mi a kvantummechanika?

kvantált tulajdonságok: bizonyos tulajdonságok, például pozíció, sebesség és szín, néha csak meghatározott, beállított mennyiségben fordulhatnak elő, hasonlóan egy tárcsához, amely “kattint” számról számra. Ez megkérdőjelezte a klasszikus mechanika alapvető feltételezését, amely szerint az ilyen tulajdonságoknak sima, folyamatos spektrumon kell létezniük. Annak leírására, hogy egyes tulajdonságok “kattintottak”, mint egy speciális beállításokkal rendelkező tárcsa, a tudósok megalkották a “kvantált” szót.”

fényrészecskék: a fény néha részecskeként viselkedhet., Ezt kezdetben kemény kritikával fogadták, mivel ellentétben állt a 200 éves kísérletekkel, amelyek azt mutatták, hogy a fény hullámként viselkedett; hasonlóan a nyugodt tó felszínén hullámzó hullámokhoz. A fény ugyanúgy viselkedik, mint amikor a falakról visszapattan és kanyarodik a sarkok körül, és hogy a hullám gerincei és vályogjai összeadódhatnak vagy megszűnhetnek. A hozzáadott hullámtartók fényesebb fényt eredményeznek, míg a kioltó hullámok sötétséget eredményeznek. A fényforrás lehet gondolni, mint egy labdát egy bottal, hogy ritmikusan mártott közepén egy tó., A kibocsátott szín megfelel a címerek közötti távolságnak, amelyet a labda ritmusának sebessége határoz meg.

Az anyag hullámai: az anyag hullámként is viselkedhet. Ez ellentétes volt a nagyjából 30 éves kísérletekkel, amelyek azt mutatták, hogy az anyag (például elektronok) részecskékként létezik.

kvantált tulajdonságok?

1900-ban Max Planck német fizikus arra törekedett, hogy elmagyarázza a spektrum felett kibocsátott színek eloszlását a vörös-forró, fehér-forró tárgyak, például a villanykörte szálak fényében., Amikor fizikai értelemben az egyenlet ő származik leírni ezt az eloszlást, Planck rájött, hogy azt jelentette, hogy kombinációk csak bizonyos színek (bár nagy számban) bocsátottak ki, különösen azokat, amelyek egész szám többszöröse néhány alapérték. Valahogy a színeket kvantálták! Ez váratlan volt, mert a fényt hullámként értelmezték, ami azt jelenti, hogy a színértékeknek folyamatos spektrumnak kell lenniük. Mi tilthatja meg az atomokat abban, hogy a színeket az egész szám többszörösei között hozzák létre?, Ez annyira furcsának tűnt, hogy Planck a kvantálást nem másnak, mint matematikai trükknek tekintette. Helge Kragh szerint a Physics World magazin 2000-es cikkében, “Max Planck, a vonakodó forradalmár “” ha 1900 decemberében forradalom történt a fizikában, úgy tűnt, hogy senki sem veszi észre. Planck sem volt kivétel … “

Planck egyenlete olyan számot is tartalmazott,amely később nagyon fontos lett a QM jövőbeli fejlődéséhez; ma “Planck Állandójának” nevezik.”

a kvantálás segített megmagyarázni a fizika más rejtélyeit., 1907-ben Einstein Planck kvantálási hipotézisét használta annak magyarázatára, hogy miért változott egy szilárd anyag hőmérséklete különböző mennyiségekkel, ha ugyanannyi hőt helyez az anyagba, de megváltoztatta a kiindulási hőmérsékletet.

az 1800-as évek eleje óta a spektroszkópia tudománya kimutatta, hogy a különböző elemek “spektrális vonalaknak” nevezett fény bizonyos színeit bocsátják ki és szívják fel.”Bár a spektroszkópia megbízható módszer volt a tárgyakban, például távoli csillagokban található elemek meghatározására,a tudósok zavarba ejtették, hogy miért adták ki az egyes elemek ezeket a konkrét vonalakat., 1888-ban Johannes Rydberg olyan egyenletet eredményezett, amely leírta a hidrogén által kibocsátott spektrális vonalakat, bár senki sem tudta megmagyarázni, miért működött az egyenlet. Ez 1913-ban megváltozott, amikor Niels Bohr alkalmazta Planck kvantálási hipotézisét Ernest Rutherford 1911-es “planetáris” modelljére, amely feltételezte, hogy az elektronok ugyanúgy keringenek a mag körül, mint a bolygók a Nap körül. A Physics 2000 (a Colorado Egyetem telephelye) szerint Bohr azt javasolta, hogy az elektronokat “speciális” pályákra korlátozzák egy atom magja körül., A speciális pályák között” ugrálhattak”, az ugrás által termelt energia pedig különleges fényszíneket okozott, amelyeket spektrális vonalakként figyeltek meg. Bár a kvantált tulajdonságokat pusztán matematikai trükknek találták ki, annyira elmagyarázták, hogy a QM alapelve lett.

fényrészecskék?

1905-ben Einstein kiadott egy “heurisztikus nézőpontról a fény kibocsátása és átalakulása felé” című tanulmányt, amelyben a fényt nem hullámként, hanem egyfajta “energiakvantaként” képzelte el.,”Ez az energiacsomag, amelyet Einstein javasolt,” csak egészében felszívódhat vagy generálható”, különösen akkor, ha egy atom” ugrik ” a kvantált rezgési sebesség között. Ez akkor is érvényes lenne, amint azt néhány évvel később mutatják, amikor egy elektron “ugrik” a kvantált pályák között. E modell szerint Einstein “energiakvantája” tartalmazta az ugrás energiakülönbségét; amikor Planck állandójával osztották, ez az energiakülönbség meghatározta a kvantumok által szállított fény színét.,

ez az új módja annak, hogy elképzelni fény, Einstein kínált betekintést a viselkedését kilenc különböző jelenségek, beleértve az egyedi színek Planck leírt, hogy a kibocsátott fény-izzó izzólámpa. Azt is elmagyarázta, hogy a fény bizonyos színei hogyan bocsáthatják ki az elektronokat a fémfelületekről, ezt a jelenséget “fotoelektromos hatásnak” nevezik.”Einstein azonban nem volt teljesen indokolt ebben az ugrásban, mondta Stephen Klassen, a Winnipeg Egyetem Fizikai docense., Egy 2008-as tanulmányban, “a fotoelektromos hatás: rehabilitálja a történetet a fizikai osztályteremben”, Klassen kijelenti, hogy Einstein energiakvantája nem szükséges mind a kilenc jelenség magyarázatához. A fény, mint hullám bizonyos matematikai kezelése még mindig képes leírni mind a Planck által leírt konkrét színeket, amelyeket egy izzó izzószálból bocsátanak ki, mind a fotoelektromos hatást., Sőt, Einstein ellentmondásos győztes az 1921-ben Nobel-Díjat a Nobel-bizottság csak elismerte, “a felfedezés, a törvény a fotoelektromos hatás”, ami kifejezetten nem hivatkozhat a gondolat energia quanta.

nagyjából két évtizeddel Einstein papírja után a “foton” kifejezést népszerűsítették az energia kvantum leírására Arthur Compton 1923-as munkájának köszönhetően, aki kimutatta, hogy az elektronsugár által szétszórt fény színe megváltozott. Ez azt mutatta, hogy a fényrészecskék (fotonok) valóban ütköznek az anyag részecskéivel (elektronok), ezáltal megerősítve Einstein hipotézisét., Mostanra egyértelmű volt, hogy a fény mind hullámként, mind részecskeként viselkedhet, a fény “hullám-részecske kettősségét” a QM alapjába helyezve.

az anyag hullámai?

az elektron 1896-os felfedezése óta lassan felépült a bizonyíték arra, hogy minden anyag részecskék formájában létezett. Mégis, a fény hullám-részecske kettősségének bemutatása arra késztette a tudósokat, hogy megkérdőjelezzék, hogy az anyag csak részecskékként működik-e. Talán a hullám-részecske kettősség az anyag szempontjából is igaz lehet?, Az első tudós, aki jelentős előrelépést tett ezzel az érveléssel, Louis de Broglie nevű francia fizikus volt. 1924-ben de Broglie felhasználta Einstein speciális relativitáselméletének egyenleteit, hogy megmutassa, hogy a részecskék hullámszerű tulajdonságokat mutathatnak, és hogy a hullámok részecskeszerű jellemzőket mutathatnak. Aztán 1925-ben két tudós, egymástól függetlenül és a matematikai gondolkodás külön vonalait használva, de Broglie érvelését alkalmazta annak magyarázatára, hogy az elektronok hogyan zúgtak az atomokban (egy olyan jelenség, amely a klasszikus mechanika egyenleteivel megmagyarázhatatlan volt)., Németországban Werner Heisenberg fizikus (Max Born és Pascual Jordan társaságában) ezt a “mátrix mechanika” kifejlesztésével valósította meg.”Erwin Schrödinger osztrák fizikus hasonló elméletet fejlesztett ki “hullámmechanika” néven.”Schrödinger 1926-ban megmutatta, hogy ez a két megközelítés egyenértékű (bár Wolfgang Pauli svájci fizikus nem publikált eredményt küldött Jordániának, amely kimutatta, hogy a mátrix mechanikája teljesebb).,

Az atom Heisenberg-Schrödinger modellje, amelyben minden elektron hullámként (néha “felhőként”) működik egy atom magja körül, felváltotta a Rutherford-Bohr modellt. Az új modell egyik kikötése az volt, hogy az elektronot alkotó hullám végeinek meg kell felelniük. A ” Quantum Mechanics in Chemistry, 3rd Ed.”(W. A. Benjamin, 1981), Melvin Hanna írja: “a határfeltételek bevezetése az energiát diszkrét értékekre korlátozta.,”Ennek a kikötésnek az a következménye, hogy csak teljes számú gerincek és vályúk megengedettek, ami megmagyarázza, hogy egyes tulajdonságok kvantáltak. Az atom Heisenberg-Schrödinger modelljében az elektronok egy “hullámfüggvénynek” engedelmeskednek, és “pályákat” foglalnak el, nem pedig pályákat. Ellentétben a Rutherford-Bohr modell körkörös pályáival, az atompályák különböző formájúak, a gömböktől a súlyzókig a százszorszépekig.,

1927-Ben, Walter Heitler Fritz London további fejlett hullám mechanika, hogy megmutassa, milyen atomi elektronpályák lehet kombinálni, hogy formában molekuláris elektronpályák, hatékonyan mutatja, miért atomok bond egy másik formája molekulák. Ez egy újabb probléma volt, amely a klasszikus mechanika matematikájával megoldhatatlan volt. Ezek a betekintések a “kvantumkémia” területét eredményezték.”

A bizonytalanság elve

szintén 1927-ben Heisenberg újabb jelentős hozzájárulást tett a kvantumfizikához., Úgy érvelt, hogy mivel az anyag hullámként működik, egyes tulajdonságok, mint például az elektron helyzete és sebessége, “kiegészítik”, ami azt jelenti, hogy van egy határ (a Planck állandójához kapcsolódóan), hogy az egyes tulajdonságok pontossága mennyire ismert. Az úgynevezett “Heisenberg bizonytalansági elve” alapján indokolták, hogy minél pontosabban ismert egy elektron pozíciója, annál kevésbé ismert a sebessége, és fordítva. Ez a bizonytalansági elv vonatkozik a mindennapi méretű tárgyakra is, de nem észrevehető, mert a pontosság hiánya rendkívül apró., Dave Slaven, a Morningside College (Sioux City, IA) szerint, ha egy baseball sebessége 0,1 mph pontossággal ismert, akkor a maximális pontosság, amelyre a labda helyzetét ismerni lehet, 0,000000000000000000000000000000000000008 milliméter.

tovább

a kvantálás, a hullám-részecske kettősség elvei és a bizonytalansági elv új korszakba lépett a QM számára., 1927-ben Paul Dirac az elektromos és mágneses mezők kvantummegértését alkalmazta a “kvantummező-elmélet” (QFT) tanulmányozására, amely a részecskéket (például fotonokat és elektronokat) egy mögöttes fizikai mező gerjesztett állapotaként kezelte. A QFT-ben végzett munka egy évtizedig folytatódott, amíg a tudósok útlezárást nem értek el: a QFT számos egyenlete megállt a fizikai értelemben, mert végtelenséget eredményezett. Egy évtizedes stagnálás után Hans Bethe 1947-ben áttörést ért el a “renormalizáció” nevű technikával.,”Itt, Bethe rájött, hogy minden végtelen eredmények kapcsolódó két jelenség (különösen “elektron önenergia” és “vákuum polarizáció”), hogy a megfigyelt értékek elektrontömeg és elektron töltés lehetne használni, hogy az összes infinitások eltűnnek.

a renormalizáció áttörése óta a QFT szolgált az alapja a kvantumelméleteknek a természet négy alapvető erejéről: 1) elektromágnesesség, 2) a gyenge nukleáris erő, 3) az erős nukleáris erő és 4) gravitáció., Az első felismerés által nyújtott QFT volt egy kvantum leírása elektromágnesesség keresztül “kvantum-elektrodinamika” (QED), amely lépéseket az 1940-es évek végén, majd 1950-es évek elején. A következő egy kvantum leírása a gyenge nukleáris erő, amely egységes mágnesekkel építeni “elektrogyenge elmélet” (EWT) az egész az 1960-as években. Végre jött egy kvantum kezelés az erős nukleáris erő a “kvantum chromodynamics” (QCD) az 1960-1970-es években. Az elméletek ERGO EWT, valamint QCD együtt képezik az alapját a részecskefizika Standard Modellje., Sajnos a QFT még nem készített kvantumelméletet a gravitációról. Ez a küldetés ma is folytatódik a húrelmélet és a kvantumgravitáció tanulmányozásában.

Robert Coolman a Wisconsin-Madison Egyetem végzős kutatója, Vegyészmérnöki diplomáját fejezte be. A matematikáról, a tudományról és a történelemmel való kölcsönhatásról ír. Kövesse Robert @PrimeViridian. Kövess minket @LiveScience, Facebook & Google+.