kvanttimekaniikka on fysiikan haara, joka liittyy hyvin pieneen.
Se johtaa, mikä voi näkyä joitakin hyvin outoja johtopäätöksiä fyysisen maailman. Atomien ja elektronien mittakaavassa monet klassisen mekaniikan yhtälöt, jotka kuvaavat sitä, miten asiat liikkuvat arjen kooissa ja nopeuksissa, lakkaavat olemasta hyödyllisiä. Klassisessa mekaniikassa esineet ovat tietyssä paikassa tiettynä ajankohtana., Kvanttimekaniikassa esineet sen sijaan ovat todennäköisyyden sumussa; niillä on tietty mahdollisuus olla pisteessä A, toinen mahdollisuus olla pisteessä B ja niin edelleen.
Kolme vallankumouksellinen periaatteet
kvanttimekaniikka (QM) on kehitetty vuosikymmenten ajan, alussa joukko kiistanalainen matemaattisia selityksiä kokeiluja, että matematiikka klassinen mekaniikka ei kyennyt selittämään., Se alkoi vuoden vaihteessa 20-luvulla, samoihin aikoihin, että Albert Einstein julkaisi hänen suhteellisuusteoria, erillinen matemaattisen fysiikan vallankumous, joka kuvaa liikkeen asioita suurilla nopeuksilla. Toisin kuin suhteellisuusteoriassa, QM: n alkuperää ei kuitenkaan voida katsoa yhdenkään tiedemiehen syyksi. Sen sijaan useat tiedemiehet myötävaikuttivat kolmen vallankumouksellisen periaatteen perustamiseen, jotka vähitellen saivat hyväksynnän ja kokeellisen todentamisen vuosina 1900-1930., Ne ovat:
Kvantittunut ominaisuudet: Tietyt ominaisuudet, kuten sijainti, nopeus ja väri, voi joskus esiintyä vain tietyissä sarja määrät, paljon kuin soittaa, että ”napsahtaa” päässä numero numero. Tämä kyseenalaisti klassisen mekaniikan perusoletuksen, jonka mukaan tällaisten ominaisuuksien pitäisi olla olemassa tasaisella, jatkuvalla spektrillä. Kuvaillakseen ajatusta siitä, että jotkut ominaisuudet ” klikkasivat ”kuin kellotaulu tietyillä asetuksilla, tutkijat keksivät sanan” kvantisoitu.”
Valohiukkaset: valo voi joskus käyttäytyä hiukkasena., Tämä oli aluksi tapasi ankaraa kritiikkiä, koska se oli vastoin 200 vuotta kokeita osoittaa, että valo käyttäytyi kuin aalto; paljon kuten väreitä pinnalla tyyni järvi. Valo käyttäytyy samalla tavalla, että se kimpoaa seinistä ja taipuu kulmiin, ja että vaakunat ja kaukalot aallon voi lisätä tai peruuttaa ulos. Lisätty Aalto harjat johtaa kirkkaampaan valoon, kun taas aallot, jotka kumoavat tuottaa pimeyttä. Valonlähdettä voidaan pitää pallona kepillä, joka rytmikkäästi kastetaan järven keskelle., Väri vapautuu vastaa etäisyyttä sää, joka määräytyy nopeus pallo on rytmi.
aineen aallot: aine voi myös käyttäytyä aaltona. Tämä oli ristiriidassa niiden noin 30 vuoden kokeiden kanssa, jotka osoittivat, että aine (kuten elektronit) on olemassa hiukkasina.
Kvantisoidut ominaisuudet?
Vuonna 1900 saksalainen fyysikko Max Planck pyrki selittämään jakelu värit pääsee yli taajuuksien hehku punainen kuuma, ja valkoinen-kuumien esineiden, kuten hehkulamppujen hehkulankojen., Kun teet fyysistä tunnetta yhtälö hän oli johdettu kuvaamaan tätä jakelua, Planck ymmärsi se merkitsi, että yhdistelmiä vain tiettyjä värejä (vaikkakin suuri osa niistä) olivat päästöt, erityisesti ne, jotka olivat kokonaisluku kerrannaisia joitakin pohja-arvon. Jotenkin värit olivat kvantisoituneet! Tämä oli odottamatonta, koska valon ymmärrettiin toimivan aaltona, eli väriarvojen tulisi olla jatkuva spektri. Mikä voisi estää atomeja tuottamasta värejä näiden kokoluvun kerrannaisten välillä?, Tämä tuntui niin oudolta, että Planck piti kvantisointia vain matemaattisena temppuna. Mukaan Helge Kragh hänen 2000 artikkelin Physics World-lehden, ”Max Planck, Haluton Vallankumouksellinen”, ”Jos vallankumous tapahtui fysiikan joulukuussa 1900, kukaan ei tuntunut huomaavan sitä. Planck ei ole poikkeus …”
Planckin yhtälö sisälsi myös numero, joka olisi myöhemmin tullut erittäin tärkeää tulevan kehityksen QM; tänään, se tunnetaan nimellä ”Planckin Vakio.”
kvantisointi auttoi selittämään muita fysiikan mysteereitä., Vuonna 1907 Einstein käytetään Planckin hypoteesi kvantisointi selittää, miksi lämpötila vankka muuttunut eri määriä jos laitat saman määrän lämpöä materiaaliin, mutta muutti alkaa lämpötila.
1800-luvun alusta lähtien spektroskopian tiede oli osoittanut, että eri alkuaineet säteilevät ja absorboivat valon erityisiä värejä, joita kutsutaan ”spektriviivoiksi”.”Vaikka spektroskopia oli luotettava menetelmä, jolla määritetään elementit sisältyvät esineitä, kuten kaukaisten tähtien, tutkijat olivat ymmällään siitä, miksi jokainen elementti antoi pois ne radat, ensimmäinen paikka., Vuonna 1888 Johannes Rydberg johdettu yhtälö, joka on kuvattu spektrisiä riviä synnyttämä vety, vaikka kukaan ei voisi selittää, miksi yhtälö toimi. Tämä muuttui vuonna 1913, kun Niels Bohr sovelsi Planckin hypoteesi kvantisointi Ernest Rutherford on 1911 ”planeettojen” malli atomin, jonka oletetaan, että elektronit kiertää ydin samalla tavalla, että planeetat kiertävät aurinkoa. ”Physics 2000” – sivuston mukaan (sivusto Coloradon yliopistosta) Bohr ehdotti, että elektronit rajoitettaisiin ”erityisiin” kiertoratoihin atomin ytimen ympärillä., Ne saattoivat ”hypätä” erikoisten kiertoratojen väliin, ja hypyn tuottama energia aiheutti spektriviivoina havaittuja erityisiä valon värejä. Vaikka kvantisoidut ominaisuudet keksittiin pelkkänä matemaattisena temppuna, ne selittivät niin paljon, että niistä tuli QM: n perusperiaate.
Valohiukkaset?
Vuonna 1905 Einstein julkaisi kirjan, ”Koskee Heuristinen näkökulmasta Kohti Päästöjen ja Muutos Valon”, jossa hän visioi valo matkalla ole kuin aalto, mutta jollakin tavalla ”quanta energiaa.,”Tämä paketti energiaa, Einstein ehdotti, voi ”imeytyä tai syntyy vain kokonaisuutena,” erityisesti, kun atomi ”hyppää” välillä kvantittunut tärinä hinnat. Tämä pätisi myös, kuten muutama vuosi myöhemmin osoitettaisiin, kun elektroni ”hyppää” kvantisoitujen kiertoratojen välillä. Tässä mallissa Einsteinin ”energian kvanttien” sisälsi energian ero hypätä, kun jaettuna Planckin vakio, että energia-ero määritetään väri kevyt kuljettaa näiden quanta.,
tämä uusi tapa kuvitella valoa, Einstein tarjosi oivalluksia käyttäytymistä yhdeksän eri ilmiöitä, kuten erityisiä värejä, jotka Planck on kuvattu lähtevä valo-lamppu hehkulampun. Se selitti myös, miten tietyt valon värit voivat poistaa elektroneja metallipinnoilta, ilmiönä tunnettu ” valosähköinen vaikutus.”Einstein ei kuitenkaan ollut täysin oikeutettu ottamaan tätä loikkaa, sanoi Winnipegin yliopiston fysiikan apulaisprofessori Stephen Klassen., Vuonna 2008 kirjan, ”Valosähköinen Vaikutus: Kuntouttava Tarina Fysiikan Luokassa,” Klassen todetaan, että Einsteinin energian kvanttien eivät ole tarpeen selittää kaikki ne yhdeksän ilmiöitä. Tiettyjä matemaattisia hoitoja kevyt kuin aalto ovat edelleen pystyy kuvaamaan sekä erityisiä värejä, jotka Planck on kuvattu lähtevä valo-lamppu hehkulampun ja valosähköinen ilmiö., Itse asiassa Einsteinin kiistanalainen voittaa 1921 Nobelin Palkinto, Nobel-komitea vain tunnustettu ”hänen löytö lain valosähköinen vaikutus”, joka nimenomaan ei luottaa käsite energian kvanttien.
Noin kaksi vuosikymmentä sen jälkeen, kun Einstein on paperi, termi ”photon” oli suosituksi kuvaamiseen energian kvanttien, kiitos 1923 työtä Arthur Compton, joka osoitti, että valon hajallaan electron beam muuttunut väri. Tämä osoitti, että hiukkasten valo (fotonit) olivat todellakin törmää hiukkasia (elektroneja), mikä vahvistaa Einsteinin hypoteesi., Nyt se oli selvää, että valo käyttäytyy sekä kuin aalto ja hiukkanen, asettamalla valo on ”aalto-hiukkanen kaksinaisuus” osaksi perusta QM.
aineen aallot?
elektronin löytymisen jälkeen vuonna 1896 todisteet siitä, että kaikki aine oli olemassa hiukkasten muodossa, olivat hitaasti rakentumassa. Silti osoitus valo on aalto-hiukkanen kaksinaisuus tiedemiehet kysymys, onko asia oli rajoitettu toimimaan vain hiukkasia. Ehkä aaltohiukkasten kaksijakoisuus voisi sopia myös Materiaan?, Ensimmäinen tiedemies tehdä merkittävää edistystä, jossa tämä päättely oli ranskalainen fyysikko nimeltä Louis de Broglie. Vuonna 1924 de Broglie käytetyt yhtälöt Einsteinin erityinen suhteellisuusteoria osoittaa, että hiukkaset voivat ilmetä aallon kaltaisia ominaisuuksia, ja että aaltoja voi esiintyä hiukkasten kaltaisia ominaisuuksia. Sitten vuonna 1925, kaksi tutkijat, työskentelee itsenäisesti ja käyttää erillistä riviä matemaattista ajattelua, sovellettu de Broglie perustelut selittää, miten elektronit whizzed ympäriinsä atomien (ilmiö, joka oli selittämätön käyttäen yhtälöt klassisen mekaniikan)., Saksassa, fyysikko Werner Heisenberg (liittoutua kanssa Max Born ja Pascual Jordan) tehdä tämän kehittämällä ”matriisi mekaniikka.”Itävaltalainen fyysikko Erwin Schrödinger kehitti samanlaisen teorian nimeltä ”aaltomekaniikka.”Schrödinger osoitti vuonna 1926, että nämä kaksi lähestymistapaa olivat vastaavia (vaikka sveitsiläinen fyysikko Wolfgang Pauli lähetti julkaisemattoman tuloksen Jordania osoittaa, että matrix mekaniikka oli täydellisempi).,
Heisenberg-Schrödingerin malli atomi, jossa jokainen electron toimii aalto (joskus kutsutaan ”pilvi”) noin ytimen atom korvata Rutherford-Bohr malli. Uuden mallin yhtenä ehtona oli, että elektronin muodostavan aallon päät kohtaavat. Julkaisussa ” Quantum Mechanics in Chemistry, 3rd Ed.”(W. A. Benjamin, 1981), Melvin Hanna kirjoittaa, ”käyttöönoton reunaehdot on rajoitettu energiaa erillisiä arvoja.,”Seuraus tämä ehto on, että vain kokonaisia numeroita vaakunat ja kaukalot ovat sallittuja, mikä selittää, miksi jotkut ominaisuudet ovat kvantittuneita. Atomin Heisenberg-Schrödinger-mallissa elektronit tottelevat” aaltofunktiota ”ja miehittävät” orbitaaleja ” orbitaalien sijaan. Toisin kuin pyöreä kiertoradat, Rutherford-Bohr malli, atomic orbitaalit ovat erilaisia muotoja, jotka vaihtelevat aloilla käsipainot koiranputkea.,
Vuonna 1927, Walter Heitler ja Fritz Lontoo kehitetään edelleen aalto mekaniikka osoittaa, miten atomi orbitaalit voisi yhdistää muodostaa molekyyli orbitaalit, tehokkaasti osoittaa, miksi atomien sidos toisiinsa muodostaen molekyylejä. Tämä oli vielä yksi ongelma, joka oli ratkaisematon käyttämällä matematiikan klassisen mekaniikan. Nämä oivallukset johtivat ”kvanttikemian alaan.”
epävarmuusperiaate
myös vuonna 1927 Heisenberg teki toisen merkittävän panoksen kvanttifysiikkaan., Hän järkeili, että koska asia toimii aaltoja, joitakin ominaisuuksia, kuten elektronin sijainnin ja nopeuden, ovat ”toisiaan täydentäviä”, eli siellä on raja (liittyvät Planckin vakio), kuinka hyvin tarkkuus jokainen kiinteistö voi olla tiedossa. ”Heisenbergin epävarmuusperiaatteeksi” tultaessa ajateltiin, että mitä täsmällisemmin elektronin asema tunnetaan, sitä vähemmän sen nopeus voidaan tietää ja päinvastoin. Tämä epävarmuusperiaate koskee myös arkikokoisia esineitä, mutta ei ole havaittavissa, koska tarkkuuden puute on poikkeuksellisen pieni., Mukaan Dave Slaven Morningside College (Sioux City, IA), jos baseball nopeus on tiedossa majoitusliike, tarkkuus 0,1 mph, suurin tarkkuus, joka on mahdollista tietää, pallo asema on 0.000000000000000000000000000008 millimetriä.
Eteenpäin
periaatteet kvantisointi, aalto-hiukkanen kaksinaisuus ja epävarmuus periaate ohjattiin uuden aikakauden QM., Vuonna 1927, Paul Dirac sovelletaan kvantti-ymmärrystä sähkö-ja magneettikentät aiheuttavat tutkimus ”quantum field theory” (QFT), joka käsitellään hiukkasia (kuten fotonit ja elektronit) niin innoissaan valtioiden taustalla fyysinen kenttä. Työn QFT jatkunut vuosikymmenen ajan, kunnes tutkijat osuma tiesulku: Monet yhtälöt QFT lakkasi olemasta fyysisessä mielessä, koska ne tuottivat tuloksia ääretön. Kun vuosikymmenen pysähtyneisyyden, Hans Bethe teki läpimurron vuonna 1947 käyttäen tekniikkaa nimeltä ”renormalization.,”Täällä, Bethe tajusi, että kaikki ääretön tulokset, jotka liittyvät kaksi ilmiötä (erityisesti ”electron-itse-energia” ja ”tyhjiö polarisaatio”) siten, että havaitut arvot elektronin massa ja elektronin varaus voidaan tehdä kaikki äärettömyydet katoavat.
Koska läpimurto renormalization, QFT on toiminut säätiö kehittää quantum teorioita neljä perustavaa voimia luonto: 1) sähkömagnetismi, 2) heikko ydinvoima voima, 3) vahva vuorovaikutus ja 4) painovoima., Ensimmäinen oivallus esittänyt QFT oli quantum kuvaus sähkömagnetismi kautta ”quantum electrodynamics” (QED), joka sai vauhtia 1940-luvun lopulla ja 1950-luvun alussa. Seuraavaksi oli quantum kuvaus heikko ydinvoima voima, joka oli yhtenäinen sähkömagnetismi rakentaa ”electroweak teoria” (EWT) koko 1960-luvun. Vihdoin tuli kvantti hoito strong nuclear force käyttämällä ”quantum chromodynamics” (QCD) 1960-ja 1970-luvulla. Teorioita QED, EWT ja QCD yhdessä muodostavat perustan Standard Model of particle physics., Valitettavasti QFT: llä ei ole vielä kvanttiteoriaa painovoimasta. Tämä etsintä jatkuu tänään säieteorian ja silmukkakvanttigravitaation tutkimuksissa.
Robert Coolman on valmistunut tutkija, University of Wisconsin-Madison, viimeistely hänen Ph. D. in chemical engineering. Hän kirjoittaa matematiikasta, tieteestä ja siitä, miten ne ovat vuorovaikutuksessa historian kanssa. Seuraa Robert @PrimeViridian. Seuraa meitä @LiveScience, Facebook & Google+.