Refleksje na temat codziennych zdarzeń kwantowych
W pewnym sensie trudno nie zauważyć mechaniki kwantowej w życiu codziennym. Na przykład istnienie złożonej chemii i objętość zajmowana przez zwykłą materię są bezpośrednimi konsekwencjami czegoś, co nazywa się wykluczeniem Pauliego. Jest to zasada kwantowa, która wymaga, aby każdy elektron we wszechświecie miał unikalny adres, który składa się z jego lokalizacji w przestrzeni (trzy liczby), jego pędu (mniej więcej prędkość dla elektronów o tej samej masie, a także trzy liczby), i jeszcze jeden dziwny, zwany orientacją spinową (binarny, w górę lub w dół). Kiedy ujemnie naładowane elektrony są ciasno upakowane razem przez, powiedzmy, dodatnie przyciąganie jądra atomowego, te unikalne reguły adresowania powodują, że elektrony zajmują unikalne pozycje i orientacje wokół atomów (chemia) i są odporne na ściśnięcie razem poza pewną punkt (objętość).
Wiązania atomowe w chemii - bez których nie byłoby nas tutaj, aby o tym dyskutować! - w dużej mierze zniknąłby bez tej ostatniej nieparzystej zasady dotyczącej obrotów w górę-w dół. Zdolność dwóch elektronów do dzielenia tej samej przestrzeni przez przeciwne spiny daje niektórym atomom zdolność kradzieży elektronu z innych atomów poprzez zapewnienie przytulnego wspólnego adresu w domu z dala od domu, efekt, który w chemii nazywa się wiązaniem jonowym. W innych przypadkach reguła parowania góra-dół umożliwia równe dzielenie pary elektronów przez dwa atomy, co jest również nazywane wiązaniem kowalencyjnym.
Widzieć to wierzyć
Myślę jednak, że twoje pytanie było bardziej skoncentrowane na znalezieniu „zjawiska widocznego gołym okiem, które wymaga mechaniki kwantowej” i że chciałeś czegoś głębszego i większego niż po prostu podsumowując wpływy na dużą skalę wielu bardzo małych zdarzeń kwantowych. Podejrzewam, że liczyłeś na coś, co możesz zobaczyć bez oka, bez potrzeby laboratorium wypełnionego egzotycznym sprzętem.
Takie rzeczy naprawdę istnieją. Prawdę mówiąc, najprawdopodobniej właśnie dziś rano spojrzałeś prosto na przykład. Nazywa się je zwierciadłami.
Oznacza to, że zdolność polerowanych metali do odzwierciedlania pięknych i dokładnych obrazów otaczających ich światów, podczas gdy większość (nie wszystkie!) Innych substancji jest ciemna, matowa lub przezroczysta, jest rodzaj zdarzenia kwantowego na dużą skalę, który jest równie dziwny jak egzotyka, na przykład laboratoryjne kondensaty Bosego. To klasyczny przykład obojętności, która rodzi zażyłość: metaliczna refleksja jest tak powszechna i łatwa do zaobserwowania, że zapominamy, jak bardzo jest dziwna i nieklasyczna.
Spacing Out, For Real
Dlaczego więc odbicie metaliczne jest głęboko kwantowe?
Właściwie jest kwantowe na wiele sposobów. Pierwszym krokiem jest wysłanie ogromnej liczby elektronów w rodzaj ciekawej alternatywnej formy przestrzeni, w której układy współrzędnych do znalezienia elektronu nie składają się już z trzech kierunków przestrzeni, ale zamiast tego muszą być wyrażone w trzy kierunki momentum.
W jaki sposób elektron może się „zgubić” w zwykłej przestrzeni? Sposób, w jaki się tam dostają, jest zaskakująco nieskomplikowany i zwyczajny: w metalach pewne elektrony mają swobodę poruszania się po całej objętości metalu. Oznacza to, że atomy metali mocno wierzą w rodzaj współdzielenia w całej społeczności niektórych ze swoich dzieci elektronów, nie dbając w najmniejszym stopniu o to, czy ich własny elektron rzeczywiście znajdzie się bardzo daleko, o ile inne elektrony pozostają wystarczająco blisko, aby je zlikwidować ich pozytywne ładunki.
Wędrujący elektron nie brzmi tak niezwykłe, dopóki nie zdasz sobie sprawy, że elektrony są tak bardzo lekkie, że nie można zignorować mechaniki kwantowej. To, co mechanika kwantowa robi z bardzo lekkimi obiektami, powoduje, że ich opisy kwantowe zaczynają zajmować miejsce w całej objętości metalu, po którym się poruszają. Oznacza to, że zamiast przemieszczania się elektronu w tył iw poprzek kryształu, jak zrobiłby to masywny obiekt klasyczny, niezakłócony i swobodnie wędrujący elektron jest najdokładniej reprezentowany jako równo umiejscowiony we wszystkich miejscach metalu w tym samym czasie /em>.
Spróbuj wykonać tę sztuczkę swoim samochodem!
Jaki jest twój adres?
Jednak ponieważ w każdym kawałku metalu super lekkie wspólne elektrony robią to samo "Jestem wszędzie!" W tym samym czasie pojawia się problem z adresem, o którym wspomniałem wcześniej: każdy elektron we wszechświecie musi mieć całkowicie unikalny adres.
Jeśli wszystkie te utracone elektrony są dzieląc przestrzeń z tym samym kawałkiem metalu, oznacza to, że dzielą zasadniczo identyczne (nawet jeśli dziwne) lokalizacje w zwykłej przestrzeni ... a to po prostu nie wystarczy. Oznacza to, że każdy taki elektron w metalu musi znaleźć nowy sposób na utrzymanie unikalnego „adresu” we wszechświecie. Opcja góra-dół pomaga, ale pozwala tylko dwóm elektronom na współdzielenie tego samego adresu. Tak więc jedyną pozostającą opcją jest rozpoczęcie przez elektrony wspinania się do jedynego pozostałego zestawu współrzędnych, którym jest zróżnicowany zakres prędkości i kierunków (prędkości) zwany przestrzenią pędu.
Powinienem teraz zaznaczyć, że obserwując ten proces z naszej perspektywy zwykłej przestrzeni ze współrzędnymi XYZ, elektrony wspinające się w przestrzeń pędu wyglądają tak, jakby wszystkie osiągały różne prędkości, co nie brzmi aż tak egzotycznie. Ale jeśli chodzi o elektrony poruszające się w przestrzeni pędu, pogląd jest zupełnie inny. Oto główny powód: elektrony mogą faktycznie zderzać się ze sobą , gdy wejdą w przestrzeń pędu, tak jak cząsteczki wody wypełniające pojemnik w zwykłej przestrzeni. Całe to zderzanie się i przepychanie w przestrzeni pędu zmusza elektrony do rozpraszania się i zajmowania tam większej ilości miejsca, znowu w sposób uderzająco podobny do tego, jak cząsteczki wody gromadzą się w zwykłej przestrzeni XYZ.
Quantum Splish-Splash
W rzeczywistości proces przepychania się elektronów i rozprzestrzeniania się w przestrzeni pędu jest tak podobny do sposobu, w jaki cząsteczki wody wypełniają pojemnik, że taki zbiór elektronów w metalach jest zwane morze Fermi . (Na marginesie: Enrico Fermi musiał mieć naprawdę dobrego agenta prasowego pracującego dla niego, biorąc pod uwagę wszystkie fajne rzeczy, które są nazwane jego imieniem w fizyce.) Ten rodzaj cieczy z przestrzenią pędu ma nawet dobrze określoną powierzchnię, podobnie jak zwykły płyn.
Przypomnijmy jednak, że z naszej perspektywy w zwykłej przestrzeni XYZ elektrony zgromadzone w przestrzeni pędu wydają się poruszać z różnymi prędkościami. Ta równoważność oznacza, że elektrony bliżej powierzchni morza Fermiego w przestrzeni pędu muszą koniecznie poruszać się szybciej w zwykłej przestrzeni XYZ. W rzeczywistości, dla dobrego przewodnika, takiego jak srebro, elektrony na powierzchni morza Fermiego poruszają się naprawdę bardzo szybko. Ponieważ prędkość dla małego obiektu to to samo, co nazywamy ciepłem, jak gorące (jak gorące) są te elektrony?
Czujemy się gorąco, gorąco, gorąco
Cóż, gdyby elektrony na szczycie morza Fermiego w dużym kawałku srebra nagle straciły całą swoją energię, zostałby wyemitowany w postaci promieni rentgenowskich. Wybuch byłby tak energiczny, że ktoś stojący w pobliżu zostałby zabity. To całkiem gorące! Na szczęście dla osób noszących biżuterię nie może się to zdarzyć, ponieważ wszystkie elektrony znajdujące się niżej w morzu Fermiego nie chcą się ruszyć. Naprawdę lubią swoje o wiele fajniejsze lokalizacje w dynamicznej przestrzeni i nie zamierzają z nich rezygnować!
Mirror Mirror On the Wall
Teraz nadszedł czas aby sprowadzić to wszystko z powrotem do pytania, czy „widzisz” efekty kwantowe w skali zwykłego życia.
Magia kwantowa zaczyna się, gdy spojrzysz w zwykłe lustro. Gdy tylko to zrobisz, już patrzysz w morze elektronów, które z perspektywy mechaniki kwantowej nie istnieją w zwykłej przestrzeni. Są „zagubione” w znanej nam najlepiej przestrzeni XYZ, przestrzeni, w której ich dokładne reprezentacje kwantowe są w niektórych przypadkach tak duże, jak cała powierzchnia lustra.
A większość z tych utraconych elektronów jest również ukryty! Dzieje się tak dlatego, że światło, które widzimy odbijając się od lustra, pochodzi tylko z bardzo niewielkiego procentu elektronów morskich Fermiego, a konkretnie tylko z bardzo gorących na samym szczycie morza Fermiego. Dzieje się tak, ponieważ są to jedyne elektrony, które mają jeszcze „miejsce na poruszanie się”, aby przyjąć foton i zagrać z nim w łapanie.
Dzieje się tak: elektron na powierzchni morza Fermiego może przyjąć cząstkę światła, foton, i przez to trochę przyspieszy. Jednak w przeciwieństwie do elektronów położonych dalej w morzu, gdy elektron na powierzchni przyspiesza, tworzy „pustą plamkę” w morzu Fermiego. Proces ten jest bardzo podobny do sposobu, w jaki kropla wody może wzbić się w powietrze, ale potem zdaje sobie sprawę, że pod spodem nie ma już wody, która mogłaby go podtrzymywać. W przeciwieństwie do wody na morzu, plusk nad powierzchnią nie jest stabilny: musi spaść z powrotem na powierzchnię.
Bardzo podobny do takiego plusku wody, elektronu na powierzchni Fermiego, który został „Rozpryskany” przez nadchodzącą cząstkę światła (foton) nie ma pod sobą żadnego oparcia, które mogłoby go tam zatrzymać. Musi więc opaść na powierzchnię morza Fermiego. Robiąc to, oddaje energię fotonu, którą utrzymywał na tak krótko, ponownie emitując prawie identyczną wersję fotonu, który właśnie zaabsorbował. Ta reemisja fotonu z elektronu na powierzchni Fermiego jest najmniejszą i najbardziej podstawową jednostką odbicia, zdarzeniem, z którego składają się odbicia w większej skali.
Prostota wynikająca ze złożoności mocny>
Naprawdę fajną rzeczą w takich ponownych emisjach jest to, że jeśli twój metal jest gładki, spójny i wypolerowany na powierzchni, każdy taki efekt reemisji jest kierowany przez wysoką symetrię obu płaska metalowa powierzchnia i jej gładkie morze elektronów Fermiego, powodujące, że emitowany foton (a dokładniej wiele fotonów oddziałujących na całej powierzchni) wyłania się w bardzo precyzyjny sposób, który nazywamy kątem odbicia. To przypadek, w którym wiele skomplikowanych praw fizyki kierowanych przez jeszcze bardziej skomplikowaną matematykę kończy się cudownie prostym wynikiem, a wydarzenie, które po prostu nazywamy refleksją.
A co najbardziej zdumiewające, ta prostota jest głęboko zależna od efektów kwantowych, które przechodzą przez całe lustro. Wymaga elektronów, które zbiorowo zgubiły drogę w zwykłej przestrzeni i schroniły się w przestrzeni, która nie jest podobna do tej, którą zwykle widzimy, a mimo to pozwala im zderzać się ze sobą. Tworzą ciecz w tej szczególnej przestrzeni pędu, morze, które wywraca do góry nogami nasze rozumienie tego, czym jest „obiekt” lub „ciecz” i jak powinien się zachowywać. Najmniejszy strzępek tych ukrytych elektronów macha następnie z powrotem do nas, gdy surfują po powierzchni swoich ukrytych, pokazując niewiarygodne prędkości, jakie osiągnęli, odrzucając w nas fotony w akcie współrzędnej żonglerki, którą widzimy jak w żywej jasności lustro lub piękno błyszczącego ornamentu albo w odrobinie jasnego srebra lub złota.
Finał: poświęć chwilę na refleksję
Więc, metaliczne odbicie jest zdarzeniem głęboko kwantowym, zachodzącym na skalę ludzką, wyjątkowo pięknym i użytecznym. Jeśli w niektóre poranki twój wszechświat jest nieco nudny, poświęć chwilę, aby przywitać się z tym cudownym kawałkiem kwantowej dziwności, gdy spojrzysz w poranne lustro! I zastanów się trochę nad swoimi refleksjami, aby przypomnieć Ci, w jakim niezwykłym wszechświecie żyjemy.
$$
Dodatek 2015-06-20: Wizja jako kwant Fizyka
Muszę dodać przykład wielkoskalowych zjawisk kwantowych, które są znacznie bliżej domu niż lustro. Chodzi o to, że w ogóle możesz widzieć.
Soczewki, w tym te w twoich oczach, są urządzeniami kwantowymi. Gdyby nie kwantowa mechaniczna konwersja wielkoskalowego kształtu soczewki w wskazówki dotyczące przemieszczania się mikroskopijnych cząstek światła (fotonów), soczewki w twoich oczach byłyby tak nieprzezroczyste jak stal i nie czytałbyś tego tekstu .
Problem jest następujący: ponieważ światło jest emitowane i odbierane jako maleńkie, przypominające cząstki jednostki energii lub fotony, fizyka klasyczna wymaga, aby te fotony pozostały cząstkami podczas podróży między tymi dwoma punktami.
I to jest problemem. W końcu, w jaki sposób foton elektromagnetyczny przemieszcza się przez soczewkę pełną bogatych w elektrony atomów, które powinny go rozbijać w ten sposób i jak labirynt zadziwiającej złożoności, nie mówiąc już o tworzeniu obrazu? Może odbijać się przez kilka chwil w najbardziej zewnętrznych warstwach atomowych soczewki, ale nie miałby szans wniknąć głębiej, zanim zostanie zgubiony lub wchłonięty.
To mechanika kwantowa ratuje nas przed paradoksem klasyczna ślepota fotonowa.
Matematycznie mechanika kwantowa pozwala pojedynczemu fotonowi „zbadać” cały kształt soczewki poprzez proces zwany integracją wszystkich możliwych historii. Ten proces w ogóle nie ma sensu klasycznie, ponieważ foton tak jakby zbadał dosłownie każdą możliwą ścieżkę między jego punktem początkowym i końcowym. Te wirtualne eksploracje są następnie sumowane w specjalny sposób, aby wytworzyć funkcję falową fotonu, która mówi, która wiązka ścieżek najprawdopodobniej zawiera rzeczywisty foton.
Jest to nieskończona tablica wirtualnych ścieżki fotonów, które pozwalają pojedynczemu fotonowi „wyczuć” ogólny kształt i kształt soczewki, na przykład tę w twoich oczach. Biorąc pod uwagę niewiarygodnie małą ilość energii zawartej w pojedynczym fotonie w porównaniu z ogromną soczewką w skali ludzkiej, jest to dość niezwykłe osiągnięcie. To mniej więcej tak, jakbyś wziął małą latarkę na orbitę i „zobaczył” kształt całej ziemi, oświetlając ją nocną stroną. Co ciekawe, każdy foton musi to zrobić samodzielnie, ponieważ efekt świecenia każdego fotonu wiązką światła jeden po drugim przez soczewkę jest tym samym, co otrzymujemy, świecąc je wszystkimi naraz.
Najważniejsze jest to: każda forma odbicia, załamania lub przezroczystości, którą widzisz przy użyciu zwykłego światła, jest w zasadzie cudem mechaniki kwantowej. Żaden z tych efektów nie może istnieć bez fotonów „wychwytujących” wielkoformatowy kształt lustra, soczewki lub okna (które tak naprawdę jest tylko płaską soczewką) w sposób, który pozwala im zignorować niesamowitą złożoność tych obiektów, i zamiast tego skup się na ich ogólnym kształcie i właściwościach optycznych.
Jak daleko trzeba się posunąć, aby zobaczyć głębokie efekty kwantowe w życiu codziennym? Zupełnie niedaleko, ponieważ sam akt używania oczu do poszukiwania takich efektów jest sam w sobie głęboko kwantowy.