Квантовая механика и повседневная природа

Используйте призму (или дифракционную решетку, если она у вас есть), чтобы разбить свет, исходящий от люминесцентной лампы. Вы увидите набор отдельных линий, а не непрерывную полосу цветов. Это происходит из-за дискретных уровней энергии в атомах и молекулах, что является следствием квантовой механики.

Если вы имеете в виду более продвинутую аудиторию, вы можете представить ультрафиолетовую катастрофу классической механики. Классически, что-то с конечной температурой имело бы тенденцию излучать бесконечное количество энергии. Квантовая механика объясняет кривые зависимости интенсивности от длины волны, которые мы на самом деле видим.

Размышления о повседневных квантовых событиях

В каком-то смысле трудно не видеть квантовую механику в повседневной жизни. Например, существование сложной химии и объем, занимаемый обычной материей, являются прямым следствием так называемого исключения Паули. Это квантовое правило требует, чтобы каждый электрон во Вселенной имел уникальный адрес, состоящий из его местоположения в пространстве (три числа), его импульса (более или менее скорости для электронов той же массы, а также трех чисел) и еще одна странная, называемая ориентацией вращения (бинарная, либо вверх, либо вниз). Когда отрицательно заряженные электроны плотно упакованы, скажем, за счет положительного притяжения атомного ядра, эти правила уникального адреса заставляют электроны занимать уникальные положения и ориентации вокруг атомов (химия) и сопротивляться сжатию сверх определенного предела. точка (объем).

Атомная связь в химии — без которой мы бы не обсуждали это здесь! -- в значительной степени исчезли бы без этого последнего правила нечетного адреса о вращениях вверх-вниз. Способность двух электронов находиться в одном и том же пространстве, имея противоположные спины, дает некоторым атомам возможность украсть электрон у других атомов, предоставив уютный общий адрес дома вдали от дома, эффект, который в химии называется ионной связью. В других случаях правило спаривания вверх-вниз позволяет паре электронов делиться поровну между двумя атомами, что также называется ковалентной связью.

Видеть значит верить

Однако я думаю, что ваш вопрос на самом деле был больше сосредоточен на поиске «явления, видимого невооруженным глазом, которое требует квантовой механики», и что вы хотели чего-то более глубокого и масштабного , чем просто суммирование крупномасштабных воздействий многих очень маленькие квантовые события. Я подозреваю, что вы надеялись на то, что можно увидеть невооруженным глазом, без нужды в лаборатории, заполненной экзотическим оборудованием.

Такие вещи действительно существуют. На самом деле, сегодня утром вы, скорее всего, рассматривали пример. Их называют зеркалами.

То есть способность полированных металлов отражать прекрасно точные образы окружающего мира, в то время как большинство (не все!) других веществ темные, тусклые или прозрачные, является типом крупномасштабного квантового события, которое каждый бит такие же странные, как экзотика, такая как лабораторные конденсаты Бозе. Это классический пример знакомства, порождающего безразличие: металлическое отражение настолько распространено и легко поддается наблюдению, что мы забываем, насколько оно глубоко странное и неклассическое.

Интервал, по-настоящему

Так почему же металлическое отражение глубоко квантовое?

На самом деле, это квант во многих смыслах. Первый шаг заключается в том, что вы должны отправить огромное количество электронов в своего рода любопытную альтернативную форму пространства, в которой системы координат для нахождения электрона больше не состоят из трех направлений пространства, а вместо этого должны быть выражены в три направления импульса .

Как электрон может «потеряться» в обычном пространстве? То, как они туда попадают, звучит на удивление просто и обыденно: в металлах некоторым электронам дается свобода свободно бегать по всему объему металла. То есть атомы металлов твердо верят в своего рода совместное использование некоторыми из своих электронных детей всем сообществом, ничуть не заботясь о том, окажется ли их собственный электрон действительно очень далеко, пока другие электроны остаются достаточно близко, чтобы нейтрализовать их. их положительные заряды.

Блуждающий электрон не кажется таким уж необычным, пока вы не поймете, что электроны настолько легки, что квантовую механику нельзя игнорировать. Что квантовая механика делает с очень легкими объектами, так это то, что их квантовые описания начинают занимать место по всему объему металла, по которому они перемещаются. То есть вместо электрона, движущегося назад и вперед по кристаллу, как массивный классический объект, невозмущенный и свободно перемещающийся электрон наиболее точно представлен как находящийся в равной степени во всех местах металла одновременно .

Попробуйте провернуть этот трюк со своей машиной!

Какой у вас адрес, пожалуйста?

Однако, поскольку в любом конкретном куске металла все сверхлегкие общие электроны делают одно и то же: «Я везде!» В то же время возникает проблема с адресом, о котором я упоминал ранее: каждый электрон во Вселенной должен иметь совершенно уникальный адрес.

Если все эти потерянные электроны делят пространство в одном и том же куске металла, это означает, что они также занимают практически одинаковые (пусть даже и нечетные) места в обычном пространстве... и это просто не годится. Это означает, что каждый такой электрон в металле должен найти какой-то новый способ сохранить уникальный «адрес» во Вселенной. Опция «вверх-вниз» помогает, но позволяет использовать один и тот же адрес только двум электронам. Таким образом, единственный оставшийся вариант для электронов — это начать восхождение в единственный оставшийся набор координат, который представляет собой разнообразный диапазон скоростей и направлений (скоростей), называемый импульсным пространством.

Теперь я должен отметить, что при наблюдении за этим процессом с нашей точки зрения обычного пространства с координатами XYZ электроны, поднимающиеся в импульсное пространство, просто выглядят так, как будто все они приобретают разные скорости, что не звучит так экзотично. Но для электронов, движущихся в импульсном пространстве, точка зрения действительно совсем другая. Вот главная причина, почему: электроны могут на самом деле столкнуться друг с другом , как только они войдут в импульсное пространство, точно так же, как молекулы воды, заполняющие контейнер в обычном пространстве. Все эти толчки и толчки за импульсное пространство вынуждают электроны рассредоточиться и занять там больше места, опять же таким образом, который поразительно похож на то, как молекулы воды накапливаются в обычном пространстве XYZ.

Квантовый всплеск-всплеск

На самом деле, процесс толкания и распространения электронов в импульсном пространстве настолько похож на то, как молекулы воды заполняют контейнер, что такое скопление электронов в металлах называют морем Ферми . (Кроме того: у Энрико Ферми, должно быть, работал очень хороший агент по связям с общественностью, учитывая все те крутые штуки, которые названы в его честь в физике.) Этот тип импульсно-пространственной жидкости даже имеет четко очерченную поверхность, точно так же, как обычная жидкость.

Однако вспомните, что с нашей точки зрения в обычном пространстве XYZ электроны, скопившиеся в импульсном пространстве, просто кажутся движущимися с разными скоростями. Эта эквивалентность означает, что электроны, расположенные ближе к поверхности моря Ферми в импульсном пространстве, обязательно должны также двигаться быстрее в обычном пространстве XYZ. Фактически, для хорошего проводника, такого как серебро, электроны на поверхности моря Ферми в конечном итоге движутся очень быстро. Поскольку скорость для маленького объекта — это то же самое, что мы называем теплом, насколько горячими (насколько горячими) становятся эти электроны?

Нам жарко, жарко, жарко

Что ж, если бы электроны в верхней части моря Ферми в большом куске серебра внезапно потеряли всю свою энергию, она бы излучалась в виде рентгеновских лучей. Взрыв был бы настолько мощным, что любой стоящий рядом был бы убит. Это довольно жарко! К счастью для владельцев ювелирных изделий, этого категорически не может произойти, потому что все эти электроны ниже в море Ферми отказываются сдвинуться с места. Им действительно нравятся их гораздо более прохладные места в импульсном пространстве, и они не собираются от них отказываться!

Зеркало, зеркало на стене

Теперь пришло время вернуться ко всему этому к вашему вопросу о том, можете ли вы «видеть» квантовые эффекты в масштабах обычной жизни.

Квантовая магия начинается всякий раз, когда вы смотрите в обычное зеркало. Как только вы это сделаете, вы уже будете смотреть в море электронов, которых с квантово-механической точки зрения не существует в обычном пространстве. Они «потеряны» в пространстве XYZ, которое мы знаем лучше всего, пространстве, в котором их точные квантовые представления в некоторых случаях достигают размера всей поверхности зеркала.

И большая часть этих потерянных электронов тоже скрыта! Это потому, что свет, который мы видим отражающимся от зеркала, исходит лишь от очень небольшого процента электронов моря Ферми, в частности, только от очень горячих электронов на самой вершине моря Ферми. Это потому, что они единственные электроны, у которых осталось «пространство для маневра», чтобы принять фотон и играть с ним в мяч.

Происходит вот что: электрон на поверхности моря Ферми может принять частицу света, фотон, и тем самым еще немного ускориться. Но в отличие от электронов, находящихся глубже в море, когда электрон на поверхности ускоряется, он создает «пустое место» в море Ферми. Этот процесс очень похож на то, как всплеск воды может подняться в воздух, но затем понимает, что под ним больше нет воды, которая поддерживала бы его. В отличие от воды в море, всплеск над поверхностью нестабилен: он должен упасть обратно на поверхность.

Очень похоже на такой всплеск воды, электрон на поверхности Ферми, который был «разбрызган» падающей частицей света (фотоном), не имеет под собой опоры, которая могла бы удержать его там. Значит, он должен упасть обратно на поверхность моря Ферми. При этом он отдает энергию фотона, которую он удерживал очень короткое время, повторно испуская почти идентичную версию фотона, который он только что поглотил. Это переизлучение фотона электроном на поверхности Ферми является наименьшей и наиболее фундаментальной единицей отражения, событием, из которого состоят отражения большего масштаба.

Простота из сложности

Самое интересное в таких повторных излучениях заключается в том, что если ваш металл гладкий, однородный и отполирован на поверхности, то каждый такой эффект переизлучения в конечном итоге определяется высокой симметрией как плоской металлической поверхности, так и ее гладкой фермиевской поверхности. море электронов, в результате чего испускаемый фотон (или, точнее, множество фотонов, взаимодействующих по всей поверхности) возникает очень точно, что мы называем углом отражения. Это тот случай, когда сложная физика, управляемая еще более сложной математикой, приводит к великолепно простому результату, и это событие мы просто называем отражением.

И самое удивительное, что эта простота сильно зависит от квантовых эффектов, которые проходят через все зеркало. Для этого нужны электроны, которые коллективно заблудились в обычном пространстве и нашли убежище в пространстве, которое не похоже на то пространство, которое мы обычно видим, но все же позволяет им сталкиваться друг с другом. Они образуют жидкость в этом своеобразном импульсном пространстве, море, которое переворачивает с ног на голову само наше понимание того, что такое «объект» или «жидкость» и как он должен себя вести. Мельчайшая полоска этих скрытых электронов затем машет нам в ответ, когда они скользят по поверхности своего скрытого тела, демонстрируя невероятные скорости, которых они достигли, отбрасывая фотоны обратно в нас в жонглировании координатами, которое мы видим, как в ярком ярком свете. зеркало, или красоту сверкающего украшения, или блестящее серебро или золото.

Финал: Найдите минутку, чтобы подумать

Итак, металлическое отражение — это глубоко квантовое событие, происходящее в человеческом масштабе, уникально красивое и полезное. Если вы находите свою вселенную немного скучной по утрам, найдите минутку, чтобы поздороваться с этой прекрасной частицей квантовой странности, когда вы смотрите в утреннее зеркало! И немного поразмышляйте над своим отражением, чтобы напомнить себе, в какой замечательной вселенной мы живем.

Приложение от 20 июня 2015 г.: Видение как квантовая физика

Я должен добавить пример крупномасштабного квантового явления, которое гораздо ближе к дому, чем зеркало. Это тот факт, что вы можете видеть вообще.

Линзы, в том числе те, что в ваших глазах, — это глубоко квантовые устройства. Если бы не квантово-механическое преобразование крупномасштабной формы линзы в руководство по перемещению микроскопических частиц света (фотонов), линзы в ваших глазах были бы непрозрачны, как сталь, и вы бы не читали этот текст. .

Проблема вот в чем: поскольку свет излучается и принимается в виде крошечных частиц, подобных единицам энергии, или фотонам, классическая физика требует, чтобы эти фотоны оставались частицами во время своего путешествия между этими двумя точками.

И это проблема. В конце концов, как электромагнитный фотон проходит через линзу, полную атомов, богатых электронами, которые должны двигаться так и эдак, как по лабиринту ошеломляющей сложности, не говоря уже о том, чтобы формировать изображение? Он может на несколько мгновений прыгать в самых внешних атомных слоях линзы, но у него не будет шанса проникнуть глубже, прежде чем он будет потерян или поглощен.

Именно квантовая механика спасает нас от парадокса классической фотонной слепоты.

Математически квантовая механика позволяет одному фотону «исследовать» всю форму линзы посредством процесса, называемого интеграцией всех возможных историй. Этот процесс не имеет никакого классического смысла, поскольку фотон как бы исследовал буквально все возможные пути между своей начальной и конечной точками. Затем эти виртуальные исследования складываются особым образом, чтобы получить волновую функцию фотона, которая сообщает, какой пучок путей с наибольшей вероятностью содержит настоящий фотон.

Именно этот бесконечный набор виртуальных путей фотонов позволяет одному фотону «вынюхивать» общую форму и форму линзы, такой как в ваших глазах. Учитывая невероятно маленькое количество энергии, содержащейся в одном фотоне, по сравнению с огромной линзой человеческого масштаба, это довольно выдающееся достижение. Это примерно то же самое, что взять небольшой фонарик на орбиту и «увидеть» форму всей Земли, посветив им на ночную сторону. Примечательно, что каждый фотон должен делать это сам по себе, поскольку результат освещения каждого фотона в луче света через линзу один за другим такой же, как если бы вы освещали их все сразу.

Суть в следующем: каждая отдельная форма отражения, преломления или прозрачности, которую вы видите при обычном свете, в значительной степени является чудом квантовой механики. Ни один из этих эффектов не может существовать без фотонов, «вынюхивающих» крупномасштабную форму зеркала, линзы или окна (которое на самом деле является просто плоской линзой) таким образом, что позволяет им игнорировать невероятную сложность этих объектов. вместо этого сосредоточьтесь на их общей форме и оптических свойствах.

Итак, как далеко вам нужно зайти, чтобы увидеть глубокие квантовые эффекты в повседневной жизни? Совсем недалеко, потому что сам акт использования ваших глаз для поиска таких эффектов сам по себе является глубоко квантовым.

Забавно, что вы упомянули «невооруженным глазом», потому что все, что вам нужно сделать, это закрыть глаза. Оказывается, причина, по которой мы ничего не видим, когда закрываем глаза, кроется в квантовой механике.

Шон Кэрролл прекрасно это объясняет: внутри ваших глаз находится много излучения черного тела в инфракрасном диапазоне. Несмотря на то, что общая энергия этого инфракрасного света намного выше, чем видимый свет, проходящий через наши линзы, он не поглощается рецепторами, потому что, согласно квантовой механике, он может поглощаться только в виде квантованных пакетов (фотонов). И каждому отдельному фотону не хватает энергии для поглощения.

Хороший пример — магнетизм, объяснить выравнивание спин-спин можно только с помощью квантовой механики (см. обменное взаимодействие ), можно даже доказать теорему Бора-Ван Лёвена , которая утверждает, что никакая классическая теория не может объяснить, как работает магнит.

Ссылка: Лекции Фейнмана по физике.

Вы и ваше окружение все еще существуете! Если бы не квантовая механика, все самопроизвольно распалось бы, как атомы нестабильны в классической механике, из-за излучения, испускаемого ускоряющимся электроном.

Окончательным визуальным доказательством того, что квантовая механика необходима для описания нашего мира, является наблюдение сверхтекучести жидкого гелия, охлажденного до температуры ниже лямбда-точки. Ниже этой температуры (2,17 К при СТП) макроскопическая часть атомов сконденсировалась в основное состояние. Это приводит к макроскопическим корреляциям, из-за которых жидкость течет весьма неклассическими, необычными способами. Например, жидкость может течь вверх (против силы тяжести) по стенкам сосуда в ближайший резервуар:

В более сложной настройке мы можем увидеть эффект фонтана:

Я считаю, что это наиболее убедительное, видимое явление, требующее УК.

В этом видео и в этой статье показано, как провести эксперимент с квантовым ластиком в домашних условиях, используя только лазерную указку и несколько поляризационных фильтров, которые в видео получены из 3D-очков*.

Кто-то может возразить, что на самом деле это не считается, поскольку, если вы действительно думаете об этом, вы должны ожидать того же результата, если бы свет был просто волной. Однако, если вы признаете, что свет — это фотоны, то это очень хорошо демонстрирует, что интерференционная картина исчезает, если есть способ узнать, какой путь выбрал фотон, а это явный квантовый феномен.

_{(*) По моему опыту, большинство 3D-очков, как правило, имеют фильтры с круговой поляризацией, а не с линейными. Кажется, это не рассматривается в видео, но, вероятно, это меняет то, что вам нужно сделать, чтобы увидеть результат. Тем не менее, я использовал по крайней мере одну пару с линейными фильтрами из кинотеатра IMAX.}

К видимым невооруженным глазом эффектам, требующим квантового объяснения, относятся флуоресценция, фосфоресценция и электролюминесценция. Такие понятия, как энергия запрещенной зоны и связь между энергией и длиной волны, необходимы для формирования правдоподобных, подробных гипотез, касающихся легко наблюдаемых аспектов этих явлений.

Прозрачность стекла — квантовое явление. Это связано с тем, что электронам в кремниевых кристаллах требуется чрезмерное количество энергии, чтобы выйти на более высокую орбиталь. Это означает, что фотоны низкой энергии, такие как видимый свет, могут проходить беспрепятственно. Между тем, ультрафиолетовый свет имеет достаточно энергии для поглощения.

Стекло прозрачное, но загара не получите.

В качестве иллюстрации ответа Дэна я беру себе дифракционную решетку и начинаю смотреть на люминесцентные лампы. Честно говоря, я был очень разочарован, потому что на одной решетке невозможно четко увидеть линии. То, что вы увидите, более или менее похоже на это

Но я пошел дальше и сказал себе, что могу сделать себе спектроскоп, что я и сделал! У меня был большой плакат, и я свернул его в трубку. Из брошюры я вырезал себе тонкую щель и склеил их скотчем.

Это не заняло 10 минут, но результат действительно порадовал:

Я также смог увидеть некоторые из линий Фраунгофера, когда смотрел на солнце за 1 или 2 часа до захода солнца, но я не мог их сфотографировать из-за плохой камеры мобильного телефона.

Я надеюсь, что это поможет проиллюстрировать квантовую механику из повседневной жизни с помощью повседневных предметов!

Если вы ищете что-то видимое невооруженным глазом, но это не обязательно происходит естественным образом вокруг вас, то типичным экспериментом, демонстрирующим квантовую природу света таким образом, который виден невооруженным глазом, является эксперимент Юнга с двумя щелями .

Самое замечательное в этом эксперименте то, что его можно легко провести, не выходя из собственного дома. См. этот пост Physics.SE: Можно ли воспроизвести эксперимент с двумя щелями самостоятельно дома?

Один очень «простой» пример — это причина, по которой мы не движемся сквозь землю, в то время как атомы (и, следовательно, материя) в основном пусты. Хотя до сих пор ведутся споры о том, что преобладает в этом эффекте между электростатическим отталкиванием и так называемым принципом запрета Паули (квантовый эффект), в значительной степени признается, что одной электростатики недостаточно.

Количественные оценки этого квантового отталкивания делаются ежедневно людьми, вычисляющими ab-initio (решение уравнения квантовой механики для электронов) параметров межмолекулярного потенциала, которые затем используются в симуляциях на молекулярном уровне (в основном эти расчеты объясняют, почему оно почти справедливо представить атомы твердыми шариками, и поэтому они уже объясняют, почему два пустых атома не могут перекрываться).

Другой простой случай - это кусок металла, жесткость которого (или, по крайней мере, некоторая ее мера) во многом обязана принципу исключения (см. Уравнение 494 ссылки и следующее предложение), которому удовлетворяют проводящие электроны в системе.

Сверхпроводимость конечно. С классической точки зрения вы не можете одновременно объяснить идеальный диамагнетизм и идеальную проводимость неупорядоченной системы.

Наиболее ярким экспериментом является левитация сверхпроводника в магнитном поле, она же эффект Мейснера. Вам просто нужен высокотемпературный сверхпроводник и немного N-жидкости. Поразительным фактом является исчезновение эффекта при полном испарении азота.

Об этом много видео в инете. См. , например , этот: http://www.ted.com/talks/boaz_almog_levitates_a_superconductor.html

Между прочим, сверхпроводимость — это САМАЯ демонстрация квантовой изменчивости на макроскопическом уровне.

Квантовый эффект Холла — еще один интересный эффект, но для него требуется больше материалов (холодильник и т. д.).

В общем, можно с уверенностью сказать, что почти (если не) все истинные эффекты квантовой физики являются взаимодействиями материи и поля некоторых типов... эффект Мейснера и квантовый эффект Холла - это всего лишь два конкретных взаимодействия материи и поля (магнитное поле применительно к низкотемпературным коллективным возбуждениям электронов).

В принципе должно быть возможно измерить спектр некоторых атомов в настольном эксперименте (в конце концов, это эксперимент конца 19-го века), но я полагаю, что он менее впечатляет, чем левитация. Все свойства спектроскопии можно полностью понять только с помощью квантовой механики, и их вполне можно «увидеть» невооруженным глазом, как флуоресценцию (иногда для этого требуются ИК-очки, но все же я считаю, что это невооруженным глазом , поскольку вы действительно можете увидеть флуоресценцию с помощью этих очков) .

В общем, все проблемы конденсированных сред требуют полного понимания квантовой механики: теория зон (включая запрещенную зону и симметрию кристалла, приводящую, например, к огромному полю полупроводника), распространение электронов в неупорядоченной системе (включая, например, изолятор Мотта, .. (см. также ответ Каза https://physics.stackexchange.com/a/65464/16689 по этому вопросу).

Туннельный эффект можно считать поразительным эффектом квантовой механики, даже если его трудно увидеть невооруженным глазом. См. Тем не менее ответ jinawee https://physics.stackexchange.com/a/65416/16689 на этой странице.

Вам также понадобится туннельный эффект, чтобы объяснить многие аспекты электропроводности. Например, почему окисленные медные провода по-прежнему являются хорошими проводниками, а не изоляторами.

Еще один интересный квантово-механический эффект возникает при фотосинтезе. Этот процесс называется «прыжком», и он происходит, когда хлорофилл поглощает фотон, а затем испускает экситон, который будет распространяться, пока не достигнет особого типа молекулы хлорофилла, которая производит перенос электрона. Есть несколько ссылок, таких как: http://www.chemphys.lu.se/old/Archive/annual_96/primarynew.htm .

Существует также гипотеза о том, что у некоторых птиц возникает квантовая запутанность, позволяющая ориентироваться. См.: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v106/i4/e040503 .

В некотором смысле все химические реакции фундаментально квантово-механические, но в случае хемилюминесценции и связанных с ней явлений испускания атомного света, таких как полярное сияние , квантовая физика вступает в другой путь: возбужденные состояния молекулы или иона могут только распадаться и испускать фотон, потому что электрон в этом состоянии постоянно сотрясается флуктуациями вакуума , микроскопическими флуктуациями электрических полей из-за квантовой неопределенности.

Солнце видно невооруженным глазом. Единственная причина, по которой солнце светит, — это квантово-механическое туннелирование. Без туннелирования термоядерные реакции были бы невозможны при температуре солнечного ядра.

Это объясняет...

1. Нормальная сила
2. Электрическая проводимость
3. Почему некоторые атомы стабильны (мотивирующий вопрос)
4. Эффект Зеемана (мотивирующая проблема)
5. Почему Вселенная — это не просто сплошное облако материи
6. Почему дискретизируются массы (разность масс двух частиц)
7. Большая часть химии