Świat, jaki znamy, składa się z maleńkich cząstek, których zachowanie jest naprawdę dziwne. W tym celu mechanika kwantowa jest tak ważny: dokładnie opisuje istotę materii: atomy, molekuły i fale.
Ale czym jest mechanika kwantowa? Dowiedzmy się razem!
KONTEKST HISTORYCZNY
jesteśmy między koniec XIX wieku i Pierwsza wojna światowa. Musimy sobie wyobrazić, że wszystko zmienia się bardzo szybko: nadchodzi oświetlenie elektrycznezostały tam wynalezione radio, samochódten kino oraz wiele innych udogodnień, które ułatwiają życie wielu ludziom na całym świecie.
Ten okres nazywa się Belle Epoquefrancuskiej „pięknej epoki”, w której artyści i naukowcy poruszają się we wszystkich wielkich stolicach Europy, we wszystkich miejscach, gdzie oddycha się klimat wielkiego optymizmu.
Również fizyka od lat przeżywa swoją Belle Époque: naukowcy są przekonani, że mają ją w swoich rękach pełny widok na cały wszechświat!
Uważają, że mogą opisać wszystkie zjawiska naturalne dzięki trzem ważnym teoriom: klasyczna mechanika Newtonaco wyjaśnia ruch ciałI’elektromagnetyzm co mi wyjaśnia? zjawiska elektryczne i magnetyczne i mechanika statystyczna. Ta ostatnia to nowa i dziwna dyscyplina, która chce się uczyć, jak charakterystyka się zmieniana przykład ciśnienie, objętość i temperatura układu złożonego z wielu cząstek (jak gaz!).
Jak uczy nas historia, odpowiedzi często prowadzą tylko do innych pytań… I tak właśnie stało się między końcem XIX a początkiem XX wieku.
W tym okresie panuje wielka rozwój technologiczny to pozwala, krok po kroku, mierzyć rzeczy, których wcześniej nie można było zmierzyć. Na przykład instrumenty, które umożliwiają wykonywanie pomiarów w bardzo niskich temperaturach lub badanie tego, co dzieje się w warunkach zbliżonych do próżni.
To, co dziś uważamy za oczywiste, jak istnienie atomów albo struktura cząsteczekbyła wówczas nieznana lub słabo rozumiana, a możliwość przeprowadzania praktycznych eksperymentów pozwoliła nam pogłębić badanie tego, jak powstaje otaczająca nas materia.
W miarę pogłębiania się obserwacji pojawiały się niespójności, zjawiska, które… nie da się wytłumaczyć znaną fizyką…
Dziwactwa mechaniki kwantowej
Pojęcie «ile» został wprowadzony przez maksymalna deska w 1900: aby zrozumieć, czym są kwanty (więcej mówimy poniżej), musimy zacząć wyjaśnienie paradoksu efektu fotoelektrycznego: tutaj możemy zidentyfikować narodziny mechaniki kwantowej.
Autorem odkrycia był wielki naukowiec Alberta Einsteina który za tę teorię zdobył Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki! Aby wyjaśnić, czym jest efekt fotoelektryczny i wynikający z niego paradoks, skontaktowaliśmy się Paulo Umari to wUniwersytet w Padwiezajmuje się fizyką materii i uczy mechaniki kwantowej.
„Na początek musimy zrozumieć, co promieniowanie elektromagnetyczne. jeśli myślimy o metalowy przedmiot rozgrzany ogniem wiemy, że po chwili staje się rozżarzony i rozżarzony. Ten emitowane światło To tylko promieniowanie elektromagnetyczne”.
Na początku ubiegłego wieku zauważono, że biorąc kawałek metalu i wysyłając do niego promieniowanie elektromagnetyczne, niektóre można było zaobserwować elektrony uciekają metalu. Stało się tak tylko wtedy, gdy częstotliwość światła przekroczył pewną wartość a to zaprzeczało teoriom związanym z fizyką klasyczną.
„Według Einsteina promieniowanie elektromagnetyczne podróżować w „paczkach” które mają pewną energię i nazywają się fotony. Tylko opakowania, które mają określoną energię, wyższa niż wartość granicznamogą spowodować ucieczkę elektronów z metalu. «
Te pakiety to kwanty.
Z tym wyjaśnieniem narodziła się mechanika kwantowa, ale natychmiast zaczęły się dziwactwa. Teoria elektromagnetyczna mówi nam, że światło jest falą; Einstein tak mówi to jest cząsteczkafoton.
Światło ma czasem faliste, a czasem korpuskularne zachowanie. Ale to nie wszystko, nawet cząstki materiijak elektrony czasami zachowują się jak fale!
Może się zdarzyć na przykład, że niektóre elektrony są w stanie przekroczyć barierę bez żadnego widocznego wyjaśnienia. Nazywa się efekt tunelowy i możemy sobie wyobrazić tak:
„Chłopiec jeździ na deskorolce i stoi z przodu przeszkoda. Wiemy, że może dojść do szczytu przeszkody i posuwać się naprzód tylko wtedy, gdy na początku miał wystarczającą prędkość. Nie dzieje się tak z elektronami, które mogą znajdować się poza przeszkodą nawet bez posiadania niezbędnej energii przezwyciężyć to!”
Z całym tym bałaganem fal i cząstek, jak możemy znaleźć? granica między światem kwantowym a światem niekwantowym?
Nie wiadomo jeszcze, to wciąż otwarty kierunek studiów. wiemy, że to łyżwiarz na zdjęciu powyżej nie może myśleć o pokonaniu przeszkody w nadziei na pomoc fizyki kwantowej!
MECHANIKA KWANTOWA
Zrozumienie podstaw mechaniki kwantowej stopniowo sprawiło, że stało się to możliwe tworzenie wielu aplikacji i urządzeń.
„Jedną z najważniejszych technologii opartych na mechanice kwantowej jest tranzystor, podstawowy element całej elektroniki. Krótko mówiąc, nie ma mechaniki kwantowej nie mielibyśmy nawet rocka!«
Profesor Paolo Umari to zdanie wypowiedziane dla zabawy, ale podstawową rzeczą, o której należy pamiętać, jest to, że fizyka kwantowa znajdujemy się wszędzie wokół nas.
Komórka, wyświetlacz ciekłokrystaliczny, laser. Co więcej, mechanika kwantowa wraz z elektromagnetyzmem umożliwiły szczegółowe wyjaśnienie zjawisk chemicznych!
Jeśli mówimy o zastosowaniach mechaniki kwantowej, nie możemy zapomnieć o najbardziej egzotycznym: idei budowania bogów komputery kwantowe.
U podstaw tej teorii leży coś, co nazywa się splątanieto jest możliwość „Synchronizuj” dwie cząstkina przykład elektrony. Samego siebie rozdzielę się te dwa zsynchronizowane elektrony zdarzają się tak, jeśli coś zmienię w pierwszymnatychmiast będziesz miał zmianę również w drugim!
Komputery kwantowe pracowałyby z określoną liczbą zsynchronizowanych ze sobą cząstek i pozwalałyby rozwiązywać problemy bogów złożone problemy znacznie szybciej niż normalne komputery.
Tam rozkładanie liczby na liczby pierwsze!
Wydaje się, że znalezienie liczb pierwszych, które po pomnożeniu daje nam liczbę początkową, jest łatwym zadaniem, ale tak nie jest. Do duże liczby tradycyjny komputer zajmuje dużo czasu, ale kwant powinien to zrobić w kilka sekund!