Was ist eine korrekte und einfache Definition der Quantenphysik?

Die Quantenphysik ist eine Wahrscheinlichkeitstheorie, in der Wahrscheinlichkeitsamplituden auftreten. Jedes Phänomen, bei dem Wahrscheinlichkeitsamplituden auftreten, ist ein Quantenphänomen, egal ob es mikroskopisch oder makroskopisch ist. Die Wahrscheinlichkeitsamplituden vereinen die klassischen Teilchen- und Wellengrenzen in einem Objekt, und sie gelten wahrscheinlich für alle Objekte, mikroskopisch und makroskopisch.

Die einzigartige Möglichkeit der Menschheit festzustellen, ob ein Effekt der Quantenmechanik bedarf, um beschrieben zu werden, besteht darin, die Wirkung zu berechnen (vgl. Wikipedia) und sie mit der Planckschen Konstante zu vergleichen. Wenn es viel größer ist, braucht es keine Quantenmechanik; Wenn es sich um dieselbe Bestellung handelt, benötigen Sie QM, um diesen Effekt zu beschreiben.

Dass die Wirkung viel größer als die Plancksche Konstante ist, bedeutet nicht, dass QM nicht verwendet werden kann. Bohr dachte früher, dass die makroskopische und die mikroskopische Welt grundlegend verschieden seien, aber solche Beispiele wie die Quantenlevitation (die makroskopisch ist – siehe Wikipedia) legen nahe, dass grundlegendes Beschreiben ein Synonym für Beschreiben mit QM war.

Ist es richtig, Quantenphysik als das Studium der Physik im subatomaren Maßstab zu definieren? NEIN.

Untersucht die Quantenphysik etwas anderes als subatomare Phänomene? Ja.

Nehmen wir als Beispiele künstliche Atome oder supraleitende Flux-Qubits .

Was ist eine korrekte und einfache Definition der Quantenphysik? Eine korrekte und einfache Definition: "Quantenphysik" ist eine Sammlung von Modellen physikalischer Phänomene, die die Mathematik des "Hilbert-Raums" verwenden, um operative Vorhersagen für die Ergebnisse von Laborexperimenten zu treffen. Welche physikalischen Phänomene? Nun, für welche auch immer wir gute Vorhersagen treffen können.

Kurze Antwort: Es ist die Physik kleiner Skalen oder hoher Energien.

Lange Antwort: Hören Sie nicht auf Kurzantwort-Jim, er weiß nicht, wovon er spricht. (Er ist auch ein paar Ringe von Saturn entfernt, wenn Sie wissen, was ich meine)

Der einfachste Weg, den ich mir vorstellen kann, um die Quantenphysik richtig zu definieren, ist, dass es die Kombination unserer besten und richtigsten Theorien der Physik ist, die die Allgemeine Relativitätstheorie nicht beinhaltet.

Für diese Erklärung gibt es zwei relevante und wichtige Klassen der Physik: die klassische Physik und die Quantenphysik .

Auch Physiker sind Menschen. Wenn wir unsere Ziele mit zwei verschiedenen Methoden gleich gut erreichen können, wählen wir die Methode, die für uns einfacher zu handhaben ist. Davon abgesehen sollte es nicht überraschen, dass die Theorien, die wir für eine bestimmte Aufgabe verwenden, im Allgemeinen die einfachsten Theorien sind, die den Anforderungen dieser Aufgabe effektiv entsprechen.

Die Quantenphysik gilt allgemein als die korrektere Version der Physik im Vergleich zur klassischen Physik. Das heißt, die klassische Physik ist meistens falsch. Die klassische Physik ist jedoch normalerweise so korrekt, dass Sie bei den meisten alltäglichen Anwendungen den Unterschied zwischen den Quanten- und klassischen Ergebnissen nicht bemerken würden. Technisch gesehen ist es möglichdass Sie absolut alles nur mit Quantenphysik machen (außer alles, was mit GR zu tun hat) und Sie würden viel genauere Ergebnisse erhalten; Die Quantenphysik ist jedoch so viel komplexer als die klassische, dass ihre Anwendung äußerst unpraktisch wird. Wenn die klassische Physik Ihnen eine Antwort gibt, die richtig genug ist, ist es sinnvoll, sie zu verwenden. Wir verwenden die Quantenphysik nur, wenn die klassische Physik uns kein ausreichend gutes Ergebnis liefert. Dies trifft tendenziell häufiger zu, wenn es um extrem kleine Skalen oder mit extrem hohen Energien geht. Deshalb sagen Ihnen viele Leute oft, dass die Quantenphysik die Physik kleiner Skalen oder hoher Energien ist. Sie liegen falsch. Die Quantenphysik umfasst alles außer GR und ist einfach unsere bisher korrekteste Theorie der Physik.

Allerdings wissen wir, dass die Quantenphysik unvollständig ist. Wir wissen, dass es nicht ganz richtig ist. Deshalb werden Sie auch einige Physiker sagen hören, dass die Physik auf noch kleineren Skalen oder bei noch höheren Energien zusammenbricht. Das meinen sie nicht wörtlich. Es gibt keine Skala oder Energieebene, wo die Physik eigentlich nicht zutrifft. Was sie meinen, ist, dass die Theorien, die wir haben, wie die klassische Physik auf der Quantenskala, nicht korrekt genug sind, um sie zu verwenden. Wir kennen noch nicht die Theorien, die korrekt genug sind, um sie außerhalb der Quantengrenzen anzuwenden. Aber obwohl wir nicht sagen können, was die Physik ist, wissen wir, dass die Physik immer noch auf diesen Skalen funktioniert.

Das ist die einfachste Art, wie ich Quantenphysik definieren kann.

Hier ist, wie ich versucht habe, ein Gefühl für die Quantenphysik zu vermitteln. Sie brauchen nicht sehr weit, um alle Implikationen zu verstehen, aber es ist ein Anfang.

Lassen Sie uns zunächst das Wort "Amplitude" verstehen. Denken Sie an eine Glühlampe, wie eine Autolampe. Wenn man positive zwölf Volt darüber legt, wie von der Autobatterie, leuchtet es mit seiner vollen Wattzahl, sagen wir 60 Watt. Wenn Sie stattdessen eine ältere 6-Volt-Autobatterie darüber legen, leuchtet sie nur mit 1/4 ihrer vollen Wattzahl, 15 Watt. Jetzt kann jede Batterie umgekehrt werden, indem negative Spannung über die Glühbirne gelegt wird, und Sie erhalten das gleiche Ergebnis.

Stellen Sie sich die Amplitude also als die Spannung vor, die als Quadratwurzel der Leistung gilt. Die Amplitude kann ein positives oder negatives Vorzeichen haben, aber die Leistung ist immer positiv und ändert sich immer als Quadrat der Amplitude.

Denken Sie an eine Münze. Sie werfen es in die Luft und wissen noch nicht, ob es "Kopf" landen wird. Sie wissen, dass die Wahrscheinlichkeit für „Kopf“ 0,5 beträgt, vorausgesetzt, es handelt sich um eine faire Münze.

Nun, in der Quantenwelt stellen wir uns diese Wahrscheinlichkeit, 0,5, wie die Leistung einer Glühbirne vor. Was tatsächlich darunter liegt, ist eine Amplitude von 0,707, was quadriert 0,5 ergibt.

Diese Amplitude könnte positiv oder negativ sein. (Es könnte tatsächlich etwas dazwischen sein, wenn es sich um eine komplexe Zahl handelt, aber Sie können sich darüber informieren.)

Jetzt ist die Münze in der Luft, also wissen Sie noch nicht, wie sie herauskommen wird, aber Sie wissen mit Sicherheit (P = 1), dass es entweder Kopf oder Zahl sein wird, sonst nichts. Sie wissen das, indem Sie die Wahrscheinlichkeiten der verschiedenen Ergebnisse addieren. 0,5 + 0,5 = 1.

Aber in der Quantenwelt fügt man keine Wahrscheinlichkeiten hinzu. Sie addieren Amplituden. Da die Amplituden Vorzeichen haben, können sie sich gegenseitig aufheben oder verstärken. Bei einer Quantenmünze ist die Wahrscheinlichkeit, dass Sie etwas erhalten, also das Quadrat der Summe der Amplitude für „Kopf“ plus der Amplitude für „Zahl“. Diese Summe könnte -1,414, +1,414, 0 sein (oder irgendwo dazwischen, wenn die Amplituden komplex sind). Daher liegt die Wahrscheinlichkeit , das Münzland überhaupt zu sehen, irgendwo zwischen 0 und 2.

OK, jetzt bist du verwirrt (und ich auch). Wie könnte man eine Münze werfen und sehen, dass sie zweimal oder gar nicht landet, geschweige denn irgendwo dazwischen?

Um dies zu beantworten, müssen wir zum Doppelspaltexperiment gehen . Anstatt eine Münze zu werfen, schießen wir kleine Elektronen- oder Photonenkugeln durch zwei parallele Schlitze, den Kopfschlitz und den Schwanzschlitz, und sie treffen auf der anderen Seite auf einen Bildschirm. Wenn sie wie normale Kugeln funktionierten, würden Sie erwarten, dass sie sich unter jedem Schlitz stapeln.

Sie sind jedoch Quantenkugeln, also tun sie das nicht. Stattdessen stapeln sie sich an Orten, wo sie überhaupt nicht landen sollten (in der Mitte), und sie meiden andere Orte ohne ersichtlichen Grund vollständig.

Hier ist also, wie einige schlaue Typen es erklärt haben. Sie sagen nicht, dass die Kugel eine Wahrscheinlichkeit hat, durch den einen oder anderen Schlitz zu gehen, sie sagen, dass sie eine Amplitude hat, um durch den einen oder anderen Schlitz zu gehen. Diese Amplituden sind Zahlen, aber nicht nur das, sie ändern sich ständig. Es sind tatsächlich Wellen. Wenn diese Amplitudenwellen dann zusammenkommen, interferieren sie, genau wie Wasserwellen.

Wo sie sich aufheben, erhalten Sie eine Nullwahrscheinlichkeit (keine Kugeln). Wo sie verstärken, erhalten Sie eine Überschusswahrscheinlichkeit, also Überschusskugeln, weil die Kugeln, die nicht an den spärlichen Stellen landen, an den dichten Stellen landen.

Nur um die Verwirrung abzurunden, könnte man sagen, dass sich das Universum verzweigt , wenn man diese Münze wirft , aber anders als in „Zurück in die Zukunft“ bleiben diese getrennten Universen nicht getrennt, sie vereinen sich auf die gleiche Weise wie Wasserwellen einmischen, und das passiert überall und ständig .