Квантовые волны что это

10.11.202210.11.2022 admin 0 Comments

Квантовая теория волны

Вы будете перенаправлены на Автор24

В конце XIX столетия появилась необходимость создания теории излучения черного вещества на основе закономерностей классической физики. Из постулатов следовало, что физическое тело должно поглощать и отдавать электромагнитные волны при любой температуре, терять энергетический потенциал и понижать температуру до нуля. Другими словами, тепловое равновесие между элементами было практически невозможно. Однако это явление находилось в полном противоречии с повседневным опытом.

Рисунок 1. Квантовая теория. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Основные идеи квантовой теории волны были сформулированы в 1923-1924 гг., когда ученые предположил, что каждый электрон должен иметь волновые свойства, навеянные аналогией со световым излучением.

К этому времени идеи о дискретной природе фотонов уже весьма укрепились в научном мире, поэтому для детального описания всех свойств излучения необходимо было схематически представить его и как частицу, и как волну. Эйнштейн ранее продемонстрировал, что дуализм излучения напрямую связан с наличием квантов, поэтому исследователям оставалось только обнаружить подобное и в поведении электрона. Гипотеза де Бройля о волнах в квантовой механике вскоре получила официальное подтверждение обнаруженным в 1927 году явлением дифракции движущихся электронов.

Исходя из гипотез де Бройля о волнах материи, Э.Шредингер представил основное уравнение квантовой механики, позволяющее с максимальной точностью определить вероятные состояния системы квантов и их изменение в пространстве и времени. Формула включала волновую функцию, описывающую действие волны в конфигурационной и абстрактной среде. В рамках волновой механики атом выполнял функцию ядра, окруженного универсальным облаком вероятности. С помощью данной функции можно определить возможность присутствия электрона в конкретной области пространства.

Готовые работы на аналогичную тему

Квантовая волновая функция

У волновых функций есть множество своеобразных свойств, которые до сих пор еще плохо изучены. Коллапс волн в квантовой теории не ограничивается скоростью света, следовательно, в определенных системах отсчета их механизм начнет двигаться назад во времени. Единственная прямая связь волновой функции с реальностью появляется при попытке измерить положение или энергетический потенциал частицы, которую данный принцип описывает. При этом, согласно квантовой физике, все трансформации противоречат интуитивным представлениям человека и на первый взгляд не соответствует реалиям.

Эта безумная гипотеза, которую до конца невозможно понять, – квантовая физика, несмотря на свою путаную и прозрачную природу, является базой современной физики. Может быть, она немного эфемерна, но зато позволяет исследователям делать точные предсказания. Необходимо просто особо не акцентировать внимание на ее неоднозначные аспекты, научиться решать сложные уравнения – и вычислить будущее практически со стопроцентной точностью.

Уравнения квантовой физики волны позволяют определить:

Однако благодаря квантовой гипотезе можно рассчитать волновую функцию в какой-то точке, однако после этого данное явление кардинально измениться – мгновенно и необратимо.

Волны в квантовой теории

Если установить измерительное устройство перед любой волновой функцией электрона – в результате в контакт с проводником войдет только ее малая часть. Это означает, что вероятность регистрации веществ будет невелика. Исходя из волновой функции и размеров задействованного проводника, возможно точно рассчитать показатели, с которыми электрон попадет в это устройство и будет измерен.

При нестабильном движении электрона его волновая функция ведет себя как волна – отсюда и следует название. Волну одной частицы можно распределить по двум различным путям, которые не совпадают. Но когда электрон регистрируется в определенной позиции, он выглядит как яркая вспышка или мощное столкновение. Во многих отношениях с другими элементами он ведет себя как частица.

Так что же такое электрон – частица или волна? Ответ вполне очевиден: ни то, ни другое. Ученые могут разобраться в свойствах электрона и понять его, только если будут применять новый инструмент – то, что можно назвать волновой частицей.

Квантовая теория волны предполагает, что электроны начинают постепенно переносить массу и электрический заряд, который в результате может рассеиваться и отражаться.

Но если зарегистрировать этот объект, появится резкое и неожиданное явление. Обнаруженный электрон продолжает и дальше существовать, но его волновая функция трансформируется в иное состояние.

Квантовая механика без волновой теории

Постепенный отказ от волновой теории света смог бы устранить серьезные парадоксы механизма корпускулярно-волнового дуализма. Результаты экспериментов, проведенные для доказательств существования волновой теории, могут объяснить в ближайшем будущем корпускулярную гипотезу. Распространение электрического и магнитного излучения рассматривается исследователями как перемещение «виртуальных частиц», которые несут ответственность за взаимосвязь зарядов.

Если во времена внедрения квантовой механики остро дискутировались такие ключевые положения, как соотношение неопределенности и корпускулярно-волновой дуализм частиц, то в современном научном мире эти вопросы больше не обсуждаются и считаются «давно пройденным этапом».

Квантовая механика – это особый комплекс парадоксальных выводов и предположений, который направлен на выявление действий волновых процессов.

В процессе исторического развития физики, конкретные научные дисциплины отделялись от философии – в этом же случае наблюдается обратный процесс: основами квантовой теории на сегодняшний день занимаются философы, так как официальная наука не смогла «примириться» с наличием неясных вопросов.

Соответственно, причину противоречий необходимо искать по всей цепочке теоретических идей и выводов: в неверных принципах, в ошибках при составлении математических уравнений и логических выкладках, в неправильной трактовке полученных формул.

Современные ученые выделяют два логических положения, которые более точно определяют суждение о непознанных процессах:

Отличие понятий «частицы» и «волны» соответствует разнице между движущейся ударной волной вдоль натянутой проволоки и распределяющим отрезком проволоки, который вращается и вибрирует, аналогично вращению частицы и движению ее ключевых компонентов. С открытием квантовой природы светового излучения, волновая теория света включила значительную долю истины, которая для науки не является достаточной и верной.

Источник

Корпускулярно-волновой дуализм подтвердили экспериментально. Что это значит?

Иногда вещи, которые на первый взгляд кажутся невероятно простыми, на самом деле оказываются чуть ли не самыми сложными. Взять, к примеру, свет. Древние цивилизации испытывали больше трудностей в понимании его природы, чем в понимании вещества – чего-то, к чему можно прикоснуться. Сегодня мы знаем, что свет – это не только способ переноса энергии от Солнца к Земле, делающей жизнь на нашей планете возможной, но и невидимая сеть из фотонов, которая позволяет электромагнетизму работать на расстоянии. Интересно, что до конца XVII века существовало две противоположные теории света. Так, Ньютон считал, что свет состоит из крошечных частиц, которые он назвал корпускулами. Но другие ученые, включая современников английского физика, полагали, что свет состоит из волн, как рябь, движущаяся по поверхности воды. Многим позже шотландскому физику Джеймсу Клерку Максвеллу удалось объединить Ньютоновские корпускулы и волновую теорию света, создав теорию, в которой эти явления были хорошо собраны воедино.

Перед вами первый в истории снимок света и как волны, и как частицы. Фото сделано в лаборатории Фабрицио Карбоне (Fabrizio Carbone) в Федеральной политехнической школе Лозанны

Интересный факт
В работе 1801 года английский физик Томас Юнг описал создание двух узких пучков лучей, идущих от одного и того же источника. Опыт показал, что световые волны интерферируют друг с другом, приводя к появлению на экране темных и светлых полос. Используя пару узких щелей Юнг в конечном итоге заставил свет охватить весь листок бумаги.

Природа света

Сегодня мы знаем, что свет может вести себя как частица и как волна. Но достигнуть этого понимания было непросто. Так, к началу XIX века было известно, что волны света могут интерферировать друг с другом (то есть усиливать или ослаблять друг друга).

Если бросить в воду два камушка, в некоторых точках водной глади волны от этих камней будут одновременно подниматься, усиливая друг друга и порождая интенсивную волну. При этом в других точках они будут колебаться в противоположных направлениях и гасить друг друга. В ходе эксперимента Томас Юнг увидел на листе бумаги светлые и темные полосы – это означает, что световые волны подвергались такому же процессу интерференции.

Интерференция волн. Изображение: Юлия Кузьмина для ПостНауки

Основоположником волновой теории света был Христиан Гюйгенс, развивал ее Опасен-Жен Френель, а Джеймс Клерк Максвелл описал электромагнитное поле и электромагнитное излучение в своих уравнениях, сделав возможным понимание природы света. На основе интерференции можно строить голограммы и объяснить интерференцию и дифракцию.

Однако свет можно также рассматривать как поток частиц – фотонов или квантов света. В основе корпускулярной теории лежат идеи Исаака Ньютона. В ХХ веке эти положения развил Макс Планк. Интересно, что используя представление о свете как о потоке частиц, можно объяснить фотоэффект и теорию излучения. В настоящее время считается, что свет может проявлять себя и как волна и как поток частиц.

Корпускулярно-волновой дуализм

Итак, свет может в любой момент времени вести себя как частица или волна, однако демонстрировать одно из двух состояний одновременно он не может. Если эксперимент требовал от него свойств волны, то свет вел себя как волна – и то же самое для частицы. Позже этот принцип стал известен как корпускулярно-волновой дуализм.

Эту по-настоящему странную картину в итоге удалось завершить французскому физику Луи де Бройлю в 1924 году. Если свет, который рассматривается как волна, может вести себя как поток частиц, то, возможно, частицы, например электроны, могут вести так, как если бы они были волнами.

Древние греки считали, что свет является формой огня, предполагая, что он направлялся из глаз к объектам, которые человек мог видеть.

По сути, концепция де Бройля иллюстрировала, насколько квантовая физика подрывала старые предположения, ведь составляющими веществами материи были электроны, или вещества, а фотоны образовывали невидимый свет. И тем не менее, при некоторых обстоятельствах они вели себя как волны, а при других – как частицы. Как только квантовый мир ворвался в мир классической физики, прежние различия стали менее определенными.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!

Между тем, идея о том, что электроны могут проявлять волновые свойства, отлично вписывалась в модель атома Нобелевского лауреата Нильса Бора. В ней электрон мог занимать только определенные орбитали вокруг ядра и прыгать между орбиталями в квантовых скачках при потере или получении энергии в виде фотона. Напомню, что структура волны электрона, окружающая ядро атома, также известна под названием «орбиталь».

Квантовая революция

Основоположник современной атомной физики, Нильс Бор, пытался разрешить экзистенциальную дилемму квантовой механики. Он изобрел принцип дополнительности, согласно которому в некоторых экспериментах квантовые объекты будут локализованы и действовать как частицы, а в других различных экспериментах точно такой же квантовый объект будет распространяться и действовать как волна.

В 2018 году исследователи из Университета Рочестера в статье, опубликованной в научном журнале Optica, сообщили, что разрешили эту странную и неизбежную корпускулярно-волновую двойственность, обнаружив тесную связь между двойственностью и другой столь же странной особенностью квантовой механики, а именно квантовой запутанностью. Подробнее о том, что представляет собой это удивительное явление, я рассказывала в этой статье.

Ведущий автор исследования Сяофэн Цянь и его коллеги пришли к выводу, что каждая из особенностей квантовой странности — запутанность и двойственность — точно контролирует другую.

Запутанность – это квантово-механическое поведение двух частиц, в котором ни одна из них не может быть описана отдельно, независимо от описания другой, даже если частицы разделены огромным расстоянием. Это то же самое свойство, которое нобелевский лауреат по физике Эрвин Шредингер использовал для объяснения своего знаменитого мысленного эксперимента с участием кошки, счетчика Гейгера и небольшого количества яда в запечатанной коробке.

Совсем недавно запутанность стала важным элементом в продолжающемся развитии квантовых вычислений и квантовой информатики.

Новое открытие вытекает из открытия о двойственности, сделанного Уильямом Вуттерсом и Войцеком Зуреком, двумя аспирантами-физиками Техасского университета в Остине, когда они размышляли о знаменитом эксперименте по оптике, проведенном Томасом Юнгом. В 1979 году Вуттерс и Зурек предсказали, что в одном и том же эксперименте можно измерить как волнообразное рассеяние, так и частичную локализацию света, но сумма измеренных величин не может быть больше.

Исследователи из Рочестера, однако, отмечают, что эксперимент с двумя щелями Юнга также может привести к тому, что обе меры будут равны нулю, что противоречит принципу дополнительности Бора. Согласно общепринятой интерпретации, это означает, что ни частицы, ни волны нет, но свет все еще можно обнаружить, – говорит Цянь.

Это исследование мало назвать революционным – результатом является первое полное описание взаимодополняемости – недостающей части головоломки квантовой запутанности. Описывая способ учета запутанности, наряду с наличием волн и частиц, работа исследователей из Рочестера означает, что каждый эксперимент Юнга, связанный с двойственностью, даст измеренную сумму с точным значением, которая удовлетворяет условиям, изложенным Бором более девяти десятилетий назад.

Новые особенности

Но вернемся к корпускулярно-волновому дуализму. Для количественной проверки его фундаментального принципа и взаимодополняемости необходима квантовая составная система, которой можно управлять с помощью экспериментальных параметров. После того, как Нильс Бор ввел концепцию «взаимодополняемости» в 1928 году, лишь несколько идей были проверены экспериментально.

Таким образом, концепция дополнительности и корпускулярно-волнового дуализма все еще остается неуловимой и еще не полностью подтверждена экспериментально.

Но эта проблема, как и любая другая, имеет решение. Так, исследовательская группа из Института фундаментальных наук (IBS, Южная Корея) воспользовалась результатами опытов в «схеме однофотонной интерферометрии с частотной гребенкой» (оптическая схема, которую физики использовали для демонстрации однофотонной интерферометрии с частотной гребенкой, для проверки предсказанных ранее соотношения дополнительности).

Новое, разработанное исследователями устройство – двухлучевой интерферометр – генерирует фотоны когерентного сигнала (кванты), которые используются для измерения квантовых помех. Затем кванты проходят по двум отдельным путям, прежде чем достичь детектора.

Сопряженные «холостые» фотоны используются для получения информации о пути частиц с контролируемой точностью, что позволяет количественно оценивать комплементарность, – пишет портал Phys.org со ссылкой на исследование.

Схема эксперимента. PPLN1 и PPLN2 – это СПР кристаллы, BS1, BS2 и BS3 – светоделители, DA и DB – детекторы холостой моды. PD – фотодетектор, фиксирующий квантовую интерференцию между сигнальными фотонами.
T. H. Yoon / Science Advances, 2021; Перевод N+1

Физики также отмечают, что данные, полученные ими на этой установке ранее, могут быть использованы для исследования связи предсказуемости, видимости и квантовой запутанности. В ходе эксперимента им удалось управлять числом фотонов в «холостых модах» с помощью маломощного лазера и, следовательно, чистотой состояний сигнальных фотонов. Полученные результаты продемонстрировали, что экспериментальные данные довольно точно описываются выведенными соотношениями.

Интересный факт
Как пишет в своей книге «Физика для каждого образованного человека» Спектор Анна Артуровна, фотоэлементы сделали возможным звуковое кино. На кинопленку стали наносить звуковую дорожку – прозрачные окошки различной площади. Свет через них достигал фотоэлемента, затем преобразовывался в электрический сигнал и подавался на громкоговоритель.

В целом, из всего вышеописанного можно сделать вывод, к которому в свое время пришел один из выдающихся исследователей ХХ века, физик Ричард Фейнман. «Решение загадки квантовой механики заключается в понимании эксперимента с двумя щелями», – писал он.

Все потому, что результаты нового исследования, вероятно, будут иметь фундаментальные последствия для лучшего понимания принципа дополнительности и количественного соотношения двойственности волны и частицы. Вообщем, фундаментальные силы природы, кажется, все больше поддаются изучению.

Источник

Квантовая теория волны

В конце XIX века возникла потребность в разработке теории излучения черного вещества на базе законов традиционной физики. Из исходных положений исходило, что материальное тело обязано воспринимать и испускать электромагнитные волны независимо от температуры, тратить активный заряд и снижать температуру до 0°C. Иначе говоря, тепловой баланс между элементами являлся фактически невозможным. Но данный процесс состоял в максимальном разногласии с ежедневной практикой.

К 1923 году положения о прерывистости фотонов довольно плотно закрепились в научном сообществе, по этой причине для тщательного представления любых свойств излучения требовалось элементарно описать это излучение и как частицу, и как волну. Альберт Эйнштейн перед этим указал, что двойственность излучения непосредственно связана с присутствием квантов, в связи с этим научным деятелям необходимо было лишь найти аналогичное и в действиях электрона.

Предположение Луи де Бройля о волнах в квантовой механике в скором времени приобрело публичное заверение открытым в 1927 году явлением дифракции перемещающихся электронов. В соответствии с предположениями Луи де Бройля о волнах материи, Эрвин Шрёдингер предложил базовую формулу квантовой механики. Данная формула позволяет с наибольшей вероятностью указать возможный статус системы квантов и их преобразование в пространстве и времени.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Это уравнение содержало волновую функцию, которая описывает влияние волны в конфигурационной и абстрактной среде. В пределах волновой механики атом осуществлял роль ядра, которое окружено разносторонним облаком допустимости. Путём применения этой функции возможно указать вероятность наличия электрона в определённой части пространства.

Квантовая волновая функция

Волновая функция на сегодняшний день недостаточно изучен и обладает огромным количеством специфических свойств. Неизведанность волн не останавливается на скорости света, так как в некоторых системах отсчёта механизм волн будет передвигаться назад во времени. Непосредственной связью волновой функции с действительностью является попытка вычислить расположение либо активный заряд частицы, и данная связь является единственной. Одновременно с этим, опираясь на квантовую физику, все перемещения перечат инстинктивным образам людей и поначалу кажутся нереальны.

Данное своеобразное предположение, которое окончательно сложно воспринять, – квантовая физика, невзирая на запутанность и прозрачность природы, представляется основой традиционной физики. Возможно квантовая физика и является призрачной наукой, однако она даёт возможность учёным создавать конкретные прогнозы и предположения.

Нужно особенно не подчёркивать её многозначные стороны, изучить решения составных формул – и рассчитать перспективу фактически безошибочно. Формулы квантовой физики волны предполагает определение:

Но с помощью квантовой гипотезы возможно вычислить волновую функцию с определёнными координатами, и после этих вычислений волновая функция моментально изменит своё значение.

Волны в квантовой теории

При установке приборов измерения напротив волновой функцией электрона, в итоге контактировать с проводником будет лишь небольшая её доля, и возможность регистрирования веществ будет малой. Основываясь на волновой функции и величины используемого проводника, присутствует возможность произвести правильные вычисления параметров, с которыми электрон контактирует с прибором и эти параметры будут зафиксированы.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

В большом количестве взаимодействий с прочими частицами электрон моделирует своё поведение, как частица. С большой вероятностью можно сказать, что электрон не является частицей, одновременно оно не является волной. Специалисты получат возможность изучить свойства электрона и осознать их, лишь в том случае, когда начнут использовать новейший инструментарий, – это возможно именовать волновой частицей.

Однако при фиксации данного объекта, возникнет сильный и внезапный процесс. Соответствующий электрон не прекращает своего существования, однако его волновая функция получает другой статус.

Квантовая механика без волновой теории

Пошаговое отступление от волновой теории света сможет исключить значительные противоречия механизма корпускулярно-волновой двойственности. Итоги исследований, которые проведены для свидетельства факта присутствия волновой теории, смогут растолковать в недалёкой перспективе корпускулярные предположения.

Распределение электрического и магнитного излучения воспринимается учёными, как передвижение «предполагающих частиц», несущие обязательства за взаимную связь потенциалов.

На протяжении формирования физики, некоторые науки отходили от философии, в данной ситуации отмечаются противоположные действия: базовую часть квантовой теории изучают философы, поскольку традиционная наука отвергает наличие некоторых аспекты в квантовой теории.

Следовательно, источник разногласий требуется разыскивать по всей веренице теоретических представлений и заключений:

С возникновением квантовой природы светового излучения, волновая теория света определила огромную часть фактов, не являющихся для традиционного научного мира убедительными и логичными доказательствами.

Не нашли нужную информацию?

Закажите подходящий материал на нашем сервисе. Разместите задание – система его автоматически разошлет в течение 59 секунд. Выберите подходящего эксперта, и он избавит вас от хлопот с учёбой.

Гарантия низких цен

Все работы выполняются без посредников, поэтому цены вас приятно удивят.

Доработки и консультации включены в стоимость

В рамках задания они бесплатны и выполняются в оговоренные сроки.

Вернем деньги за невыполненное задание

Если эксперт не справился – гарантируем 100% возврат средств.

Тех.поддержка 7 дней в неделю

Наши менеджеры работают в выходные и праздники, чтобы оперативно отвечать на ваши вопросы.

Тысячи проверенных экспертов

Мы отбираем только надёжных исполнителей – профессионалов в своей области. Все они имеют высшее образование с оценками в дипломе «хорошо» и «отлично».