wave_interference_water

Велосипед классический и квантовый

Наверное, тебе интересно, где же проходит граница между "простой" или "классической" физикой и физикой "квантовой", о которой я собираюсь рассказывать на этом сайте. По историческим причинам, а также, чтобы не пугать учеников, в школе на уроках физики сначала рассказывают о вещах, которые мы можем видеть и осязать. Обучение классической физике традиционно начинают с механики  - науке о том, как движутся предметы в окружающем нас большом мире ("макромире").

Классический велосипед

Классический велосипед. (источник)

Например, рассмотрим велосипед. Сначала рассмотрим его, как материальную точку, которая двигается с определенной скоростью.

 S= \nu \times t

Затем, рассматривая эту точку ближе, видим, что у нее есть колеса, которые можно также описать уравнениями классической механики. А если мы начнем рассматривать движение отдельной точки на одном из колес, то, как минимум, выясним, что она описывает тракеторию вида «циклоида».

Циклоида

Циклоида. Источник

Рассматривая предмет все подробней и подробней, мы видим, как его строение становится сложнее и сложнее, однако все это остается понятным и наглядным. Но насколько подробно мы можем в принципе рассмотреть какой-либо предмет? Для этого надо понимать, из чего состоит все вокруг. Одним из правильных ответов будет: из атомов и молекул. Атомы в разном порядке – строгом и хаотичном, плотном и разряженном, в разных сочетаниях дают нам все то разнообразие, что нас окружает.

Именно в тот момент, когда тебя заинтересует вопрос - а ведут себя атомы, как они взаимодействуют с окружающим миром и как устроены внутри, тебе придется отложить в сторону привычную классическую физику и сделать шаг навстречу физике квантовой. Квантовая физика описывает законы квантового мира - странные и необычные для нас, но единственные, по которым могут существовать элементарные частицы. Если на минутку задуматься о том, каким был бы "квантовый велосипед", то можно сделать несколько интересных утверждений.

Во-первых, мы никогда не могли бы одновременно точно определить, где он находится и с какой скоростью движется. Это фундаментальное свойство всех квантовых частиц - подчиняться так называемому соотношению неопределенностей (по-другому оно называется неравенством Гейзенберга).

Во-вторых, если бы мы поставили на пути нашего квантового велосипеда забор с двумя воротами, то он проехал бы и через первые, и через вторые ворота одновременно, подобно электрону, пролетающего одновременно через две щели. Это проявление корпускулярно-волнового дуализма квантовых частиц - способности перемещаться по множеству путей одновременно и демонстрировать интерференцию.

В-третьих, если бы стена перед велосипедом вообще не имела отверстий, то после большого количества попыток (наездов на стену) он бы все равно мог оказаться по другую сторону от нее. Эта возможность называется туннелированием через барьер и проявляется, например, при альфа-распаде радиоактивных элементов.

На самом деле, таких удивительных свойств у квантовых частиц очень много, и здесь я лишь поверхностно затронул небольшую их часть. Поэтому, путешествие в микромир продолжается! В бесконечность и дальше!

Комментарии: