Jika mekanika kuantum belum terlalu mengejutkan Anda, Anda belum memahaminya.
Niels Bohr
Jika Anda bingung dengan konsep mekanika kuantum, jangan panik, saya yakin Anda bukan satu-satunya. Seperti yang dikatakan fisikawan Feynman: "Saya rasa saya dapat dengan aman mengatakan bahwa tidak ada yang memahami mekanika kuantum."
Bagaimanapun, teori kuantum menembus setiap aspek kehidupan kita, menjelaskan bagaimana dunia tempat kita hidup bekerja. Misalnya kita bermandikan sinar matahari setiap hari, pernahkah Anda bertanya-tanya mengapa matahari bersinar? Jika Anda tidak memahami mekanika kuantum, Anda tidak dapat memahami misterinya.
Selanjutnya, melalui sepuluh pertanyaan, saya akan mencoba menggunakan bahasa yang paling ringkas untuk mengarahkan pembaca memahami ide-ide dasar di balik mekanika kuantum.
1. Apa itu mekanika kuantum?
Selama ribuan tahun, para ilmuwan telah menanyakan pertanyaan paling dasar: Apa yang terbuat dari materi? Sekarang kita tahu bahwa semua materi terbuat dari elektronik dengan Quark Mereka semua adalah partikel elementer. Yang disebut partikel elementer berarti bahwa mereka tidak dapat terdiri dari partikel yang lebih kecil. Partikel elementer inilah yang menyusun atom, seperti hidrogen dan oksigen, dan molekul, seperti HO.
Atom: Terdiri dari elektron dan inti atom. Inti terdiri dari proton dan neutron, yang pada gilirannya terdiri dari quark.
Atom dan molekul adalah balok penyusun Lego yang menyusun dunia ini. Untuk memahami bagaimana dunia mikro ini bekerja, para ilmuwan perlu menggunakan Teori kuantum .
Teori ini memiliki banyak prediksi yang sangat aneh (misalnya, partikel dapat berada di dua tempat berbeda pada waktu yang sama), tetapi juga merupakan salah satu teori yang paling teruji dalam fisika.
Itu adalah fondasi yang mendukung teknologi yang kita lihat di sekitar kita, termasuk chip di ponsel yang Anda gunakan sekarang, dan itu juga alasan mengapa ponsel pintar itu pintar.
Ini aneh, tapi ini benar dan sangat penting.
2. Tunggu, setelah berbicara lama, apa artinya "kuantum"?
Anda berjalan ke dapur dengan sebotol selai kacang, Anda dapat memutuskan untuk meletakkannya di atas meja, atau di rak meja. Tapi Anda tidak bisa meletakkan selai kacang di antara lapisan rak. Dalam fisika, lapisan rak dapur ini disebut "kuantisasi". Artinya mereka memiliki level.
Dalam atom hidrogen, elektron dapat bertransisi pada tingkat energi yang berbeda. (© John Willey)
Di dunia kuantum, semuanya dibagi menjadi beberapa tingkatan. Misalnya, satu elektron dalam atom bisa ada di banyak di antaranya " tingkat energi "Salah satu tingkat energi seperti lapisan berbeda pada rak di dapur. Di dunia kuantum, selama Anda menendang elektron dengan energi yang tepat, ia akan segera melompat dari satu tingkat energi ke tingkat energi lainnya. Ini disebut Transisi kuantum .
Sebagai contoh yang mungkin lebih Anda kenal, jika Anda mengendarai mobil kuantum sekarang, Anda dapat mengemudi dengan kecepatan 5 km / jam, 10 km / jam, dan 30 km / jam, tetapi tidak di antara keduanya. Dengan kata lain, saat mengganti persneling, kecepatan mobil akan langsung melonjak dari 5 km / jam menjadi 20 km / jam. Perubahan ini terjadi seketika, jadi Anda bahkan tidak akan merasakan percepatannya. Ini satu lagi Transisi kuantum .
3. Apa perbedaan antara mekanika klasik dan mekanika kuantum?
Seperangkat aturan yang ditaati oleh mikrokosmos sangat berbeda dengan dunia "klasik" yang biasa kita gunakan. Apa yang oleh fisikawan disebut "klasik" relatif terhadap "akal sehat", yang berarti bahwa sesuatu berperilaku dengan cara yang sama seperti yang Anda harapkan dalam pengalaman sehari-hari.
Area merah menunjukkan kepadatan probabilitas osilator harmonik kuantum, dan kurva biru mewakili distribusi probabilitas klasik. Dalam hal ini, bilangan kuantum n = 0.
Bola biliar adalah "benda klasik" (menggelinding dalam garis lurus di atas meja), tetapi satu atom mematuhi aturan kuantum (dapat dengan mudah menghilang di atas meja hijau).
Bilangan kuantum n = 50. Ketika bilangan kuantum meningkat, efek kuantum secara bertahap menghilang, dan semakin mendekati klasik. (© Wolfram)
Ketika cukup banyak atom yang digabungkan, efek kuantum aneh secara bertahap akan menghilang, dan perilakunya akan menjadi klasik lagi. Ini Bohr Prinsip korespondensi ".
4. Apakah prinsip ketidakpastian Heisenberg?
Dalam fisika kuantum, beberapa hal pada dasarnya tidak dapat diketahui. Misalnya, Anda tidak dapat mengetahui di mana letak elektron dan ke mana arahnya pada saat yang sama. Dengan kata lain, tidak mungkin untuk secara akurat menentukan posisi dan kecepatan sebuah partikel pada saat yang bersamaan, inilah prinsip ketidakpastian Heisenberg.
Kita tidak pernah bisa mengetahui posisi dan kecepatan partikel pada saat yang bersamaan. (© Chad Orzel)
Salah satu cara untuk memahami prinsip ini adalah melalui efek pengamatan terkait bagaimana sistem mengubah hasilnya saat diukur. Misalnya, untuk mengetahui keberadaan elektron, Anda harus menggunakan sesuatu (seperti foton penyusun cahaya) untuk mendeteksinya. Namun, untuk mendeteksi posisi elektron, foton akan mengubah arah pergerakan elektron. Meskipun elektron memberi tahu Anda lokasinya, ia tidak tahu kemana perginya selanjutnya.
Ketidakpastian momentum partikel × ketidakpastian posisi tidak kurang dari setengah × konstanta tereduksi Planck.
Namun, sumber ketidakpastian sebenarnya lebih dalam dan mengejutkan. Prinsip ketidakpastian ada karena segala sesuatu di alam semesta berperilaku seperti gelombang dan partikel pada saat bersamaan. Inilah yang disebut dualitas gelombang-partikel.
Semuanya seperti partikel dan gelombang. (© Chad Orzel)
Faktanya, prinsip ketidakpastian mengungkapkan ambiguitas yang melekat pada alam.
5. Apa yang dimaksud dengan fungsi gelombang?
Persamaan inti mekanika kuantum adalah persamaan Schrödinger, yang merupakan posisi hukum kedua Newton dalam mekanika klasik. Ini terlihat seperti ini:
Persamaan Schrodinger. H dalam persamaan tersebut adalah Hamiltonian, yang merupakan penjumlahan energi kinetik dan energi potensial sistem. (© Ian Stewart)
Solusi dari persamaan ini adalah Fungsi gelombang (x, y, z, t), x, y, z dalam tanda kurung mewakili situasi tiga dimensi. Ada banyak kemungkinan solusi untuk fungsi gelombang kuantum. Sungguh menakjubkan bahwa solusi yang mungkin berbeda tampaknya berinteraksi untuk membentuk keadaan perantara atau tak tentu, disebut Status superposisi . Tampaknya mereka dapat digabungkan untuk menggambarkan dengan tepat realitas alam semesta kita.
6. Dapatkah Anda menjelaskan lebih lanjut tentang apa yang dimaksud dengan status superposisi? Sepertinya itu terkait dengan kucing?
Bayangkan Anda menutup kucing di dalam kotak dengan sebotol kecil sianida. Ada palu yang digantung pada tali di botol. Jika peristiwa kuantum acak terjadi (misalnya, peluruhan atom uranium), palu akan jatuh dan botol yang berisi sianida rusak.
Pada tahun 1935, fisikawan Austria Schrödinger mengusulkan eksperimen pemikiran ini untuk menyampaikan konsep superposisi.
Eksperimen pemikiran kucing Schrödinger. (© Wikipedia)
Peluruhan atom mematuhi hukum kuantum, sehingga fungsi gelombangnya memiliki dua solusi: peluruhan dan non-peluruhan. Jika uranium membusuk, botol berisi sianida akan pecah dan kucing akan mati; jika uranium tidak membusuk, kucing akan bertahan.
Dari perspektif mekanika kuantum, sebelum kita membuka kotak, uranium radioaktif berada dalam superposisi dua keadaan peluruhan dan tidak ada pembusukan, dan kucing itu hidup atau mati. Status superposisi , Yang disebut " Kucing Schrodinger ".
7. Satelit kuantum yang diluncurkan oleh China beberapa waktu lalu juga menyebut kata keterjeratan. Lalu apa sebenarnya keterjeratan itu?
Keterikatan adalah hubungan antara dua partikel (seperti foton). Saat Anda mengukur salah satunya, hal itu akan langsung memengaruhi yang lain, tidak peduli seberapa jauh jaraknya.
Keterikatan kuantum, selama Anda mengamati salah satu partikel, Anda dapat segera mengetahui keadaan partikel lainnya, meskipun mereka mungkin berada di kedua ujung alam semesta
Misalnya, sekarang saya memiliki kelereng dengan warna berbeda di masing-masing tangan saya, saya merentangkan tangan ke belakang untuk menukar kelereng sesuka hati. Dari sudut pandang Anda, kedua kelereng ini "terjerat", jika kelereng merah ada di tangan kiri saya, berarti kelereng biru ada di tangan kanan saya.
Tetapi dalam kasus kuantum, ini bahkan lebih misterius lagi, karena kelereng tidak memiliki warna yang pasti, kemungkinan bahwa mereka dapat berwarna merah dan biru adalah sama, yang sama sekali acak.
Yang aneh adalah ketika Anda melihat salah satu kelereng, keacakan ini lenyap. Bukan hanya yang Anda lihat, tapi dua. Jika Anda melihat kelereng merah, Anda tahu yang lainnya berwarna biru.
Oleh karena itu, satu partikel terjerat akan segera memengaruhi partikel lainnya, tidak peduli seberapa jauh jaraknya. Einstein percaya bahwa ini melanggar batas kecepatan alam semesta (kecepatan cahaya) yang dibatasi oleh teori relativitas, jadi dia melabeli keterjeratan sebagai " Aksi hantu dari kejauhan ".
8. Bagaimana fisikawan melibatkan foton?
Ada beberapa metode berbeda. Salah satunya adalah dengan membagi foton berenergi tinggi menjadi dua "sub-foton" berenergi rendah. Sama seperti dua saudara kembar identik, mereka memiliki hubungan misterius di antara mereka.
Cara lain adalah dengan membiarkan dua foton melewati labirin cermin, sehingga Anda tidak dapat mengetahui ke arah mana foton akan bergerak. Orang "agnostik" ini menciptakan keterikatan.
9. Apakah ada eksperimen terkenal dalam mekanika kuantum?
Menurut saya, eksperimen paling terkenal dalam mekanika kuantum adalah Eksperimen celah ganda . Pengaturan percobaan sederhana: menembakkan partikel (biasanya elektron atau foton) pada layar dengan celah ganda di satu sisi, dan ada layar deteksi di belakang celah ganda.
Eksperimen ini terkenal karena menggambarkan banyak fenomena aneh yang kami sebutkan di atas.
Kami pertama kali melakukan percobaan celah ganda di air. Sangat sederhana, Anda bisa menciptakan gelombang hanya dengan menyelipkan jari-jari Anda ke dalam air. Ketika gelombang ini melewati celah ganda, mereka saling mengganggu, membentuk pinggiran interferensi yang signifikan. Inilah perilaku gelombang.
Sekarang, keluarkan eksperimen dari air dan tembak peluru ke arah celah ganda. Apa yang Anda lihat di balik layar adalah dua peluru yang ditumpuk berdampingan, bukan pola interferensi. Inilah perilaku partikel.
Hal yang menakjubkan akan datang, jika Anda menembakkan elektron pada celah ganda, apa yang akan terjadi? Jika Anda mengharapkan elektron menjadi partikel, maka apa yang Anda lihat di layar deteksi sama dengan peluru. Tapi faktanya?
Eksperimen celah ganda yang terkenal. (© NewScientist)
Kita melihat bahwa elektron akan menghasilkan pola interferensi pada layar deteksi, seolah-olah setiap elektron melewati celah ganda pada saat yang sama dan saling mengganggu. Ini sepertinya menyiratkan bahwa elektron adalah gelombang.
Karena elektron adalah objek kuantum, kita tidak dapat mengetahui posisinya ( Prinsip ketidakpastian Heisenberg ). Ada kemungkinan tertentu bahwa elektron akan melewati salah satu celah, dan kemungkinan tertentu bahwa mereka akan melewati celah yang lain. Karena kemungkinan melewati dua celah itu sama, sebenarnya melewati kedua celah pada waktu yang sama ( Status superposisi ).
Elektron berperilaku seperti partikel dan gelombang. Yang disebut dualitas gelombang-partikel ini menjengkelkan tapi menarik. Sekarang Anda mungkin mulai berpikir, tidak dapatkah kita menemukan cara untuk mengetahui celah mana yang dilewati elektron?
J: Tanpa mengamati celah mana yang dilewati elektron, pinggiran interferensi akan terbentuk pada layar deteksi. B: Setelah observasi dilakukan, interferensi pinggiran akan hilang
Tentu saja, kita dapat meletakkan sumber cahaya di suatu tempat untuk memantau celah mana yang dilewati elektron. Namun, setelah kita melakukan ini, kita akan menemukan bahwa pola interferensi asli segera menghilang! ! !
Dengan kata lain, setelah pengamatan dilakukan, fungsi gelombangnya adalah " Jatuh "Lagi.
Karena Anda mengetahui celah mana yang dilewati elektron, ia tidak lagi berada dalam keadaan superposisi, jadi elektron hanya melewati salah satunya. Perilaku gelombang elektron menghilang, dan berperilaku seperti peluru.
Jika Anda merasa otak Anda tidak bekerja sekarang, ini normal, karena fisikawan juga memeras otak mereka untuk menjelaskan paradoks yang tampak jelas ini.
10. Apakah fisikawan punya penjelasan untuk ini?
Saya ingat ketika pertama kali berhubungan dengan mekanika kuantum, saya tidak dapat memahami banyak fenomena. Untuk menghilangkan keraguan di benak saya, saya terus mengajukan pertanyaan kepada profesor. Tentu saja, nasihat profesor yang biasa adalah: "Jangan tanya, asal kamu tahu cara menghitungnya." Begitu saya mengadopsi saran ini, pengalaman pribadi saya menemukan bahwa mekanika kuantum jauh lebih mudah daripada mekanika klasik. Tapi ini bukanlah sikap yang benar. Memang, banyak fisikawan yang hanya tertarik pada jawaban dan tidak mau memikirkan apa yang terjadi.
Nyatanya, begitu Anda memikirkan prinsip di balik ini, Anda akan menemukan pesona tak terbatas dari mekanika kuantum. Di bawah ini saya secara singkat mencantumkan tiga interpretasi luar biasa dari mekanika kuantum:
Interpretasi Kopenhagen. (© Quanta)
Interpretasi Kopenhagen Dipercaya bahwa tidak ada posisi pasti dari elektron sebelum pengamatan. Setiap elektron menyebar seperti gelombang, melewati dua celah pada saat yang sama, dan mereka saling mengganggu untuk menghasilkan garis-garis terang dan gelap pada layar deteksi. Tetapi selama pengamat mencoba untuk mengetahui celah mana yang dilewati elektron, pengamatan langsung "menciutkan" posisi elektron ke suatu titik, menghancurkan terjadinya interferensi. Dengan kata lain, Pengamatan akan menyebabkan fungsi gelombang runtuh .
Interpretasi multi-dunia. (© Max Tegmark)
Interpretasi multi-dunia Pikirkan bahwa ketika kita mengamati suatu sistem, kita akan memisahkan tak terhitung banyaknya Alam semesta paralel , Masing-masing adalah solusi yang mungkin dari fungsi gelombang, dan kita hanya berada di satu alam semesta tertentu. Misalnya, pada gambar di atas, jika lawan jenis memulai percakapan dengan Anda, jawaban Anda akan menghasilkan dua hasil yang berbeda: Masing-masing akan tetap menjadi seekor anjing, atau menikah bahagia dan memiliki anak.
Teori gelombang navigasi. (© Quanta)
Teori De Broglie-Bohm , Juga dikenal sebagai Teori gelombang navigasi, Dalam mekanika Bohm, objek kuantum dianggap sebagai partikel klasik, dan elektron selalu memiliki posisi tertentu, meskipun posisinya tidak dapat dideteksi oleh pengamat. Posisi elektron akan dipengaruhi oleh "gelombang navigasi". Sebuah elektron hanya dapat melewati satu celah, tetapi gelombang navigasi melewati dua celah pada waktu yang bersamaan. Gangguan gelombang navigasi membawa pola interferensi pada layar deteksi. Pengukuran pada celah tersebut akan menyebabkan "runtuhnya" gelombang navigasi, sehingga jalur elektron dapat diketahui.
Pada titik ini, melalui pemahaman dasar ini, saya harap Anda akan mulai tertarik pada mekanika kuantum. Mungkin anda bisa mencoba membaca "The Core of Quantum Mechanics-Schrödinger Equation", atau anda bisa membaca buku Cao Tianyuan "Does God Roll the Dice: A History of Quantum Physics". Tentunya jika anda ingin menguasai mata kuliah mekanika kuantum, anda bisa membaca dari "Feynman "Kuliah Fisika" (Volume 3) dimulai.
- Harga aslinya 100.000, tapi harga naked car hanya 70.000. Konfigurasi standar 1.5T, dan konfigurasinya lebih tinggi dari GS4
- Terlalu tragis! Garis pertahanan tambal sulam akhirnya menyebabkan bencana! 1 striker Iran mengecam 3 bek tengah sepak bola nasional
- Australia Selatan telah mencabut larangan memancing, dan gelombang besar makanan laut Australia Selatan yang berkualitas tinggi dan murah perlahan-lahan mendekati Anda
- Muka depan family-style, mulai dari 120.000, konfigurasi standar 2.0L, konfigurasi tinggi 1.6T, apakah Anda mempertimbangkannya?
- Hukuman kontroversial membuat kesal Wang Fei, dan dia bergegas ke pengadilan untuk membuat keributan Kedua wasit bergabung untuk memintanya keluar dari pengadilan.
- Pilihan pertama untuk pekerja kantoran, bernilai tinggi, hemat bahan bakar, hanya 70.000 juga mobil patungan
- Akhir pekan ini, bertemu di Chaoshan! Selain makan, banyak hal menyenangkan di sini, berangkat dari Guangzhou
- Tiga kali dunk king NBA tiba-tiba muncul di pertarungan Sichuan-Shanghai, penalti aneh dari wasit membuat Li Qiuping tercengang.