Tag Archives: quantum mechanics

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.
Teruskan membaca

Mekanik Kuantum

Mekanik Kuantum (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. Dan, 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. Really.

Teruskan membaca

Ragu-ragu yang Utama

Prinsip ketidakpastian adalah perkara yang kedua dalam fizik yang telah menangkap imaginasi awam. (Yang pertama adalah E=mc^2.) Ia mengatakan sesuatu yang seolah-olah mudah — Anda dapat mengukur dua sifat percuma sistem hanya untuk ketelitian tertentu. Sebagai contoh, jika anda cuba untuk mencari tahu di mana elektron adalah (mengukur kedudukannya, yang) lebih dan lebih tepat, kelajuannya menjadi semakin tidak menentu (atau, pengukuran momentum menjadi tidak tepat).

Di manakah prinsip ini berasal dari? Sebelum kita boleh bertanya soalan itu, kita perlu mengkaji apa prinsip yang benar-benar mengatakan. Berikut adalah beberapa kemungkinan terjemahan:

  1. Kedudukan dan momentum zarah adalah intrinsik saling. Seperti yang kita mengukur momentum yang lebih tepat, jenis zarah daripada “tersebar,” sebagai watak George Gamow, Encik. Tompkins, meletakkannya. Dalam erti kata lain, ia merupakan salah satu daripada perkara-perkara; cara dunia bekerja.
  2. Apabila kita mengukur kedudukan, kita mengganggu momentum. Kuar pengukuran kami adalah “terlalu gemuk,” kerana ia adalah. Seperti yang kita meningkatkan ketepatan kedudukan (oleh cahaya bersinar panjang gelombang yang lebih pendek, misalnya), kita mengganggu momentum yang lebih dan lebih (kerana panjang gelombang cahaya yang lebih pendek mempunyai tenaga / momentum yang lebih tinggi).
  3. Rapat berkaitan dengan tafsiran ini adalah pandangan bahawa prinsip ketidakpastian had persepsi.
  4. Kami juga boleh memikirkan prinsip ketidakpastian sebagai had kognitif jika kita menganggap bahawa teori masa depan mungkin melebihi apa-apa had.

Baiklah, kedua-dua tafsiran lepas adalah saya sendiri, supaya kita tidak akan membincangkannya dengan terperinci di sini.

Pandangan pertama adalah pada masa ini popular dan berkaitan dengan apa yang dipanggil Copenhagen tafsiran mekanik kuantum. Ia adalah jenis seperti penyata tertutup agama Hindu — “Itu adalah sifat Yang Mutlak,” misalnya. tepat, mungkin. Tetapi penggunaan praktikal sedikit. Mari kita mengabaikannya kerana ia tidak terlalu terbuka untuk perbincangan.

Tafsiran kedua biasanya difahami sebagai kesukaran eksperimen. Tetapi jika tanggapan persediaan eksperimen diperluas untuk merangkumi pemerhati manusia yang tidak dapat dielakkan, kami tiba di pandangan ketiga batasan persepsi. Dalam pandangan ini, ia sebenarnya mungkin untuk “mendapat” prinsip ketidakpastian.

Mari kita anggap bahawa kita menggunakan pancaran cahaya daripada panjang gelombang \lambda untuk memerhatikan zarah. Ketepatan dalam kedudukan yang kita boleh berharap untuk mencapai adalah perintah \lambda. Dalam erti kata lain, \Delta x \approx \lambda. Dalam mekanik kuantum, momentum setiap foton dalam pancaran cahaya adalah berkadar songsang dengan panjang gelombang. Sekurang-kurangnya satu foton ditunjukkan oleh zarah itu sehingga kita dapat melihatnya. Jadi, oleh undang-undang pemuliharaan klasik, momentum zarah harus berubah oleh sekurang-kurangnya \Delta p \approx terus-menerus\lambda daripada apa yang ia adalah sebelum pengukuran. Oleh itu, melalui hujah-hujah persepsi, kita akan mendapat sesuatu yang serupa dengan prinsip ketidakpastian Heisenberg \Delta x \Delta p = terus-menerus.

Kita boleh membuat hujah ini lebih ketat, dan mendapatkan suatu anggaran nilai tetap. Resolusi mikroskop diberikan oleh rumus empiris 0.61\lambda/NA, tempat NA adalah bukaan berangka, yang mempunyai nilai maksimum satu. Oleh itu, resolusi spatial yang terbaik adalah 0.61\lambda. Setiap foton dalam pancaran cahaya mempunyai momentum yang 2\pi\hbar/\lambda, iaitu ketidakpastian dalam momentum zarah. Oleh itu, kita mendapatkan \Delta x \Delta p = (0.61\lambda)(2\pi\hbar) \approx 4\hbar, kira-kira suatu perintah magnitud lebih besar daripada had mekanikal kuantum. Dengan kata-statistik yang lebih ketat, yang berkaitan dengan resolusi spatial dan momentum dijangka dipindahkan, ia boleh mungkin untuk memperolehi prinsip ketidakpastian Heisenberg melalui cara pemikiran ini.

Jika kita menganggap pandangan falsafah bahawa realiti kita adalah model kognitif rangsangan persepsi kami (yang merupakan satu-satunya pandangan yang masuk akal kepada saya), tafsiran keempat saya prinsip ketidakpastian sebagai had kognitif juga memiliki sedikit air.

rujukan

Bahagian akhir post ini adalah petikan dari buku saya, The Unreal Universe.

Seks dan Fizik — Menurut Feynman

Fizik akan melalui zaman puas hati sekali-sekala. Puas hati berasal dari rasa kesempurnaan, perasaan bahawa kami telah menemui segala-galanya ada tahu, jalan yang jelas dan kaedah yang difahami.

Dari segi sejarah, serangan ini puas hati diikuti oleh perkembangan pesat yang merevolusikan cara fizik yang dilakukan, menunjukkan kepada kita bagaimana salah kita telah. Ini pengajaran kekerasan hati sejarah mungkin apa yang mendorong Feynman untuk mengatakan:

Seperti zaman puas hati wujud pada awal abad ke-19. Persona terkenal seperti Kelvin mengatakan bahawa semua yang perlu dilakukan adalah untuk membuat ukuran yang lebih tepat. Michelson, yang memainkan peranan penting dalam revolusi untuk mengikuti, telah dinasihatkan supaya tidak memasukkan “mati” bidang seperti fizik.

Siapa sangka bahawa dalam tempoh kurang sedekad ke dalam abad ke-20, kami akan melengkapkan mengubah cara kita berfikir tentang ruang dan masa? Siapa dalam fikiran hak mereka akan mengatakan sekarang bahawa kita sekali lagi akan mengubah tanggapan kami ruang dan masa? Saya buat. Kemudian lagi, tiada siapa yang pernah menuduh saya fikiran hak!

Satu lagi revolusi berlaku sepanjang abad yang lalu — Mekanik Kuantum, yang telah menghapuskannya tanggapan kami dan penentuan pukulan serius kepada paradigma sistem-pemerhati fizik. Revolusi yang sama akan berlaku lagi. Mari kita tidak berpegang kepada konsep kita sebagai tidak berubah; mereka tidak. Mari kita tidak fikir tuan-tuan lama seperti ma'sum, kerana mereka tidak. Sebagai Feynman sendiri akan menunjukkan, fizik sahaja memegang lebih contoh-contoh kesilapan dari tuan lama. Dan saya merasakan bahawa revolusi yang lengkap dalam pemikiran adalah tertunggak kini.

Anda mungkin tertanya-tanya apa semua ini mempunyai kaitan dengan seks. Baik, Saya hanya fikir seks akan menjual lebih baik. Saya adalah betul, bukan saya? Maksud saya, anda masih di sini!

Feynman juga berkata,

Gambar oleh "Caveman Chuck" Coker cc

Einstein on God and Dice

Although Einstein is best known for his theories of relativity, he was also the main driving force behind the advent of quantum mechanics (QM). His early work in photo-voltaic effect paved way for future developments in QM. And he won the Nobel prize, not for the theories of relativity, but for this early work.

It then should come as a surprise to us that Einstein didn’t quite believe in QM. He spent the latter part of his career trying to device thought experiments that would prove that QM is inconsistent with what he believed to be the laws of nature. Why is it that Einstein could not accept QM? We will never know for sure, and my guess is probably as good as anybody else’s.

Einstein’s trouble with QM is summarized in this famous quote.

It is indeed difficult to reconcile the notions (or at least some interpretations) of QM with a word view in which a God has control over everything. dalam QM, observations are probabilistic in nature. Iaitu, if we somehow manage to send two electrons (in the same state) down the same beam and observe them after a while, we may get two different observed properties.

We can interpret this imperfection in observation as our inability to set up identical initial states, or the lack of precision in our measurements. This interpretation gives rise to the so-called hidden variable theories — considered invalid for a variety of reasons. The interpretation currently popular is that uncertainty is an inherent property of nature — the so-called Copenhagen interpretation.

In the Copenhagen picture, particles have positions only when observed. At other times, they should be thought of as kind of spread out in space. In a double-slit interference experiment using electrons, misalnya, we should not ask whether a particular electron takes on slit or the other. As long as there is interference, it kind of takes both.

The troubling thing for Einstein in this interpretation would be that even God would not be able to make the electron take one slit or the other (without disturbing the interference pattern, yang). And if God cannot place one tiny electron where He wants, how is he going to control the whole universe?