Современная физика, концепции и применение.

Современная физика — ушла далеко за пределы классической механики и электромагнетизма. В XX веке появилось много концепций, переворачивающих наше понимание о вселенной.

Поведение субатомных частиц, природа света, структура пространства и времени, динамика космоса в больших масштабах. Почему для нас важно, как вела себя вселенная в первые моменты после большого взрыва?

Концепции, связанные с современной физикой.

Дуализм волна-частица

Дуализм волна-частица объясняет, что частицы, такие как электроны и фотоны, могут демонстрировать как волновое, так и корпускулярное поведение в зависимости от экспериментальной установки. Другими словами - любой объект природы может вести себя и как частица, и как волна.

Корпускулярно-волновой дуализм лежит в основе принципов работы таких устройств, как транзисторы и чипы. Поведение электронов в полупроводниках можно объяснить только с учётом квантовых эффектов, что позволило создать всю современную электронику.

Лазеры работают на принципах, основанных на квантовых состояниях частиц, и корпускулярно-волновой дуализм объясняет, как энергия может быть передана в форме световых волн, а затем сконцентрирована в потоке фотонов.

Квантовые компьютеры используют корпускулярно-волновой дуализм для обработки информации с использованием квантовых битов (кубитов), что позволяет решить задачи, которые классическим компьютерам были бы неподвластны. Квантовый компьютер в теории может взломать любой неквантовый алгоритм шифрования:
Квантовый компьютер с алгоритмом Шора мог бы эффективно взломать RSA, DSA и другие шифры, основанные на задаче факторизации или на дискретном логарифме (например, алгоритм Эль-Гамаля). Классические методы взлома этих систем требуют экспоненциального времени, тогда как алгоритм Шора выполняет эту задачу за полиномиальное время, что делает такую криптографию уязвимой.

Принцип неопределенности
Принцип неопределенности был предложен Вернером Гейзенбергом. Согласно этой теории, точность, с которой некоторые пары атрибутов, такие как положение и импульс, могут быть поняты одновременно, принципиально ограничена. Чем точнее измеряется одна характеристика частицы, тем менее точно можно измерить вторую.
Используется в супер точных сенсерах и микроскопах. А без них не обойтись в нанотехнологиях.

Квантование

В современной физике многие свойства, такие как энергия, момент импульса и электрический заряд, квантуются, то есть они могут принимать только дискретные значения, а не непрерывные (аналоговый сигнал преобразуется в дискретный).

В сверхпроводниках электроны, которые являются квази-частицами, называемыми куперовскими парами, движутся без сопротивления. Эти пары подчиняются квантовым законам, и их взаимодействие с внешними полями также квантовано. Сверхпроводимость находит применение в магнитных резонансах, магнитных левитаторах и в медицинских устройствах, таких как МРТ-сканеры. Ну и очевидно, что термоядерный реактор без сверхпроводников не построить...

Квантовые точки — это наноструктуры, которые ограничивают движение электронов в трех измерениях, что приводит к квантованию энергии. Эти структуры используются в светодиодах, лазерах, сенсорах и солнечных батареях, а также для разработки новых материалов с заданными свойствами на уровне нанометров.

Эквивалентность массы и энергии

Эквивалентность массы и энергии - полная энергия физического объекта в состоянии покоя равна его массе, умноженной на размерный множитель квадрата скорости света в вакууме, также известная как уравнение Эйнштейна: E = mc2. Это уравнение демонстрирует, что масса и энергия взаимозаменяемы и что даже небольшое количество массы может быть преобразовано в большое количество энергии. На основе эквивалентности между энергией и массой складывается эйнштейновская теория относительности и теоретическая ядерная физика.

Специальная теория относительности

Специальная теория относительности — это теория, предложенная Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Она описывает пространство, время и связь между энергией и материей. Она также объясняет, почему законы физики кажутся одинаковыми для всех наблюдателей, находящихся в равномерном движении, и вводит такие понятия, как замедление времени и сокращение длины.

Общая теория относительности

Общая теория относительности расширяет специальную теорию относительности, включая ускорение и гравитацию. Она описывает гравитацию как искривление пространства-времени, вызванное массой и энергией. Согласно этой теории, гравитация — это не сила, а лишь проявление искривления пространства-времени. При этом чем тяжелее тело, например Солнце, тем сильнее пространство-время «прогибается» под ним и тем, соответственно, сильнее его гравитационное поле.

Применение современной физики.

Современная физика имеет многочисленные приложения в различных областях, от технологий и медицины до промышленности и не только. Вот некоторые приложения современной физики:

1. Медицинская визуализация: Методы, основанные на принципах современной физики, такие как рентген, магнитно-резонансная томография (МРТ), компьютерная томография (КТ) и позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), используются для медицинской визуализации диагностики заболеваний, контроля лечения и проведения исследований. Таким образом, можно уменьшить риск заболеваний и ускорить процесс выздоровления.

2. Полупроводниковая электроника: Квантовая механика играет решающую роль в понимании поведения электронов в полупроводниках, что приводит к разработке транзисторов, диодов, интегральных схем и других электронных устройств, которые составляют основу современных технологий, включая компьютеры, смартфоны и цифровые камеры. Из этого исходит факт, что без квантовой механики не работает ни одно, даже простое электронное устройство и нет этому альтернативы.

3. Лазеры и оптика: Лазеры, работающие на принципах квантовой механики, имеют разнообразные приложения в телекоммуникациях, сканерах штрихкодов, лазерных принтерах, лазерной хирургии, резке и сварке материалов и научных исследованиях. Оптика, включая волоконную и голографию, также является неотъемлемой частью различных технологий и отраслей.

4. Возобновляемая энергия: солнечные элементы, работающие на основе фотоэлектрического эффекта и физики полупроводников, преобразуют солнечный свет в электричество, обеспечивая чистый и возобновляемый источник энергии для питания домов, предприятий и автономных приложений, при этом текущие исследования направлены на повышение эффективности и снижение затрат.

5. Материаловедение: достижения в области материаловедения, основанные на принципах квантовой механики и физики твердого тела, приводят к разработке новых материалов с индивидуальными свойствами для применения в электронике, аэрокосмической промышленности, автомобилестроении, строительстве, здравоохранении и защите окружающей среды.