Квантовая механика: понимание микро-мира

Опубликовано 16-01-2012

21

Квантовая механика основана на постулатах, которые кажутся нам совершенно абсурдными и не имеют никаких аналогов в макро-мире.

Из этих постулатов следуют удивительные свойства микро-частиц. Например, они проявляют как свойства частицы, так и свойства волны, могут одновременно находиться в разных местах, могут одновременно существовать и не существовать и др. Все эти парадоксы следуют из несоответствия нашего аппарата мышления уникальности законов микро-мира.

При этом квантовая теория дает наиболее точные предсказания свойств и поведения элементарных частиц и их систем.

Как понимать квантовую теорию? Считать ли ее недоразвитой лишь из-за того, что мы ее не понимаем?

Тут можно обсуждать занимательные и прикладные моменты, например, квантовые компьютеры и парадоксы квантовой теории. Когнитивные аспекты. В общем, все, что относится к квантовой физике.

Comments Page

Я считаю, что нельзя искать аналогии в привычном нам мире. Нельзя объяснять химическую связь палками, электронные и молекулярные орбитали – облаками, а сами элементарные частицы – шариками.

Человеческий мозг эволюционировал в условиях макро-мира, соответственно он наиболее приспособлен к интерпретации явлений на макро-уровне. Не разумно было бы ожидать, что те категории мышления, которые мы применяем к исследованию макро-мира, будут адекватны при изучении микро-мира, к которому наш аппарат мышления совершенно не приспособлен.

Квантовая теория верна в границах своей применимости, ровно как и классическая механика верна в своих границах, несмотря на более общую релятивистскую механику. Смысл физики и любой теории – предсказание, знание наперёд, мы должны знать состояния системы в каждый момент времени, пусть даже примерные, с некоторой вероятностью. И в этом плане опыт подтверждает правильность квантовых законов.

Начало квантовой механике было положено противоречием опыта и теории. Классическая электродинамика и механика при применении их к явлению излучения чёрного тела приводили к абсурду. Гениальное предположение Макса Планка о квантах энергии дало огромный толчок развитию квантовой теории.

Говоря об интерпретации КМ, можно отметить, что сознание людей настолько привычно непосредственно наблюдаемому или (почти непосредственно наблюдаемому) макромиру, что он очень тяжело воспринимает явления, выходящие за его рамки, можно сказать, за рамки привычного. Разум людей вступает в состояние когнитивного диссонанса, иногда, даже, чуть ли не паники. Если люди не понимают квантовой механики или считают её противоречащей здравому смыслу на интуитивном уровне, это отнюдь не значит, что она не имеет место быть. Законы природы не зависят от нашего сознания и что бы не думали о КМ, она работает. Есть вещи, которые мы не можем вообразить или интуитивно построить. Однако, мощнейшим инструментом для понимания, вообще, является математика. Как заметил гениальный физик-теоретик Лев Давидович Ландау: "Человек может гораздо больше понять, чем вообразить" И это верно. Да, мозг эволюционировал в макромире и ему тяжело принять то, что выходит за него.

">Считать ли ее недоразвитой лишь из-за того, что мы ее не понимаем?"

Здесь немного грубо сказано. Всё-таки некоторые люди понимают отдельные позиции КМ и что-то мы можем сказать наверняка. На данный момент можно сказать, что знания люди о КМ неполны, хотя бы потому, что не удаётся построить теорию квантовой гравитации. Так же мы не знаем по каким законам функционирует атомное ядро, а именно действие ядерных сил, т. е. сильного взаимодействия. Этим занимается квантовая хромодинамика.

В правильности КМ не стоит сомневаться, даже если она кажется "выносящей моск". Это всё психология восприятия. Надо дальше ставить опыты, наблюдать, рассуждать и постигать мироздание.

> Смысл физики и любой теории – предсказание, знание наперёд, мы должны знать состояния системы в каждый момент времени, пусть даже примерные, с некоторой вероятностью

Имеется принципильное отличие между вероятностью в макро-мире и вероятностью в микро-мире. Не для всякой макро-системы может быть предсказано состояние, иначе был бы полный детерминизм. В определенных условиях появляется нелинейность и хаос. Турбулентные потоки, например. Или погода. Движение атмосферных слоев не может быть предсказано на длительный период ни с какой вероятностью, даже при наличии компьютеров с неограниченной мощностью и полном понимании всех явлений.

Я думаю, что смысл физики и любой теории в обобщении и систематизации знаний о природе. Все это позволяет описывать многообразие явлений простыми правилами, находить связи между ними, объяснять сложное через простое. Сюда входит и предсказательная сила, будь то предсказание состояния системы в каждый момент времени, вероятности ее нахождения в данном состоянии или лишь предсказание некой тенденции.

> В правильности КМ не стоит сомневаться, даже если она кажется "выносящей моск".

Сомневаться всегда можно. Вопрос в том – нужно ли? Наука не оперирует понятиями "правильность" или "истина". Она создает модели, которые дают наилучшее описание реальности, которое мы можем иметь на сегодняшний день.

> # 2 Я считаю, что нельзя искать аналогии в привычном нам мире. Нельзя объяснять химическую связь палками, электронные и молекулярные орбитали – облаками, а сами элементарные частицы – шариками.

> # 3 Однако, мощнейшим инструментом для понимания, вообще, является математика.

> # 4 Все это позволяет описывать многообразие явлений простыми правилами, находить связи между ними, объяснять сложное через простое.

Я согласен с тем, что к квантовой механике не применимы аналогии с привычным миром, по этому она должна описываться языком математики, но тогда возникает проблема простоты, о которой Вы, Сергей, говорите.

Проще для сознания – аналогия квантовых элементов и их состояний с макромиром, а сложнее и наверно точнее – описание их с помощью математики.

Думаю, что нужно идти сложным путем, так как он будет более эффективным.

>"Имеется принципильное отличие между вероятностью в макро-мире и вероятностью в микро-мире."

Это ясно, но вероятность практически всегда есть. Некоторые системы, например механика твёрдого тела теоретически детерминированы. Зная лагранжиан системы, мы можем составить уравнения движения, интегрирование которых позволяет в принципе знать эволюцию системы. Есть полудетерминированные процессы, есть не детерминированные. Я говорю о том, что всегда есть какие-то рамки, которым должна удовлетворять теория.

>"Сомневаться всегда можно. Вопрос в том – нужно ли?"

В том-то и дело, что не нужно. Если теория работает в своих границах, то она верна. Надо дальше постигать это. Пока, возможно, не найдём более общей и/или точной теории.

Всю россыпь физических законов, можно вывести из малого числа весьма общих соотношений, как правило, установленных эмпирическим путём. Однако такое выведение требует определённых методов. Здесь-то физика и обращается к приёмам математики – в этом основная задача теоретической физики.

*
часть перенесена в http://vkontakte.ru/topic-3090109_23880933

#5
Насчет проблемы простоты. В квантовой механике все предельно просто. Есть электроны с набором свойств, атомные ядра с определенным зарядом, есть электромагнитные силы и есть несколько постулатов КМ. Из этого выводится все многообразие химических веществ и их реакций, строение молекул.

Проблема именно в том, чтобы смириться со "странным" математическим аппаратом КМ. Он очень непривычный и для подсчета требуется огромные вычислительные мощности.

> Проще для сознания – аналогия квантовых элементов и их состояний с макромиром

Проводить аналогии постулатов КМ с макромиром принципиально некорректно, это приводит к искаженному пониманию, то есть к непониманию.

Имеется большая проблема – как объяснить КМ на пальцах человеку, не прибегая к математическим выкладкам. Нужно вводить новые понятия, привыкать к странностям и необычным свойствам частиц, которые никак нельзя предствить в нашей голове.

> Если теория работает в своих границах, то она верна

Теория не обязательно должна быть верной, чтобы работать.

У древних людей была теория, что Солнце и планеты вращались вокруг Земли. Все было объяснено так, что теория имела отличную предсказательную силу. Она отлично работала в своих границах и считалась верной.

Нет критерия, по которому можно определить верна теория или нет. Такой вопрос вообще не ставится наукой.

Истину "изучают" религия, эзотерика и прочие направления.

*
частично перенесено в http://vkontakte.ru/topic-3090109_23880933

>"В квантовой механике все предельно просто."

Отнюдь.

>"Проводить аналогии постулатов КМ с макромиром принципиально некорректно, это приводит к искаженному пониманию, то есть к непониманию"

Это верно. Человеку, незнающего математику, если объяснить КМ аналогиями с макромиром, не овладеть КМ. Это введёт ещё большую неразбериху.

>"Имеется большая проблема – как объяснить КМ на пальцах человеку, не прибегая к математическим выкладкам. Нужно вводить новые понятия, привыкать к странностям и необычным свойствам частиц, которые никак нельзя предствить в нашей голове."

Объяснять человек КМ "на пальцах" нет смысла. Хочешь сколь нибудь понять КМ? Занимайся этим. Учи математику и т.д.

*
частично перенесено в http://vkontakte.ru/topic-3090109_23880933

*
перенесено в http://vkontakte.ru/topic-3090109_23880933

*
перенесено в http://vkontakte.ru/topic-3090109_23880933

*
перенесено в http://vkontakte.ru/topic-3090109_23880933

Переброска единичных фотонов по открытому воздуху на 144 километра может показаться причудой, но таким способом учёные пытаются решить одну из самых глубоких проблем фундаментальной физики, затрагивающей даже философию. Яркий опыт, результат которого опубликован только что, убедительно поддерживает квантовую механику и положение, гласящее, что реальность не может быть корректно описана в рамках классической физики.

http://www.membrana.ru/articles/global/2010/12/01/13…

_________________________________

Я не стал публиковать всю новость, так как я там ничего не понял. Может кто-то пояснит серьезная ли она и в чем суть?

Эта новость описывает более точное экспериментальное подтверждение одного из аспектов квантовой теории.

Речь идет о явлении квантовой запутанности, согласно которому два одновременно запущенных фотона могут быть "связаны" друг с другом, так что изменение состояния одного из них мгновенно (быстрее скорости света) изменит состояние другого вне зависимости от расстояния между ними.

Обычно свободно движущаеся квантовая частица "одновременно занимает несколько положений" в пространстве, и вероятность найти ее в данном положении определяется как раз этой волновой функцией.

Если мы проводим измерение, волновая функция измеряемой частицы "коллапсирует", то есть частица перестает проявлять несколько свойств одновременно и проявляет наблюдателю вполне определенное свойство.

Запуская два запутанных фотона в противоположных направлениях, и измеряя свойство одного из этих фотонов, второй фотон должен мгновенно проявить точно такое же свойство, то есть его волновая функция должна коллапсировать. Этот второй фотон можно позднее измерить и убедиться в этом.

Выражаясь простыми словами, представьте, что у вас два кошелька, в которых должны находяться купюры одной и той же валюты (доллары или евро). Но вам неизвестно, что именно там находится. В квантовом мире эта неизвестность заключается не в том, что наблюдатель просто не знает что внутри, а в том, что купюры в кошельке сами не знают являются они долларами или евро (они и то и другое одновременно) – до тех пор пока кошельки не открыты, что аналогично измерению.

Теперь вы отправляете один кошелек в другую галлактику, а второй открываете на Земле и оказывается, что там евро. Согласно КМ, купюры в удаленном кошельке сразу должны определиться, что они тоже являются евро – вне зависимости от расстояния.

Вот эту теорию и проверили в очередной раз в более контролируемых условиях.

Тут надо понимать, что нет никакого противоречия с теорией относительности, потому что информация при таком опыте не передается. Запутанные фотоны являются по сути одним и тем же объектом. Как будто это отражение одного и того же объекта в двух разных зеркалах, расположенных на одинаковом расстоянии от объекта. Зеркала могут быть на каком угодно расстоянии друг от друга, отражения объекта всегда будут синхронизированны в времени. Ведь действия производятся объектом, а не его отражением.

Отсюда и философский вопрос – может действия реально происходят не в нашем мире, а где-нибудь за кулисами? При этом на наше трехмерное пространство это все проецируется.

Заодно я привел пример описания КМ "на пальцах" – без математики.

Спасибо, Сергей, я все понял и было очень интересно. А главное выяснилось преимущество объяснения "на пальцах", перед математическим.

Исследование на границе топологии и квантовой механики предполагает существование совершенно новой формы материи.

Еще в 1970 году Виталий Ефимов, который в настоящее время работает в Университете штата Вашингтон (США), показал, что квантовые объекты, которые не могут образовывать меду собой пары, могут формировать тройки.

В 2006 году группа австралийских ученых обнаружила первый пример этого так называемого «состояния Ефимова» в холодном газе, состоящем из атомов цезия.

Сегодня Нильс Баас (Nils Baas) из Норвежского университета естественных и технических наук сделал другое смелое предсказание. Он утверждает, что странные связи, удерживающие вместе тройки атомов цезия, могут сформировать и более сложные структуры. Мы на грани открытия новой формы вещества, подчиняющейся незнакомой нам области физики, говорит Баас.

Лауреат Нобелевской премии по физике Мюррей Гелл-Манн однажды заметил, что «Все, что не запрещено – является обязательным». Возможно, теория Бааса раскрывает всю глубину этого утверждения.

http://www.popmech.ru/article/8281-drugaya-materiya/

10-летние эксперименты, проведенные в Британском Университете ICL, выявили форму электрона со сверх-высокой точностью. Электрон оказался почти идеальной сферой с погрешностью 0.000000000000000000000000001 cm. Это означает, что если увеличить электрон до размеров всей солнечной системы, то погрешность его сферичности будет не более толщины человеческого волоса.

Интересно, что теория предсказывает, что электрон должен быть немного асферичным, что должно проявляться в виде наличия небольшого электрического дипольного момента. Стандартная модель предсказывает, что этот дипольный момент на 11 порядков меньше достижимой сегодня точности измерений, однако многие дополнения к стандартной теории предсказывают намного больший дипольный момент электрона.

Таким образом данное исследование является эффективным способом поиска новых теорий и проверку всевозможных дополнений к Стандартной модели.

Величина дипольного момента электрона также может помочь ответить на вопрос почему во Вселенной так мало анти-вещества.

http://www.sciencedaily.com/releases/2011/05/1105251…
http://www.nature.com/nature/journal/v473/n7348/full…

#13: "При этом на наше трехмерное пространство это все проецируется."
Вот это, черт побери, я и пытаюсь всем и везде объяснить.

Денис Белов
кто то слышал про принцип Гейзенберга? наука уже ввела неизвестность в описание нашего мира, так о какой фатальности может идти речь?
28 мая 2011 в 14:19

Альберт Князьков
Денис, ну уж… Принципы квантовой механики не распространяются на наш макромир. Там все другое: зависимости, представления, формулы… Хотя… Кто знает?..
сегодня в 3:37

Дмитрий Степнов
>"Принципы квантовой механики не распространяются на наш макромир"

С чего Вы взяли? Ещё как распространяются.
сегодня в 5:04

Альберт Князьков
Да-а? Ссылки!
сегодня в 5:18

Дмитрий Степнов
Какие такие ссылки???????
Книги!!

Я лишь назову некоторые совершенно явные макроскопические явления, которые носят прямой квантовый характер.

Сверхпроводимость, сверхтекучесть, работа лазера, эффект Казимира, туннельные диоды, джемперы, транзисторы, поглощение, испускание и отражение света и много-много-много всего (вообще всё) Квантовая механика может объяснить практически всё! От устойчивости атома до химических реакций и т.д.

Я, например, люблю людям объяснять с точки зрения квантовой теории отражение света. Никогда не задавались вопросом, почему угол падения = углу отражения? А там всё очень интересно. Из сплошных вероятностей выстраивается изящные закономерности.

Вообще, классическая механика – предельный случай квантовой. Формально переход осуществляется как h -> 0. Если Вы не имеете сколь-нибудь многого представления о квантовой механике, то придётся поверить наслово. (если конечно хотите) Если не верите, придётся в этом разобраться самому и не по ссылкам, а по книгам.

Ды и вообще, если Вас устроит, то можно рассудить так: мир состоит из атомов. Атом – квантовый объект и следовательно – мир подчиняется законам квантовой механики.

На счёт фаталистов и судьбы. Мир сам не знает, что с ним будет в следующий момент времени. Предопределённость полностью отсутствует.
сегодня в 5:42