Странный мир квантовой физики и понятие спин

На данный момент, мы должны предупредить вас, что в дальнейшем описании будет представлены некоторые очень странные и феноменальные для обычного понимания явления физики.

Физика может быть разделена на две категории, называемые «классическая физика» и «квантовая физика». Классическая физика описывает поведение и процессы обычных повседневных предметов, то что вы видите вокруг себя. Для примера, классическая физика может легко объяснить, как мяч отскакивает от пола.

Другой, раздел физики который описывает поведение мелких частиц, называют «квантовая физика». Когда мы говорим мелкие частицы, мы имеем в виду вещи крайне мелкие такие, как атомы, электроны, протоны. И на этом уровне, правила классической физики, которые мы привыкли понимать и наблюдать вокруг себя, абсолютно отказываются работать. Вместо этого, чрезвычайно малые частицы, такие как атомы подчиняются очень странным, в нашем понимании, правилам квантовой физики.  Давайте рассмотрим наглядный пример того, какие странные вещи происходят в мире квантовой физики. Это небольшой пример никак непосредственно не связан с пониманием, как работает МРТ. Мы рассмотрим это только для того, чтобы объяснить, как странно, в обычном понимании, квантовая физика может описывать поведение мелких частиц.  Таким образом, когда мы будем применять понятия квантовой физики, связанные с работой МРТ, вы не будете слишком удивлены тем, насколько странно все это может происходить.

Представьте себе, что у нас есть стена с двумя щелями, как показано ниже.

Начнем с классической физики (т.е. «повседневной» физики с которой вы уже знакомы). Мы рассмотрим мяч, и допустим мяч падает к щели «А» показано ниже.

Как и следовало ожидать, мяч проходит через щель ‘А’.

И, конечно же, мяч оказывается на другой стороне, как раз под щелью ‘А’.

Теперь давайте посмотрим, что произойдет, если мы повторим этот эксперимент в мире квантовой физики.

Для этого эксперимента мы будем использовать ‘мяч’, который является чрезвычайно крошечным (например электрон) и использовать такие же крошечные щели. Поскольку частицы выбраны крайне маленькие, этот эксперимент будет следовать законам квантовой физики, а не законам классической физики.

Как и прежде, мы рассматриваем ‘падение’ частицы.

Удивительно, но в данном случае, одна частица, проходит через щель А и одновременно и через щель В. Мы не имею в виду, что она распадается на две половины, которые соединиться в дальнейшем. Это на самом деле означает, что полноценная одиночная частица, проходит через обе щели одновременно!

Вы можете сказать, что это невозможно. Это действительно невозможно пронять с точки зрения классической физики, однако с точки зрения квантовой физики, именно так ведут себя очень маленькие частицы. Ученые физики провели эксперименты, и доказали, что такие странные вещи на самом деле действительно происходят.

Единственная причина, почему мы упомянули этот пример квантовой физики, это чтобы показать вам, что квантовая физика достаточно странная для обыденного понимания. И в нашем случае Магнитно Резонансные Томографы имеют дело с очень крошечными частицами (то есть ядра водорода), и поэтому мы будем следовать правилам квантовой физики. Трудно представить процессы квантовой физики, потому что, как правило, нет ничего в нашей повседневной жизни, что ведет себя так же, как крошечные частицы.

Теперь давайте вернемся к обсуждению магнитно резонансного томографа. Вы помните, мы определили, что МР томограф может «видеть» только ядра водорода, которые содержатся в молекулах воды.

Ядра водорода подчиняются законам квантовой физики и им присуще свойство, называемое «спин». Давайте представим «спин» ядра водорода, например вот так.

К сожалению, как уже упоминалось выше, в квантовой физике достаточно странных вещей. С точки зрения квантовой физики, понятие «спин» не означает вращение вокруг. Это гораздо более сложное свойство, которое трудно представить, так же как и многие другие вещи в квантовой физике, таким образом нам лучше принять определенные вещи, вместо того, чтобы ломать голову и пытаться представить это. И поэтому мы принимаем, что, в соответствии с законами квантовой физики, ядра водорода имеют свойство, называемое спин, который может быть, ориентирован определенным образом.

С квантовой физикой немного разобрались и теперь рассмотрим каким образом происходит идентификация атомов водорода.