ควอนตัมฟิสิกส์คืออะไร?

THE ฟิสิกส์ควอนตัมหรือที่เรียกว่า กลศาสตร์ควอนตัม, เป็นพื้นที่ขนาดใหญ่ของการศึกษาที่ทุ่มเทให้กับการวิเคราะห์และอธิบาย พฤติกรรม ของระบบกายภาพลดขนาดใกล้เคียงกับขนาดของ โมเลกุล, อะตอม และ อนุภาคอะตอม

ผ่านควอนตัมฟิสิกส์ เป็นไปได้ที่จะเข้าใจกลไกของ ผุพัง กัมมันตภาพรังสี จากการปล่อยและการดูดกลืนแสงโดยอะตอม จากการผลิต เอ็กซ์เรย์, ของ ตาแมวผล, คุณสมบัติทางไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำ เป็นต้น

ดูยัง: ฟิสิกส์สมัยใหม่

ฟิสิกส์ควอนตัมสำหรับ Dummies

เมื่อเราเข้าสู่ ขนาดของอะตอมและโมเลกุล, ที่ กฎฟิสิกส์มหภาคซึ่งสามารถบรรยายสภาพการเคลื่อนไหวของร่างกายที่เราเห็นอยู่รอบตัวเราในแต่ละวันได้อย่างลงตัว ล้าสมัยและไร้ความสามารถ เพื่อกำหนดปริมาณทางกายภาพที่เกี่ยวข้องกับอนุภาคขนาดเล็กดังกล่าว

สิ่งที่เกิดขึ้นในโลกควอนตัมคือกฎของฟิสิกส์ไม่มีอีกต่อไป กำหนด, นั่นคือ พวกเขาไม่สามารถคาดเดาได้ว่าวัตถุบางอย่างอยู่ที่ไหน หรือความเร็วเท่าใด ไม่มีสิ่งใดกำหนดได้ การวัดที่ได้จากระบบควอนตัมจะแสดงเป็น อัตราต่อรอง

ปัจจุบัน เรามีระบบการวัดที่สามารถระบุตำแหน่งของวัตถุได้อย่างแม่นยำที่สุด อย่างไรก็ตาม แม้จะมีเทคโนโลยีขั้นสูงสุด เราก็ไม่สามารถระบุตำแหน่งที่แน่นอนของอะตอมได้ ตัวอย่างเช่น ที่

ความเป็นไปไม่ได้ ไม่ใช่ ที่เกี่ยวข้อง ถึงความละเอียดของเครื่องมือหรือฝีมือช่างเครื่องมือ แต่ใช่ กับธรรมชาติของฟิสิกส์ควอนตัม.

ดูยัง:แบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค

อย่าเพิ่งหยุด... มีมากขึ้นหลังจากโฆษณา ;)

อันนี้ ธรรมชาติ ของควอนตัมฟิสิกส์ได้แสดงให้เห็นเมื่อเวลาผ่านไปว่าเป็นความจริง ไม่รู้จักเข้าใจผิดมาเป็นเวลานานซึ่งทำให้นักฟิสิกส์หลายคนตั้งคำถาม ตีความต่าง ๆ หรือแม้แต่ปฏิเสธโดยสิ้นเชิง อย่างไรก็ตาม มันก็มีส่วนทำให้เกิดตำนานและความเชื่อหลายเรื่องเกี่ยวกับแนวคิดของฟิสิกส์ควอนตัม

แม้จะดูเหมือน "แปลก" แต่กลศาสตร์ควอนตัมเป็นหนึ่งในทฤษฎีฟิสิกส์ที่ประสบความสำเร็จมากที่สุด แต่ความแม่นยำของผลลัพธ์ที่ได้จากทฤษฎีนี้เป็นสิ่งที่น่ากลัว ปัจจุบันการตีความกลศาสตร์ควอนตัมที่ได้รับความนิยมและเป็นที่ยอมรับมากที่สุดเรียกว่า การตีความโคเปนเฮเกน, พัฒนาโดยชื่อที่ใหญ่ที่สุดในวิทยาศาสตร์เช่น NielsBohr,แม็กซ์เกิดโวล์ฟกังเปาลีแวร์เนอร์ไฮเซนเบิร์ก และคนอื่น ๆ.

การตีความของโคเปนเฮเกนถูกรวมเข้าด้วยกันในระหว่างการประชุม Solvay [1]

ตามการตีความนี้ ระบบควอนตัมทั้งหมดมี a ฟังก์ชั่นคลื่นที่อธิบายพวกมัน อย่างสมบูรณ์ ฟังก์ชันคลื่นนี้เป็นนิพจน์ทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนและเสมือน (โดยไม่มีความเป็นจริง) ซึ่งเป็นไปได้ที่จะดึงข้อมูลทั้งหมดในระบบนี้

ผลลัพธ์ที่ได้จากฟังก์ชันคลื่นก็คือความน่าจะเป็นที่สังเกตพบบางอย่างหรือที่เราพบอะตอมที่ระดับพลังงานจำเพาะ ยังคงมีความเป็นไปได้ที่อะตอมจะปล่อยกัมมันตภาพรังสี หรือ a นิวตรอน เกิดการสลายตัวกลายเป็นนิวตรอนและ a อิเล็กตรอน. ความเป็นไปได้มีมาก.

ความท้าทายสำหรับนักฟิสิกส์คือการค้นหาฟังก์ชันคลื่นสำหรับระบบ ซึ่งไม่ใช่เรื่องง่าย จำเป็นต้องแก้ไขอย่างน้อยหนึ่งรายการ สมการในชโรดิงเงอร์ สมการนี้เกี่ยวข้องกับพลังงาน จลนศาสตร์ และ ศักยภาพ ของระบบควอนตัม

ดูยัง:ไอน์สไตน์กับระเบิดปรมาณู

การประยุกต์ใช้ฟิสิกส์ควอนตัม

ฟิสิกส์ควอนตัมสามารถเข้าใจได้

• การปล่อยแสงโดยอะตอม

• ปรากฏการณ์ของ การสลายตัวของสารกัมมันตรังสี;

• การทำงานของ เลเซอร์, ผลตาแมว;

• แรงดึงดูดระหว่างนิวตรอนและโปรตอนใน นิวเคลียสของอะตอม;

• รุ่นมาตรฐานของ ฟิสิกส์ของอนุภาค;

• ความเป็นคู่ของคลื่นอนุภาค

• กฎของฟิสิกส์คลาสสิกทั้งหมดที่เรารู้ (เนื่องจากกฎของกลศาสตร์ควอนตัมโดยทั่วไปสามารถเกิดขึ้นได้จากกฎที่ควบคุมโลกคลาสสิกของเรา)

การทำงานของเลเซอร์ได้มาจากการศึกษากลศาสตร์ควอนตัมเท่านั้น

แหล่งกำเนิด

การเกิดขึ้นของฟิสิกส์ควอนตัมสมัยใหม่เกิดขึ้นในปี 1920 เมื่อนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน แม็กซ์พลังค์ ได้อธิบายกลไกของ ปัญหาตัวดำ และสัมพันธ์กับข้อผิดพลาดที่แปลกประหลาดในการคำนวณในขณะนั้นเรียกว่า ภัยพิบัติจากรังสีอัลตราไวโอเลต.

ปรากฎว่า ร่างกายสีดำ, วัตถุที่สามารถดูดซับรังสีทั้งหมดที่พุ่งมาที่พวกเขา ปล่อยรังสีความร้อนออกมาอีกครั้ง ไม่ได้ปล่อยออกมาตามที่คาดไว้ในทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าในปัจจุบัน เพื่อแก้ไขสถานการณ์ Max Planck แนะนำว่าพลังงานของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า be quantizedกล่าวคือ แบ่งพลังงานเป็นมัดเล็ก ๆ ซึ่งต่อมาอีกไม่นานจะเรียกว่า โฟตอน - คุณ พลังงานเท่าไหร่.

การตีความรังสีวัตถุดำของพลังค์ไม่เป็นที่ยอมรับ (หรือแม้แต่ตัวเขาเอง) อย่างไรก็ตาม ไม่กี่ปีต่อมา Albert Einsteinใช้อาร์กิวเมนต์เดียวกันและอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกได้สำเร็จ

ในปี ค.ศ. 1905 ไอน์สไตน์ได้ตีพิมพ์บทความชุดหนึ่งซึ่งระบุว่าวันที่เป็น "ปีแห่งฟิสิกส์อันน่าอัศจรรย์" แต่ เสียงโห่ร้องของเขามาจากรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ สำหรับการอธิบายกลไกเบื้องหลัง โฟโตอิเล็กทริก ไอน์สไตน์ได้สรุปว่าแสงมีพฤติกรรมทั้งแบบอนุภาคและแบบคลื่น พฤติกรรมนี้เรียกว่า ธรรมชาติคู่ของแสง.

ดูยัง: พลังพื้นฐานของธรรมชาติ

ในปี ค.ศ. 1924 เป็นช่วงเปลี่ยนของ หลุยส์ในBroglieมีส่วนร่วมในกลศาสตร์ควอนตัม De Broglie ตีพิมพ์ในวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกของเขาว่าอนุภาคควอนตัมก็มี ความยาวคลื่นเช่นเดียวกับแสงและดังนั้นจึงควรนำเสนอพฤติกรรมคลื่นภายใต้เงื่อนไขบางประการ

นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสทำนายว่าอิเล็กตรอนควรแสดงรูปแบบการรบกวนเมื่ออยู่ภายใต้การทดลองแบบ double-slit เช่นเดียวกับคลื่น ในปี 1927 สมมติฐานของเขาได้รับการยืนยันโดย การทดลอง Davisson-Germer: ก่อตั้ง ความเป็นคู่ ในระหว่าง คลื่นและเรื่อง.

สาเหตุที่อยู่เบื้องหลังพฤติกรรมคู่ของสสารยังไม่เป็นที่ทราบจนกระทั่งในปี พ.ศ. 2470 แวร์เนอร์ไฮเซนเบิร์ก ประกาศหลักการทางกายภาพที่ได้มาจากคุณสมบัติทางคณิตศาสตร์ของทฤษฎีควอนตัม ตามหลักการนี้เรียกว่า หลักความไม่แน่นอนมีตัวแปรหลายคู่ที่ไม่สามารถวัดได้พร้อมกันด้วยความแม่นยำสูงสุด ตัวแปรเหล่านี้เรียกว่า ตัวแปรคอนจูเกต.

ตำแหน่งและความเร็วตัวอย่างเช่น ปริมาณทางกายภาพที่ไม่สามารถกำหนดได้อย่างแม่นยำในโลกควอนตัม: หากเราทราบความเร็วของอะตอมด้วยความแม่นยำอย่างยิ่ง เราสูญเสียความแม่นยำในตำแหน่งของมันไปโดยสิ้นเชิง ในทำนองเดียวกัน หากเราสามารถวัดความเร็วของอะตอมได้ เราก็ไม่สามารถบอกได้ว่าตำแหน่งของมันอยู่ในตำแหน่งใดเหมือนกัน ทันที.

เพื่อให้เข้าใจหลักการความไม่แน่นอนเพียง คิดว่าเราเห็นสิ่งต่างๆ อย่างไร: แสงที่เล็ดลอดออกมาจากวัตถุต้องเข้าตาเรา สมองจึงแปลข้อมูลนี้ กล่าวอีกนัยหนึ่งเพื่อให้เราเห็นเราต้องการ we แลกเปลี่ยนโฟตอนกับสภาพแวดล้อม. ในกรณีของอะตอมและอนุภาค เรื่องนี้ร้ายแรงกว่าที่คิด ลองนึกภาพว่าคุณต้องการทราบว่าอะตอมอยู่ที่ไหน คุณต้องทำอย่างนั้น ปล่อยโฟตอนเข้าหาคุณ แต่ในการทำเช่นนั้น อะตอมจะเร่งความเร็วเนื่องจากการชนกัน ดังนั้นคุณจึงไม่สามารถบอกได้อีกต่อไปว่าอยู่ที่ไหน มันคือ.

ดังนั้น หลักการความไม่แน่นอนทำให้เราเข้าใจเรื่องคลื่นความเป็นคู่ได้ดีขึ้นเล็กน้อย: ในโลกควอนตัม ปริมาณทางกายภาพมีพฤติกรรมในลักษณะที่ไม่ถูกกำหนด ราวกับว่ามันเป็นคลื่นซึ่งอันที่จริงแล้วแอมพลิจูดนั้น อัตราต่อรอง

ดูยัง:ฟิสิกส์นิวเคลียร์

ฟิสิกส์ควอนตัม จิตวิญญาณ และวิทยาศาสตร์เทียม

ทุกวันนี้ กลายเป็นเรื่องธรรมดาที่จะอ่านโฆษณาหลักสูตร ยาวิเศษ ผลิตภัณฑ์ปฏิวัติ การบำบัด คำอธิษฐานเพื่อดึงดูดเงินและแม้แต่วิธีการรักษาโดยใช้คำศัพท์ที่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์ ควอนตัม

อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องเน้นว่าในกรณีเหล่านี้ไม่มีความสัมพันธ์โดยตรงกับความรู้ที่เกิดจากการวิจัยฟิสิกส์ควอนตัม แท้จริงแล้วพวกมันคือ a ยักยอกซึ่งทำได้เพียงต้องขอบคุณ ความไม่รู้ ของประชากรส่วนใหญ่เมื่อพูดถึงฟิสิกส์สมัยใหม่และร่วมสมัย

การทำความเข้าใจเกี่ยวกับฟิสิกส์ควอนตัมเกี่ยวข้องกับการเรียนรู้ขนาดใหญ่ แบบแผนทางคณิตศาสตร์ และความรู้มากมายเกี่ยวกับฟิสิกส์ พีชคณิต เรขาคณิต อิเล็กโทรไดนามิกส์ และอื่นๆ ดังนั้นจึงต้องใช้เวลาหลายปีในการศึกษาเพื่อทำความเข้าใจในลักษณะที่มาตรฐานทางวิชาการยอมรับน้อยที่สุด

นอกจากนี้ยังเป็นความจริงที่หลายคนเชื่อว่าการปฏิบัติของพวกเขาอยู่บนพื้นฐานของ ปรากฏการณ์ควอนตัมและไม่ใช่เรื่องแปลกที่จะพบคำรับรองจากคนที่รู้สึกดีขึ้นเมื่อใช้การกระทำเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม เราสามารถอ้างถึงเหตุผลที่ปฏิเสธประสิทธิภาพของสิ่งที่เรียกว่าการปฏิบัติควอนตัม:

• ปรากฏการณ์ควอนตัมมีความเกี่ยวข้องและสามารถสังเกตได้ในระดับอะตอมเท่านั้น หลังจากขนาดหนึ่ง ทุกอย่างเริ่มประพฤติตามฟิสิกส์คลาสสิก ฟิสิกส์ของมาตราส่วนมหภาค

• ประโยชน์ที่ได้รับจากผู้ที่ซื้อผลิตภัณฑ์หรือเริ่มทำกิจกรรมที่เกี่ยวข้องบางประเภท "ควอนตัม" สามารถเห็นได้ในการทดลองบางอย่าง ซึ่งพบการปรับปรุงในผู้ป่วยที่ได้รับการรักษาด้วย ยาหลอก ผลกระทบเหล่านี้เกิดขึ้นเนื่องจากผู้ป่วยเชื่อว่าอาการดีขึ้นและเป็นไปตามเงื่อนไขดังกล่าว

เนื่องจากขาดความรู้อย่างมากเกี่ยวกับความหมายที่แท้จริงที่แนบมากับคำว่า ควอนตัมเป็นธรรมดาที่สิ่งนี้ต้องมีส่วนร่วม to เวทย์มนต์ทำให้เราเห็นว่าใช้บ่อยในบริบทที่ไม่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุด: การบรรยายที่สร้างแรงบันดาลใจ หลักสูตรของ การฝึกสอน ควอนตัม คำอธิษฐานควอนตัม เครื่องสำอางควอนตัม การรักษาควอนตัม ฯลฯ

แม้จะแตกต่างกันมาก แต่โฆษณาเหล่านี้มีบางอย่างที่เหมือนกัน: พวกเขาคือ วิทยาศาสตร์เทียม และโดยส่วนใหญ่ก็เพื่อผลกำไร ดังนั้นในบางกรณีจึงเรียกได้ว่าเป็นการหลอกลวงซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อ เพิ่มมูลค่าและความน่าเชื่อถือ กับสินค้า บริการ หรือขนบธรรมเนียมทั่วไปในสาระสำคัญ

เมื่อคุณสังเกตเห็นการใช้แนวคิดที่เป็นนามธรรมในบริบทที่ไม่น่าจะเกิดขึ้น ไม่ไว้วางใจ และค้นหาข้อมูลจากแหล่งที่เชื่อถือได้ เช่น เว็บไซต์การศึกษาที่จัดตั้งขึ้น หน้าที่เชื่อมโยงกับสถาบันการศึกษาหรือบทความทางวิทยาศาสตร์ THE ข้อมูล มันเป็นวิธีเดียวที่จะป้องกันการหลอกลวง การหลอกลวง และความเชื่อประเภทอื่นๆ ที่ใช้ชื่อพื้นที่ความรู้อย่างไม่เหมาะสมซึ่งอุทิศให้แต่น้อยคนรู้จัก

ดูยัง:ทฤษฎีสตริง

หนังสือ

หากคุณสนใจที่จะเข้าใจวิธีการทำงานของควอนตัมฟิสิกส์ดีขึ้น แต่คุณเป็นคนธรรมดาหรือต้องการปรึกษาแหล่งที่มา วางใจในวิชาฟิสิกส์นี้ ลองดูหนังสือบางเล่มที่สามารถช่วยให้คุณเข้าใจโลกที่แปลกประหลาดได้ดียิ่งขึ้น ควอนตัม:

• ความลึกลับของควอนตัม - Andrés Cassinello และ José Luiz Sánchez Gomez

• การทำความเข้าใจทฤษฎีควอนตัม: หนังสือภาพประกอบ - เจพี แมคอีวอย และ ออสการ์ ซาราเต

• จักรวาลอันสง่างาม -ไบรอัน กรีน Green

• ปริศนาควอนตัม: ฟิสิกส์พบกับจิตสำนึก - ชาร์ลส ทาวน์ส

[1] เครดิตรูปภาพ: Benjamin Couprie, Institut International de Physique de Solvay / Wikimedia Commons

By Me. ราฟาเอล เฮเลอร์บร็อก