kvantová mechanika je obor fyziky vztahující se k velmi malým.
výsledkem je to, co se může zdát jako velmi podivné závěry o fyzickém světě. V měřítku atomů a elektronů mnoho rovnic klasické mechaniky, které popisují, jak se věci pohybují v každodenních velikostech a rychlostech, přestávají být užitečné. V klasické mechanice existují objekty na určitém místě v určitém čase., V kvantové mechanice však objekty místo toho existují v zákalu pravděpodobnosti; mají určitou šanci být v bodě a, další šanci být v bodě B a tak dále.
Tři revoluční principy
Kvantové mechaniky (QM), vyvinuté v průběhu mnoha desetiletí, začíná jako soubor kontroverzní matematické vysvětlení experimentů, že matematika klasické mechaniky nelze vysvětlit., To začalo na přelomu 20. století, přibližně v době, kdy Albert Einstein publikoval svoji teorie relativity, samostatné matematické revoluci ve fyzice, která popisuje pohyb věcí při vysokých rychlostech. Na rozdíl od relativity však původ QM nelze připsat žádnému vědci. Více vědců přispělo spíše k založení tří revolučních principů, které postupně získaly přijetí a experimentální ověření v letech 1900 až 1930., Jsou to:
Kvantizačních vlastnosti: Určité vlastnosti, jako je pozice, rychlost a barvu, někdy může dojít pouze v konkrétních, nastavit množství, podobně jako ciferník, že „kliknutí“ od čísla do čísla. Tento zpochybněna základní předpoklad klasické mechaniky, který řekl, že takové vlastnosti by měl existovat na hladké, kontinuální spektrum. Abychom popsali myšlenku, že některé vlastnosti “ klikly „jako číselník se specifickými nastaveními, vědci vytvořili slovo „kvantováno“.“
částice světla: světlo se někdy může chovat jako částice., To bylo zpočátku setkal s tvrdou kritikou, jak to běželo na rozdíl 200 let experimentů, které ukazují, že světlo se choval jako vlna, jako vlnění na hladině klidného jezera. Světlo se chová podobně v tom, že se odrazí od stěn a ohýbá se kolem rohů a že hřebeny a žlaby vlny se mohou sčítat nebo zrušit. Přidané vlnové hřebeny vedou k jasnějšímu světlu, zatímco vlny, které se zruší, produkují temnotu. Světelný zdroj lze považovat za kouli na tyči, která je rytmicky ponořena do středu jezera., Vyzařovaná barva odpovídá vzdálenosti mezi hřebeny, která je určena rychlostí rytmu míče.
vlny hmoty: hmota se může také chovat jako vlna. To bylo v rozporu se zhruba 30 lety experimentů, které ukazují, že hmota (například elektrony) existuje jako částice.
Kvantizované vlastnosti?
v roce 1900 se německý fyzik Max Planck snažil vysvětlit rozložení barev vyzařovaných přes spektrum v záři žhavých a bílých horkých objektů, jako jsou vlákna žárovky., Při fyzickém smyslu rovnice měl odvozen popsat toto rozdělení, Planck si uvědomil, že to znamenalo, že kombinace pouze určité barvy (i když velké množství z nich) byly vypuštěny, konkrétně těch, které byly celé množství násobků základní hodnoty. Nějak byly barvy kvantizovány! To bylo neočekávané, protože světlo bylo chápáno jako vlna, což znamená, že hodnoty barvy by měly být spojité spektrum. Co by mohlo atomům zakazovat vytvářet barvy mezi těmito celočíselnými násobky?, To se zdálo tak zvláštní, že Planck považoval kvantizaci za nic jiného než matematický trik. Podle Helge Kragh v jeho 2000 článek ve Fyzice World magazine, „Max Planck, Neochotný Revoluční“, „Kdyby došlo k revoluci ve fyzice v prosinci 1900, nikdo nevšiml. Planck byl žádná výjimka …“
Planckova rovnice obsahuje také číslo, které by později se stal velmi důležité pro budoucí vývoj QM; dnes je známý jako „Planckova Konstanta.“
kvantizace pomohla vysvětlit další tajemství fyziky., V roce 1907, Einstein použil Planckovu hypotézu o kvantování vysvětlit, proč se teplota pevné změnila o různé částky, pokud dáte stejné množství tepla do materiálu, ale změnil výchozí teplotu.
Od počátku roku 1800 věda spektroskopie ukázala, že různé prvky emitují a absorbují specifické barvy světla nazývané „spektrální čáry.“Když spektroskopie byla spolehlivá metoda pro stanovení prvků obsažených v objektech, jako jsou vzdálené hvězdy, vědci byli zmateni o tom, proč každý prvek dal pryč ty určité řádky v první řadě., V roce 1888 Johannes Rydberg odvodil rovnici, která popisovala spektrální čáry emitované vodíkem, ačkoli nikdo nedokázal vysvětlit, proč rovnice fungovala. To se změnilo v roce 1913, kdy Niels Bohr aplikovaná Planckova hypotéza o kvantování, aby Ernest Rutherford 1911 „planetární“ model atomu, který postuloval, že elektrony obíhají jádro stejným způsobem, jakým planety obíhají slunce. Podle fyziky 2000 (místo z University of Colorado) navrhl Bohr, aby elektrony byly omezeny na „speciální“ oběžné dráhy kolem atomového jádra., Mohli by „skákat“ mezi speciálními oběžnými dráhami a energie produkovaná skokem způsobila specifické barvy světla, pozorované jako spektrální čáry. Ačkoli kvantované vlastnosti byly vynalezeny jako pouhý matematický trik, vysvětlili tolik, že se staly základním principem QM.
částice světla?
V roce 1905 Einstein publikoval článek, „O Heuristickém Pohledu Směrem Emisí a Přeměnou Světla“, ve kterém on představoval světlo cestování ne jako vlna, ale jako nějakým způsobem „energie, kvantech.,“Tento balíček energie, Einstein navrhl, že by mohl „být absorbovány nebo generovány pouze jako celek,“ speciálně, když atom „skoky“ mezi kvantovaných vibrací sazby. To by také platí, jako by bylo uvedeno o několik let později, když elektron „skoky“ mezi kvantizačních drahách. Podle tohoto modelu, Einsteinova „energie kvant“ obsažené energie rozdíl skok, když děleno Planckova konstanta, že energetický rozdíl určuje barvu světla nesen ty kvanta.,
tento nový způsob, jak si představit světlo, Einstein nabídl vhled do chování z devíti různých jevů, včetně konkrétní barvy, které Planck popsal, je vyzařováno světlo-žárovka filament. Vysvětlil také, jak určité barvy světla mohou vysunout elektrony z kovových povrchů, což je jev známý jako „fotoelektrický efekt.“Einstein však nebyl zcela oprávněný při tomto skoku, řekl Stephen Klassen, docent fyziky na univerzitě ve Winnipegu., V článku z roku 2008 „fotoelektrický efekt: rehabilitace příběhu pro učebnu fyziky“ Klassen uvádí, že Einsteinova energetická kvanta není nezbytná pro vysvětlení všech těchto devíti jevů. Určité matematické procedury světla jako vlny jsou stále schopni popsat jak konkrétní barvy, které Planck popsal, je vyzařováno světlo-žárovka filament a fotoelektrického jevu., Opravdu, v Einsteinova kontroverzní vítězství z roku 1921 Nobelovu Cenu nobelova výboru pouze uznal „jeho objev zákona fotoelektrického jevu“, které se konkrétně ne se spoléhat na pojem energetického kvanta.
Zhruba dvě desetiletí po einsteinově papír, pojem „foton“ byl propagován pro popis energetických kvant, díky 1923 práci Arthur Compton, který ukázal, že rozptýlené světlo pomocí elektronového paprsku měnit barvu. To ukázalo, že částice světla (fotony) se skutečně srážely s částicemi hmoty (elektrony), což potvrdilo Einsteinovu hypotézu., Nyní bylo jasné, že světlo se může chovat jak jako vlna, tak jako částice a umístit světelnou „dualitu vlnových částic“ do základů QM.
vlny hmoty?
od objevu elektronu v roce 1896 se pomalu budovaly důkazy, že veškerá hmota existovala ve formě částic. Přesto demonstrace duality vln a částic světla přiměla vědce k otázce, zda je hmota omezena na působení pouze jako částice. Možná, že by dualita vlnových částic mohla být pravdivá i pro hmotu?, Prvním vědcem, který s touto úvahou učinil značný pokrok, byl francouzský fyzik jménem Louis de Broglie. V roce 1924 de Broglie použil rovnice Einsteinovy teorie speciální relativity, aby ukázal, že částice mohou vykazovat vlnové vlastnosti a že vlny mohou vykazovat vlastnosti podobné částicím. Pak v roce 1925, dva vědci, pracující nezávisle na sobě a pomocí samostatné řádky matematické myšlení, aplikované de Broglieho uvažování vysvětlit, jak se elektrony prosvištěl kolem atomů (jev, který byl nevysvětlitelné pomocí rovnic klasické mechaniky)., V Německu to fyzik Werner Heisenberg (teaming with Max Born and Pascual Jordan) dosáhl vývojem „maticové mechaniky.“Rakouský fyzik Erwin Schrödinger vyvinul podobnou teorii nazvanou“ vlnová mechanika.“Schrödinger v roce 1926 ukázal, že tyto dva přístupy jsou rovnocenné (ačkoli švýcarský fyzik Wolfgang Pauli poslal do Jordánska nepublikovaný výsledek, který ukazuje, že maticová mechanika je úplnější).,
Heisenberg-Schrödingerova modelu atomu, ve které každý elektron se chová jako vlna (někdy označované jako „cloud“), kolem jádra atomu nahradil Rutherford-Bohr model. Jedním z ustanovení nového modelu bylo, že konce vlny, které tvoří elektron, musí splňovat. V “ kvantové mechanice v chemii, 3.ed.“(W.a. Benjamin, 1981), Melvin Hanna píše: „uložení hraničních podmínek omezilo energii na diskrétní hodnoty.,“Důsledkem tohoto ustanovení je, že jsou povoleny pouze celé počty hřebenů a žlabů, což vysvětluje, proč jsou některé vlastnosti kvantizovány. V Heisenberg-Schrödingerově modelu atomu elektrony poslouchají “ vlnovou funkci „a zabírají“ orbitaly “ spíše než oběžné dráhy. Na rozdíl od kruhových drah modelu Rutherford-Bohr mají atomové orbitaly různé tvary od koulí po činky až po sedmikrásky.,
V roce 1927, Walter Heitler a Fritz London dále rozvíjet vlnové mechaniky ukázat, jak atomových orbitalů by dohromady tvoří molekulové orbitaly, účinně ukazuje, proč atomy bond jeden druhému do molekul. To byl další problém, který byl neřešitelný pomocí matematiky klasické mechaniky. Tyto poznatky vedly k oblasti “ kvantové chemie.“
princip nejistoty
Heisenberg také v roce 1927 významně přispěl k kvantové fyzice., Je odůvodněné, že hmota se chová jako vlny, některé vlastnosti, jako například elektron je pozice a rychlost, jsou „komplementární“, což znamená, že je tam limit (týkající se Planckova konstanta), jak dobře přesností každá vlastnost může být známý. Podle toho, co by se dalo nazvat „Heisenbergovým principem nejistoty“, bylo odůvodněno, že čím přesněji je známa pozice elektronu, tím méně přesně může být známa jeho rychlost a naopak. Tento princip nejistoty platí i pro předměty každodenní velikosti, ale není patrný, protože nedostatek přesnosti je mimořádně malý., Podle Dave Slaven Morningside College (Sioux City, IA), pokud je baseball rychlost je známo, že v rámci přesnosti 0,1 mph, maximální přesnost, které je možné znát míč pozice je 0.000000000000000000000000000008 milimetrů.
dále
principy kvantizace, dualita vlnových částic a princip nejistoty vedly k nové éře QM., V roce 1927, Paul Dirac aplikované kvantové chápání elektrických a magnetických polí, která mají vést ke studiu „kvantová teorie pole“ (QFT), který zachází částice (jako jsou fotony a elektrony) jako nadšený státy základní fyzikální pole. Práce v QFT pokračovala deset let, dokud vědci nenarazili na zátaras: mnoho rovnic v QFT přestalo dávat fyzický smysl, protože produkovaly výsledky nekonečna. Po deseti letech stagnace Hans Bethe udělal průlom v roce 1947 pomocí techniky zvané “ renormalizace.,“Tady, Bethe si uvědomil, že všechny nekonečné výsledky týkající se dvou jevů (konkrétně „elektron self-energie“ a „polarizace vakua“) tak, že zjištěné hodnoty hmotnosti elektronu a náboj elektronu by mohly být použity, aby se všechny nekonečna zmizí.
Protože průlom renormalizace, QFT sloužil jako základ pro rozvoj kvantové teorie, o čtyři základní síly přírody: 1) elektromagnetismus, 2) slabá jaderná síla, 3) silná jaderná síla a 4) gravitace., Na první pohled poskytována QFT byl kvantový popis elektromagnetismu prostřednictvím „kvantová elektrodynamika“ (QED), který dělal pokroky v pozdní 1940 a počátku roku 1950. Dále byl kvantový popis slabé jaderné síly, který byl sjednocen s elektromagnetismus vybudovat „teorie elektroslabých“ (EWT) po roce 1960. Konečně přišel kvantové léčení silná jaderná síla pomocí „kvantová chromodynamika“ (QCD) v letech 1960 až 1970. Teorie QED, EWT a QCD společně tvoří základ Standardního Modelu částicové fyziky., Bohužel QFT ještě nevytvořil kvantovou teorii gravitace. Tento úkol pokračuje dnes ve studiích teorie strun a smyčkové kvantové gravitace.
Robert Coolman je postgraduální výzkumný pracovník na University of Wisconsin-Madison, dokončení jeho Ph.d. v oboru chemického inženýrství. Píše o matematice, vědě a o tom, jak komunikují s historií. Sledujte Roberta @ PrimeViridian. Sledujte nás @LiveScience, Facebook & Google+.