Д. В. Петрова УДИВИТЕЛЬНЫЕ ПРИМЕРЫ

Д. В. Петрова
УДИВИТЕЛЬНЫЕ ПРИМЕРЫ ОТЛИЧИЯ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ ОТ КЛАССИЧЕСКОЙ Работа представлена кафедрой методики обучения физике. Научный руководитель – доктор физико-математических наук, профессор А. А. Гриб
При изучении квантовой механики студентам часто бывает сложно воспринимать принципы этой области физики. Она обладает некоторыми чертами, которые необычны в классической механике. Чтобы понять, как квантовый мир отличается от классического, можно предложить несколько задач.
Ключевые слова: физика, квантовая механика, волновая функция, вероятность, мысленный квантовый эксперимент.
Физика возникла как наука о природе, в которой для описания физических законов используются точные математические методы. Классическая физика была создана в Средние века. Квантовая физика возникла в начале XX в. Как известно, в основе классической физики лежит механика, а в ее основе – законы Исаака Ньютона. В основе квантовой механики лежит принцип суперпозиции состояний. Итак, между ними существуют принципиальные отличия.
Классическая физика является наукой детерминированной, случайность в ней обычно связывается с нашим незнанием. В квантовой физике вероятность имеет фундаментальное значение и не связана с нашим незнанием. В классической физике можно думать, что мы описываем природу как она есть сама по себе, независимо от используемых нами средств наблюдения. В квантовой физике это не так, результат наблюдения принципиально зависит от того, каким прибором мы пользуемся.
Интересно более подробно остановиться на примерах, иллюстрирующих различия между этими теориями. Как известно, в классической физике исследуемый объект находится лишь в каком-то одном или в другом состоянии. К примеру, учащийся может бегать на улице или кушать в столовой. Однако он не может быть в этих двух местах в одно и то же время, что могло бы соответствовать суперпозиции этих состояний.
Тем не менее в природе для микрочастиц имеет место и совершенно другая ситуация, когда объект находится в суперпозиции состояний. Иными словами, происходит наложение двух или большего числа состояний друг на друга без какого-либо взаимного влияния. Например, экспериментально доказано, что один объект, который мы, по привычке, называем частицей, может как бы одновременно проходить через две щели в непрозрачном экране. Частица, проходящая через первую щель, – это одно состояние, та же частица, проходящая через вторую, – другое. И эксперимент показывает, что наблюдается сумма этих состояний. В таком случае говорят о суперпозиции состояний, или о чисто квантовом состоянии. Речь идет о квантовой суперпозиции (когерентной суперпозиции), т. е. о суперпозиции состояний, которые не могут быть реализованы одновременно с классической точки зрения. Состояния квантовой частицы описываются посредством так называемой волновой функции, которую также называют вектором состояния [4, с. 7–10]. Можно сказать, что волновая функции описывает «программу» поведения электронов. Как в компьютере есть «железо» и программа, так и в квантовом мире электрон (частица) играет роль «железа», а волновая функция – программы. Программа описывает, что можно делать электрону, а что нельзя. Существуют различные программы его поведения, они зависят от условий наших наблюдений. Когда меняется прибор наших наблюдений, меняется и программа. Можно сравнить это с воздействием красного или зеленого сигнала на автомобилиста. Это не физическое воздействие, однако оно задает действие водителя. В соответствии с программой, которая задается водителю светофором, он едет дальше или останавливается.
Для того чтобы разобраться в этих понятиях, можно рассмотреть классический двухщелевой эксперимент, который был описан Фейнманом. Из него следует, что когда наблюдатель смотрит на электрон и фиксирует его состояние, то электрон ведет себя как обычная частица. А когда наблюдатель на него не смотрит, электрон проявляет волновые свойства. (Действительно, электрон ведет себя как волна, но это не обычная, физическая волна, а комплексная волна вероятности, которую невозможно увидеть.)
Так, электрон как бы «чувствует», что за ним смотрят, и ведет себя в соответствии с действиями наблюдателя. Выходит, наблюдение как бы «вырывает» объект из совокупности неопределенных квантовых состояний и переводит его в проявленное, наблюдаемое состояние [5, с. 199–212].
Оказывается, если измерение, проведенное над классической системой, может и не оказать никакого влияния на ее состояние, для квантовой системы это не так. В связи с этим интересно разобрать некоторые задачи вместе со студентами, которые проиллю стрируют различия классического и квантового миров. Итак, любопытен следующий случай, предложенный Элитзуром и Вайдманом [2]: ниже представлен интерферометр, имеющий два оптических входа (рис. 1).
Фотон выстреливается в точку 1, где установлено полупрозрачное зеркало. Он может попасть в точку 3, пройдя по пути 1–2–3, либо 1–4–3. Если нет возможности проверить, по какому пути прошел фотон, то в точке 3 мы будем наблюдать интерференцио

Результаты (вьетнамский) 1:

D. V. Petrov Các ví DỤ tuyệt VỜI của sự khác BIỆT về vật LÝ lượng TỬ TỪ CỔ làm việc được trình bày tại Cục vật lý giảng dạy phương pháp. Giám sát viên tiến sĩ khoa học vật lý và toán học, giáo sư a. a. Grib Khi nghiên cứu cơ học lượng tử học sinh thường là khó khăn để nhận thức điều này vật lý nguyên tắc. Đô thị này có một số tính năng bất thường trong cơ học cổ điển. Để hiểu làm thế nào thế giới lượng tử khác với các cổ, bạn có thể cung cấp một vài công việc. Từ khóa: Vật lý, cơ học lượng tử, hàm sóng, xác suất, lượng tử nghĩ rằng thử nghiệm.Физика возникла как наука о природе, в которой для описания физических законов используются точные математические методы. Классическая физика была создана в Средние века. Квантовая физика возникла в начале XX в. Как известно, в основе классической физики лежит механика, а в ее основе – законы Исаака Ньютона. В основе квантовой механики лежит принцип суперпозиции состояний. Итак, между ними существуют принципиальные отличия. Классическая физика является наукой детерминированной, случайность в ней обычно связывается с нашим незнанием. В квантовой физике вероятность имеет фундаментальное значение и не связана с нашим незнанием. В классической физике можно думать, что мы описываем природу как она есть сама по себе, независимо от используемых нами средств наблюдения. В квантовой физике это не так, результат наблюдения принципиально зависит от того, каким прибором мы пользуемся. Интересно более подробно остановиться на примерах, иллюстрирующих различия между этими теориями. Как известно, в классической физике исследуемый объект находится лишь в каком-то одном или в другом состоянии. К примеру, учащийся может бегать на улице или кушать в столовой. Однако он не может быть в этих двух местах в одно и то же время, что могло бы соответствовать суперпозиции этих состояний. Тем не менее в природе для микрочастиц имеет место и совершенно другая ситуация, когда объект находится в суперпозиции состояний. Иными словами, происходит наложение двух или большего числа состояний друг на друга без какого-либо взаимного влияния. Например, экспериментально доказано, что один объект, который мы, по привычке, называем частицей, может как бы одновременно проходить через две щели в непрозрачном экране. Частица, проходящая через первую щель, – это одно состояние, та же частица, проходящая через вторую, – другое. И эксперимент показывает, что наблюдается сумма этих состояний. В таком случае говорят о суперпозиции состояний, или о чисто квантовом состоянии. Речь идет о квантовой суперпозиции (когерентной суперпозиции), т. е. о суперпозиции состояний, которые не могут быть реализованы одновременно с классической точки зрения. Состояния квантовой частицы описываются посредством так называемой волновой функции, которую также называют вектором состояния [4, с. 7–10]. Можно сказать, что волновая функции описывает «программу» поведения электронов. Как в компьютере есть «железо» и программа, так и в квантовом мире электрон (частица) играет роль «железа», а волновая функция – программы. Программа описывает, что можно делать электрону, а что нельзя. Существуют различные программы его поведения, они зависят от условий наших наблюдений. Когда меняется прибор наших наблюдений, меняется и программа. Можно сравнить это с воздействием красного или зеленого сигнала на автомобилиста. Это не физическое воздействие, однако оно задает действие водителя. В соответствии с программой, которая задается водителю светофором, он едет дальше или останавливается. Для того чтобы разобраться в этих понятиях, можно рассмотреть классический двухщелевой эксперимент, который был описан Фейнманом. Из него следует, что когда наблюдатель смотрит на электрон и фиксирует его состояние, то электрон ведет себя как обычная частица. А когда наблюдатель на него не смотрит, электрон проявляет волновые свойства. (Действительно, электрон ведет себя как волна, но это не обычная, физическая волна, а комплексная волна вероятности, которую невозможно увидеть.) Так, электрон как бы «чувствует», что за ним смотрят, и ведет себя в соответствии с действиями наблюдателя. Выходит, наблюдение как бы «вырывает» объект из совокупности неопределенных квантовых состояний и переводит его в проявленное, наблюдаемое состояние [5, с. 199–212]. Оказывается, если измерение, проведенное над классической системой, может и не оказать никакого влияния на ее состояние, для квантовой системы это не так. В связи с этим интересно разобрать некоторые задачи вместе со студентами, которые проиллю стрируют различия классического и квантового миров. Итак, любопытен следующий случай, предложенный Элитзуром и Вайдманом [2]: ниже представлен интерферометр, имеющий два оптических входа (рис. 1). Фотон выстреливается в точку 1, где установлено полупрозрачное зеркало. Он может попасть в точку 3, пройдя по пути 1–2–3, либо 1–4–3. Если нет возможности проверить, по какому пути прошел фотон, то в точке 3 мы будем наблюдать интерференцио

Результаты (вьетнамский) 2:

DV Petrov
ví dụ tuyệt vời của sự khác biệt giữa vật lý hạt được biểu diễn tác phẩm kinh điển của Sở phương pháp của vật lý giảng dạy. Giám sát viên - Tiến sĩ Vật lý và Toán học, giáo sư A. Grib
nghiên cứu của cơ học lượng tử, sinh viên thường cảm thấy khó khăn để có những nguyên tắc của vật lý. Nó có một số tính năng mà là không bình thường trong cơ học cổ điển. Để hiểu làm thế nào thế giới lượng tử là khác nhau từ cổ điển, bạn có thể cung cấp một số thách thức.
Từ khóa: vật lý, cơ học lượng tử, hàm sóng, xác suất, thí nghiệm lượng tử tâm thần.
Vật lý nổi lên như là một môn khoa học tự nhiên, trong đó các phương pháp toán học chính xác được sử dụng để mô tả các định luật vật lý. vật lý cổ điển đã được tạo ra trong thời Trung Cổ. Vật lý lượng tử xuất hiện trong đầu của thế kỷ XX. Như được biết, cơ sở của vật lý cổ điển là cơ khí, và nó được dựa - pháp luật của Isaac Newton. Tại trung tâm của cơ học lượng tử là nguyên tắc của sự chồng chất của các quốc gia. Vì vậy, có sự khác biệt cơ bản giữa chúng.
Các vật lý cổ điển là khoa học về tai nạn xác định nó thường được kết hợp với sự thiếu hiểu biết của chúng tôi. Trong vật lý lượng tử, xác suất là có tầm quan trọng cơ bản và không được kết nối với sự thiếu hiểu biết của chúng tôi. Trong vật lý cổ điển, người ta có thể nghĩ rằng chúng tôi mô tả thiên nhiên vì nó là của riêng mình, bất kể phương tiện quan sát của chúng tôi. Trong vật lý lượng tử, nó không phải là kết quả của sự quan sát về cơ bản phụ thuộc vào cách các thiết bị chúng tôi sử dụng.
Nó là thú vị để xây dựng trên các ví dụ để minh họa sự khác biệt giữa các giả thuyết này. Như bạn đã biết, trong vật lý cổ điển của các đối tượng được nghiên cứu là chỉ trong một hay ở tiểu bang khác. Ví dụ, học sinh có thể chạy xung quanh trên đường phố hoặc ăn trong phòng ăn. Tuy nhiên, nó có thể không được ở hai nơi cùng một lúc, đó sẽ tương ứng với sự chồng chất của các nước này.
Tuy nhiên vi hạt tự nhiên xảy ra tình huống hoàn toàn khác, khi đối tượng là một sự chồng chất của các quốc gia. Nói cách khác, đó là một sự chồng chất của hai hoặc nhiều điều kiện với nhau mà không có bất kỳ ảnh hưởng lẫn nhau. Ví dụ, các thí nghiệm đã chứng minh rằng một trong những đối tượng mà chúng ta, theo thói quen, gọi là hạt, cả hai có thể được đồng thời đi qua hai khe trong một màn hình mờ đục. Một hạt đi qua các khe đầu tiên - đây là một điều kiện, hạt giống đi qua thứ hai - người kia. Và thí nghiệm cho thấy rằng tổng của các nước này được quan sát thấy. Trong trường hợp này chúng ta nói về một sự chồng chất của các quốc gia, hoặc các trạng thái lượng tử tinh khiết. Đây là một sự chồng chất lượng tử (mạch lạc chồng chất), t. E. Một sự chồng chất của các quốc gia, trong đó không thể được thực hiện đồng thời với thời điểm cổ điển của xem. Các trạng thái của các hạt lượng tử được mô tả bởi hàm sóng cái gọi là, mà cũng được gọi là vector trạng thái [4, tr. 7-10]. Chúng tôi có thể nói rằng hàm sóng mô tả các "chương trình" của các hành vi của các electron. Khi máy tính có "sắt" và các chương trình, và trong thế giới lượng tử, các electron (hạt) đóng vai trò của "sắt" và hàm sóng - chương trình. Chương trình mô tả những gì có thể được thực hiện bằng điện tử, và những gì không. Có một loạt các chương trình của hành vi, họ phụ thuộc vào các điều kiện của các quan sát của chúng tôi. Khi thay đổi các đơn vị quan sát của chúng tôi, và những thay đổi chương trình. Bạn có thể so sánh với sự ảnh hưởng của tín hiệu màu đỏ hoặc xanh lá cây cho người lái xe. Đây không phải là một tác động vật lý, nhưng nó đặt ra các hành động của người lái xe. Theo chương trình, được thiết lập bởi người lái xe một đèn giao thông, ông ấy tiếp tục hay dừng lại.
Để hiểu được những khái niệm này, bạn có thể xem các thí nghiệm khe đôi cổ điển, đã được mô tả bởi Feynman. Từ đó suy ra rằng khi người quan sát nhìn vào các electron và sửa chữa tình trạng của ông, electron cư xử giống như một hạt bình thường. Và khi người quan sát không nhìn anh, các cuộc triển lãm điện tử sóng bất động sản. (Trên thực tế, các electron cư xử như một làn sóng, nhưng điều này là không bình thường, sóng vật lý và một làn sóng phức tạp về xác suất, mà không thể được nhìn thấy.)
Ví dụ, các electron khi nó "cảm thấy" hoàn toàn mới cho anh, và hoạt động phù hợp với các hành động của người quan sát. Vì vậy, thấy như thể "giật" đối tượng từ tập các trạng thái lượng tử không xác định, và chuyển nó thành những biểu hiện, nhà nước quan sát được [5, tr. 199-212].
Nó chỉ ra, nếu phép đo được thực hiện trên hệ thống cổ điển, và không thể có bất kỳ ảnh hưởng đến tình trạng của mình, cho một hệ lượng tử không phải là. Về vấn đề này, nó là thú vị để làm cho ra một số nhiệm vụ cùng với các sinh viên proillyu khác biệt strate thế giới cổ điển và lượng tử. Vì vậy, tò mò các trường hợp sau đây, các đề xuất Elitzurom Weidmann và [2] dưới đây cho thấy một giao thoa có hai đầu vào quang (Hình 1).
Một photon bắn tại điểm 1, nơi đặt gương bán trong suốt. Ông có thể nhận được điểm 3, đi dọc theo con đường một 1-2-3 hoặc 1-4-3. Nếu bạn không thể xác minh rằng các photon đi cách đó, tại điểm 3, chúng ta sẽ thấy sự giao thoa