kvantemekanikken er den grenen av fysikken knyttet til svært liten.
Det resulterer i det som kan synes å være noen veldig merkelige konklusjoner om den fysiske verden. På omfanget av atomer og elektroner, mange av likningene i klassisk mekanikk, som beskriver hvordan ting beveger seg i hverdagen størrelser og hastigheter, opphøre å være nyttig. I klassisk mekanikk, objekter eksisterer i et bestemt sted på et bestemt tidspunkt., Imidlertid, i kvantemekanikk, objekter i stedet eksisterer i en dis av sannsynlighet; de har en viss sjanse til å være på Et punkt, en ny sjanse av å være på punkt B og så videre.
Tre revolusjonære prinsipper
Quantum mechanics (QM) som er utviklet over mange tiår, begynner som et sett av kontroversielle matematiske forklaringer av eksperimenter at matematikk i klassisk mekanikk ikke kunne forklare., Det begynte på begynnelsen av det 20. århundre, rundt samme tid som Albert Einstein publiserte sin relativitetsteori, en egen matematisk revolusjon i fysikken som beskriver bevegelsen av ting ved høye hastigheter. I motsetning til relativitetsteorien, men opprinnelsen av QM kan ikke knyttes til noen at en forsker. Snarere flere forskere har bidratt til et fundament av tre revolusjonære prinsipper som gradvis fått aksept og eksperimentell verifisering mellom 1900 og 1930., De er:
Quantized egenskaper: Visse egenskaper, som posisjon, hastighet og farge, kan noen ganger forekommer kun i bestemte, faste beløp, mye som en ekstern at «klikk» fra nummer til nummer. Dette utfordret en grunnleggende antakelse i klassisk mekanikk, som sa at slike egenskaper skal forekomme på en jevn, kontinuerlig spektrum. For å beskrive ideen om at noen egenskaper «klikket» liker en ring med spesifikke innstillinger, forskere innførte ordet «quantized.»
Partikler av lys: Lys kan noen ganger oppfører seg som en partikkel., Dette ble først møtt med hard kritikk, så det gikk i motsetning til 200 år med eksperimenter som viser at lyset oppførte seg som en bølge, mye som krusninger på overflaten av en rolig innsjø. Lys oppfører seg på samme måte i at den spretter av veggene og bøyer seg rundt hjørnene, og at toppene og trau av bølgen kan legge opp eller kansellere ut. Lagt bølge toppene resultere i klarere lys, mens bølger som kansellere ut produsere mørket. En lyskilde kan være tenkt som en ball på en pinne som rytmisk dyppet i midten av en innsjø., Fargen avgis tilsvarer avstanden mellom toppene, som bestemmes av hastigheten på ballen er rytme.
Bølger av saken: Saken kan også oppføre seg som en bølge. Dette løp teller i omtrent 30 år med eksperimenter som viser at stoffer (for eksempel elektroner) foreligger som partikler.
Quantized egenskaper?
I 1900, tyske fysikeren Max Planck forsøkte å forklare fordelingen av farger som slippes ut over spekteret i glansen av rød og hvit-varme gjenstander, som for eksempel lys-pære filamenter., Når du gjør fysisk følelse av ligningen han hadde utledet for å beskrive denne fordelingen, Planck skjønte det betydde at kombinasjoner av bare visse farger (riktignok et stort antall av dem) ble sluppet ut, spesielt de som ble hel-nummer multipler av noen base verdi. Liksom, fargene var quantized! Dette var uventet, fordi lyset var forutsatt å fungere som en bølge, noe som betyr at verdiene av farge skal være et kontinuerlig spektrum. Hva som kan være hindrende atomer fra å produsere fargene mellom disse hel-nummer multispill?, Dette virket så rart at Planck anses kvantisering som noe mer enn en matematisk triks. I henhold til Helge Kragh i sin 2000 artikkel i Fysikk World magazine, «Max Planck, den Motvillige Revolusjonerende,» «Hvis en revolusjon fant sted i fysikk i desember 1900, ingen syntes å legge merke til det. Planck var intet unntak …»
Planck ‘ s ligning inneholdt også et tall som senere skulle bli svært viktig for den fremtidige utviklingen av QM, i dag, er det kjent som «Planck’ s Konstant.»
Kvantisering bidro til å forklare andre mysterier i fysikk., I 1907, Einstein brukte plancks hypotesen om kvantisering for å forklare hvorfor temperaturen på en solid endret ved ulike mengder hvis du plasserer den samme mengden varme i materialet, men endret starter temperatur.
Siden tidlig på 1800-tallet, vitenskap spektroskopi hadde vist at ulike elementer som sender ut og absorberer bestemte farger av lys kalles «spectral linjer.»Selv om spektroskopi var en pålitelig metode for å bestemme elementene som finnes i objekter, for eksempel fjerne stjerner, forskere var forvirret om hvorfor hvert element ga av de enkelte linjer i første omgang., I 1888, Johannes Rydberg utledet en formel som beskrevet spektrale linjer som slippes ut av hydrogen, men ingen kunne forklare hvorfor ligningen arbeidet. Dette endret seg i 1913 da Niels Bohr brukt plancks hypotesen om kvantisering av Ernest Rutherford 1911 er «global» modell av atomet, som hevdet at elektronene gikk i bane rundt kjernen samme måte som planeter i bane rundt solen. I henhold til Fysikk 2000 (et nettsted fra University of Colorado), Bohr foreslått at elektroner var begrenset til «spesiell» som går i bane rundt et atom er kjernen., De kan «hoppe» mellom spesialtilbud på hoteller i omløp, og den energien som produseres av hoppe forårsaket bestemte farger av lys, observert som spektral linjer. Selv om quantized egenskaper ble oppfunnet men som en ren matematisk triks, de forklarte meg så mye at de ble prinsippet om av QM.
Partikler av lys?
I 1905, Einstein publiserte en artikkel, «Om en Heuristisk synspunkt Mot Utslipp og Transformasjon av Lys,» der han så for seg lyset reiser ikke som en bølge, men som noen slags «energi quanta.,»Denne pakken av energi, Einstein foreslått, kunne «bli absorbert eller generert bare som en helhet,» spesielt når et atom «hopper» mellom quantized vibrasjon priser. Dette vil også gjelde, som vil bli vist for et par år senere, når et elektron «hopper» mellom quantized baner. Under denne modellen, Einsteins «energi quanta» inneholdt energi forskjell på hoppe, når delt av plancks konstant, som energi forskjellen bestemt fargen på lyset som bæres av de quanta.,
Med denne nye måten å se lyset, Einstein tilbudt innsikt i virkemåten til ni forskjellige fenomener, inkludert spesifikke farger som Planck beskrevet som slippes ut fra en lyspære filament. Det forklarte også hvordan enkelte farger av lys kunne løse ut elektroner av overflater av metall, et fenomen som er kjent som «fotoelektrisk effekt.»Men, Einstein var ikke helt rettferdiggjort i å ta dette spranget, sa Stephen Klassen, førsteamanuensis i fysikk ved University of Winnipeg., I 2008 papir, «Fotoelektrisk Effekt: Rehabilitering av Historien for Fysikk Klasserommet,» Klassen sier at Einsteins energi quanta ikke er nødvendige for å forklare alle de ni fenomener. Visse matematiske behandlinger av lys som en bølge er fortsatt i stand til å beskrive både de spesifikke farger som Planck beskrevet som slippes ut fra en lyspære filament og fotoelektrisk effekt., Faktisk, i Einsteins kontroversielle vinner av Nobels Fredspris 1921, nobelkomiteen bare anerkjent «sin oppdagelse av loven om den fotoelektriske effekten,» som spesielt ikke stole på oppfatningen av energi quanta.
Omtrent to tiår etter Einsteins papir, begrepet «foton» ble popularisert for å beskrive energi quanta, takk til 1923 arbeid av Arthur Compton, som viste at lyset spredt av et elektron bredde endret i farge. Dette viste at partikler av lys (fotoner) var faktisk kolliderer med partikler (elektroner), noe som bekrefter Einsteins hypotese., Nå var det klart at lys kunne opptre både som en bølge og en partikkel, og du kan plassere lys er «bølge-partikkel dualitet» til stiftelsen av QM.
Bølger av saken?
Siden oppdagelsen av elektronet i 1896, er bevis på at all materie har eksistert i form av partikler ble sakte bygningen. Likevel, demonstrasjon av lys er bølge-partikkel dualitet laget forskere spørsmålet om saken var begrenset til å bare handle som partikler. Kanskje bølge-partikkel dualitet kunne ringe sant for saken så godt?, Den første forskeren til å gjøre betydelige framskritt med dette resonnementet var en fransk fysiker som heter Louis de Broglie. I 1924, de Broglie brukte ligninger av Einsteins teori for spesielle relativitetsteori for å vise at partikler kan vise til bølge-lignende egenskaper, og at bølgene kan vise til partikkel-lignende egenskaper. Så i 1925, to forskere, som arbeider uavhengig av hverandre, og ved hjelp av separate linjer for matematisk tenkning, søkte de Broglie begrunnelsen for å forklare hvordan elektroner whizzed rundt i atomer, (et fenomen som var uforklarlige ved hjelp av ligningene i klassisk mekanikk)., I Tyskland, fysikeren Werner Heisenberg (sammen med Max Født og Pascual Jordan) oppnådd dette ved å utvikle «matrix mekanikk.»Østerrikske fysikeren Erwin Schrödinger utviklet en lignende teori kalt «bølge mekanikk.»Schrödinger viste i 1926 at disse to tilnærmingene var tilsvarende (selv om Sveitsiske fysikeren Wolfgang Pauli sendt en upublisert føre til Jordan viser at matrix mekanikk var mer komplett).,
Heisenberg-Schrödinger modell av atomet, der hvert elektron fungerer som en bølge (noen ganger referert til som en «sky») rundt kjernen av et atom erstattet Rutherford-Bohr-modellen. En fastsettelse av den nye modellen var at endene av bølgen som danner et elektron må oppfylle. I «Quantum Mechanics i Kjemi, 3rd Ed.»(W. A. Benjamin, 1981), Melvin Hanna skriver, «ileggelse av grensebetingelser har begrenset energi til diskrete verdier.,»En konsekvens av denne bestemmelsen er at bare hele tall av toppene og daler er tillatt, noe som forklarer hvorfor noen egenskaper er quantized. I Heisenberg-Schrödinger modell av atomer, elektroner adlyde en «bølgefunksjonen» og okkupere «orbitals» heller enn baner. I motsetning til den sirkulære baner i Rutherford-Bohr-modellen, atomic orbitals har en rekke former alt fra kuler å manualer til tusenfryd.,
I 1927, Walter Heitler og Fritz London videreutviklet bølge mekanikk for å vise hvordan atomic orbitals kan kombineres for å danne molekylær orbitals, effektivt som viser hvorfor atomer binder seg til hverandre for å danne molekyler. Dette var enda et problem som hadde vært uløselige bruke matematikk i klassisk mekanikk. Denne innsikten ga opphav til feltet av «kvantekjemi.»
usikkerhet prinsipp
Også i 1927, Heisenberg laget en annen viktig bidrag til kvantefysikk., Han tenkte at siden saken fungerer som bølger, noen egenskaper, for eksempel en elektronets posisjon og hastighet, er «komplementære», hvilket betyr at det er en grense (relatert til plancks konstant) til hvor godt presisjon for hver eiendom kan bli kjent. Under hva som ville komme til å bli kalt «heisenbergs usikkerhetsprinsipp,» det var begrunnet med at den mer presist en elektronets posisjon er kjent, jo mindre presist dens hastighet kan være kjent, og vice versa. Denne usikkerheten prinsippet gjelder til hverdags-størrelse objekter som godt, men er ikke merkbar på grunn av mangel på presisjon er svært liten., I henhold til Dave Slaven Morningside College (Sioux City, IA), hvis en baseball er hastigheten er kjent innenfor en nøyaktighet på 0,1 km / t, maksimal presisjon som det er mulig å vite ballens posisjon er 0.000000000000000000000000000008 millimeter.
Videre
prinsippene for kvantisering, bølge-partikkel-dualitet og usikkerhet prinsippet innledet en ny æra for KVALITETSSTYRING., I 1927, Paul Dirac brukt en quantum forståelse av elektriske og magnetiske felt for å gi opphav til studiet av «quantum field theory» (QFT), som behandlet partikler (slik som fotoner og elektroner) så begeistret stater på en underliggende fysisk feltet. Arbeid i QFT fortsatte i et tiår til forskere treffer en hindring: Mange ligninger i QFT sluttet å lage fysisk forstand fordi de produserte resultater av infinity. Etter et tiår med stagnasjon, Hans Bethe gjort et gjennombrudd i 1947, med en teknikk som kalles «renormalization.,»Her, Bethe innså at alt uendelig resultater relatert til to fenomener (spesielt «elektron selv-energi» og «støvsuger polarisering») slik at de observerte verdiene av elektron masse og elektron lader kan brukes til å gjøre alle infinities forsvinne.
Siden gjennombruddet med renormalization, QFT har fungert som grunnlag for å utvikle quantum teorier om de fire fundamentale kreftene i naturen: 1) elektromagnetisme, 2) den svake kjernekraften, 3) den sterke kjernekraften og 4) tyngdekraften., Den første innblikk gitt av QFT var et kvantesprang beskrivelse av elektromagnetisme gjennom «quantum electrodynamics» (QED), som har gjort fremskritt i slutten av 1940-tallet og tidlig på 1950-tallet. Neste var et kvantesprang beskrivelse av den svake kjernekraften, som ble forent med elektromagnetisme å bygge «electroweak teori» (EWT) gjennom hele 1960-tallet. Til slutt kom en quantum behandling av den sterke kjernekraften ved hjelp av «quantum chromodynamics» (QCD) i 1960-og 1970-tallet. Teoriene om QED, EWT og QCD sammen danner grunnlag av standardmodellen for partikkelfysikk., Dessverre, QFT har ennå til å produsere en kvante-teori om gravitasjon. Letingen fortsetter i dag i studier av string-teori og loop quantum gravity.
Robert Coolman er utdannet forsker ved University of Wisconsin-Madison, og endte opp sin Ph. D. i chemical engineering. Han skriver om matematikk, vitenskap og hvordan de samhandler med historie. Følg Robert @PrimeViridian. Følg oss på @LiveScience, Facebook & Google+.