kvantemekanik er den gren af fysik, der vedrører det meget lille.
det resulterer i, hvad der kan synes at være nogle meget mærkelige konklusioner om den fysiske verden. På omfanget af atomer og elektroner ophører mange af ligningerne af klassisk mekanik, der beskriver, hvordan tingene bevæger sig i hverdagens størrelser og hastigheder, at være nyttige. I klassisk mekanik findes objekter på et bestemt sted på et bestemt tidspunkt., Men i kvantemekanik findes objekter i stedet i en sandsynlighed; de har en vis chance for at være på punkt A, en anden chance for at være på punkt B og så videre.
tre revolutionerende principper
kvantemekanik (Quantumm) udviklede sig over mange årtier, begyndende som et sæt kontroversielle matematiske forklaringer på eksperimenter, som matematikken i klassisk mekanik ikke kunne forklare., Det begyndte i begyndelsen af det 20.århundrede, omkring samme tid som Albert Einstein offentliggjorde sin relativitetsteori, en separat matematisk revolution i fysik, der beskriver tingenes bevægelse i høje hastigheder. I modsætning til relativitet kan QM ‘ s oprindelse imidlertid ikke tilskrives nogen videnskabsmand. Snarere bidrog flere forskere til et fundament af tre revolutionerende principper, der gradvist fik accept og eksperimentel verifikation mellem 1900 og 1930., De er:
kvantiserede egenskaber: visse egenskaber, såsom position, hastighed og farve, kan undertiden kun forekomme i specifikke, indstillede mængder, ligesom et urskive, der “klikker” fra nummer til nummer. Dette udfordrede en grundlæggende antagelse om klassisk mekanik, som sagde, at sådanne egenskaber skulle eksistere på et glat, kontinuerligt spektrum. For at beskrive ideen om, at nogle egenskaber “klikkede” som et urskive med specifikke indstillinger, opfandt forskere ordet “kvantiseret.”
lyspartikler: lys kan undertiden opføre sig som en partikel., Dette blev oprindeligt mødt med hård kritik, da det løb i modsætning til 200 års eksperimenter, der viste, at lys opførte sig som en bølge; meget som krusninger på overfladen af en rolig sø. Lys opfører sig på samme måde, idet det springer ud af vægge og bøjninger rundt om hjørner, og at bølgens Kamme og trug kan tilføje eller annullere. Tilføjede bølgekamme resulterer i lysere lys, mens bølger, der annullerer, producerer mørke. En lyskilde kan betragtes som en bold på en pind, der rytmisk dyppes i midten af en sø., Den udsendte farve svarer til afstanden mellem kammen, som bestemmes af hastigheden af boldens rytme.
bølger af stof: stof kan også opføre sig som en bølge. Dette modsatte sig de cirka 30 års eksperimenter, der viste, at materie (såsom elektroner) findes som partikler.
kvantiserede egenskaber?
i 1900 forsøgte den tyske fysiker Ma.Planck at forklare fordelingen af farver udsendt over spektret i gløden af rødglødende og hvidglødende genstande, såsom lyspærfilamenter., Når du foretager fysisk fornemmelse af ligningen han havde afledt at beskrive denne fordeling, Planck indså det indebar, at kombinationer af kun visse farver (omend et stort antal af dem) blev udsendt, specielt dem, der var hele tal multipla af nogle basisværdi. På en eller anden måde blev farver kvantiseret! Dette var uventet, fordi lys blev forstået at fungere som en bølge, hvilket betyder, at farveværdier skal være et kontinuerligt spektrum. Hvad kunne forbyde atomer at producere farverne mellem disse hele tal multipler?, Dette syntes så mærkeligt, at Planck betragtes kvantisering som intet mere end en matematisk trick. Ifølge Helge Kragh i hans 2000 artikel i Physics World magazine, “Max Planck, den Tilbageholdende med Revolutionerende,” “Hvis en revolution fandt sted i fysik i December 1900, ingen syntes at bemærke det. Planck var ingen undtagelse … ”
Plancks ligning indeholdt også et tal, der senere ville blive meget vigtigt for den fremtidige udvikling af QM; i dag er det kendt som “Plancks konstant.”
Kvantisering hjalp med at forklare andre fysikens mysterier., I 1907 brugte Einstein Plancks hypotese om kvantisering til at forklare, hvorfor temperaturen på et fast stof ændrede sig med forskellige mængder, hvis du lægger den samme mængde varme i materialet, men ændrede starttemperaturen.
siden begyndelsen af 1800-tallet havde videnskaben om spektroskopi vist, at forskellige elementer udsender og absorberer specifikke lysfarver kaldet “spektrale linjer.”Selvom spektroskopi var en pålidelig metode til bestemmelse af elementerne indeholdt i objekter som fjerne stjerner, blev forskere forundret over, hvorfor hvert element i første omgang afgav disse specifikke linjer., I 1888 afledte Johannes Rydberg en ligning, der beskrev de spektrale linjer udsendt af brint, skønt ingen kunne forklare, hvorfor ligningen fungerede. Dette ændrede sig i 1913, da Niels Bohr anvendte Plancks hypotese om kvantisering til Ernest Rutherfords 1911″ planetariske ” model af atomet, som postulerede, at elektroner kredser om kernen på samme måde som planeter kredser om solen. Ifølge Physics 2000 (et sted fra University of Colorado) foreslog Bohr, at elektroner var begrænset til “specielle” kredsløb omkring et atoms kerne., De kunne “hoppe” mellem specielle baner, og energien produceret af springet forårsagede specifikke lysfarver, observeret som spektrale linjer. Selvom kvantiserede egenskaber blev opfundet som blot et matematisk trick, forklarede de så meget, at de blev det grundlæggende princip for QM.
lyspartikler?
I 1905 Einstein offentliggjorde en artikel, “Om en Heuristisk Synspunkt Mod Emission og Transformation af Lys”, som han forestillede sig lys rejser ikke som en bølge, men som en form for “energi-kvanter.,”Denne pakke energi, Einstein foreslog, kunne “absorberes eller genereres kun som en helhed”, specifikt når et atom “hopper” mellem kvantiserede vibrationshastigheder. Dette ville også gælde, som det ville blive vist et par år senere, når en elektron “hopper” mellem kvantiserede baner. Under denne model indeholdt Einsteins “energikvanta” energiforskellen i springet; når divideret med Plancks konstant, bestemte denne energiforskel farven på lys, der blev båret af disse kvanter.,
Med denne nye måde at forestille lys på, tilbød Einstein indsigt i opførelsen af ni forskellige fænomener, herunder de specifikke farver, som Planck beskrev, der udsendes fra en lyspære filament. Det forklarede også, hvordan visse lysfarver kunne skubbe elektroner ud af metaloverflader, et fænomen kendt som den “fotoelektriske effekt.”Einstein var imidlertid ikke helt berettiget til at tage dette spring, sagde Stephen Klassen, lektor i fysik ved University of .innipeg., I et 2008-papir,” the Photoelectric Effect: Rehabilitating the Story for the Physics Classroom”, siger Klassen, at Einsteins energikvanter ikke er nødvendige for at forklare alle disse ni fænomener. Visse matematiske behandlinger af lys som en bølge er stadig i stand til at beskrive både de specifikke farver, som Planck er beskrevet, som udledes fra en lys-pære glødetråd, og den fotoelektriske effekt., I Einsteins kontroversielle vinder af Nobelprisen 1921 anerkendte Nobelkomiteen kun “hans opdagelse af loven om den fotoelektriske effekt”, som specifikt ikke var afhængig af begrebet energikvanta.omkring to årtier efter Einsteins papir blev udtrykket “foton” populariseret til at beskrive energikvanta takket være Arthur Comptons 1923-arbejde, der viste, at lys spredt af en elektronstråle ændrede sig i farve. Dette viste, at lyspartikler (fotoner) faktisk kolliderede med partikler af stof (elektroner), hvilket bekræftede Einsteins hypotese., På nuværende tidspunkt var det klart, at lys kunne opføre sig både som en bølge og en partikel og placere lysets “bølge-partikel dualitet” i fundamentet for QM.
bølger af stof?
siden opdagelsen af elektronen i 1896 blev der langsomt bygget bevis for, at alt stof eksisterede i form af partikler. Stadig gjorde demonstrationen af lysets bølge-partikel dualitet forskere spørgsmålstegn ved, om materien var begrænset til kun at virke som partikler. Måske bølge-partikel dualitet kunne ringe sandt for sagen så godt?, Den første videnskabsmand til at gøre betydelige fremskridt med denne begrundelse var en fransk fysiker ved navn Louis de Broglie. I 1924 brugte de Broglie ligningerne i Einsteins teori om speciel relativitet for at vise, at partikler kan udvise bølgelignende egenskaber, og at bølger kan udvise partikellignende egenskaber. Så i 1925, blev to forskere, som arbejder uafhængigt af hinanden og ved hjælp af særskilte linjer i matematisk tankegang, anvendes de Broglie ‘ s begrundelse for at forklare, hvordan elektroner whizzed rundt i atomer (et fænomen, der var uforklarlige hjælp af ligninger af klassisk mekanik)., I Tyskland opnåede fysiker .erner Heisenberg (sammen med Ma.Born og Pascual Jordan) dette ved at udvikle “Matri mechanicsmekanik.”Den østrigske fysiker er .in Schr .dinger udviklede en lignende teori kaldet “bølgemekanik.”Schrödingers viste i 1926, at disse to tilgange, blev tilsvarende (selvom Schweiziske fysiker Wolfgang Pauli sendt til et ikke-offentliggjort resultatet til Jordan, der viser, at matrix-mekanikken var mere komplet).,
Heisenberg-Schr .dinger-modellen af atomet, hvor hver elektron fungerer som en bølge (undertiden benævnt en “sky”) omkring kernen i et atom erstattede Rutherford-Bohr-modellen. En bestemmelse af den nye model var, at enderne af den bølge, der danner en elektron, skal mødes. I ” kvantemekanik i kemi, 3.udg.”(Benjamin. A. Benjamin, 1981), Melvin Hanna skriver, “indførelsen af grænsevilkårene har begrænset energien til diskrete værdier.,”En konsekvens af denne bestemmelse er, at kun hele antal Kamme og trug er tilladt, hvilket forklarer, hvorfor nogle egenskaber er kvantiserede. I Heisenberg-Schr .dinger-modellen af atomet adlyder elektroner en “bølgefunktion” og optager “orbitaler” snarere end kredsløb. I modsætning til de cirkulære baner i Rutherford-Bohr-modellen har atomorbitaler en række forskellige former, der spænder fra kugler til håndvægte til tusindfryd.,
i 1927 udviklede furtheralter Heitler og frit.London yderligere bølgemekanik for at vise, hvordan Atom orbitaler kunne kombineres for at danne molekylære orbitaler, hvilket effektivt viser, hvorfor atomer binder til hinanden for at danne molekyler. Dette var endnu et problem, der havde været uløselige ved hjælp af matematik af klassisk mekanik. Disse indsigter gav anledning til feltet ” kvantekemi.”
usikkerhedsprincippet
også i 1927 gjorde Heisenberg et andet vigtigt bidrag til kvantefysik., Han begrundede, at da sagen fungerer som bølger, er nogle egenskaber, såsom en elektrons position og hastighed, “komplementære”, hvilket betyder, at der er en grænse (relateret til Plancks konstant) for, hvor godt præcisionen af hver ejendom kan kendes. Under det, der ville blive kaldt “Heisenbergs usikkerhedsprincip”, blev det begrundet, at jo mere præcist en elektronens position er kendt, desto mindre præcist kan dens hastighed være kendt og omvendt. Dette usikkerhedsprincip gælder også for objekter i daglig størrelse, men er ikke mærkbar, fordi manglen på præcision er ekstraordinært lille., Ifølge Dave Slaven fra Morningside College (Siou.City, IA), hvis en baseballhastighed er kendt inden for en præcision på 0.1 mph, er den maksimale præcision, som det er muligt at kende boldens position, 0.0000000000000000000000000008 millimeter.
fremad
principperne for kvantisering, bølge-partikel dualitet og usikkerhed princippet indvarslede en ny æra for QM., I 1927, Paul Dirac anvendt en quantum forståelse af elektriske og magnetiske felter, der kan give anledning til undersøgelse af “quantum field theory” (QFT), som behandles partikler (såsom fotoner og elektroner), som exciterede tilstande af en underliggende fysiske felt. Arbejdet i QFT fortsatte i et årti, indtil forskere ramte en vejspærring: mange ligninger i .ft stoppede med at give fysisk mening, fordi de producerede resultater af uendelighed. Efter et årti med stagnation gjorde Hans Bethe et gennembrud i 1947 ved hjælp af en teknik kaldet “renormali .ation.,”Her, Bethe indså, at alle uendelig resultater, der er relateret til to fænomener (specifikt “elektron-selv-energi” og “vakuum polarisering”), således at de observerede værdier af elektronens masse og elektron-afgift, kan bruges til at gøre alle de infinities forsvinde.
Siden gennembruddet af renormalization, QFT har tjent som grundlag for udarbejdelse af quantum teorier om de fire fundamentale naturkræfter: 1) elektromagnetisme, 2) den svage kernekraft, 3) den stærke kernekraft og 4) tyngdekraften., Den første indsigt, der leveres af QFT var en quantum beskrivelse af elektromagnetisme gennem “kvante elektrodynamik” (QED), som gjorde fremskridt i slutningen af 1940’erne og begyndelsen af 1950’erne. Næste var en quantum beskrivelse af den svage kernekraft, som blev forenet med elektromagnetisme til at bygge “electroweak teori” (EWT) i 1960’erne. Endelig kom en kvante behandling af den stærke kernekraft, der bruger “quantum chromodynamics” (QCD) i 1960’erne og 1970’erne. Teorier af QED, EWT-og QCD sammen danner grundlaget for Standard-Modellen for partikel fysik., Desværre har QFT endnu ikke produceret en kvanteteori om tyngdekraften. Denne søgen fortsætter i dag i undersøgelserne af strengteori og loop quantumuantum gravity.
Robert Coolman er en kandidatforsker ved University of .isconsin-Madison, der afslutter sin ph.d. i Kemiteknik. Han skriver om matematik, videnskab og hvordan de interagerer med historien. Følg Robert @PrimeViridian. Følg os @LiveScience, Facebook & Google+.