ПОНЯТИЕ КВАНТА И ЕГО ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ

THE CONCEPT OF A QUANTUM AND ITS PHYSICAL MEANING

Iuliia Bobrova

Student, Department of Physical and Mathematical Disciplines and Vocational and Technological Education, Ishim pedagogical institute named after P. P. Yershov (branch) of Tyumen state university,

Russia, Ishim

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматривается развитие взглядов на изучение понятие «кванта». Квантовая теория описывает три из четырех фундаментальных видов взаимодействий – электромагнитное, сильное и слабое. И в настоящее время продолжается активное изучение данной области физики. Однако в основу данной работы было положено изучение истории открытия самого понятия «квант».

ABSTRACT

This article discusses the development of views on the study of the concept of "quantum". Quantum theory describes three of the four fundamental types of interactions – electromagnetic, strong and weak. And currently, the active study of this field of physics continues. However, this work was based on the study of the history of the discovery of the concept of "quantum" and its physical meaning.

Ключевые слова: квант, квантовая физика, элементарные частицы.

Keywords: quantum, quantum physics, elementary particles.

Понятие кванта относится к дискретным единицам материи и энергии, которые предсказываются и наблюдаются в квантовой физике. Даже пространство и время, которые кажутся чрезвычайно непрерывными, имеют наименьшие возможные значения.

Рождение квантовой физики приписывается работе Макса Планка 1900 года об излучении черного тела. Разработкой поля занимались Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Нильс Бор, Ричард Фейнман, Вернер Гейзенберг, Эрвин Шредингер и другие светила в этой области.

В области квантовой физики основным методом, который  действительно влияет на происходящие физические процессы, является «наблюдение». Например, именно он позволил установить то, что световые волны действуют как частицы, а частицы действуют как волны. Материя может переходить из одной точки в другую, не двигаясь через промежуточное пространство, при этом информация мгновенно перемещается на огромные расстояния.

В 1925 году Вернер Гейзенберг сформулировал теорию квантовой механики. Метод Гейзенберга требовал работы с матрицами. Подход Гейзенберга включал два компонента [Юшкевич, с.24]::

1. Полный набор частот, на которых излучает атом вследствие квантового скачка;
2. Вероятности, в соответствии с которыми происходят скачки;

Замысел матричной механики заключался в том, что физические величины, характеризующие частицу, описываются матрицами, изменяющимися во времени.

Совершенно другой подход предложил Эрвин Шрёдингер, предложив теорию волновой механикой. Он сказал, что любая материя существует в виде волн.

Волновое уравнение, сформулированное Шрёдингером, относится к ненаблюдаемой величине. Квадрат модуля этой величины показывает распределение вероятности обнаружить частицу в различных точках пространства, то есть отдельная частица представляется как волна, распределённая по всему пространству [Шпольский, с. 146]. Из его метода описание материи стало статистическим, то есть вероятностным.

В квантовой механике Вселенная представляет собой ряд вероятностей. Однако эта теория ломается при работе с большими объектами, как показал мысленный эксперимент Шредингера с кошкой [Фаддеев, с. 67]. Суть эксперимента следующая:

Один из самых известных экспериментов – «Кот Шредингера», проведен австрийским физиком-теоретиком Эрвином Шредингером. С его помощью ученый хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим системам. Так как, следуя основам квантовой механики, если над ядром атома не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением двух состояний – распавшегося ядра и нераспавшегося ядра. Из этого следует, что кот, которого поместили в ящик, олицетворяет ядро атома – он и жив, и мёртв одновременно. При открытии ящика экспериментатор увидит конкретное состояние – «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив». Этот опыт позволил выявить некоторые существенные изъяны квантовой механики.

Результаты исследования Шрёдингера активно применяется и по сей день. Например,  световой сигнал, находящийся в суперпозиции двух состояний, посылаемый по  оптоволоконному кабелю нашел применение в квантовой криптографии. Рассмотрим ситуацию, что злоумышленники делают отвод сигнала посередине кабеля (для прослушки информации). В тот же момент происходит схлопывание волновой функции, и свет переходит в одно из состояний. Данное действие помогает определить – продолжает ли еще свет находиться в суперпозиции состояний, либо над ним уже было проведено наблюдение, с целью передачи в другой пункт назначения. Подобное решение позволяет создавать средства связи, исключающие незаметность перехвата сигнала.

Список литературы:

1. Юшкевич, А. П., История математики в средние века / М., Дрофа, 1961
2. Фаддеев, Л.Д., Якубовский, О.А. Лекции по квантовой механике для студентов-математиков. Л.: ЛГУ, 1980
3. Шпольский, Э.В. Атомная физика. Т. 2. Основы квантовой механики и строение электронной оболочки атома (4-е издание). М.: Наука, 1974