de kwantummechanica is de tak van de fysica met betrekking tot het zeer kleine.
het resulteert in een aantal zeer vreemde conclusies over de fysieke wereld. Op de schaal van atomen en elektronen, veel van de vergelijkingen van de klassieke mechanica, die beschrijven hoe dingen bewegen op alledaagse afmetingen en snelheden, ophouden nuttig te zijn. In de klassieke mechanica bestaan objecten op een specifieke plaats op een specifieke tijd., In de kwantummechanica bestaan objecten echter in plaats daarvan in een waas van waarschijnlijkheid; ze hebben een bepaalde kans om op punt A te zijn, een andere kans om op punt B te zijn enzovoort.
drie revolutionaire principes
kwantummechanica (QM) ontwikkelden zich gedurende vele decennia, beginnend als een reeks controversiële wiskundige verklaringen van experimenten die de wiskunde van de klassieke mechanica niet kon verklaren., Het begon rond het begin van de 20e eeuw, rond dezelfde tijd dat Albert Einstein zijn relativiteitstheorie publiceerde, een afzonderlijke wiskundige revolutie in de natuurkunde die de beweging van dingen met hoge snelheden beschrijft. In tegenstelling tot relativiteit kan de oorsprong van QM echter niet aan één wetenschapper worden toegeschreven. In plaats daarvan hebben meerdere wetenschappers bijgedragen aan een fundament van drie revolutionaire principes die geleidelijk acceptatie en experimentele verificatie verkregen tussen 1900 en 1930., Deze zijn:
Quantized eigenschappen: bepaalde eigenschappen, zoals positie, snelheid en kleur, kunnen soms alleen voorkomen in specifieke, ingestelde bedragen, net als een draaiknop die “klikt” van nummer naar nummer. Dit betwistte een fundamentele aanname van de klassieke mechanica, die zei dat dergelijke eigenschappen moeten bestaan op een glad, continu spectrum. Om het idee te beschrijven dat sommige eigenschappen” geklikt “als een wijzerplaat met specifieke instellingen, wetenschappers bedacht het woord” quantized.”
deeltjes van licht: licht kan zich soms gedragen als een deeltje., Dit werd aanvankelijk geconfronteerd met harde kritiek, want het liep in tegenstelling tot 200 jaar van experimenten waaruit bleek dat licht zich gedroeg als een golf; net als rimpelingen op het oppervlak van een kalm meer. Licht gedraagt zich ook in die zin dat het weerkaatst van muren en bochten rond hoeken, en dat de toppen en dalen van de Golf kunnen optellen of opheffen. Toegevoegde golfkammen resulteren in helderder licht, terwijl golven die het opheffen duisternis produceren. Een lichtbron kan worden gezien als een bal op een stok die ritmisch wordt gedompeld in het midden van een meer., De kleur komt overeen met de afstand tussen de toppen, die wordt bepaald door de snelheid van het ritme van de bal.
golven van materie: materie kan zich ook gedragen als een golf. Dit ging in tegen de ongeveer 30 jaar van experimenten waaruit bleek dat materie (zoals elektronen) bestaat als deeltjes.
Quantized properties?
in 1900 probeerde de Duitse natuurkundige Max Planck de verdeling te verklaren van kleuren die over het spectrum worden uitgestraald in de gloed van roodgloeiende en witgloeiende objecten, zoals gloeidraden., Toen hij de vergelijking die hij had afgeleid om deze verdeling te beschrijven, fysiek begreep, realiseerde Planck zich dat combinaties van slechts bepaalde kleuren (zij het een groot aantal van hen) werden uitgestraald, in het bijzonder degenen die hele-aantal veelvouden van een bepaalde basiswaarde waren. Op de een of andere manier werden kleuren gekwantiseerd! Dit was onverwacht omdat licht werd begrepen als een golf, wat betekent dat kleurwaarden een continu spectrum moeten zijn. Wat zou atomen kunnen verbieden om de kleuren te produceren tussen deze veelvouden van hele getallen?, Dit leek zo vreemd dat Planck kwantisatie als niets meer dan een wiskundige truc beschouwde. Volgens Helge Kragh in zijn artikel uit 2000 in Physics World magazine, “Max Planck, The Reluctant Revolutionary, “” als er een revolutie plaatsvond in de natuurkunde in december 1900, leek niemand het op te merken. Planck was geen uitzondering … “
Planck ’s vergelijking bevatte ook een getal dat later zeer belangrijk zou worden voor de toekomstige ontwikkeling van QM; vandaag staat het bekend als “Planck’ s constante.”
Quantization helped to explain other mysteries of physics., In 1907 gebruikte Einstein Planck ‘ s hypothese van kwantisatie om uit te leggen waarom de temperatuur van een vaste stof met verschillende hoeveelheden veranderde als je dezelfde hoeveelheid warmte in het materiaal plaatste, maar de begintemperatuur veranderde.
sinds de vroege jaren 1800 had de wetenschap van de spectroscopie aangetoond dat verschillende elementen specifieke lichtkleuren uitzenden en absorberen, zogenaamde “spectraallijnen”.”Hoewel spectroscopie een betrouwbare methode was voor het bepalen van de elementen in objecten zoals verre sterren, waren wetenschappers verbaasd over waarom elk element in de eerste plaats die specifieke lijnen gaf., In 1888, Johannes Rydberg afgeleid van een vergelijking die de spectraallijnen uitgezonden door waterstof beschreven, hoewel niemand kon verklaren waarom de vergelijking werkte. Dit veranderde in 1913 toen Niels Bohr Planck ’s hypothese van kwantisatie toepaste op Ernest Rutherford’ s 1911 “planetaire” model van het atoom, die postuleerde dat elektronen rond de kern op dezelfde manier cirkelden als planeten rond de zon. Volgens Physics 2000 (een site van de Universiteit van Colorado) stelde Bohr voor dat elektronen beperkt waren tot “speciale” banen rond de kern van een atoom., Ze konden “springen” tussen speciale banen, en de energie geproduceerd door de sprong veroorzaakt specifieke kleuren van licht, waargenomen als spectraallijnen. Hoewel kwantized eigenschappen werden uitgevonden als slechts een wiskundige truc, ze zo veel uitgelegd dat ze werden het basisprincipe van QM.
lichtdeeltjes?in 1905 publiceerde Einstein een artikel, “Concerning an Heuristic Point of View Toward the Emission and Transformation of Light,” waarin hij licht zag reizen niet als een golf, maar als een manier van “energy quanta.,”Dit energiepakket, stelde Einstein, kon” worden geabsorbeerd of gegenereerd alleen als een geheel, “specifiek wanneer een atoom “springt” tussen gekwantiseerde vibratiesnelheden. Dit zou ook van toepassing zijn, zoals een paar jaar later zou worden aangetoond, wanneer een elektron “springt” tussen gekwantiseerde banen. In dit model bevatte Einsteins “energiekwanta” het energieverschil van de sprong; gedeeld door Planck ‘ s constante, bepaalde dat energieverschil de kleur van het licht die door die quanta werd gedragen.,
Met deze nieuwe manier om licht te visualiseren, bood Einstein inzicht in het gedrag van negen verschillende fenomenen, waaronder de specifieke kleuren die Planck beschreef die worden uitgezonden door een gloeidraad. Het legde ook uit hoe bepaalde lichtkleuren elektronen van metalen oppervlakken konden uitwerpen, een fenomeen dat bekend staat als het ” foto-elektrisch effect.”Einstein was echter niet helemaal gerechtvaardigd om deze sprong te maken, zei Stephen Klassen, een universitair hoofddocent natuurkunde aan de Universiteit van Winnipeg., In een artikel uit 2008, “the Photoelectric Effect: Rehabilitating the Story for the Physics Classroom”, stelt Klasse dat Einsteins energiekwanta niet nodig is om al die negen fenomenen te verklaren. Bepaalde wiskundige behandelingen van licht als een golf zijn nog steeds in staat om zowel de specifieke kleuren die Planck beschreef worden uitgezonden door een gloeilamp gloeidraad en het foto-elektrisch effect te beschrijven., In Einsteins controversiële toekenning van de Nobelprijs in 1921 erkende het Nobelcomité alleen “zijn ontdekking van de wet van het foto-elektrisch effect”, die specifiek niet gebaseerd was op het begrip energiekwanta.ongeveer twee decennia na Einsteins artikel werd de term “foton” gepopulariseerd voor het beschrijven van energiekwanta, dankzij het werk van Arthur Compton uit 1923, die aantoonde dat licht verstrooid door een elektronenstraal van kleur veranderde. Dit toonde aan dat deeltjes van licht (fotonen) inderdaad botsten met deeltjes van materie (elektronen), waardoor Einsteins hypothese werd bevestigd., Inmiddels was het duidelijk dat licht zich zowel als een golf als een deeltje kon gedragen, waardoor de “Golf-deeltje dualiteit” van licht in de fundering van QM werd geplaatst.
golven van materie?
sinds de ontdekking van het elektron in 1896 werd het bewijs dat alle materie bestond in de vorm van deeltjes langzaam opgebouwd. Toch deed de demonstratie van de Golf-deeltjedualiteit van licht wetenschappers zich afvragen of materie beperkt was tot alleen maar werken als deeltjes. Misschien kan Golf-deeltje dualiteit ook waar klinken voor materie?, De eerste wetenschapper die aanzienlijke vooruitgang boekte met deze redenering was een Franse natuurkundige genaamd Louis De Broglie. In 1924 gebruikte de Broglie de vergelijkingen van Einsteins speciale relativiteitstheorie om aan te tonen dat deeltjes golfachtige kenmerken kunnen vertonen, en dat golven deeltjesachtige kenmerken kunnen vertonen. In 1925 pasten twee wetenschappers, onafhankelijk werkend en met behulp van afzonderlijke lijnen van wiskundig denken, de redenering van de Broglie toe om uit te leggen hoe elektronen rondzwerven in atomen (een fenomeen dat onverklaarbaar was met behulp van de vergelijkingen van de klassieke mechanica)., In Duitsland heeft natuurkundige Werner Heisenberg (samen met Max Born en Pascual Jordan) dit bereikt door “matrixmechanica” te ontwikkelen.”De Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger ontwikkelde een soortgelijke theorie genaamd” wave mechanics. Schrödinger toonde in 1926 aan dat deze twee benaderingen gelijkwaardig waren (hoewel de Zwitserse natuurkundige Wolfgang Pauli een ongepubliceerd resultaat naar Jordanië stuurde waaruit bleek dat de matrixmechanica completer was).,het Heisenberg-Schrödinger – model van het atoom, waarin elk elektron fungeert als een golf (soms aangeduid als een “wolk”) rond de kern van een atoom, verving het Rutherford-Bohr-model. Een bepaling van het nieuwe model was dat de uiteinden van de golf die een elektron vormt, elkaar moeten ontmoeten. In ” Quantum Mechanics in Chemistry, 3rd Ed.”(W. A. Benjamin, 1981), schrijft Melvin Hanna, ” het opleggen van de randvoorwaarden heeft de energie beperkt tot discrete waarden.,”Een gevolg van deze bepaling is dat alleen hele aantallen toppen en troggen zijn toegestaan, wat verklaart waarom sommige eigenschappen worden gekwantiseerd. In het Heisenberg-Schrödinger-model van het atoom gehoorzamen elektronen aan een “golffunctie” en bezetten ze “orbitalen” in plaats van banen. In tegenstelling tot de cirkelbanen van het Rutherford-Bohr-model, hebben atomaire orbitalen een verscheidenheid aan vormen, variërend van bollen tot halters tot madeliefjes.,in 1927 ontwikkelden Walter Heitler en Fritz London de golfmechanica om te laten zien hoe atomaire orbitalen konden combineren om moleculaire orbitalen te vormen. Dit was nog een probleem dat onoplosbaar was geweest met behulp van de wiskunde van de klassieke mechanica. Deze inzichten gaven aanleiding tot het gebied van de “kwantumchemie.”
The uncertainty principle
ook in 1927 leverde Heisenberg een belangrijke bijdrage aan de kwantumfysica., Hij redeneerde dat omdat materie als golven werkt, sommige eigenschappen, zoals de positie en snelheid van een elektron, “complementair” zijn, wat betekent dat er een limiet is (gerelateerd aan de constante van Planck) aan hoe goed de precisie van elke eigenschap kan worden gekend. Onder wat “Heisenberg’ s uncertainty principle ” zou worden genoemd, werd beredeneerd dat hoe nauwkeuriger de positie van een elektron bekend is, hoe minder precies de snelheid ervan bekend kan zijn, en vice versa. Dit onzekerheidsprincipe geldt ook voor alledaagse objecten, maar is niet merkbaar omdat het gebrek aan precisie buitengewoon klein is., Volgens Dave Slaven van Morningside College (Sioux City, IA), als de snelheid van een honkbal is bekend met een precisie van 0,1 mph, de maximale precisie waarmee het mogelijk is om de positie van de bal te weten is 0.0000000000000000000000000000000000000008 millimeter.
verder
de principes van kwantisatie, Golf-deeltjedualiteit en het onzekerheidsprincipe luidde een nieuw tijdperk in voor QM., In 1927 paste Paul Dirac een kwantumbegrip van elektrische en magnetische velden toe om aanleiding te geven tot de studie van de “quantumveldentheorie” (QFT), die deeltjes (zoals fotonen en elektronen) behandelde als aangeslagen toestanden van een onderliggend fysisch veld. Het werk in QFT ging een decennium door totdat wetenschappers een wegversperring raakten: veel vergelijkingen in QFT stopten met het maken van fysieke zin omdat ze resultaten van oneindigheid produceerden. Na een decennium van stagnatie, Hans Bethe maakte een doorbraak in 1947 met behulp van een techniek genaamd “renormalisatie.,”Hier realiseerde Bethe zich dat alle oneindige resultaten gerelateerd waren aan twee fenomenen (specifiek “elektron zelf-energie” en “vacuümpolarisatie”), zodat de waargenomen waarden van elektronenmassa en elektronlading gebruikt konden worden om alle oneindigheden te laten verdwijnen.sinds de doorbraak van de renormalisatie is QFT de basis geweest voor de ontwikkeling van kwantumtheorieën over de vier fundamentele natuurkrachten: 1) elektromagnetisme, 2) de zwakke kernkracht, 3) de sterke kernkracht en 4) zwaartekracht., De eerste indruk bepaald door de QFT was een quantum beschrijving van het elektromagnetisme door middel van “quantum elektrodynamica” (QED), die passen in de late jaren 1940 en begin 1950. Daarna was het een quantum beschrijving van de zwakke kernkracht, die werd verenigd met het elektromagnetisme te bouwen “electroweak theorie” (EWT) in de jaren 1960. Eindelijk kwam een quantum behandeling van de sterke kernkracht met behulp van “quantum chromodynamics” (QCD) in de jaren 1960 en 1970. De theorieën van QED, EWT en QCD-vormen samen de basis van het Standaard Model van de deeltjesfysica., Helaas moet QFT nog een kwantumtheorie van zwaartekracht produceren. Die zoektocht gaat vandaag verder in de studies van snaartheorie en lus kwantumzwaartekracht.
Robert Coolman is een graduate onderzoeker aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, waar hij zijn Ph.D. in chemical engineering afrondt. Hij schrijft over wiskunde, wetenschap en hoe ze omgaan met de geschiedenis. Volg Robert @ PrimeViridian. Volg ons @LiveScience, Facebook & Google+.