОТО), и вы получали бы гораздо более точные результаты; однако квантовая физика настолько сложнее классической, что ее использование становится крайне непрактичным. Если классическая физика дает вам достаточно правильный ответ, имеет смысл его использовать. Мы используем квантовую физику только тогда, когда классическая физика не дает нам достаточно хорошего результата. Это чаще верно, когда речь идет о чрезвычайно малых масштабах или с чрезвычайно высокими энергиями. Вот почему многие люди часто говорят вам, что квантовая физика — это физика малых масштабов или высоких энергий. Они не правы. Квантовая физика охватывает все, кроме ОТО, и это просто наши самые правильные физические теории на сегодняшний день.

Тем не менее, мы знаем, что квантовая физика неполна. Мы знаем, что это не совсем правильно. Вот почему вы также услышите, как некоторые физики говорят, что физика ломается в еще меньших масштабах или при еще более высоких энергиях. Они не имеют в виду это буквально. Нет такого масштаба или уровня энергии, где бы физика фактически не применялась. Они имеют в виду, что имеющиеся у нас теории, такие как классическая физика на квантовом уровне, недостаточно правильны для использования. Мы еще не знаем теорий, которые достаточно корректны, чтобы их можно было использовать вне квантовых пределов. Но даже если мы не можем сказать, что такое физика, мы знаем, что физика все еще работает в этих масштабах.

Это самый простой способ определить квантовую физику.

Вот как я пытался дать представление о квантовой физике. Это не уведет вас очень далеко в понимании всех последствий, но это только начало.

Во-первых, давайте разберемся со словом «амплитуда». Подумайте о лампе накаливания, например, об автомобильной лампочке. Когда вы подаете на него положительные двенадцать вольт, как от автомобильного аккумулятора, он светится на полную мощность, скажем, 60 Вт. Если вместо этого вы поместите на него старый автомобильный аккумулятор на 6 вольт, он будет светиться только на 1/4 своей полной мощности, 15 Вт. Теперь каждую батарею можно перевернуть, подав отрицательное напряжение на лампочку, и вы получите тот же результат.

Так что думайте об амплитуде как о напряжении, которое представляет собой квадратный корень из мощности. Амплитуда может иметь знак, положительный или отрицательный, но мощность всегда положительна и всегда изменяется пропорционально квадрату амплитуды.

Подумайте о монете. Вы подбрасываете его в воздух и еще не знаете, упадет ли он «головой». Вы знаете, что вероятность выпадения орла равна 0,5 при условии, что это честная монета.

Теперь, в квантовом мире, мы думаем об этой вероятности, 0,5, как о мощности лампочки. То, что на самом деле находится внизу, — это амплитуда 0,707, что при возведении в квадрат дает вам 0,5.

Эта амплитуда может быть положительной или отрицательной. (На самом деле это может быть что-то среднее, если это комплексное число, но вы можете прочитать об этом.)

Теперь монета в воздухе, поэтому вы пока не знаете, как она выпадет, но вы точно знаете (P = 1), что выпадет либо орел, либо решка, и ничего больше. Это можно узнать, сложив вероятности различных исходов. 0,5 + 0,5 = 1.

Но в квантовом мире вы не добавляете вероятности. Вы добавляете амплитуды. Поскольку амплитуды имеют знаки, они могут компенсировать друг друга или усиливать друг друга. Таким образом, с квантовой монетой вероятность того, что вы что-то получите , равна квадрату суммы амплитуды орла и амплитуды решки. Эта сумма может быть -1,414, +1,414, 0 (или где-то посередине, если амплитуды сложные). Следовательно, вероятность того, что монета приземлится, находится где-то между 0 и 2.

Хорошо, теперь вы запутались (и я тоже). Как можно подбросить монету и увидеть, как она приземлится дважды или не упадет вовсе, не говоря уже о каком-то промежуточном этапе?

Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно перейти к эксперименту с двумя щелями . Вместо того, чтобы подбрасывать монету, мы стреляем маленькими электронными или фотонными пулями через две параллельные прорези, прорезь «Орел» и прорезь «Решка», и они попадают в экран с другой стороны. Если бы они работали как обычные пули, можно было бы ожидать, что они будут скапливаться под каждой щелью.

Однако они являются квантовыми пулями, поэтому они этого не делают. Вместо этого они скапливаются в местах, где вообще не должны приземляться (в центре), а другие места полностью избегают без видимой причины.

Итак, вот как некоторые умные ребята объяснили это. Они не говорят, что пуля имеет вероятность пройти через ту или иную щель, они говорят, что она имеет амплитуду прохождения через ту или иную щель. Эти амплитуды — числа, но не только это, они постоянно меняются. На самом деле это волны. Затем, когда эти амплитудные волны сходятся, они интерферируют, как волны на воде.

Там, где они компенсируются, вы получаете нулевую вероятность (без пуль). Там, где они усиливаются, вы получаете избыточную вероятность, то есть лишние пули, потому что пули, которые не попадают в разреженные места, попадают в плотные места.

В довершение путаницы можно сказать, что когда вы подбрасываете монету, вселенная раздваивается , но, в отличие от «Назад в будущее», эти отдельные вселенные не остаются отдельными, они воссоединяются так же, как волны воды. вмешиваться, и это происходит везде, постоянно .