Kvantu fizikas pārskats, jēdzieni un vēsture

Kvantu fizika ir pūtītes uzvedības izpēte matērija un enerģija molekulārā, atomu, kodola un vēl mazākā mikroskopiskā līmenī. 20. gadsimta sākumā zinātnieki atklāja, ka likumi, kas reglamentē makroskopiskos objektus, tik mazās valstībās nedarbojas vienādi.

"Kvants" nāk no latīņu valodas, nozīmē "cik daudz". Tas attiecas uz atsevišķām matērijas un enerģijas vienībām, kuras prognozē un novēro kvantu fizika. Pat telpai un laikam, kas šķiet ārkārtīgi nepārtraukti, ir vismazākās iespējamās vērtības.

Kad zinātnieki ieguva tehnoloģiju mērīšanai ar lielāku precizitāti, tika novērotas dīvainas parādības. Kvantu fizikas dzimšana tiek attiecināta uz Maksa Planka 1900. gada rakstu par melno ķermeņa starojumu. Lauka attīstību veica Makss Planks, Alberts Einšteins, Nīls Bohrs, Ričards Feinmans, Verners Heisenbergs, Ervins Šroedingers un citas lauka figūras. Ironiski, ka Albertam Einšteinam bija nopietnas teorētiskas problēmas ar kvantu mehāniku un daudzus gadus centās to atspēkot vai pārveidot.

Kvantu fizikas jomā kaut ko novērošana faktiski ietekmē notiekošos fiziskos procesus. Gaismas viļņi darbojas kā daļiņas, un daļiņas darbojas kā viļņi (sauc par viļņu daļiņu dualitāte). Materiāls var pāriet no vienas vietas uz otru, nepārvietojoties caur starpbrīdi (ko sauc par kvantu tunelēšanu). Informācija uzreiz pārvietojas milzīgos attālumos. Faktiski kvantu mehānikā mēs atklājam, ka viss Visums patiesībā ir varbūtību virkne. Par laimi tas sabojājas, strādājot ar lieliem objektiem, kā to pierādīja Šrodingera kaķis domas eksperiments.

Viens no galvenajiem jēdzieniem ir kvantu sapīšanās, kas apraksta situāciju, kad vairākas daļiņas ir saistītas tādā veidā, ka vienas daļiņas kvantu stāvokļa mērīšana ierobežo arī citu daļiņu mērījumus. To vislabāk parāda EPR paradokss. Lai arī sākotnēji tas bija domāts eksperiments, tas tagad ir eksperimentāli apstiprināts, pārbaudot kaut ko, kas pazīstams kā Bellas teorēma.

Kvantu optika ir kvantu fizikas nozare, kas galvenokārt koncentrējas uz gaismas vai fotonu izturēšanos. Kvantu optikas līmenī atsevišķu fotonu uzvedība ietekmē gaidāmo gaismu pretstatā klasiskajai optikai, kuru izstrādāja sers Īzaks Ņūtons. Lāzeri ir viena lietojumprogramma, kas nākusi klajā ar kvantu optikas pētījumu.

Kvantu elektrodinamika (QED) ir elektronu un fotonu mijiedarbības pētījums. To 1940. gadu beigās izstrādāja Ričards Feinmans, Džulians Švingers, Sinitro Tomonage un citi. QED prognozes par fotonu un elektronu izkliedi ir precīzas līdz vienpadsmit zīmēm aiz komata.

Vienota lauka teorija ir pētījumu ceļu kopums, ar kuriem mēģina saskaņot kvantu fiziku ar Einšteina vispārējās relativitātes teorija, bieži mēģinot konsolidēt fizikas pamat spēki. Daži vienotu teoriju veidi ietver (ar zināmu pārklāšanos):

• Kvantu gravitācija
• Cilpas kvantu gravitācija
• Stīgu teorija / Superstring teorija / M-teorija
• Lielā vienotā teorija
• Supersimetrija
• Visu teorija

Kvantu fiziku dažreiz sauc par kvantu mehāniku vai kvantu lauka teoriju. Tam ir arī dažādas apakšnodaļas, kā apspriests iepriekš, kuras dažkārt izmanto aizvietojami ar kvantu fiziku, lai gan faktiski kvantu fizika ir plašākais termins visām šīm disciplīnām.

Agrākie atradumi

• Melnā ķermeņa starojums
• Fotoelektriskais efekts

Viļņu-daļiņu dualitāte

• Jaunieša dubultās spraugas eksperiments
• De Broglie hipotēze

Komptona efekts

Heizenberga nenoteiktības princips

Cēloņsakarība kvantu fizikā - domas eksperimenti un interpretācijas

• Kopenhāgenas interpretācija
• Šrodingera kaķis
• EPR paradokss
• Daudzo pasaules interpretācija