¿Qué es la mecánica cuántica?
Algunas personas citan la aleatoriedad en la mecánica cuántica para apoyar la teoría del libre albedrío, pero en primer lugar, todavía existe una distancia insuperable entre esta aleatoriedad a escala microscópica y el libre albedrío macroscópico en el sentido habitual; Es difícil demostrar si esta aleatoriedad es irreducible porque la capacidad de observación humana a escala microscópica aún es limitada. Si la naturaleza es verdaderamente aleatoria sigue siendo una cuestión abierta. La constante de Planck es el factor decisivo en esta brecha. Muchos ejemplos de eventos aleatorios en estadística son estrictamente deterministas.
[Editar este párrafo] Una breve historia del desarrollo de la mecánica cuántica
La mecánica cuántica se desarrolló sobre la base de la antigua teoría cuántica. La antigua teoría cuántica incluye la hipótesis cuántica de Planck, la teoría cuántica de la luz de Einstein y la teoría atómica de Bohr.
En 1900, Planck propuso la hipótesis del cuanto de radiación, suponiendo que el intercambio de energía entre el campo electromagnético y la materia se realiza de forma discontinua (cuantos de energía), y que el tamaño de los cuantos de energía es proporcional a la frecuencia de radiación.La constante proporcional se llama constante de Planck, que conduce a la fórmula de distribución de energía de radiación del cuerpo negro y explica con éxito el fenómeno de radiación del cuerpo negro.
En 1905, Einstein introdujo el concepto de fotones, dio la relación entre la energía y el momento de los fotones y la frecuencia y longitud de onda de la radiación, y explicó con éxito el efecto fotoeléctrico. Posteriormente propuso que la energía de vibración de los sólidos también estaba cuantificada, explicando así el calor específico de los sólidos a bajas temperaturas.
En 1913, Bohr estableció la teoría cuántica de los átomos basándose en el modelo atómico nuclear de Rutherford. Según esta teoría, los electrones de los átomos sólo pueden moverse en órbitas discretas y, cuando se mueven en órbitas, no absorben ni liberan energía. Un átomo tiene una cierta cantidad de energía y el estado en el que se encuentra se llama "estado estable". Sólo cuando un átomo pasa de un estado estable a otro puede absorber o irradiar energía. Aunque esta teoría tiene muchos éxitos, todavía existen muchas dificultades para explicar mejor los fenómenos experimentales.
Después de que la gente se dio cuenta de que la luz tiene la dualidad de fluctuaciones y partículas, para explicar algunos fenómenos que no pueden ser explicados por la teoría clásica, el físico francés De Broglie propuso el concepto de ondas de materia en 1923. Se cree que todas las partículas microscópicas van acompañadas de una onda llamada ondas de Broglie.
Ecuación de onda de materia de De Broglie: ¿E=? ω, p=h/λ, ¿dónde? = h/2π, ¿se puede expresar como E=p? /2m da λ = √ (h?/2mE).
Debido a que las partículas microscópicas tienen dualidad onda-partícula, las leyes del movimiento seguidas por las partículas microscópicas son diferentes de las de los objetos macroscópicos que describen la mecánica cuántica. leyes del movimiento de partículas microscópicas También se diferencia de la mecánica clásica que describe las leyes del movimiento de objetos macroscópicos. Cuando el tamaño de las partículas cambia de microscópico a macroscópico, las leyes que siguen también cambian de la mecánica cuántica a la mecánica clásica.
La diferencia entre la mecánica cuántica y la mecánica clásica se refleja primero en la descripción del estado de las partículas y cantidades mecánicas y sus reglas de cambio. En mecánica cuántica, el estado de una partícula se describe mediante una función de onda, que es una función compleja de coordenadas y tiempo. Para describir los cambios en el estado de las partículas microscópicas a lo largo del tiempo, es necesario encontrar la ecuación de movimiento que satisface la función de onda. Esta ecuación fue descubierta por primera vez por Schrödinger en 1926 y se llama ecuación de Schrödinger.
Cuando las partículas microscópicas se encuentran en un determinado estado, sus cantidades mecánicas (como coordenadas, momento, momento angular, energía, etc.) generalmente tienen una serie de valores posibles, y cada valor posible aparece con un determinado estado. probabilidad. Cuando se determina el estado de la partícula, se determina completamente la probabilidad de que la cantidad mecánica tenga un cierto valor posible. Ésta es la relación de incertidumbre obtenida por Heisenberg en 1927. Al mismo tiempo, Bohr propuso el principio de fusión y explicó con más detalle la mecánica cuántica.
La combinación de la mecánica cuántica y la relatividad especial produce la mecánica cuántica relativista. La electrodinámica cuántica se desarrolló gracias al trabajo de Dirac, Heisenberg (también conocido como Heisenberg, el mismo más adelante) y Pauli. La teoría cuántica de campos que describe varios campos de partículas comenzó a formarse en la década de 1930 y constituye la base teórica para describir los fenómenos de partículas elementales.
La mecánica cuántica se desarrolló y estableció después del establecimiento de la antigua teoría cuántica.
Para explicar algunos fenómenos en el ámbito microscópico, la antigua teoría cuántica modificó o añadió artificialmente algunas condiciones a la teoría física clásica. Como la antigua teoría cuántica no era satisfactoria, la gente estableció la mecánica cuántica por dos caminos diferentes cuando buscaban leyes en el campo microscópico.
En 1925, Heisenberg se ocupó únicamente del conocimiento de las mediciones observables basadas en la teoría física, abandonó el concepto de órbitas no observables y estableció una matriz basada en la frecuencia e intensidad de la radiación observable con la Mecánica de Born y Jordan. En 1926, Schrödinger encontró la ecuación del movimiento del sistema microscópico basándose en el entendimiento de que lo cuántico es un reflejo de las fluctuaciones del sistema microscópico, estableciendo así la mecánica ondulatoria, y poco después demostró la equivalencia matemática de la mecánica ondulatoria y la mecánica matricial; El Tratado de Paz de Dirac Erdan desarrolló de forma independiente una teoría de transformación universal y dio una expresión matemática concisa y perfecta de la mecánica cuántica.
Heisenberg también propuso el principio de incertidumbre, cuya fórmula es la siguiente: δxδp≥/2.
[Editar este párrafo] El contenido básico de la mecánica cuántica
Los principios básicos de la mecánica cuántica incluyen el concepto de estados cuánticos, ecuaciones de movimiento, reglas correspondientes y principios físicos entre conceptos teóricos y cantidades físicas observadas.
En mecánica cuántica, el estado de un sistema físico está representado por una función de estado, y cualquier superposición lineal de la función de estado sigue representando un posible estado del sistema. El cambio de estado a lo largo del tiempo sigue una ecuación diferencial lineal, que predice el comportamiento del sistema. Las cantidades físicas están representadas por operadores que cumplen determinadas condiciones y representan determinadas operaciones. La operación de medir una cantidad física de un sistema físico en un determinado estado corresponde al efecto del operador que representa la cantidad sobre su función de estado, el valor posible de la medición está determinado por la ecuación intrínseca del operador, y el valor esperado; de la medición está determinada por el operador que contiene el operador Cálculo de ecuaciones integrales.
El cuadrado de la función de estado representa la probabilidad de que una cantidad física sea su variable. Basándose en estos principios básicos y otros supuestos necesarios, la mecánica cuántica puede explicar diversos fenómenos atómicos y subatómicos.
Según el símbolo de Dirac, la función de estado está representada por , y la densidad de probabilidad de la función de estado está representada por ρ=
La función de estado se puede expresar como un vector de estado expandido en un conjunto espacial ortogonal, como | ψ(x)>=∑|ρ_I>, donde |ρ_I> son vectores de base espacial que son ortogonales entre sí, La función de estado satisface la ecuación de onda de Schrödinger, I? (d/dt)| m & gt; = H | m & gt Después de separar las variables, se puede obtener la ecuación de evolución sin tiempo H | = En | m & gt, En es el valor propio de la energía, h es el operador de energía hamiltoniano. Así que el problema de cuantificación de cantidades físicas clásicas se reduce a la solución de la ecuación de onda de Schrödinger. La explicación de la mecánica cuántica implica muchas cuestiones filosóficas, cuyo núcleo es la causalidad y la realidad física. Según la ley causal en el sentido dinámico, las ecuaciones de movimiento de la mecánica cuántica son también ecuaciones de leyes causales. Cuando se conoce el estado del sistema en un momento determinado, se pueden predecir sus estados pasado y futuro en cualquier momento basándose en las ecuaciones de movimiento. Pero las predicciones de la mecánica cuántica son esencialmente diferentes de las predicciones de las ecuaciones de movimiento de la física clásica (ecuaciones de movimiento de partículas y ecuaciones de ondas). En la teoría de la física clásica, la medida de un sistema no cambia su estado, solo tiene un cambio, evolucionando según las ecuaciones de movimiento. Por tanto, las ecuaciones de movimiento pueden hacer predicciones inequívocas sobre las cantidades mecánicas que determinan el estado de un sistema. Pero en la mecánica cuántica hay dos cambios en el estado del sistema. Una es que el estado del sistema evoluciona según la ecuación de movimiento y es un cambio reversible; la otra es la medida de cambios irreversibles que cambian el estado del sistema. Por lo tanto, la mecánica cuántica no puede dar predicciones definitivas sobre las cantidades físicas que determinan el estado, sino que sólo puede dar la probabilidad de tomar el valor de la cantidad física. En este sentido, las leyes causales de la física clásica ya no son válidas en el ámbito microscópico. Según esto, algunos físicos y filósofos afirman que la mecánica cuántica abandona la ley de causalidad, mientras que otros creen que la ley causal de la mecánica cuántica refleja un nuevo tipo de causalidad: la ley de causalidad probabilística. En mecánica cuántica, la función de onda que representa el estado cuántico se define en todo el espacio y cualquier cambio de estado se realiza en todo el espacio al mismo tiempo. Desde la década de 1970, los experimentos sobre la correlación de partículas distantes han demostrado que los eventos de separación similares al espacio están relacionados con las predicciones de la mecánica cuántica. Esta correlación contradice la idea de la relatividad especial, que afirma que las interacciones físicas entre objetos sólo pueden viajar a velocidades no superiores a la velocidad de la luz. Por tanto, para explicar la existencia de esta correlación, algunos físicos y filósofos han propuesto que existe una causalidad global o causalidad global en el mundo cuántico, que es diferente de la causalidad local basada en la relatividad especial y puede tomarse como un todo simultáneamente. Determina el comportamiento de los sistemas relacionados. La mecánica cuántica utiliza el concepto de estado cuántico para representar el estado de los sistemas microscópicos, lo que profundiza la comprensión de la realidad física por parte de las personas. Las propiedades de los sistemas microscópicos siempre se manifiestan en sus interacciones con otros sistemas, especialmente con instrumentos de observación. Cuando la gente utiliza el lenguaje de la física clásica para describir los resultados de la observación, descubre que los sistemas microscópicos se manifiestan principalmente como imágenes de ondas o comportamientos de partículas en diferentes condiciones. El concepto de estados cuánticos expresa la posibilidad de que sistemas microscópicos interactúen con instrumentos para producir ondas o partículas. La mecánica cuántica muestra que la realidad física microscópica no son ni ondas ni partículas, y la realidad real son los estados cuánticos. La descomposición del estado real en el estado oculto y el estado manifiesto es causada por la medición, y aquí sólo el estado manifiesto se ajusta al significado del real físico clásico. La realidad del microsistema se refleja también en su indivisibilidad. La mecánica cuántica trata el objeto de investigación y su entorno como un todo y no permite considerar el mundo como compuesto de partes separadas e independientes. Las conclusiones experimentales sobre la correlación de partículas a larga distancia también respaldan cuantitativamente la indivisibilidad de los estados cuánticos. La incertidumbre se refiere a la incapacidad de los actores económicos de conocer con precisión y de antemano los resultados de sus decisiones. En otras palabras, la incertidumbre surge siempre que hay más de un resultado posible de la decisión de un actor económico. La incertidumbre también se refiere a la incertidumbre del movimiento cuántico en la mecánica cuántica. Debido a que la observación perturba alguna cantidad, la cantidad asociada con ella (la cantidad * * * yugo) es inexacta. De aquí viene la incertidumbre. La incertidumbre, el concepto de gestión de riesgos en economía, se refiere al hecho de que las entidades económicas no pueden conocer el rango de distribución y el estado de las condiciones económicas futuras (especialmente las ganancias y pérdidas). En mecánica cuántica, la incertidumbre se refiere a la incertidumbre de medir cantidades físicas, porque bajo ciertas condiciones, algunas cantidades mecánicas solo pueden estar en sus estados propios y los valores mostrados son discretos, por lo que es posible obtener Diferentes valores en diferentes momentos, y habrá valores inciertos. Es decir, cuando mide, puede obtener este o aquel valor, y el valor obtenido es incierto. Sólo midiendo el estado propio de esta cantidad mecánica podemos obtener un valor exacto. En física clásica, la posición y el momento de una partícula se pueden utilizar para describir con precisión su movimiento. Al mismo tiempo, conociendo la aceleración, podemos incluso predecir la posición y el momento de la partícula en cualquier momento del futuro, trazando así una trayectoria. Pero en microfísica, la incertidumbre nos dice que si midiéramos la posición de una partícula con mayor precisión, el momento medido sería menos preciso. En otras palabras, es imposible medir con precisión la posición y el impulso de una partícula al mismo tiempo, por lo que es imposible utilizar una trayectoria para describir el movimiento de una partícula. Ésta es la explicación específica del principio de incertidumbre. Bohr Bohr fue un destacado contribuyente a la mecánica cuántica. Señaló el concepto de cuantificación de las órbitas de los electrones. Bohr creía que los núcleos atómicos tienen ciertos niveles de energía. Cuando un átomo absorbe energía, salta a un nivel de energía más alto o estado excitado. Cuando un átomo libera energía, salta a un nivel de energía más bajo o estado fundamental. El salto de un nivel de energía atómica depende de la diferencia entre los dos niveles de energía. Según esta teoría, el sentido común de Rydberg se puede calcular teóricamente, lo que concuerda bien con los experimentos. Pero la teoría de Bohr también tenía limitaciones. Para átomos más grandes, el error en los resultados del cálculo es grande. Bohr aún conservaba el concepto de órbitas en el mundo macroscópico. De hecho, las coordenadas donde aparecen los electrones en el espacio son inciertas. Hay muchos electrones reunidos, lo que significa que la probabilidad de que aparezcan electrones aquí es alta, y viceversa. Muchos electrones reunidos pueden denominarse nube de electrones. [Editar este párrafo] Interpretación de la mecánica cuántica: vibración de partículas Teoría cuántica cuatridimensional en la película de Hawking La "teoría de cuerdas" es similar a 10 dimensiones o 11 Dimensión = cuerda vibrante, objetos pequeños que vibran como cuerdas. Interpretación moderna de la teoría cuántica del mundo cuatridimensional en la película de Hawking (Deng Yu et al., 1980); Cuántica vibracional (cuántica de onda = onda fantasma cuántica) = vibración de partículas traslacionales; partículas vibrantes; objetos diminutos como cuantos (partículas) oscilan. Fluctuación cuántica = fluctuación cuántica = traslación + vibración de partícula =traslación + vibración =suma vectorial Par Deng Explicación de Ondas fantasma cuánticas: la suma vectorial de traslación y vibración de partículas microscópicas (cuánticas) Onda de partículas, onda cuántica = vibración de partículas (vibración de partículas traslacionales)