Необходимость квантовой физики

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение Самарской области средняя общеобразовательная школа номер 1

имени Героя Советского Союза Зои Космодемьянской г. о. Чапаевск Самарской области.

Индивидуальный проект

“Необходимость квантовой физики”

Выполнил:

Данилов Михаил Михайлович, ученик 9а класса

Куратор проекта:

 Алёша Валентин Анатольевич

2022 год

Оглавление

Введение         3

ГЛАВА 1. Что же такое квантовая физика?

1. Квантовая физика?         5
2. Отличие от классической физики         7
3. Основные квантовые теории         8
4. Состояние квантовой физики в настоящее время         11

ГЛАВА 2. Квантовый мир.

2.1.    Строение квантового мира          12

2.2.    Процессы в квантовой физике          13

2.3.    Место в науке и технике         15  

ГЛАВА 3. Будущее квантовой физики.

3.1.    Квантовая энергетика         16

3.2.    Квантовые технологии         17

Заключение         19

Список используемой литературы         20

Введение

 Что особенного в квантовой физике? В области квантовой физики наблюдение чего-либо действительно влияет на происходящие физические процессы. Световые волны действуют как частицы, а частицы действуют как волны (так называемый корпускулярно-волновой дуализм ). Материя может перемещаться из одного места в другое, не проходя через промежуточное пространство (так называемое квантовое туннелирование). Информация мгновенно перемещается на огромные расстояния. Фактически, в квантовой механике мы обнаруживаем, что вся вселенная на самом деле представляет собой ряд вероятностей. К счастью, он ломается при работе с большими объектами, как продемонстрировал мысленный эксперимент Шредингеровского кота.

 В данной работе я хотел бы показать, насколько сейчас важна квантовая физика, кванты в целом, и насколько необходимо их тщательное изучение.

Актуальность этой работы связана с огромным значением квантовой энергетики в ближайшем будущем, выявлением от нее пользы и вреда.

Цель: Рассмотреть предпосылки возникновения квантовой физики, её отличие от классической физики. Понять значение основных теорий квантовой физики и квантовой энергетики в наше время.

Задачи:

1. С помощью научной литературы разъяснить процессы, происходящие в квантовой физике;
2. Узнать её место в науке и технике;
3. Рассмотреть строение квантового мира;
4. Убедиться в необходимости использования квантовой физики в наше время.

Гипотеза: Возможно, этот исследовательский проект поможет понять структуру микромира, окружающего нас.

1. Что же такое квантовая физика?

1.1. Квантовая физика?

 21 век-век технологий и великих открытий, как когда-то в веке Великих открытий и исследований. Конечно же, время идет, многое в нашей жизни меняется. Когда-то считалось, что самая мельчайшая частица - это атом. А сейчас, после великого открытия в 1923 году - это уже квант. Произошло это название от латинского слова quantum — «сколько» — неделимая часть какой-либо величины в физике, или же по-другому определённая порций энергии. Открытие этой удивительной частицы было совершенно в далеком 1900 году, и это было еще не открытие, а всего лишь предположение о возможном появлении этого элемента в нашей жизни. Первым, кто предположил, стал Макс Планк - человек, который уже пришёл к выводу, что законы термодинамики сами по себе способны приводить к правильным результатам без использования каких-либо произвольных предположений о строении вещества. Он критиковал кинетическую теорию газов, считая её противоречащей принципу возрастания энтропии.

Если идти от истоков М. Планка, а именно от теории об излучении тепла, то можно предположить, что в какой-то мере кванты действительно являются неким исходящим колебанием, а именно потоком этой энергии. Альберт Эйнштейн подхватил эту идею и доказал, что свет распространяется не непрерывно, а порциями – квантами (фотонами). До этого же считалось, что свет имеет волновую природу.

Но как оказалось позже любая элементарная частица, это не только квант, то есть твердая частица, а также волна. Так появился корпускулярно-волновой дуализм в квантовой физике, первый парадокс и начало открытий загадочных явлений микромира.

 Если наблюдать за электроном в опыте, то он ведет себя как частица, а если не наблюдать, то как волна (из исследований Нильса Бора). Из этого следует, что реальность определяется только тогда, когда мы на нее смотрим. Суть в том, что пока электрон не достигнет нужной точки, вероятность того, где он может находится, представляет из себя волну вероятностей. Н. Бор еще открыл запутанные частицы, т.е. представим, что два фотона запутались настолько, что даже если разделить их на тысячи километров, они все равно будут связаны и влиять друг на друга. Учитывая прошлую мысль ученый решил, что, наверное, запутанные частицы приобретают свои свойства только в тот момент, когда он на них смотрит, а до этого существует бесконечное множество вероятности их состояний. Это нам говорит о том, что существует бесконечное множество реальностей, которые становятся нашей реальностью только тогда, когда мы обращаем на них внимание. Но А. Эйнштейн опроверг эту теорию путем опыта с двумя перчатками в коробках. Опыт состоял в следующем: если положить две перчатки в разные коробки, то открыв одну из них и увидев там, например, левую перчатку, то мы будем точно знать, что во второй коробке правая перчатка, даже не открывая ее. Это опровержение тоже осталась как теория. Все-таки, спустя десятилетия, опытным и расчетным путем доказали правоту Н. Бора.

 Все основные теории квантовой физики были разработаны в 20-ом веке, а нам только остается следовать им или опровергать, придумывая новые, более точные теории.

1.2. Отличие от классической физики.

Фундаментальное отличие квантовой физики от классической состоит в том, что классическая физика - это раздел, где торжествует идея детерминизма. То есть, в целом, считается, что если мы достаточно точно знаем начальные условия, то мы можем предсказать состояние системы в любой другой момент времени, как в прошлом, так и в будущем (или же возможность дать точное механическое описание любого будущего или прошлого состояния Вселенной по ее текущему состоянию).

Особенности классической физики:

• полное исключение случайностей;
• выведение из системы целевой причины;
• дает возможность абсолютного знания.

Однако, на уровне микромира (и ещё в нескольких других областях) такой подход к описанию системы терпит неудачу. В квантовой теории, в частности, выясняется, что узнать одновременно координату и импульс (те самые начальные условия) квантовой частицы невозможно в силу принципа неопределенности Гейзенберга. Поэтому требуется какой-то иной способ описания: а именно, волновой и статистический. То есть в квантовой механике роль уравнений движения играет уравнение Э. Шредингера, которое, чисто математически является либо уравнением гармонического осциллятора (для стационарных состояний), либо уравнением диффузии, но только с оговоркой, что искомая (волновая) функция является комплексной.

1.3. Основные квантовые теории.

 В 1838 году Майкл Фарадей на радость всему миру открыл катодные лучи. Вслед за этими нашумевшими исследованиями последовало заявление о проблеме излучения, так называемого, "черного тела" (1859 год), сделанное Густавом Кирхгофом, а также знаменитое предположение Людвига Больцмана о том, что энергетические состояния любой физической системы могут быть еще и дискретными (1877 год). Уже потом появилась квантовая гипотеза, разработанная Максом Планком (1900 год). Она считается одной из основ квантовой физики. Смелая гипотеза М. Планка о том, что энергия может как излучаться, так и поглощаться в дискретных «квантах» (или энергетических пакетах), в точности соответствует наблюдаемым закономерностям излучения черного тела.

Теория Макса Планка

Макс Планк предположил, что атомы испускают и поглощают электромагнитную энергию отдельными порциями по формуле: , (где  – энергия, h – постоянная Планка, v – частота света). Постоянная Планка равна  Дж*с.

Фотоэффект Эйнштейна

Альберт Эйнштейн, продолжая изучать движение частиц, в 1905 году открыл закон фотоэффекта: , (где А вых. –  работа выхода – энергия, которую должен затратить электрон для выхода из вещества). Другими словами, фотоэффект – испускание электронов с поверхности металла под действием света. Существует еще несколько законов фотоэффекта, но мы разбираем основные.

1-ый постулат Бора

В 1913 году выдающийся датский физик Нильс Бор на основе своих наблюдений и фактов, полученных опытным путем, установил, что большая часть представлений о строении атома не соответствовала действительности. Он же стал основоположником новой теории о строении атома.  1-ый постулат Бора, который также носит название постулата стационарных состояний, гласит: каждому из стационарных (квантовых) состояний, в котором находится атомная система, соответствует определенный уровень энергии. Находясь в стационарном состоянии, атом не излучает. В соответствии с классической механикой энергия электрона, движущегося по орбите вокруг ядра, может быть любой. В этом плане первый постулат Бора находится в явном противоречии и с планетарной моделью атома, и с классической механикой.

Уравнения Шредингера

Эрвин Шредингер предложил описывать движение микрочастиц с помощью

уравнения, которое связывает энергию, координаты и волновую функцию  – характеризует свойства квантовой системы:

, (где x, y и z – координаты частицы,  – ее полная энергия, u – потенциальная энергия). Квадрат волновой функции пропорционален вероятности нахождения электрона в некотором объеме. Эту величину называют электронной плотностью. Еще Э. Шредингер создал уравнение движения микрочастиц в силовых полях:

; (где =  ,  – оператор Лапласа, i - √1 – мнимая единица, U – потенциальная энергия частицы в силовом поле, в котором она движется;  – искомая волновая функция).

Неопределенность Гейзенберга

В первой четверти XX столетия квантовая теория совершала свои первые уверенные шаги, а ученые всего мира только осознавали, что же возможно получить из ее положений, и какие она предоставляет перспективы. Немецкий физик Вернер Гейзенберг сформулировал свои самые главные принципы в 1927 году. Его гипотезы и предположения заключаются в том, что просчитать одновременно скорость квантового объекта и пространственное положение просто невозможно. Но закон неопределенности Гейзенберга свидетельствует о том, что хоть в макромире свет никак не воздействует на измеряемый предмет, а в случае с квантовыми частицами фотоны оказывают значимое влияние на физическое тело. При этом необходимо отметить, что отдельно скорость или положение любого вещества в пространстве квантовая теория измерить может. Но чем более точными будут показания скорости, тем меньше возможно будет узнать о пространственном положении. И наоборот. То есть этот принцип Гейзенберга формирует некие сложности в предвидение дальнейшего поведения квантовых частиц.

1.4. Состояние квантовой физики в наше время.

 В наше время квантовая физика ограничивается лишь открытиями 20-ого столетия. Но есть еще много вопросов к теориям прошлого века. Например, почему предсказанная масса квантового вакуума мало влияет на расширение Вселенной? Как уже из известных частиц образуются уже известные явления? Неизвестно точное уравнение Шредингера для многоэлектронных атомов и т.д.

  Но не смотря на нерешенные проблемы, в современном мире уже есть теория о перемещении тела в пространстве – телепортации. Такое явление придумано в квантовых вычислениях, а в квантовой физике экспериментально продемонстрировано. Однако в данном случае мы перемещаем не все физическое тело, а всего лишь состояние одного кубита. Можно отметить, что дело уже осталось за малым, теперь нужно научиться расщеплять физические тела на элементарные частицы, а далее после передачи с помощью квантового канала связи обратно собирать из них физические тела. Данное явление также основано на явлении запутанности.

Я думаю в недалеком будущем часть нерешенных проблем будут решены, но, как всегда, появятся новые.

2.Квантовый мир.

2.1. Строение квантового мира.

 Классическая физика прекрасно описывает все явления макромира, но, когда мы опускаемся до мира молекул, атомов и ниже происходят некоторые несостыковки, точнее этот мир вообще не поддается логичному объяснению. Это мир теоретиков и математиков, выдающихся людей, которые рассекречивают магию квантового мира на листке бумаги.

Квантово-волновой дуализм (или корпускулярно-волновой).
Да, термины нужны. Двойственность-это характерная черта некоторых элементарных частиц. Чем больше частица, тем меньше эффект. Разберем подробнее.

 Что такое свет? Что он из себя представляет? Первое что приходит на ум: свет - это волна. Посмотрите на любую тень поближе, например, на тень своей руки, видите немного размытый край тени? Это и есть характерная черта волн. Будь свет частицей края теней были бы ровными и четкими. Томас Юнг одним из первых доказал волновую структуру света, повторим его опыт: нам понадобится источник света, и некий предмет, допустим кусок плотной бумаги на котором прорезаны два одинаковых отверстия (две щели), а, да еще понадобится экран, куда будет проецироваться свет от источника, через щели.

2.2. Процессы в квантовой физике.

 Если свет - частица, то мы увидим две параллельные полосы на экране, как показано на рисунке сверху. Но по факту мы видим следующее:

 Что это означает. Мы видим череду полос, светлых и темных, т.е. волна, проходя через отверстия разбивается на две волны, а при встрече двух волн происходит следующее: если их гребни совпадают она увеличивается, что мы и видим в виде светлых полос, при встрече же гребня и впадины- они взаимно гасят друг руга, что проявляется темной полосой - или пустотой - это называется интерференцией, или интерференционной решеткой. Так мы доказали, что свет является волной (электромагнитной).

 Тот же самый опыт, но позднее показал другой результат. Теперь возьмем не простой источник света, а тот который стреляет отдельными квантами- частичками света (тоже можно проделать и с электронами). Делая по одному выстрелу за раз, фотоны начинают формировать рисунок на экране (точечно), на первый взгляд будет казаться, что фотоны делают это беспорядочно.

 Однако сделав, достаточное количество одиночных выстрелов мы все так же увидим интерференционную решетку (нужно помнить: мы стреляли штучно). Получается, что одиночный фотон после выстрела, проходил обе щели одновременно - формируя как бы волну, гребни которой мы видим на щите.

 Естественно ученных заинтересовал данный момент. Они решили выяснить, что же происходит с фотоном непосредственно на входе в отверстия и на выходе, для чего там и были установлены датчики. И эксперимент был повторен. Что же мы обнаружили. А обнаружили следующее: выпущенный фотон проходил через одно отверстие, выходя на другой стороне (никаких волн) и попадал на экран, выпустив достаточное количество фотонов, сформированный рисунок представлял следующее:

 Да. Снова две полоски. Получается, когда мы решили заглянуть в суть эксперимента, фотоны начали вести себя как частицы, и сформировали характерный узор в виде двух полосок, не проявляя свойств волны. Убрав наблюдателя (детектор), фотоны вновь начинают вести себя как волны. Как будто они знают, что за ними наблюдают и прячут истинную суть вещей, скрывая от постороннего взгляда устройство мира. Это и называется корпускулярно-волновой дуализм, а это значит, что частицы ведут себя так, как им удобно в данный момент, проявляя либо свойства волны, либо частицы.

2.3. Место в науке и технике.

 Создание квантовой физики стало переломным моментом. Она показала, как небольшие несостыковки и парадоксы в классической физике, которые поначалу замечали немногие, привели к появлению нового раздела в физике. С другой стороны, она объединила ученых практически из всех стран, и каждый из них внес значительную часть в итоговую модель квантовой физики. Это и шведский ученый Й. Ридберг, и английские физики Дж. Томсон и П. Дирак, и те же немецкие ученые А. Эйнштейн и М. Планк, и французский ученый Луи де Бройль, и датский физик Н. Бор, и японец Хантаро Нагаока, и наши соотечественники А. Иоффе и А. Лебедев. Может показаться, что эти люди работали над своими трудами отдельно, каждый над чем-то своим, но это далеко не так. Практически все они общались и переписывались, делились своими идеями и наблюдениями, обсуждали различные гипотезы. Пожалуй, такую организацию науки и можно назвать одним из главных достижений квантовой физики – когда ученые работают сообща и за счет этого достигают невиданных ранее результатов, которые помогли совершить небывалый скачок в технологиях в середине XX века.

ГЛАВА 3. Будущее квантовой физики.

3.1. Квантовая энергетика.

«Сейчас как никогда миру нужна супер-идея. И этой супер-идеей является развитие квантовой энергетики, базирующееся на открытиях мною квантона и СЭВ. Наверно, я не первый высказываю мысль о том, что нынешний мировой экономический кризис в основном обусловлен кризисом энергетическим, то есть высочайшими скачками цен на углеводородные энергоносители, когда мировая экономика уже не в состоянии выдержать эти скачки, ведущие к спаду. Сейчас наблюдается снижение цен, за которым последует следующий скачок. И если ничего не предпринимать, то в конечном итоге в результате истощения природных энергоресурсов наступит крах мировой экономики и нашей техногенной цивилизации. Можно привести еще десяток факторов, но они будут второстепенными причинами мирового экономического спада.»

©Владимир Семенович Леонов – физик-теоретик и изобретатель.

Новые фундаментальные открытия и теория Суперобъединения позволяет рассматривать новые энергетические циклы производства тепла, которые в скором времени могут представить серьезную конкуренцию традиционной ядерной энергетики, основанной на использовании радиоактивного топлива. Новые знания позволяют в качестве топлива использовать любое вещество, аккумулировавшее в себе колоссальную энергию. Специально выделено отдельно традиционная ядерная энергетика, поскольку новые энергетические циклы также базируются на физике элементарных частиц и атомного ядра.

 Когда Джеймс Клерк Максвелл, поступив в Кембридж, решал проблему связи между электричеством и магнетизмом, он воспользовался математическим подходом к этой проблеме, и вывел четыре фундаментальных уравнения:

1) Закон Гаусса;

2) Закон Гаусса для магнитного поля;

3) Закон индукции Фарадея;

4) Теорема о циркуляции магнитного поля.  

 Макс Планк, обратив внимание на эти уравнения Джеймса Максвелла, высказал, что, исходя из этих уравнений при нагревании материи, материя должна высвобождать энергию, а чем больше нагревается материя, тем больше энергии она должна высвобождать, до того момента пока не произойдет взрыв, и материя распадется на атомы. Это стало начальным моментом исследования и использования ядерной энергии.

 Но, атом или атомное ядро состоит из других частиц, на которые можно их разделить при использовании сверхсильного электромагнитного поля, тем самым, предотвращая атомный взрыв, и заставляя элементарную материю преобразоваться полностью в энергию.

3.2. Квантовые технологии.

 Квантовые компьютеры потенциально могут оказаться мощнее и обычных, и суперкомпьютеров, поскольку они используют свойства квантовой физики для хранения данных и выполнения вычислений. Если обычные компьютеры кодируют информацию в двоичных битах – 0 или 1, то квантовые пользуются другими единицами памяти – квантовыми битами или кубитами. Кубиты обладают суперпозицией, то есть, грубо говоря, могут быть и единицей, и нулем. Для обычного компьютера достаточно восьми бит, чтобы представить любое число от 0 до 255. Нескольких сотен запутанных кубитов хватит, чтобы представить число больше, чем количество атомов во Вселенной. Например, квантовый компьютер компании D-Wave в 2015 году решил поставленную задачу в 100 млн раз быстрее, чем обычный. Но квантовому компьютеру, чтобы он был по-настоящему эффективным, нужно достичь состояния квантового превосходства – то есть «обыграть» своих классических коллег с настолько большим счетом, чтобы эффективность оправдала затраты на производство.

 В конце 2019 года компания Google объявила в журнале Nature, что ее квантовый компьютер Sycamore это превосходство получил. По словам руководителя группы Джона Мартиниса (John Martinis), Sycamore за 200 секунд решил задачу, которую даже самые мощные суперкомпьютеры выполняли бы 10 тыс. лет. Правда, с Google не согласны в IBM, еще одном игроке рынка квантовых компьютеров: его представители утверждают, что никаких тысяч лет не нужно, а задачу можно решить за два с половиной дня на обычном компьютере. Это, конечно, чуть дольше, чем пара минут, но все же вполне выполнимо.

Конечно же есть и свои минусы. Во-первых, квантовые компьютеры очень дорогие. В 2019 году “Росатом” заявил, что планирует создание такого устройства. Стоимость превышала $300 млн. Во-вторых, квантовые

компьютеры очень чувствительны к теплу и электромагнитным полям: столкновения с молекулами воздуха приводят к тому, что кубиты теряют свои свойства и система дает сбой. И чем мощнее компьютер, тем опаснее даже маленькая неточность производства. Кубиты требуют изоляции, а организовать ее в условиях, когда машину необходимо не только построить, но еще иногда включать, пока почти невозможно. Канадская компания D-Wave работает над созданием квантовых компьютеров и презентует каждый новый успех как революционное восстание машин, но фактически мощности их устройств пока не выходят даже за границы классических машинных систем. Квантовый компьютер – немного как кот Шредингера. Он, с одной стороны, уже есть, а с другой стороны – его все еще нет.

Заключение.

 Итак, мы с вами успели разобрать все цели и задачи, поставленные в начале работы. Сделаю краткий экскурс, что нам удалось выяснить:

1. М. Планк открыл “квант” и “Квантовую теорию” в 1923 году;
2. Квантовая физика отличается от классической отсутствием детерминизма;
3. Основные квантовые теории были проработаны в 20 веке;
4.  Квант может быть, как частицей, так и волной (корпускулярно-волновой дуализм);
5. Квантовая энергетика и квантовые технологии пока малопригодны для настоящего времени, но из-за развития прогресса они в любом случае войдут в быт каждого человека;

 Из всего этого можно сделать вывод: необходимость квантовой физики велика, ведь без изучения микромира нам трудно понять макромир.

 Ну и напоследок хочется отметить: всё, кроме законов физики, - не более чем мнение.

Список использованной литературы.

1. https://school-science.ru/7/11/40890
2. https://fishki.net/3159458-kvantovaja-fizika-o-samom-slozhnom-prostym-jazykom.html?utm_source=aab&sign=508650889851607%2C139121307711207
3. https://yandex.ru/q/question/chem_klassicheskaia_fizika_otlichaetsia_118d8d8b/?answer_id=c4f6dfbb-7b24-4c3e-ab6d-c620aa6bfa44
4. https://zslife.ru/tainstwennoe-i-neizwedannoe/kvantovaya-fizika-dlya-chajnikov-prostymi-slovami.html
5. https://zen.yandex.ru/media/id/5b0ffc175a104f9075bad29f/kvantovyi-mir-pochti-prosto-ob-ochen-slojnom-5b59bb86cf999300abd25129
6. https://ru.wikipedia.org/wiki/История_возникновения_квантовой_физики
7. https://zen.yandex.ru/media/id/5d3c49c4c7e50c00ad95016d/obzor-kvantovoi-fiziki-5d5e92680ce57b00aeb70e19
8. https://habr.com/ru/post/523926/
9. https://zaochnik.com/spravochnik/fizika/atomy-jadra/kvantovye-postulaty-bora/
10.  https://postnauka.ru/longreads/156065
11.  https://wiguru.org/info/Квантовая_энергетика
12. https://pandia.ru/text/78/362/54.php

13. https://21mm.ru/news/nauka/kak-kvantovaya-fizika-vliyaet-na-nash-mir/