מכניקת הקוונטים היא תורת פיזיקה שמתארת את התנהגות הטבע בקני מידה זעירים או בטמפרטורות נמוכות מאוד. היא מסבירה תופעות שאי אפשר להסביר במכניקה הקלאסית. רבות מהתיאוריות הקלאסיות מתקבלות כגבול של הקוונטום כאשר עוברים לקנה מידה גדול.
תכונה מרכזית היא קוונטיזציה, גדלים פיזיקליים מקבלים ערכים בדידים, ומנות האנרגיה נקראות קוונטים. תחת תנאים מסוימים, חלקיקים כמו אלקטרון מתנהגים גם כגל וגם כחלקיק. זו דואליות גל-חלקיק, שניתן לראותה בניסוי שני הסדקים.
מכניקת הקוונטים היא הסתברותית. כלומר, החוק נותן רק הסתברויות לתוצאות ניסוי, לא ודאות בניסוי יחיד. כאשר עושים מדידות חוזרות, ההתפלגות התואמת את החיזוי הקוונטי נקראת לאשור מדעי.
יש למכניקה הקוונטית השלכות טכנולוגיות גדולות. היא עומדת בבסיס לייזרים, שבבים, מוליכים למחצה, מוליכי-על, MRI ומחשוב קוונטי.
רעיון הקוונטיזציה הופיע לראשונה אצל מקס פלאנק ב-1900 בעת ניסיונו להסביר קרינת גוף שחור. אלברט איינשטיין ב-1905 הציע שהאור מגיע במנות אנרגיה שנקראות פוטונים. בשנים הבאות הופיעו מודלים שונים, כמו מודל בוהר לאטום משנת 1913.
בשנות ה-20 הושלמה התיאוריה המודרנית. מנקודות מוצא שונות פותחו שיטות שקולות על ידי הייזנברג, בורן, דיראק ושרדינגר. בורן הציע לפרש את ערך הגל כהסתברות למצוא חלקיק במיקום נתון.
התפתחה פרשנות קופנהגן, שלפי היא מקבלת אי-ודאות אינדטרמיניסטית כחלק מהטבע. איינשטיין התנגד וטען שהתיאוריה לא שלמה. הניסיונות להחריג פרשנות זו המשיכו, ופורץ דרך היה משפט בל שהראה שזוגות רעיונות מסוג "משתנים חבויים" אינם יכולים להסביר את כל התצפיות.
קוונטיזציה פירושה שגדלים מסוימים הם בדידים. לדוגמה, במסלול האטום מספר קוונטי n מגדיר רמת אנרגיה. פתרון משוואת שרדינגר תחת אילוצים מניב רמות אנרגיה בדידות.
עצמים קטנים יכולים להראות תופעות של גל, כמו התאבכות, או תכונות של חלקיק כמו פיזור נקודתי. ניסוי שני הסדקים מדגים זאת: ללא גילוי מעקב יש תבנית התאבכות; כשמזהים דרך מעבר החלקיקים, תבנית ההתאבכות נעלמת.
ייצוג מתמטי מקובל הוא פונקציית גל. פונקציית הגל מכילה מידע הסתברותי על המיקום, המהירות ותכונות אחרות של החלקיק.
מכניקת הקוונטים לא מנבאה תוצאה בודדת, אלא הסתברויות. פונקציית הגל נותנת את ההסתברות למציאת החלקיק במקומות שונים. כדי לבדוק חיזוי מדעי יש לחזור על ניסוי פעמים רבות.
כאשר נעשית מדידה פונקציית הגל עוברת "קריסה" ומציגה תוצאה מוגדרת. מצב שבו לחלקיק אין ערך מוגדר אלא התפלגות נקרא סופרפוזיציה. במחשוב קוונטי, יחידת המידע היא קיוביט, והוא יכול להיות ב-0, ב-1, או בסופרפוזיציה של שניהם.
עקרון זה קובע שאי אפשר לדעת במדויק זוגות מסוימים של תכונות בו זמנית. דוגמה חשובה היא מיקום ותנע. ככל שמיקום מדויק יותר, כך התנע פחות מדויק.
מדידה מחייבת אינטראקציה בין המכשיר לנבדק. אינטראקציה זו משפיעה על המערכת ולעיתים משנה או אפילו הורסת אותה. באלקטרון, למשל, גילויו באמצעות פוטונים משנה את מסלולם.
שזירה קוונטית היא מצב שבו שני חלקיקים קשורים גם במרחקים גדולים. מדידה על אחד משפיעה על התוצאה הצפויה בשני. התופעה נראתה כאילו היא משדרת מידע במהירות על-קולית, אך בדיקה תיאורטית וניסויית הראתה שאי אפשר להשתמש בה לשליחת מידע מהר יותר מהאור.
מכניקת הקוונטים חשובה בקנה מידה אטומי ותת-אטומי. לפי עקרון ההתאמה, כאשר משתמשים בערכים גדולים כמו של עצמים יומיום, מתקבלים תוצאות המשוות לפיזיקה הקלאסית.
בפורמליזם מקובל להציג פוסטולטים. פוסטולט ראשון: מצבי מערכת מיוצגים על ידי וקטורים במרחב הילברט, שהוא מרחב מתמטי עם תכונות ספציפיות.
פוסטולט שני: ההתפתחות בזמן נתמכת על ידי משוואת שרדינגר. היא דטרמיניסטית כל עוד אין מדידה.
פוסטולט שלישי: לכל גודל מדיד יש אופרטור הרמיטי. תוצאות המדידה הן ערכים עצמיים שלו. אם מתקבלת תוצאה, המערכת עוברת למצב העצמי המתאים. ההסתברות לקבלת תוצאה ניתנת על ידי ריבוע המכפלה הפנימית בין המצב למצבי העצמי המתאים.
אופרטורים הרמיטיים מבטיחים שתוצאות המדידה יהיו מספרים ממשיים. פורמליזם לא-הרמיטי משמש לתיאור רזוננסים ומערכות פתוחות, ולעיתים מקל על חישובים של דעיכה ורזוננסים.
מכניקת הקוונטים היא ענף בפיזיקה שחוקר דברים מאוד קטנים. זאת פיזיקה של אטומים וחלקיקים.
במערכת קוונטית, אנרגיה יכולה להופיע במנות קטנות שנקראות קוונטים. לכן חלקיק יכול להיות רק ברמות מסוימות.
לפני יותר ממאה שנה מקס פלאנק אמר שאנרגיה באה במנות. אחר כך איינשטיין דיבר על פוטונים, מנות של אור. מדענים כמו בוהר, דיראק, שרדינגר והייזנברג בנו את התיאוריה.
חלקיקים קטנים יכולים להתנהג גם כגל. ניסוי שני הסדקים מראה את זה: לפעמים יש תבנית של התאבכות, ולפעמים חלקיקים עוברים בדרך ברורה.
הקוונטים עובדים בהסתברות. לא ניתן לנבא תוצאה של ניסוי יחיד. לפני מדידה חלקיק יכול להיות בכמה מצבים ביחד. זה נקרא סופרפוזיציה. כשבוחנים אותו, הסופרפוזיציה "קורסת" לתוצאה אחת.
אי-ודאות אומר שאי אפשר לדעת בו זמנית דברים מסוימים בדיוק רב. למשל, אם יודעים במדויק איפה החלקיק נמצא, לא יודעים בדיוק כמה מהירותו.
מדידה משנה את מה שמודדים. כשמנסים לראות דרך החלקיק עבר, נקבל תוצאה אחרת מאשר אם לא נצפה.
שזירה היא קשר בין שני חלקיקים. מדידה על אחד תשפיע על השני, גם אם הם רחוקים.
הקוונטים עוזרים ליצור לייזרים, שבבים ומכשירי MRI. הם גם בסיס למחשוב קוונטי.
תגובות גולשים