Kvantová mechanika I & II

Podobné dokumenty
I a II. Kvantová mechanika. JSF094 Akademický rok

Vlny. částice? nebo. Pavel Cejnar ÚČJF MFF UK FJDP 2018/19. Objevování kvantového světa

VYPOUŠTĚNÍ KVANTOVÉHO DŽINA

Vlny nebo částice? Přednáška 1, Pavel Cejnar. Principy kvantové fyziky. Ústav částicové a jaderné fyziky MFF UK

Pavel Cejnar. mff.cuni.cz. Ústav částicové a jaderné fyziky Matematicko-fyzikální fakulta University Karlovy v Praze

Vybrané podivnosti kvantové mechaniky

Kvantová fyzika. Pavel Cejnar mff.cuni.cz. Jiří Dolejší mff.cuni.cz

Kvantová fyzika. Pavel Cejnar mff.cuni.cz. Jiří Dolejší mff.cuni.cz

Kvantová mechanika ve 40 minutách

6.2.8 Vlnová funkce. ψ nemá (zatím?) žádný fyzikální smysl, fyzikální smysl má funkce. Předpoklady:

Kvantové provázání. Pavel Cejnar ÚČJF MFF UK Praha

Úvod do laserové techniky

Matematické metody kvantové mechaniky

Einsteina s Bohrem. Dialog. Pavel Cejnar. Ústav částicové a jaderné fyziky Matematicko-fyzikální fakulta UK

Od kvantové mechaniky k chemii

Fyzika, maturitní okruhy (profilová část), školní rok 2014/2015 Gymnázium INTEGRA BRNO

Obsah PŘEDMLUVA...9 ÚVOD TEORETICKÁ MECHANIKA...15

Kvantové počítání. Pavel Cejnar. Program: 1) Historie 2) Principy 3) Příklady 4) Realizace. ÚČJF MFF UK Praha mff.cuni.cz.

Operátory obecně (viz QMCA s. 88) je matematický předpis který, pokud je aplikován na funkci, převádí ji na

ZS: 2018/2019 NMAF063 F/3 Josef MÁLEK. Matematika pro fyziky III

Kvantová mechanika bez prostoročasu

B) výchovné a vzdělávací strategie jsou totožné se strategiemi vyučovacího předmětu Fyzika.

Elementární částice. 1. Leptony 2. Baryony 3. Bosony. 4. Kvarkový model 5. Slabé interakce 6. Partonový model

PLANCK EINSTEIN BOHR de BROGLIE

6 PŘEDNÁŠKA 6: Stav kvantového systému, úplná množina pozorovatelných. Operátor momentu hybnosti a kvadrátu momentu hybnosti.

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

Netradiční výklad tradičních témat

ZS: 2017/2018 NMAF061 F/2 J. MÁLEK. Matematika pro fyziky I. Posluchárna: T2 T1 Konzultační hodiny: pátek 9:40-10:30, posluchárna T5

Rovnice matematické fyziky cvičení pro akademický školní rok

Ab initio výpočty v chemii a biochemii

Kvantová fyzika a náš svět

Odchylka ekliptiky od roviny Galaxie

Základy matematiky pro FEK

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Detekce interakčních sil v proudu vozidel

Úvod do moderní fyziky. lekce 2 částicové vlastnosti vln a vlnové vlastnosti částic, základy kvantové mechaniky

Fourierovské metody v teorii difrakce a ve strukturní analýze

Laboratorní úloha č. 7 Difrakce na mikro-objektech

D - Přehled předmětů studijního plánu

Dnešní látka: Literatura: Kapitoly 3 a 4 ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Singulární charakter klasické limity

VAROVÁNÍ Přemýšlení o kvantové mechanice způsobuje nespavost

Dnešní látka Variačně formulované okrajové úlohy zúplnění prostoru funkcí. Lineární zobrazení.

Úvod do moderní fyziky

Lehký úvod do kvantové teorie

Kvantová a statistická fyzika 2 (Termodynamika a statistická fyzika)

Elektronový obal atomu

Úvod do kvantového počítání

Werner Heisenberg: Fyzika a filosofie. Tibor Fördös. /Nanotechnologie/

[KVANTOVÁ FYZIKA] K katoda. A anoda. M mřížka

Kvantová mechanika (UFY100)

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Skalární součin. študenti MFF 15. augusta 2008

Kvantová informatika pro komunikace v budoucnosti

Elektronový obal atomu

Lekce 4 Statistická termodynamika

22 Základní vlastnosti distribucí

Úlohy k přednášce NMAG 101 a 120: Lineární algebra a geometrie 1 a 2,

Za hranice současné fyziky

Počátky kvantové mechaniky. Petr Beneš ÚTEF

Co jsme udělali: Au = f, u D(A)

Atomové jádro Elektronový obal elektron (e) záporně proton (p) kladně neutron (n) elektroneutrální

Karel Lemr. web: Karel Lemr Fotonové páry 1 / 26

Definice 1.1. Nechť je M množina. Funkci ρ : M M R nazveme metrikou, jestliže má následující vlastnosti:

Drsná matematika III 1. přednáška Funkce více proměnných: křivky, směrové derivace, diferenciál

Historie zapsaná v atomech

Počátky: už jsme potkali

Vlnění, optika a atomová fyzika (2. ročník)

MAKROSVĚT ~ FYZIKA MAKROSVĚTA (KLASICKÁ) FYZIKA

Báze konečněrozměrných vektorových prostorů, lineární zobrazení vektorových prostorů

Kapitola 2. Svítání. Svítání

00/20. Kvantové počítání. Pavel Cejnar Ústav částicové a jaderné fyziky Matematicko-fyzikální fakulta UK, Praha IBM

OPTIKA Fotoelektrický jev TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

ÚVOD DO KVANTOVÉ MECHANIKY

9 METODY STATISTICKÉ FYZIKY

Lineární algebra : Metrická geometrie

6.2.7 Princip neurčitosti

Hamiltonián popisující atom vodíku ve vnějším magnetickém poli:

10 Funkce více proměnných

Praktikum III - Optika

Příklad 1: Komutační relace [d/dx, x] Příklad 2: Operátor B = i d/dx

Příklad 6: Bariéra a tunelový jev

Numerická stabilita algoritmů

Tajemství skalárního součinu

Požadavky k písemné přijímací zkoušce z matematiky do navazujícího magisterského studia pro neučitelské obory

Vybrané kapitoly z matematiky

2. Elektrotechnické materiály

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

Okruhy k maturitní zkoušce z fyziky

DEFORMACE JEDNODUCHÝCH LAGRANGEOVÝCH SYSTÉMŮ VYBRANÝMI NEHOLONOMNÍMI VAZBAMI

školní vzdělávací program ŠKOLNÍ VZDĚLÁVACÍ PROGRAM DR. J. PEKAŘE V MLADÉ BOLESLAVI RVP G 8-leté gymnázium Fyzika II. Gymnázium Dr.

Nástin formální stavby kvantové mechaniky

Domácí úlohy ke kolokviu z předmětu Panorama fyziky II Tomáš Krajča, , Jaro 2008

Balmerova série vodíku

Lehký úvod do kvantové teorie II

Fyzika 1 - rámcové příklady Kinematika a dynamika hmotného bodu, gravitační pole

Elektronový obal atomu

ÈÁST VII - K V A N T O V Á F Y Z I K A

VÍTEJTE V MIKROSVĚTĚ

Transkript:

Kvantová mechanika I & II JSF094 akademický rok 015-016 Čas a místo Úterý 13:10-14:40 Středa 10:40-1:10 cvičení posluchárna ÚČJF3/945 Čtvrtek 10:40-1:10 Přednášející prof. Pavel Cejnar ÚČJF místnost: Trója 934 telefon: 95155 47 email: cejnar @ ipnp.troja.mff.cuni.cz Cvičící dr. Pavel Stránský ÚČJF místnost: Trója 931 telefon: 95155 470 email: stransky @ ipnp.troja.mff.cuni.cz Konzultace dle individuální domluvy

http://www-ucjf.troja.mff.cuni.cz/cejnar/prednasky/qm.html Stránka přednášky Podrobný sylabus přednášky Prezentace tato a několik dalších

http://www-ucjf.troja.mff.cuni.cz/cejnar/prednasky/qm.html Stránka přednášky Soupis základních pojmů a formulek for tough guys only!!!

Knihy P. Cejnar: Condensed Course of Quantum Mechanics Karolinum, 013.dedikovaná učebnice k tomuto kursu J. Formánek: Úvod do kvantové teorie 1983,004 J.J. Sakurai: Modern Quantum Mechanics 1985,1994 J.J. Sakurai, J.J.Napolitano: Modern Quantum Mechanics 011 G. uletta, M. Fortunato, G. Parisi: Quantum Mechanics 009 L.E. allentine: Quantum Mechanics. Modern Development 1998. Peres, Quantum Theory: Concepts and Methods 1995. ohm, Quantum Mechanics: Foundations and pplications 1979, 1993 W. Greiner: Quantum Mechanics: n Introduction 1989, W. Greiner: Quantum Mechanics: Special Chapters 1998 W. Greiner,. Müller: Quantum Mechanics: Symmetries 1989 E. Merzbacher: Quantum Mechanics 1961,1998 S. Flügge: Practical Quantum Mechanics 1971,1999 J. Pišút, L. Gomolčák, V. Černý: Úvod do kvantovej mechaniky 1983 J. Pišút, V. Černý, P. Prešnajder: Zbierka úloh z kvantovej mechaniky 1985 R.P. Feynman: Feynmanovy přednášky 3 1964,00/6....

Stručný program pro oba semestry 1. Formalismus kvantové teorie. Jednoduché kvantové systémy provázané kapitoly 4 přednášek 3. Kvantově-klasická korespondence 4. Moment hybnosti 5. Přibližné metody 6. Srážky částic 7. Mnohočásticové systémy 3 přednášky 4 přednášky 5 přednášek 5 přednášek 5 přednášek

Q-svět Fyzika pevných látek, materiálová fyzika Optika, optoelektronika Nanofyzika, nové technologie strofyzika, černé díry, neutronové hvězdy Fyzika kondenzované fáze, biofyzika Kvantová mechanika Kvantová teorie pole Kosmologie, počátky vesmíru tomová, molekulová fyzika, kvantová chemie Struny, sjednocení polí, za standardním modelem Jaderná a subjaderná fyzika Pole, částicová fyzika

Kvantová úroveň Variační princip klasické mechaniky S f t [ q t ] = dt L[ q t, q t, t i t ] akce δ S = 0 δ S = 0 trajektorie

Kvantová úroveň Variační princip klasické mechaniky S tf δ S = 0 t] akce [ q t ] = dt L[ q t, q t, t i Ma Planck 1858-1947 = 1.05 10 34 J s = 0.66 ev fs Škála Planckovy konstanty δ S = 0 Charakteristická změna akce na škále rozlišitelnosti S trajektorie Škála rozlišitelnosti trajektorií Kritérium pro platnost klasické mechaniky: S >>1 Kvantová fyzika nastupuje když: S 1

Interference Dvouštěrbinový eperiment pro elektrony Pro daný počáteční a koncový bod eistují trajektorie splňující δ S = 0 Klasická částice letí buď po I, nebo po II Co se stane když SI SII h??? I II

Interference Dvouštěrbinový eperiment pro elektrony Dvouštěrbinový eperiment je srdcem kvantové mechaniky. Obsahuje tu jedinou skutečnou záhadu. Této záhady se nelze zbavit nějakým vysvětlením jejího fungování. My prostě jen popíšeme, jak ta záhada funguje. tím vám zároveň sdělíme základní zvláštnost celé kvantové mechaniky... Co se stane když SI SII h??? Richard P. Feynman 1918-1988 I II

Interference Dvouštěrbinový eperiment pro elektrony Fig. 1 Fig. elektrony Fig. 3 Fig. 4

Interference Dvouštěrbinový eperiment pro elektrony λ = / π p elektronový mikroskop elektrony 50 kev vlnová délka pro částici s hybností p Pro elektron o kinetické energii 50 kev λ 0.0055 nm d ~ μm, l ~ m perioda obrazce = l λ ~ μm d 10 100 dvouštěrbina 3000 d l 0000 obrazovka interferenční obrazec kira Tonamura 194-01. Tonomura et al., m. J. Phys. 57 1989 117 70000

Interference Dvouštěrbinový eperiment pro elektrony Každý elektron je v přístroji sám, tedy musí interferovat sám se sebou 10 100 3000 0000 Charles ddams, the New Yorker 1940. Tonomura et al., m. J. Phys. 57 1989 117 70000

elektrony Interference Dvouštěrbinový eperiment pro elektrony Fig. 1 Fig. Vylepšení: 1 Eperiment se zpožděnou volbou delayed-choice o umístění/neumístění polarizátorů rozhodnuto až když je elektron v přístroji Kvantový vymazávač quantum eraser průchod polarizačním filtrem Principiální rozlišitelnost drah skrze štěrbiny či např. v důsledku měření, nebo polarizací či interakcí s prostředím => zmizení interferenčního obrazce which-path setup Fig. 3 Fig. 4 vymaže informaci o dráze a obnoví interferenci interferenční setup

Interference Dvouštěrbinový eperiment pro elektrony X Tyto výsledky se zdají odporovat pravidlům klasické logiky při vhodné definici logických proměnných je narušen distributivní aiom: X X X which-path setup interferenční setup X X

Interference Dvouštěrbinový eperiment pro elektrony Dvouštěrbinový eperiment je srdcem kvantové mechaniky. Obsahuje tu jedinou skutečnou záhadu. Této záhady se nelze zbavit nějakým vysvětlením jejího fungování. My prostě jen popíšeme, jak ta záhada funguje. tím vám zároveň sdělíme základní zvláštnost celé kvantové mechaniky... Richard P. Feynman 1918-1988 I Kvantové mechanice nerozumí nikdo. II

Stav kvantového systému Renčín Stav fyzikálního systému: zobrazení reality jejího sledovaného výseku v jednom konkrétním okamžiku do prostoru vhodně zvolených matematických entit. Požadavek, aby stav v čase t umožňoval odvodit stavy ne nutně výsledky pozorování v lib.časech t + Δt. z 6 4 D 7 5 4 Klasická mechanika Stavovým prostorem pro N částic je 6N-rozměrný fázový prostor všech souřadnic a hybností. Při zachování energie je pohyb omezen na 6N 1-rozměrnou varietu ve fázovém prostoru. 1 3 Polohy, y, z a hybnosti p,p y,p z pro N = 7 částic y

Stav kvantového systému Kvantové systémy se vyznačují neurčitostí: ani dokonalá znalost stavu systému neumožňuje deterministické předpovědi výsledků měření. Entity odpovídající různým stavům od sebe nejsou dokonale odděleny překrývají se! Renčín P a měření veličiny a??? výsledek P a měření veličiny a a

Stav kvantového systému Kvantové systémy se vyznačují neurčitostí: ani dokonalá znalost stavu systému neumožňuje deterministické předpovědi výsledků měření. Entity odpovídající různým stavům od sebe nejsou dokonale odděleny překrývají se! To jsou vlastnosti vektorů: H 1 vektory v komplením vektorovém prostoru D

Stav kvantového systému Kvantové systémy se vyznačují neurčitostí: ani dokonalá znalost stavu systému neumožňuje deterministické předpovědi výsledků měření. Entity odpovídající různým stavům od sebe nejsou dokonale odděleny překrývají se! To jsou vlastnosti vektorů: H 1 vektory v komplením vektorovém prostoru = 1 = 1 normalizace Schwarzova nerovnost D C skalární součin aby bylo možné počítat pravděpodobnosti Pravděpodobnost záměny stavových vektorů: P = [0,1]

Stav kvantového systému Kvantové systémy se vyznačují neurčitostí: ani dokonalá znalost stavu systému neumožňuje deterministické předpovědi výsledků měření. Entity odpovídající různým stavům od sebe nejsou dokonale odděleny překrývají se! To jsou vlastnosti vektorů: D H John von Neumann 1903-1957 1 vektory v komplením vektorovém prostoru David Hilbert 186-1943 normalizace Schwarzova nerovnost 3 úplnost každá konvergující posloupnost má limitu uvnitř prostoru bezpečnostní opatření C skalární součin aby bylo možné počítat pravděpodobnosti Prostorem kvantových stavů je Hilbertův prostor Pravděpodobnost záměny stavových vektorů: = 1 = 1 P = [0,1]

Hilbertovy prostory a operátory Prostor kvadraticky integrovatelných funkcí L R Funkce splňující podmínku Skalární součin g f + + d f d g* f Každá lineární kombinace vektorů leží v H Prostor nekonečných sekvencí l Posloupnosti kompleních čísel Splňující podmínku < i= 1 ai < Skalární součin α + β + = H b H a H David Hilbert 186-1943 a b* 1 b* a 1 John von Neumann 1903-1957

Hilbertovy prostory a operátory Prostor kvadraticky integrovatelných funkcí L R Funkce splňující podmínku Skalární součin g f + + d f d g* f < Každá lineární kombinace vektorů leží v H Prostor nekonečných sekvencí H l Posloupnosti kompleních čísel Splňující podmínku Skalární součin < i= 1 a i Lineární operátory v Hilbertových prostorech Zobrazení H na sebe: příp. jen husté podmnožiny H podmínka linearity Oˆ α + β + = b = α Oˆ H a Ô : H H H + βoˆ David Hilbert 186-1943 a b* 1 b* a + 1 Diferenciální operátory v L R Matice v l d d const

Dvouštěrbinový eperiment pro elektrony Interference * d δ = = = cos β α φ φ φ φ ρ ρ β α ρ β ρ α + + + = P P P e e i i β α φβ φα β α + = i e φ ρ = i e φ ρ =

Dvouštěrbinový eperiment pro elektrony Interference = i e φ ρ = i e φ ρ = + = e e i i β α β α β α β φ φα + + = + =, * * * * * * * * β α β α β α β α = = 1 0 cos α φ β φ φ φ ρ ρ β α ρ β ρ α + + + = P P P

Jsme jen bídní makroskopičtí tvorové naše představivost a intuice se utvářely jen v interakci s klasickým makroskopickým světem. Ve světě atomů a kvantových částic, kde platí radikálně jiné zákony, tápeme. Přesto i zde pro nás eistuje spolehlivé vodítko abstraktní matematika. Nejnepochopitelnější věcí na světě je, že svět je pochopitelný *. Einstein * zatím Četba: E. Wigner: The Unreasonable Effectiveness of Mathematics in the Natural Sciences, Commun. in Pure and pplied Mathematics, vol. 13, No. I Feb. 1960

Solvayská konference 197 otcové zakladatelé : 1900 Ma Planck, 1905 lbert Einstein stará kvantová teorie : 1913 Niels ohr vlnová hypotéza: 194 Louis de roglie maticová mechanika: 195 Werner Heisenberg Sjednocení: } vlnová mechanika: 196 Erwin Schrödinger 197 John von Neumann pravděpodobnostní interpretace: 196 Ma orn Paul Dirac