Tag-Archiv: Quantenmechanik

Quantum Field Theory

In this post on Quantum Mechanics (QM), we will go a bit beyond it and touch upon Quantum Field Theory – the way it is used in particle physics. In the last couple of posts, I outlined a philosophical introduction to QM, as well as its historical origin – how it came about as an ad-hoc explanation of the blackbody radiation, and a brilliant description of the photoelectric effect.
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Historical Origin of Quantum Mechanics

In diesem Abschnitt, we will try to look at the historical origin of Quantum Mechanics, which is usually presented succinctly using scary looking mathematical formulas. The role of mathematics in physics, as Richard Feynman explains (in his lectures on QED given in Auckland, New Zealand in 1979, available on YouTube, but as poor quality recordings) is purely utilitarian.
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Quantenmechanik

Quantenmechanik (QM) is the physics of small things. How do they behave and how do they interact with each other? Conspicuously absent from this framework of QM is why. Why small things do what they do is a question QM leaves alone. Und, if you are to make any headway into this subject, your best bet is to curb your urge to ask why. Nature is what she is. Our job is to understand the rules by which she plays the game of reality, and do our best to make use of those rules to our advantage in experiments and technologies. Ours is not to reason why. Wirklich.

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Unsicher Prinzip

Die Unschärferelation ist die zweite Sache, die in der Physik, die die Phantasie der Öffentlichkeit erobert hat. (Die erste ist, E=mc^2.) Es sagt etwas scheinbar einfache — können Sie zwei kostenlose Eigenschaften eines Systems nur bis zu einem gewissen Genauigkeit zu messen. Beispielsweise, wenn Sie versuchen, herauszufinden, wo ein Elektron (messen die Position, das heißt) mehr und genauer, seine Geschwindigkeit wird zunehmend unsicher (oder, die Impulsmessung wird ungenau).

Woher kommt dieses Prinzip her? Bevor wir diese Frage stellen, Wir müssen prüfen, was das Prinzip wirklich sagt. Hier sind ein paar mögliche Interpretationen:

  1. Ort und Impuls eines Teilchens intrinsisch miteinander verbunden. Wie wir genauer zu messen, die Dynamik, die Partikel Art “breitet sich aus,” wie George Gamow Charakter, Herr. Tompkins, sagt. Mit anderen Worten, es ist nur eines der Dinge,; die Art, wie die Welt funktioniert,.
  2. Wenn wir die Position zu messen, wir stören die Dynamik. Unsere Messsonden “zu fett,” sozusagen. Als wir die Positionsgenauigkeit zu erhöhen (von strahlendes Licht kürzerer Wellenlängen, beispielsweise), wir stören die Dynamik immer mehr (weil Licht kürzerer Wellenlänge hat eine höhere Energie / Impuls).
  3. In engem Zusammenhang mit dieser Deutung ist eine Ansicht, dass die Unschärferelation ist ein Wahrnehmungsgrenze.
  4. Wir können auch die unsicher Prinzip denken, wie eine kognitive Grenze, wenn man bedenkt, dass eine zukünftige Theorie könnte eine solche Grenzen zu überwinden.

In Ordnung, die letzten beiden Interpretationen sind meine eigenen, so dass wir hier nicht im Detail diskutieren hier.

Die erste Ansicht ist derzeit beliebt und wird zur sogenannten Kopenhagen Interpretation der Quantenmechanik bezogenen. Es ist eine Art, wie die geschlossenen Aussagen des Hinduismus — “So ist die Art des Absolute,” beispielsweise. Richtig, kann sein. Aber wenig praktikabel,. Lassen Sie uns ignorieren denn es ist nicht zu offen für Gespräche.

Die zweite Auslegung wird im allgemeinen als experimentelle Schwierigkeiten verstanden. Aber wenn der Begriff der Versuchsaufbau ist erweitert, um die unvermeidlichen menschlichen Beobachter umfassen, erreichen wir die dritte Ansicht der Wahrnehmungsbeschränkung. In dieser Ansicht, es ist tatsächlich möglich, “ableiten” die Unschärferelation.

Nehmen wir an, dass wir unter Verwendung eines Lichtstrahls mit einer Wellenlänge von \lambda um die Partikel beobachten. Die Präzision in der Position, die wir hoffen, zu erreichen, ist in der Größenordnung von \lambda. Mit anderen Worten, \Delta x \approx \lambda. In der Quantenmechanik, die Dynamik der einzelnen Photonen in dem Lichtstrahl ist umgekehrt proportional zur Wellenlänge. Mindestens einem Photon von dem Teilchen reflektiert wird, so dass wir sie sehen. So, von der klassischen Erhaltungssatz, der Impuls der Teilchen mindestens ändern, indem \Delta p \approx Konstante\lambda aus, wie es vor der Messung war. So, durch Wahrnehmungs Argumente, wir etwas Ähnliches wie die Heisenbergsche Unschärferelation erhalten \Delta x \Delta p = Konstante.

Wir können dieses Argument strenger machen, und erhalten Sie eine Schätzung der Wert der Konstanten. Die Auflösung eines Mikroskops wird durch die empirische Formel 0.61\lambda/NA, wo NA ist die numerische Apertur, was einen Maximalwert von eins hat. So, die beste räumliche Auflösung 0.61\lambda. Jedes Photon in dem Lichtstrahl eine Impuls 2\pi\hbar/\lambda, welches die Unsicherheit in der Partikel Momentum. So bekommen wir \Delta x \Delta p = (0.61\lambda)(2\pi\hbar) \approx 4\hbar, ungefähr eine Größenordnung größer als die quantenmechanische Grenz. Durch strengere statistische Argumente, zu der Ortsauflösung bezieht und die erwarteten Impulse übertragen, es möglich ist, die Heisenbergsche Unschärferelation durch diese Argumentation ableiten.

Wenn wir die philosophische Sicht, dass unsere Realität ist ein kognitives Modell unserer Wahrnehmungsreize (die die einzige Ansicht, die für mich Sinn macht), meine vierte Interpretation der Unschärferelation ein kognitiver Einschränkung gilt auch ein wenig Wasser.

Hinweis

Der letzte Teil dieses Beitrags ist ein Auszug aus meinem Buch, Die Unreal Universe.

Sex und Physik — Nach Feynman

Physik geht durch ein Alter von Selbstgefälligkeit einmal in eine Weile. Zufriedenheit entsteht aus einem Gefühl der Vollständigkeit, ein Gefühl, das wir haben alles entdeckt was es zu wissen, der Weg ist klar und die Methoden gut verstanden.

Historisch, diese Anfälle von Selbstzufriedenheit durch schnelle Entwicklungen, die die Art und Weise revolutionieren, Physik getan gefolgt, zeigt uns, wie wir in der falschen. Diese demütigende Lektion der Geschichte ist wahrscheinlich das, was Feynman aufgefordert zu sagen,:

Wie ein Zeitalter der Selbstzufriedenheit an der Wende des 19. Jahrhunderts existierte. Berühmte Persönlichkeiten wie Kelvin bemerkte, dass alles, was übrig war zu tun war, genauere Messungen machen. Michelson, , die in der Revolution eine entscheidende Rolle gespielt zu folgen, wurde nicht geraten, eine geben “tot” Bereich wie der Physik.

Wer würde in weniger als einem Jahrzehnt in das 20. Jahrhundert gedacht, dass, wir würden vervollständigen ändern Sie die Art, wie wir von Raum und Zeit zu denken? Wer bei klarem Verstand ist, würde jetzt sagen, dass wir unsere Vorstellungen von Raum und Zeit wieder ändern? Ich. Dann wieder, niemand hat mich an einen Verstand jemals angeklagt!

Eine weitere Revolution im Laufe des letzten Jahrhunderts fand — Quantenmechanik, die weg haben mit unseren Begriff von Determinismus und behandelt ein schwerer Schlag für die System-Beobachter Paradigma der Physik. Ähnliche Umdrehungen wird wieder passieren. Lassen Sie uns nicht halten Sie sich an unsere Konzepte als unveränderlich; sie sind nicht. Lassen Sie uns nicht von unseren alten Meister als unfehlbar denken, für sie sind es nicht. Als Feynman selbst weisen darauf hin,, Physik allein hält mehr Beispiele für die Fehlbarkeit der alten Meister. Und ich fühle, dass eine vollständige Revolution im Denken ist jetzt überfällig.

Sie werden sich vielleicht fragen, was hat das alles mit Sex zu tun. Gut, Ich dachte nur, Sex wäre besser verkaufen. Ich hatte Recht, war ich nicht? Ich meine, Sie sind immer noch hier!

Feynman sagte auch,,

Foto: "Caveman Chuck" Coker cc

Einstein auf Gott und Würfel

Obwohl Einstein ist bekannt für seine Relativitätstheorie bekannt, er war auch die treibende Kraft hinter dem Aufkommen der Quantenmechanik (QM). Seine frühen Arbeiten in Photovoltaikeffekt gepflasterten Weg für zukünftige Entwicklungen im QM. Und er den Nobelpreis gewonnen, nicht für die Relativitätstheorie, aber für dieses Frühwerk.

Es sollte dann eine Überraschung für uns, dass Einstein nicht ganz glauben an QM kommen. Er verbrachte den letzten Teil seiner Karriere versuchte Gerät Gedankenexperimente, die beweisen würden, dass QM ist unvereinbar mit dem, was er glaubte, um die Gesetze der Natur zu sein. Warum ist es so, dass Einstein nicht QM akzeptieren? Wir werden nie sicher wissen, und meine Vermutung ist wohl so gut wie jeder andere ist.

Einsteins Probleme mit QM in diesem berühmten Zitat zusammenfassen.

Es ist in der Tat schwierig, die Vorstellungen in Einklang zu bringen (oder zumindest einige Auslegungen) von QM mit einem Textansicht, in der ein Gott die Kontrolle über alles hat. In QM, Beobachtungen sind probabilistische Natur. Dh, wenn wir es irgendwie schaffen, zwei Elektronen senden (im gleichen Zustand) auf der gleichen Strahl und nach einer Weile beobachten können, Wir können zwei verschiedene beobachteten Objekte zu bekommen.

Wir können diese Unvollkommenheit Beobachtung als unsere Unfähigkeit zum Einrichten identischen Anfangszustände zu interpretieren, oder der Mangel an Präzision bei unseren Messungen. Diese Auslegung ergibt sich die so genannten versteckten variablen Theorien — als ungültig für eine Vielzahl von Gründen. Die Interpretation derzeit beliebt ist, dass Unsicherheit eine inhärente Eigenschaft der Natur — die so genannte Kopenhagener Interpretation.

In der Kopenhagener Bild, Teilchen Positionen nur dann, wenn festgestellt. Zu anderen Zeiten, sie sind wie der Art dachte verteilt im Raum werden. In einem Doppelspalt Interferenzexperiment mit Elektronen, beispielsweise, sollten wir nicht fragen, ob eine bestimmte Elektronennimmt Schlitz oder die andere. Solange es eine Interferenz, es ist irgendwie nimmt sowohl.

Die beunruhigende Sache für Einstein in dieser Interpretation wäre, dass selbst Gott nicht in der Lage, um das Elektron nehmen einen Schlitz oder das andere sein (ohne das Interferenzmuster zu stören, das heißt). Und wenn Gott nicht setzen einen winzigen Elektronen, wo er will, Wie wird er sich das ganze Universum zu kontrollieren?