БИЛИМ БУЛАГЫ

Физика: Движение квантовых частиц — различия между версиями

 
(не показано 65 промежуточных версий 2 участников)
Строка 1: Строка 1:
 
{{Якорь|Начало}}
 
{{Якорь|Начало}}
 
<div class="row  phis-bg"><div class="maintext large-8 medium-7 columns"><!-- Page Content -->
 
<div class="row  phis-bg"><div class="maintext large-8 medium-7 columns"><!-- Page Content -->
−
<div class="cutok">[[#Щелочные металлы|Щелочные]] [[#Щелочноземельные металлы|Щелочноземельные]] [[#Алюминий|Алюминий]] [[#Железо|Железо]]</div>
+
== Квантовая механика==
−
== Квантовая частица ==
 
  
−
<div class=”show-for-large-up”>{{center|[[Файл:Квантовая физика.png|650px]]}}</div>
+
<div class="show-for-large-up">{{left|[[Файл:Kvant_physics.png|350px]]}}</div>
−
<div class=”hide-for-large-up”>{{center|[[Файл:Квантовая физика.png|650px]]}}</div>
+
<div class="hide-for-large-up">{{center|[[Файл:Kvant_physics.png|350px]]}}</div>
  
 
Наверняка вы много раз слышали о необъяснимых тайнах квантовой физики и квантовой механики. Её законы завораживают мистикой, и даже сами физики признаются, что до конца не понимают их. Квантовая механика — это часть квантовой физики. Почему же так сложно понять эти науки? Ответ прост: квантовая физика и квантовая механика (часть квантовой физики) изучают законы микромира. И законы эти абсолютно отличаются от законов нашего макромира, в котором мы живём. Нас окружают тела, которые мы видим, можем оценить их месторасположение, размеры, скорость и траекторию  движения. Но есть микромир, в котором мы имеем дело с совсем другими размерами объектов. Чтобы понять, с насколько малыми размерами частиц имеет дело квантовая механика, попробуем прикинуть, сколько места в пространстве занимают атомы.  Размеры атомов, так же как и масса, чрезвычайно малы и составляют около 1 нм (нанометра),  или 1 • 10−9 м. Если увеличить атом до размера точечки диаметром 0,1 мм, то буквы, которые вы сейчас читаете, станут высотой в 500 метров или полкилометра.  Поэтому нам трудно представить то, что происходит с квантовыми частицами (электронами и фотонами) в микромире, как же они движутся и каким законам подчиняются.   
 
Наверняка вы много раз слышали о необъяснимых тайнах квантовой физики и квантовой механики. Её законы завораживают мистикой, и даже сами физики признаются, что до конца не понимают их. Квантовая механика — это часть квантовой физики. Почему же так сложно понять эти науки? Ответ прост: квантовая физика и квантовая механика (часть квантовой физики) изучают законы микромира. И законы эти абсолютно отличаются от законов нашего макромира, в котором мы живём. Нас окружают тела, которые мы видим, можем оценить их месторасположение, размеры, скорость и траекторию  движения. Но есть микромир, в котором мы имеем дело с совсем другими размерами объектов. Чтобы понять, с насколько малыми размерами частиц имеет дело квантовая механика, попробуем прикинуть, сколько места в пространстве занимают атомы.  Размеры атомов, так же как и масса, чрезвычайно малы и составляют около 1 нм (нанометра),  или 1 • 10−9 м. Если увеличить атом до размера точечки диаметром 0,1 мм, то буквы, которые вы сейчас читаете, станут высотой в 500 метров или полкилометра.  Поэтому нам трудно представить то, что происходит с квантовыми частицами (электронами и фотонами) в микромире, как же они движутся и каким законам подчиняются.   
  
−
<div class=”show-for-large-up”>{{center|[[Файл:Анимация_модели_атома.mp4|650px]]}}</div>
+
<ul class=" example-orbit" data-orbit="" data-options="animation:slide; pause_on_hover:true; animation_speed:500; navigation_arrows:true; resume_on_mouseout: true; timer_speed:4500;" >
−
<div class=”hide-for-large-up”>{{center|[[Файл:Анимация_модели_атома.mp4|650px]]}}</div>
+
  <li class="active">
 +
    [[file:43в_Строение_атома.jpg]]
 +
  </li>
 +
<li>
 +
    [[file:43б_Атом_2.jpg]]
 +
  </li>
 +
<li>
 +
  [[file:43а_Атом_1.jpg]]
 +
  </li>
 +
<li>
 +
  [[file:43г__Атомы_разных_веществ1.jpg]]
 +
  </li>
 +
<li class="active">
 +
    [[file:43д_Электронный_микроскоп.jpg]]
 +
  </li>
 +
</ul>
  
−
Объекты макромира- тела, которые нас повсюду окружают, могут находиться только в одном определенном месте и в одном определенном состоянии. Но квантовая частица существует по своим законам.
+
<div class="show-for-large-up">{{center|[[Файл:Animation_atom_model.mp4|450px|start=1]]}}</div>
 +
<div class="hide-for-large-up">{{center|[[Файл:Animation_atom_model.mp4|450px|start=1]]}}</div>
  
 +
 +
'''Объекты макромира'''. Тела, которые нас повсюду окружают, могут находиться только в одном определенном месте и в одном определенном состоянии. Но квантовая частица существует по своим законам.
 +
 +
 +
<div class="show-for-large-up">{{center|[[Файл:Stroenie_atoma.mp4|400px|start=1]]}}</div>
 +
<div class="hide-for-large-up">{{center|[[Файл:Stroenie_atoma.mp4|400px|start=1]]}}</div>
 +
 +
==Корпускулярно-волновой дуализм==
 
«Корпускулярно-волновой дуализм»? Он означает,  двойственность природы. Это когда речь идет об очень маленьких частицах (атомах, электронах) микромира, тогда они одновременно и волны, и частицы. Свет и электроны имеют квантовую природу, являются и волнами, и частицами одновременно.
 
«Корпускулярно-волновой дуализм»? Он означает,  двойственность природы. Это когда речь идет об очень маленьких частицах (атомах, электронах) микромира, тогда они одновременно и волны, и частицы. Свет и электроны имеют квантовую природу, являются и волнами, и частицами одновременно.
  
−
Квантовая механика говорит нам, любая квантовая частица находится, как правило, в нескольких состояниях или в нескольких точках пространства одновременно.
+
Квантовая механика говорит нам, что любая квантовая частица находится, как правило, в нескольких состояниях или в нескольких точках пространства одновременно.
  
−
Все квантовые частицы, будь то элементарные частицы или атомы или молекулы, состоящие из этих частиц, демонстрируют волнообразное поведение, так что они могут взаимодействовать друг с другом. В таком квантовом состоянии они могут проявлять любое странное квантовое поведение, такое как нахождение в двух местах одновременно, вращение в обоих направлениях одновременно, прохождение через непроницаемые барьеры или причудливые запутанные связи с отдаленными партнерами.
+
<div class="textblock">{{center|Все квантовые частицы, будь то элементарные частицы или атомы или молекулы, состоящие из этих частиц, демонстрируют волнообразное поведение, так что они могут взаимодействовать друг с другом. В таком квантовом состоянии они могут проявлять любое странное квантовое поведение, такое как нахождение в двух местах одновременно, вращение в обоих направлениях одновременно, прохождение через непроницаемые барьеры или причудливые запутанные связи с отдаленными партнерами.}}</div>
  
−
В таком случае, почему вы, состоящие из квантовых частиц, не можете быть в двух местах одновременно? Это было бы очень полезно в наше суетливое время. Ответ на это очень прост: чем больше и массивнее тело, тем меньше волновых свойств оно имеет, и тело с массой и размерами человека или еще что-то достаточно большое и видимое невооруженным глазом будет иметь такую малую квантовую длину волны, которая не имеет измеримого эффекта. Но, если посмотреть глубже, вы можете подумать, что каждый атом в вашем теле наблюдается, или измеряется, другими атомами вокруг него, так что любые минимальные квантовые свойства, которыми он может обладать, очень быстро разрушаются.
+
Чем больше и массивнее тело, тем меньше волновых свойств оно имеет, и тело с массой и размерами человека или еще что-то достаточно большое и видимое невооруженным глазом будет иметь такую малую квантовую длину волны, которая не имеет измеримого эффекта. Но, если посмотреть глубже, вы можете подумать, что каждый атом в вашем теле наблюдается, или измеряется, другими атомами вокруг него, так что любые минимальные квантовые свойства, которыми он может обладать, очень быстро разрушаются.
  
−
Суть такова, что каждая частица (по теории вероятности) обладает шкалой вероятностей находиться в том или ином положении. И когда мы отворачиваемся, а затем снова поворачиваемся, то можем застать частицу в любом из ее возможных положений именно согласно шкале вероятности. По исследованию частицу искали в разных местах, затем прекращали наблюдать за ней, а затем снова смотрели, как изменилось ее положение. Результат был просто ошеломительным. Подведя итоги, ученые действительно смогли составить шкалу вероятностей, где может находиться та или иная частица. Эту теорию никто еще не смог опровергнуть, поэтому она является, как ни странно, самой правильной.
+
'''Объекты микромира в формате 3D, которые в реальной жизни можно рассмотреть только под микроскопом!'''
  
−
А вот и мультик для детей и взрослых. Рассказывает о фундаментальном эксперименте квантовой механики с 2-мя щелями и наблюдателем. В мультике обратите внимание на «глаз» наблюдателя. Он стал серьёзной  загадкой для учёных-физиков.
+
<ul class=" example-orbit" data-orbit="" data-options="animation:slide; pause_on_hover:true; animation_speed:500; navigation_arrows:true; resume_on_mouseout: true; timer_speed:4500;" >
 +
  <li class="active">
 +
    [[file:Kosmicheskaya_pyl.jpeg|1000px]]
 +
  </li>
 +
<li>
 +
    [[file:Kletka1.jpeg|1000px]]
 +
  </li>
 +
<li>[[file:Virus1.jpeg|1000px]]
 +
  </li>
 +
<li>[[file:Chromosom.jpeg|1000px]]
 +
  </li>
 +
<li>[[file:Virus.jpeg|1000px]]
 +
  </li>
 +
</ul>
  
−
<div class=”show-for-large-up”>{{center|[[Файл:Квантовый_эксперимент.mp4|650px]]}}</div>
+
==Вероятностный характер положения квантовых частиц==
−
<div class=”hide-for-large-up”>{{center|[[Файл:Квантовый_эксперимент.mp4|650px]]}}</div>
+
Каждая частица (по теории вероятности) обладает шкалой вероятностей находиться в том или ином положении. И когда мы отворачиваемся, а затем снова поворачиваемся, то можем застать частицу в любом из ее возможных положений именно согласно шкале вероятности. По исследованию частицу искали в разных местах, затем прекращали наблюдать за ней, а затем снова смотрели, как изменилось ее положение. Результат был просто ошеломительным. Подведя итоги, ученые действительно смогли составить шкалу вероятностей, где может находиться та или иная частица. Эту теорию никто еще не смог опровергнуть, поэтому она является, как ни странно, самой правильной.  
  
−
3. Хотите, чтобы информация разложилась по полочкам? Посмотрите документальный фильм, подготовленный Канадским институтом теоретической физики. В нём за 20 минут очень кратко и в хронологическом порядке вам поведают о всех открытиях квантовой физики, начиная с открытия Планка в 1900 году. А затем расскажут, какие практические разработки выполняются сейчас на базе знаний по квантовой физике: от точнейших атомных часов до суперскоростных вычислений квантового компьютера (https://www.youtube.com/watch?v=EqAYSvxDny0 - Укротители кванта. Что день грядущий нам готовит)
+
<div class="show-for-large-up">{{left|[[Файл:Квантовый_эксперимент.mp4]]}}</div>
 +
<div class="hide-for-large-up">{{center|[[Файл:Квантовый_эксперимент.mp4]]}}</div>
  
−
==Полезные ссылки==
+
А вот и мультик для детей и взрослых. Рассказывает о фундаментальном эксперименте квантовой механики с 2-мя щелями и наблюдателем. В мультике обратите внимание на «глаз» наблюдателя. Он стал серьёзной  загадкой для учёных-физиков.
  
−
Проект "Самообразование" служит для представления знаний в понятной, ясной и краткой форме, удобной для восприятия человеком, не имеющим специальной подготовки в той или иной научной области. Здесь представлены задачи из открытого банка задач по ЕГЭ математика профильный уровень за предыдущие годы. Все задачи разбиты по темам и содержат подробное решение. Это поможет быстро сориентироваться в каталоге и выбрать для себя те темы, которые его интересуют. Вперед, к знаниям! http://self-edu.ru/math_egecats.php
+
3. Хотите, чтобы информация разложилась по полочкам? Посмотрите документальный фильм, подготовленный Канадским институтом теоретической физики. В нём за 20 минут очень кратко и в хронологическом порядке вам поведают о всех открытиях квантовой физики, начиная с открытия Планка в 1900 году. А затем расскажут, какие практические разработки выполняются сейчас на базе знаний по квантовой физике: от точнейших атомных часов до суперскоростных вычислений квантового компьютера.
  
−
Здесь вы найдете много полезных и нужных формул, таблиц и справочной информации. А онлайн  калькулятор поможет рассчитать объем. Для расчета задайте необходимые данные. Вычисления производятся в миллиметрах, сантиметрах, метрах. Результат выводится в кубических сантиметрах, литрах и кубических метров. Попробуем?  http://mozgan.ru/Geometry#block1
+
<div class="light" style="float:right;>[[#Начало|В начало]]</div><br clear=all />
  
 
==Глоссарий==
 
==Глоссарий==
 +
*'''Волновая функция''' — это описание состояния квантового объекта (фотона или электрона).
 +
*'''Интерференция света''' – это «волновое» поведение света, когда на экране отображается много чередующихся ярких и тёмных вертикальных полос. Еще эти вертикальные полосы называются '''интерференционной картиной'''.
 
*'''Квант''' (от латинского quantum – ”сколько”) – это неделимая порция какой-то физической величины. Например, говорят — квант света, квант энергии или квант поля.
 
*'''Квант''' (от латинского quantum – ”сколько”) – это неделимая порция какой-то физической величины. Например, говорят — квант света, квант энергии или квант поля.
 
*'''Квантовая механика''' – это  раздел теоретической физики, составляющая квантовой теории, описывающая физические явления на самом элементарном уровне – уровне частиц.
 
*'''Квантовая механика''' – это  раздел теоретической физики, составляющая квантовой теории, описывающая физические явления на самом элементарном уровне – уровне частиц.
 
*'''Корпускулярно-волновой дуализм''' - означает двойственность свойств. Когда речь идет об очень маленьких частицах (атомах, электронах) микромира, то они одновременно и волны, и частицы. Свет и электроны имеют квантовую природу, являются и волнами, и частицами одновременно.
 
*'''Корпускулярно-волновой дуализм''' - означает двойственность свойств. Когда речь идет об очень маленьких частицах (атомах, электронах) микромира, то они одновременно и волны, и частицы. Свет и электроны имеют квантовую природу, являются и волнами, и частицами одновременно.
−
*'''Интерференция света''' – это «волновое» поведение света, когда на экране отображается много чередующихся ярких и тёмных вертикальных полос. Еще эти вертикальные полосы называются '''интерференционной картиной'''.
 
 
*'''Суперпозиция квантового объекта''' означает то, что он может находиться на 2-х или более траекториях одновременно, в 2-х или более точках одновременно.
 
*'''Суперпозиция квантового объекта''' означает то, что он может находиться на 2-х или более траекториях одновременно, в 2-х или более точках одновременно.
−
*'''Волновая функция''' — это описание состояния квантового объекта (фотона или электрона).
 
 
*'''Фотон''' — элементарная частица, летящая со скоростью света.
 
*'''Фотон''' — элементарная частица, летящая со скоростью света.
 +
 +
<div class="light" style="float:right;>[[#Начало|В начало]]</div><br clear=all />
 +
 +
==Полезные ссылки==
 +
 +
Здесь вы найдете много полезных и нужных формул, таблиц и справочной информации. http://mozgan.ru/Geometry#block1
 +
 +
Укротители кванта. Что день грядущий нам готовит. https://www.youtube.com/watch?v=EqAYSvxDny0
 +
 +
<div class="light" style="float:right;>[[#Начало|В начало]]</div><br clear=all />
  
 
== Библиография ==
 
== Библиография ==
−
*§5. Электронные облака – орбитали http://www.alhimik.ru/teleclass/glava2/gl-2-5.shtml
+
*Квантовая механика для «чайников». https://zaochnik.ru/blog/kvantovaya-mexanika-dlya-chajnikov/
 +
*Квантовая физика для чайников. https://blogs.elenasmodels.com/ru/kvanotaja-fizika-dlya-chainokov/
 
*Квантовая физика простыми словами http://alenakraeva.com/new-digital-world/kvantovaya-fizika-prostymi-slovami-dlya-chajnikov/
 
*Квантовая физика простыми словами http://alenakraeva.com/new-digital-world/kvantovaya-fizika-prostymi-slovami-dlya-chajnikov/
 +
*Физика микромира  http://nuclphys.sinp.msu.ru/cur/microcosm.htm
 +
*Электронные облака – орбитали http://www.alhimik.ru/teleclass/glava2/gl-2-5.shtml
 
*https://zaochnik.ru/blog/kvantovaya-mexanika-dlya-chajnikov/
 
*https://zaochnik.ru/blog/kvantovaya-mexanika-dlya-chajnikov/
 
*http://blogs.elenasmodels.com/ru/kvanotaja-fizika-dlya-chainokov/
 
*http://blogs.elenasmodels.com/ru/kvanotaja-fizika-dlya-chainokov/
−
*Физика микромира  http://nuclphys.sinp.msu.ru/cur/microcosm.htm
 
  
 +
<div class="light" style="float:right;>[[#Начало|В начало]]</div><br clear=all />
 
</div>
 
</div>
  
Строка 60: Строка 110:
 
<div class="shadow radius sbstyle">
 
<div class="shadow radius sbstyle">
 
<div class="row">
 
<div class="row">
−
<div class="large-10 small-10 large-centered small-centered columns rubric" style="background-color:lightgrey;">Это Интересно</div>
+
<div class="large-10 small-10 large-centered small-centered columns rubric" style="background-color:lightgrey;">Загадочные законы микромира</div>
 
</div>
 
</div>
−
<span class="firstcharacter">З</span><p align="justify">агадочные и никому не понятные законы квантовой физики – законы микромира учёные хотят поставить на службу нашему с вами макромиру, миру в котором мы живём. Не верится, что недавно квантовая физика была только в математических расчетах, спорах между физиками и мысленных экспериментах, а сейчас мы говорим об активном выпуске квантовых компьютеров! Одна из наиболее модных и авангардных тем физики наших дней – создание квантового компьютера, как реального прибора.
+
<span class="firstcharacter">З</span><p align="justify">агадочные и никому не понятные законы квантовой физики – законы микромира - учёные хотят поставить на службу нашему с вами макромиру, миру, в котором мы живём. Не верится, что недавно квантовая физика была только в математических расчетах, спорах между физиками и мысленных экспериментах, а сейчас мы говорим об активном выпуске квантовых компьютеров! Одна из наиболее модных и авангардных тем физики наших дней – создание квантового компьютера, как реального прибора.
  
 
Квантовый компьютер может мгновенно решать такие задачи, на решение которых даже самый современный и мощный компьютер тратит годы. Мы с вами можем стать свидетелями ещё одной технологической революции – квантовой! Выдающемуся физику Ричарду Фейнману принадлежат слова: «С уверенностью можно сказать, что никто не понимает квантовой физики». Ричард Фейнман был первым физиком, который предрёк возможность появления квантового компьютера.
 
Квантовый компьютер может мгновенно решать такие задачи, на решение которых даже самый современный и мощный компьютер тратит годы. Мы с вами можем стать свидетелями ещё одной технологической революции – квантовой! Выдающемуся физику Ричарду Фейнману принадлежат слова: «С уверенностью можно сказать, что никто не понимает квантовой физики». Ричард Фейнман был первым физиком, который предрёк возможность появления квантового компьютера.
Строка 72: Строка 122:
 
<div class="shadow  radius sbstyle" style="margin-top:20px;">
 
<div class="shadow  radius sbstyle" style="margin-top:20px;">
 
<div class="row">
 
<div class="row">
−
<div class="large-10 small-10 large-centered small-centered columns rubric" style="background-color:lightgrey;">Задача коммивояжёра и задача рюкзака</div>
+
<div class="large-10 small-10 large-centered small-centered columns rubric" style="background-color:lightgrey;">Задачи и примеры</div>
 
</div>
 
</div>
  
−
<div class="blocktext">
+
<div>
−
'''Задача коммивояжёра.''' Представьте, что вы завтра едете в отпуск и за сегодня вам надо сделать много дел, например: закончить отчёт на работе, купить маску и ласты, пообедать, постричься, забрать посылку с почты, заехать в книжный магазин и, наконец, собрать чемодан. Дел очень много, и вам надо так распланировать день, чтобы посетить все места за минимум времени. Казалось бы, простая задача. Эта задача по оптимизации перемещения по нескольким точкам в математике называется задачей коммивояжера. Поразительно, но за разумное время её невозможно решить. Если мест, немного, например, 5, то вычислить оптимальный маршрут не сложно. А если точек 15, то количество вариантов маршрутов составит 43 589 145 600. Если на оценку 1 варианта вы потратите секунду, тогда для анализа всех вариантов вы потратите 138 лет! Это всего для 15-ти точек маршрута!
+
<div class="mw-customtoggle-ppol button17">''' Задача коммивояжёра. '''</div>
 +
<div class="mw-collapsible mw-collapsed" id="mw-customcollapsible-ppol">
 +
Представьте, что вы завтра едете в отпуск и за сегодня вам надо сделать много дел, например: закончить отчёт на работе, купить маску и ласты, пообедать, постричься, забрать посылку с почты, заехать в книжный магазин и, наконец, собрать чемодан. Дел очень много, и вам надо так распланировать день, чтобы посетить все места за минимум времени. Казалось бы, простая задача. Эта задача по оптимизации перемещения по нескольким точкам в математике называется задачей коммивояжера. Поразительно, но за разумное время её невозможно решить. Если мест, немного, например, 5, то вычислить оптимальный маршрут не сложно. А если точек 15, то количество вариантов маршрутов составит 43 589 145 600. Если на оценку 1 варианта вы потратите секунду, тогда для анализа всех вариантов вы потратите 138 лет! Это всего для 15-ти точек маршрута!</div>
  
−
'''Задача рюкзака'''. Вот пример еще одной такой задачи. Вы, наверняка, с ней сталкивались, когда выбирали, что наиболее ценного привезти из путешествия с учетом того, что вес багажа ограничен. Не расстраивайтесь: это нетривиальная задача. Её трудно решить не только вам, но даже и мощному компьютеру. Как решить, что упаковать в рюкзак покупок на максимальную сумму. При этом, не превысить лимит веса? Для решения этой задачи, как и задачи коммивояжёра, не хватит человеческой жизни.
+
<div class="mw-customtoggle-ppor button17">''' Задача рюкзака.'''</div>
 +
<div class="mw-collapsible mw-collapsed" id="mw-customcollapsible-ppor">
 +
Вот пример еще одной такой задачи. Вы, наверняка, с ней сталкивались, когда выбирали, что наиболее ценного привезти из путешествия с учетом того, что вес багажа ограничен. Не расстраивайтесь: это нетривиальная задача. Её трудно решить не только вам, но даже и мощному компьютеру. Как решить, что упаковать в рюкзак покупок на максимальную сумму. При этом, не превысить лимит веса? Для решения этой задачи, как и задачи коммивояжёра, не хватит человеческой жизни.</div>
  
 
Задачи, подобные задаче коммивояжера и рюкзака, которые нельзя решить за разумное время, даже пользуясь самыми мощными компьютерами, называются NP-полными. Они очень важны в обычной жизни человека. Это задачи по оптимизации, от размещения товаров на полках склада ограниченного объема до выбора оптимальной стратегии капиталовложения. Теперь у человечества появилась надежда, что такие задачи будут быстро решаться с помощью квантовых компьютеров.
 
Задачи, подобные задаче коммивояжера и рюкзака, которые нельзя решить за разумное время, даже пользуясь самыми мощными компьютерами, называются NP-полными. Они очень важны в обычной жизни человека. Это задачи по оптимизации, от размещения товаров на полках склада ограниченного объема до выбора оптимальной стратегии капиталовложения. Теперь у человечества появилась надежда, что такие задачи будут быстро решаться с помощью квантовых компьютеров.
Строка 85: Строка 139:
 
Большая часть криптографических технологий, например, для защиты паролей, личной переписки, финансовых транзакций, создана на том принципе, что современный компьютер не может за короткое время решить определенную задачу. Например, перемножить два числа компьютер быстро может, а вот разложить результат на простые множители ему не просто (точнее, долго).
 
Большая часть криптографических технологий, например, для защиты паролей, личной переписки, финансовых транзакций, создана на том принципе, что современный компьютер не может за короткое время решить определенную задачу. Например, перемножить два числа компьютер быстро может, а вот разложить результат на простые множители ему не просто (точнее, долго).
  
−
Пример. Чтобы разложить на два множителя число из 256 цифр, самому современному компьютеру понадобилось бы несколько десятков лет. А вот квантовый компьютер по алгоритму английского математика Питера Шора эту задачу сможет решить за несколько минут. Благодаря сложности этой задачи для обычного компьютера, вы безопасно снимаете деньги в банкомате и оплачиваете покупки платежной картой. К ней, помимо пин-кода, привязано большое число. Оно делится на ваш пин-код без остатка. При вводе пина, банкомат делит ваше большое число на введенный вами пин и проверяет ответ. Для подбора правильного числа злоумышленнику понадобилось бы время, по истечении которого во Вселенной уже не осталось бы ни планеты Земля, ни платёжной карты. Но на радость всем криптографам квантовый компьютер в серийном варианте всё ещё не создан.
+
<div class="mw-customtoggle-ppol button17">'''Пример'''</div>
−
<div class=”show-for-large-up”>{{center|[[Файл:Квантовый_компьютер_(1).mp4|400px]]}}</div>
+
<div class="mw-collapsible mw-collapsed" id="mw-customcollapsible-ppol">
−
<div class=”hide-for-large-up”>{{center|[[Файл:Квантовый_компьютер_(1).mp4|400px]]}}</div>
+
Чтобы разложить на два множителя число из 256 цифр, самому современному компьютеру понадобилось бы несколько десятков лет. А вот квантовый компьютер по алгоритму английского математика Питера Шора эту задачу сможет решить за несколько минут. Благодаря сложности этой задачи для обычного компьютера, вы безопасно снимаете деньги в банкомате и оплачиваете покупки платежной картой. К ней, помимо пин-кода, привязано большое число. Оно делится на ваш пин-код без остатка. При вводе пина, банкомат делит ваше большое число на введенный вами пин и проверяет ответ. Для подбора правильного числа злоумышленнику понадобилось бы время, по истечении которого во Вселенной уже не осталось бы ни планеты Земля, ни платёжной карты. Но на радость всем криптографам квантовый компьютер в серийном варианте всё ещё не создан.</div>
 +
 
 +
{{center|[[Файл:Kvant_computer_1.mp4|400px|start=9]]}}
  
 +
<div class="mw-customtoggle-ppop button17">'''Пример-ассоциация из нашего макромира'''</div>
 +
<div class="mw-collapsible mw-collapsed" id="mw-customcollapsible-ppop">
 +
Раскрутите на столе монетку, как юлу. Пока монетка крутиться, у нёё нет конкретного значения — орёл или решка. Но как только вы решите «измерить» это значение и прихлопните монету рукой, вот тут-то и получите конкретное состояние монеты – орёл или решка. А теперь представьте, что это монета принимает решение, какое значение вам «показать» – орёл или решка. Примерно также ведёт себя и электрон. Вот такой крутой этот квантовый объект – сам принимает решение о своём состоянии. И мы не можем заранее предсказать, какое решение он примет, когда влетит в магнитное поле, в котором мы его измеряем. Вероятность того, что он решит иметь вектор спина «вверх» или «вниз» – 50 на 50%. Но как только он решил – он находится в определённом состоянии с конкретным направлением спина. Причиной его решения является наше «измерение»!
 
</div>
 
</div>
 +
 
</div>
 
</div>
−
 
−
<!-- третий элемент сайдбара викторины игры тесты -->
 
−
<div class="shadow radius sbstyle" style="margin-top:20px;">
 
−
<div class="row">
 
−
<div class="large-10 small-10 large-centered small-centered columns rubric" style="background-color:lightgrey;">Пример-ассоциация</div>
 
 
</div>
 
</div>
−
Отличный для понимания пример-ассоциация из нашего макромира:
 
−
 
−
Раскрутите на столе монетку, как юлу. Пока монетка крутиться, у нёё нет конкретного значения  — орёл или решка. Но как только вы решите «измерить» это значение и прихлопните монету рукой, вот тут-то и получите конкретное состояние монеты – орёл или решка. А теперь представьте, что это монета принимает решение, какое значение вам «показать» – орёл или решка. Примерно также ведёт себя и электрон.  Вот такой крутой этот квантовый объект – сам принимает решение о своём состоянии. И мы не можем заранее предсказать, какое решение он примет, когда влетит в магнитное поле, в котором мы его измеряем. Вероятность того, что он решит иметь вектор спина «вверх» или «вниз» – 50 на 50%. Но как только он решил – он находится в определённом состоянии с конкретным направлением спина. Причиной его решения является наше «измерение»!
 
  
−
</div>
 
  
 
<!-- третий элемент сайдбара викторины игры тесты -->
 
<!-- третий элемент сайдбара викторины игры тесты -->
 
<div class="shadow radius sbstyle" style="margin-top:20px;">
 
<div class="shadow radius sbstyle" style="margin-top:20px;">
 
<div class="row">
 
<div class="row">
−
<div class="large-10 small-10 large-centered small-centered columns rubric" style="background-color:lightgrey;">Лайфхак</div>
+
<div class="large-10 small-10 large-centered small-centered columns rubric" style="background-color:lightgrey;">Мир электрона</div>
 
</div>
 
</div>
  
−
<div class=”show-for-large-up”>{{center|[[Файл:Что_такое_свет.png|450px]]}}</div>
+
{{center|[[Файл:Что_такое_свет.png]]}}
−
<div class=”hide-for-large-up”>{{center|[[Файл:Что_такое_свет.png|450px]]}}</div>
 
  
 
<div class="mw-collapsible mw-collapsed" style="width:400px; overflow: hidden;">
 
<div class="mw-collapsible mw-collapsed" style="width:400px; overflow: hidden;">
Строка 146: Строка 196:
 
<div class="large-10 small-10 large-centered small-centered columns rubric" style="background-color:lightgrey;">Шутки и анекдоты</div>
 
<div class="large-10 small-10 large-centered small-centered columns rubric" style="background-color:lightgrey;">Шутки и анекдоты</div>
 
</div>
 
</div>
 +
{{center|[[Файл:Shutka_anekdot.jpg|400px]]}}
 +
 
На тему принципа неопределенности существует множество шуток и анекдотов.
 
На тему принципа неопределенности существует множество шуток и анекдотов.
  
Строка 165: Строка 217:
 
- Точно.
 
- Точно.
  
 +
</div>
 +
<div class="sbstyle">
 +
<div class="row">
 +
<div class="large-10 small-10 large-centered small-centered columns rubric" style="margin-top:20px">Пройди тестирование</div>
 +
</div>
 +
 +
</div>
 
</div>
 
</div>
  
−
<div class="light" style="float:right;>[[#Начало|В начало]]</div>
+
{{lang|:KR:Физика: Кванттык бөлүкчөлөрдүн кыймылы }}
 +
[[Category:Средняя школа]]
 +
[[Category:Физика]]

Текущая версия на 09:32, 22 октября 2018

Квантовая механика

Kvant physics.png
Kvant physics.png

Наверняка вы много раз слышали о необъяснимых тайнах квантовой физики и квантовой механики. Её законы завораживают мистикой, и даже сами физики признаются, что до конца не понимают их. Квантовая механика — это часть квантовой физики. Почему же так сложно понять эти науки? Ответ прост: квантовая физика и квантовая механика (часть квантовой физики) изучают законы микромира. И законы эти абсолютно отличаются от законов нашего макромира, в котором мы живём. Нас окружают тела, которые мы видим, можем оценить их месторасположение, размеры, скорость и траекторию движения. Но есть микромир, в котором мы имеем дело с совсем другими размерами объектов. Чтобы понять, с насколько малыми размерами частиц имеет дело квантовая механика, попробуем прикинуть, сколько места в пространстве занимают атомы. Размеры атомов, так же как и масса, чрезвычайно малы и составляют около 1 нм (нанометра), или 1 • 10−9 м. Если увеличить атом до размера точечки диаметром 0,1 мм, то буквы, которые вы сейчас читаете, станут высотой в 500 метров или полкилометра. Поэтому нам трудно представить то, что происходит с квантовыми частицами (электронами и фотонами) в микромире, как же они движутся и каким законам подчиняются.

  • 43в Строение атома.jpg
  • 43б Атом 2.jpg
  • 43а Атом 1.jpg
  • 43г Атомы разных веществ1.jpg
  • 43д Электронный микроскоп.jpg


Объекты макромира. Тела, которые нас повсюду окружают, могут находиться только в одном определенном месте и в одном определенном состоянии. Но квантовая частица существует по своим законам.


Корпускулярно-волновой дуализм

«Корпускулярно-волновой дуализм»? Он означает, двойственность природы. Это когда речь идет об очень маленьких частицах (атомах, электронах) микромира, тогда они одновременно и волны, и частицы. Свет и электроны имеют квантовую природу, являются и волнами, и частицами одновременно.

Квантовая механика говорит нам, что любая квантовая частица находится, как правило, в нескольких состояниях или в нескольких точках пространства одновременно.

Все квантовые частицы, будь то элементарные частицы или атомы или молекулы, состоящие из этих частиц, демонстрируют волнообразное поведение, так что они могут взаимодействовать друг с другом. В таком квантовом состоянии они могут проявлять любое странное квантовое поведение, такое как нахождение в двух местах одновременно, вращение в обоих направлениях одновременно, прохождение через непроницаемые барьеры или причудливые запутанные связи с отдаленными партнерами.

Чем больше и массивнее тело, тем меньше волновых свойств оно имеет, и тело с массой и размерами человека или еще что-то достаточно большое и видимое невооруженным глазом будет иметь такую малую квантовую длину волны, которая не имеет измеримого эффекта. Но, если посмотреть глубже, вы можете подумать, что каждый атом в вашем теле наблюдается, или измеряется, другими атомами вокруг него, так что любые минимальные квантовые свойства, которыми он может обладать, очень быстро разрушаются.

Объекты микромира в формате 3D, которые в реальной жизни можно рассмотреть только под микроскопом!

  • Kosmicheskaya pyl.jpeg
  • Kletka1.jpeg
  • Virus1.jpeg
  • Chromosom.jpeg
  • Virus.jpeg

Вероятностный характер положения квантовых частиц

Каждая частица (по теории вероятности) обладает шкалой вероятностей находиться в том или ином положении. И когда мы отворачиваемся, а затем снова поворачиваемся, то можем застать частицу в любом из ее возможных положений именно согласно шкале вероятности. По исследованию частицу искали в разных местах, затем прекращали наблюдать за ней, а затем снова смотрели, как изменилось ее положение. Результат был просто ошеломительным. Подведя итоги, ученые действительно смогли составить шкалу вероятностей, где может находиться та или иная частица. Эту теорию никто еще не смог опровергнуть, поэтому она является, как ни странно, самой правильной.

А вот и мультик для детей и взрослых. Рассказывает о фундаментальном эксперименте квантовой механики с 2-мя щелями и наблюдателем. В мультике обратите внимание на «глаз» наблюдателя. Он стал серьёзной загадкой для учёных-физиков.

3. Хотите, чтобы информация разложилась по полочкам? Посмотрите документальный фильм, подготовленный Канадским институтом теоретической физики. В нём за 20 минут очень кратко и в хронологическом порядке вам поведают о всех открытиях квантовой физики, начиная с открытия Планка в 1900 году. А затем расскажут, какие практические разработки выполняются сейчас на базе знаний по квантовой физике: от точнейших атомных часов до суперскоростных вычислений квантового компьютера.

В начало

Глоссарий

  • Волновая функция — это описание состояния квантового объекта (фотона или электрона).
  • Интерференция света – это «волновое» поведение света, когда на экране отображается много чередующихся ярких и тёмных вертикальных полос. Еще эти вертикальные полосы называются интерференционной картиной.
  • Квант (от латинского quantum – ”сколько”) – это неделимая порция какой-то физической величины. Например, говорят — квант света, квант энергии или квант поля.
  • Квантовая механика – это раздел теоретической физики, составляющая квантовой теории, описывающая физические явления на самом элементарном уровне – уровне частиц.
  • Корпускулярно-волновой дуализм - означает двойственность свойств. Когда речь идет об очень маленьких частицах (атомах, электронах) микромира, то они одновременно и волны, и частицы. Свет и электроны имеют квантовую природу, являются и волнами, и частицами одновременно.
  • Суперпозиция квантового объекта означает то, что он может находиться на 2-х или более траекториях одновременно, в 2-х или более точках одновременно.
  • Фотон — элементарная частица, летящая со скоростью света.
В начало

Полезные ссылки

Здесь вы найдете много полезных и нужных формул, таблиц и справочной информации. http://mozgan.ru/Geometry#block1

Укротители кванта. Что день грядущий нам готовит. https://www.youtube.com/watch?v=EqAYSvxDny0

В начало

Библиография

В начало

Загадочные законы микромира
З

агадочные и никому не понятные законы квантовой физики – законы микромира - учёные хотят поставить на службу нашему с вами макромиру, миру, в котором мы живём. Не верится, что недавно квантовая физика была только в математических расчетах, спорах между физиками и мысленных экспериментах, а сейчас мы говорим об активном выпуске квантовых компьютеров! Одна из наиболее модных и авангардных тем физики наших дней – создание квантового компьютера, как реального прибора. Квантовый компьютер может мгновенно решать такие задачи, на решение которых даже самый современный и мощный компьютер тратит годы. Мы с вами можем стать свидетелями ещё одной технологической революции – квантовой! Выдающемуся физику Ричарду Фейнману принадлежат слова: «С уверенностью можно сказать, что никто не понимает квантовой физики». Ричард Фейнман был первым физиком, который предрёк возможность появления квантового компьютера. Квантовый компьютер нужен человечеству не для просмотра видео или общения в социальных сетях. С этим прекрасно справляется обычный компьютер. Квантовый компьютер нужен для решения задач, где для получения правильного ответа необходимо перебрать большое количество вариантов. Это поиск по огромным базам данных, моментальное прокладывание оптимального маршрута, подбор лекарств, создание новых материалов и множество других важных для человечества задач. В качестве наглядных примеров можно привести 2 задачи, которые в математике называются задачами рюкзака и коммивояжёра.

Задачи и примеры
Задача коммивояжёра.
Представьте, что вы завтра едете в отпуск и за сегодня вам надо сделать много дел, например: закончить отчёт на работе, купить маску и ласты, пообедать, постричься, забрать посылку с почты, заехать в книжный магазин и, наконец, собрать чемодан. Дел очень много, и вам надо так распланировать день, чтобы посетить все места за минимум времени. Казалось бы, простая задача. Эта задача по оптимизации перемещения по нескольким точкам в математике называется задачей коммивояжера. Поразительно, но за разумное время её невозможно решить. Если мест, немного, например, 5, то вычислить оптимальный маршрут не сложно. А если точек 15, то количество вариантов маршрутов составит 43 589 145 600. Если на оценку 1 варианта вы потратите секунду, тогда для анализа всех вариантов вы потратите 138 лет! Это всего для 15-ти точек маршрута!
Задача рюкзака.
Вот пример еще одной такой задачи. Вы, наверняка, с ней сталкивались, когда выбирали, что наиболее ценного привезти из путешествия с учетом того, что вес багажа ограничен. Не расстраивайтесь: это нетривиальная задача. Её трудно решить не только вам, но даже и мощному компьютеру. Как решить, что упаковать в рюкзак покупок на максимальную сумму. При этом, не превысить лимит веса? Для решения этой задачи, как и задачи коммивояжёра, не хватит человеческой жизни.

Задачи, подобные задаче коммивояжера и рюкзака, которые нельзя решить за разумное время, даже пользуясь самыми мощными компьютерами, называются NP-полными. Они очень важны в обычной жизни человека. Это задачи по оптимизации, от размещения товаров на полках склада ограниченного объема до выбора оптимальной стратегии капиталовложения. Теперь у человечества появилась надежда, что такие задачи будут быстро решаться с помощью квантовых компьютеров. Почему боятся появления квантового компьютера?

Большая часть криптографических технологий, например, для защиты паролей, личной переписки, финансовых транзакций, создана на том принципе, что современный компьютер не может за короткое время решить определенную задачу. Например, перемножить два числа компьютер быстро может, а вот разложить результат на простые множители ему не просто (точнее, долго).

Пример
Чтобы разложить на два множителя число из 256 цифр, самому современному компьютеру понадобилось бы несколько десятков лет. А вот квантовый компьютер по алгоритму английского математика Питера Шора эту задачу сможет решить за несколько минут. Благодаря сложности этой задачи для обычного компьютера, вы безопасно снимаете деньги в банкомате и оплачиваете покупки платежной картой. К ней, помимо пин-кода, привязано большое число. Оно делится на ваш пин-код без остатка. При вводе пина, банкомат делит ваше большое число на введенный вами пин и проверяет ответ. Для подбора правильного числа злоумышленнику понадобилось бы время, по истечении которого во Вселенной уже не осталось бы ни планеты Земля, ни платёжной карты. Но на радость всем криптографам квантовый компьютер в серийном варианте всё ещё не создан.
Пример-ассоциация из нашего макромира

Раскрутите на столе монетку, как юлу. Пока монетка крутиться, у нёё нет конкретного значения — орёл или решка. Но как только вы решите «измерить» это значение и прихлопните монету рукой, вот тут-то и получите конкретное состояние монеты – орёл или решка. А теперь представьте, что это монета принимает решение, какое значение вам «показать» – орёл или решка. Примерно также ведёт себя и электрон. Вот такой крутой этот квантовый объект – сам принимает решение о своём состоянии. И мы не можем заранее предсказать, какое решение он примет, когда влетит в магнитное поле, в котором мы его измеряем. Вероятность того, что он решит иметь вектор спина «вверх» или «вниз» – 50 на 50%. Но как только он решил – он находится в определённом состоянии с конкретным направлением спина. Причиной его решения является наше «измерение»!


Мир электрона
Что такое свет.png

Валерий Брюсов. Мир электрона (1922)

Быть может, эти электроны -
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков!

Еще, быть может, каждый атом -
Вселенная, где сто планет;
Там всё, что здесь, в объеме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.

Их меры малы, но все та же
Их бесконечность, как и здесь;
Там скорбь и страсть, как здесь, и даже
Там та же мировая спесь.

Их мудрецы, свой мир бескрайный
Поставив центром бытия,
Спешат проникнуть в искры тайны
И умствуют, как ныне я;

А в миг, когда из разрушенья
Творятся токи новых сил,
Кричат, в мечтах самовнушенья,
Что бог свой светоч загасил!

Шутки и анекдоты
Shutka anekdot.jpg

На тему принципа неопределенности существует множество шуток и анекдотов.

Полицейский останавливает квантового физика.

- Сэр, Вы знаете, с какой скоростью двигались?

- Нет, зато я точно знаю, где я нахожусь


- Как там звучит та песня про квантовую механику?

- Какая?

- Там что-то про множественные реальности. И ещё о том, что наблюдатель формирует наблюдаемое.

- «Я оглянулся посмотреть, не оглянулась ли она, чтоб посмотреть, не оглянулся ли я»?

- Точно.

Пройди тестирование
Пройди тестирование
Источник — «https://bb.edu.gov.kg/index.php?title=Физика:_Движение_квантовых_частиц&oldid=27473»