mechanika kwantowa jest gałęzią fizyki odnoszącą się do bardzo małych
skutkuje to czymś, co może wydawać się bardzo dziwnymi wnioskami na temat świata fizycznego. W skali atomów i elektronów wiele równań mechaniki klasycznej, które opisują, jak rzeczy poruszają się w codziennych rozmiarach i prędkościach, przestaje być użyteczne. W mechanice klasycznej obiekty istnieją w określonym miejscu w określonym czasie., Jednak w mechanice kwantowej obiekty zamiast tego istnieją w mgle prawdopodobieństwa; mają pewną szansę bycia w punkcie A, inną szansę bycia w punkcie B i tak dalej.
trzy rewolucyjne Zasady
mechanika kwantowa (QM) rozwijała się przez wiele dziesięcioleci, zaczynając jako zbiór kontrowersyjnych matematycznych wyjaśnień eksperymentów, których matematyka mechaniki klasycznej nie mogła wyjaśnić., Zaczęło się na przełomie XX wieku, mniej więcej w tym samym czasie, kiedy Albert Einstein opublikował swoją teorię względności, oddzielną rewolucję matematyczną w fizyce, która opisuje ruch rzeczy z dużymi prędkościami. W przeciwieństwie do teorii względności, geneza QM nie może być przypisana żadnemu naukowcowi. Przeciwnie, wielu naukowców przyczyniło się do powstania trzech rewolucyjnych zasad, które stopniowo zyskiwały akceptację i weryfikację eksperymentalną w latach 1900-1930., Są to:
Skwantowane właściwości: niektóre właściwości, takie jak pozycja, prędkość i kolor, mogą czasami występować tylko w określonych, ustawionych ilościach, podobnie jak pokrętło, które „klika” z numeru na numer. Zakwestionowało to fundamentalne założenie mechaniki klasycznej, które mówiło, że takie własności powinny istnieć na gładkim, ciągłym widmie. Aby opisać ideę, że niektóre właściwości „klikały” jak tarcza z określonymi ustawieniami, naukowcy ukuli słowo „kwantyzowane.”
cząstki światła: światło może czasami zachowywać się jak cząstka., Początkowo spotkało się to z ostrą krytyką, ponieważ było sprzeczne z 200-letnimi eksperymentami pokazującymi, że światło zachowuje się jak fala; podobnie jak fale na powierzchni spokojnego jeziora. Światło zachowuje się podobnie, ponieważ odbija się od ścian i wygina się wokół rogów, a herby i koryta fali mogą się sumować lub anulować. Dodanie grzebienia fal powoduje jaśniejsze światło, podczas gdy fale, które eliminują, wytwarzają ciemność. Źródło światła można uznać za kulę na patyku rytmicznie zanurzoną w środku jeziora., Emitowany kolor odpowiada odległości między grzebieniami, która jest określona przez prędkość rytmu piłki.
fale materii: Materia może również zachowywać się jak fala. Było to sprzeczne z około 30-letnimi eksperymentami pokazującymi, że materia (taka jak elektrony) istnieje jako cząstki.
Skwantowane właściwości?
w 1900 roku niemiecki fizyk Max Planck starał się wyjaśnić rozkład kolorów emitowanych w widmie w poświacie obiektów rozgrzanych do czerwoności i rozgrzanych do bieli, takich jak żarówki., Planck zrozumiał, że emitowane są kombinacje tylko pewnych kolorów (choć ich duża liczba), w szczególności tych, które są wielokrotnościami liczb całkowitych pewnej wartości bazowej. Jakoś kolory zostały skwantyzowane! Było to nieoczekiwane, ponieważ światło rozumiano jako falę, co oznacza, że wartości koloru powinny być ciągłym widmem. Co może zabraniać atomom wytwarzania kolorów pomiędzy tymi wielokrotnościami liczbowymi?, Wydawało się to tak dziwne, że Planck uważał kwantyzację za nic więcej niż matematyczną sztuczkę. Według Helge Kragha w swoim artykule z 2000 roku w Physics World magazine, „Max Planck, the revolutionary Revolutionary”, ” jeśli rewolucja miała miejsce w fizyce w grudniu 1900 roku, nikt nie zdawał się tego zauważać. Równanie Plancka nie było wyjątkiem …”
równanie Plancka zawierało również liczbę, która później stała się bardzo ważna dla przyszłego rozwoju QM.”
kwantyzacja pomogła wyjaśnić inne tajemnice fizyki., W 1907 roku Einstein użył hipotezy Plancka kwantyzacji, aby wyjaśnić, dlaczego temperatura ciała stałego zmienia się o różne ilości, jeśli włożysz tę samą ilość ciepła do materiału, ale zmienisz temperaturę początkową.
od początku 1800 roku nauka spektroskopii wykazała, że różne pierwiastki emitują i absorbują określone kolory światła zwane „liniami widmowymi.”Chociaż spektroskopia była niezawodną metodą określania pierwiastków zawartych w obiektach takich jak odległe gwiazdy, naukowcy byli zdziwieni, dlaczego każdy pierwiastek w ogóle wydzielał te konkretne linie., W 1888 roku Johannes Rydberg wyprowadził równanie opisujące linie widmowe emitowane przez wodór, choć nikt nie potrafił wyjaśnić, dlaczego równanie to działało. Zmieniło się to w 1913 roku, kiedy Niels Bohr zastosował hipotezę Plancka kwantyzacji do „planetarnego” modelu atomu Ernesta Rutherforda z 1911 roku, który postulował, że elektrony orbitują wokół jądra w ten sam sposób, w jaki planety krążą wokół Słońca. Według fizyki 2000 (strona z University of Colorado), Bohr zaproponował, że elektrony zostały ograniczone do „specjalnych” orbitach wokół jądra atomu., Mogły „przeskakiwać” między specjalnymi orbitami, a energia wytwarzana przez skok powodowała określone kolory światła, obserwowane jako linie widmowe. Chociaż kwantyzowane właściwości zostały wymyślone jako zwykła sztuczka matematyczna, wyjaśniły one tak wiele, że stały się podstawową zasadą QM.
cząstki światła?
w 1905 roku Einstein opublikował pracę „dotyczącą heurystycznego punktu widzenia w kierunku emisji i transformacji światła”, w której przewidywał Podróżowanie światła nie jako fali, ale jako pewnego rodzaju „kwanty energii”.,”Ten pakiet energii, zasugerował Einstein, może być „pochłaniany lub generowany tylko jako całość”, szczególnie gdy atom „przeskakuje” między skwantowanymi częstotliwościami drgań. Miałoby to również zastosowanie, jak pokazano kilka lat później, gdy elektron „przeskakuje” między skwantowanymi orbitami. W ramach tego modelu „kwanty energii” Einsteina zawierały różnicę energii skoku; gdy podzielono ją przez stałą Plancka, ta różnica energii określała kolor światła przenoszonego przez te kwanty.,
dzięki temu nowemu sposobowi widzenia światła, Einstein zaproponował wgląd w zachowanie dziewięciu różnych zjawisk, w tym specyficzne kolory, które Planck opisał jako emitowane przez żarówkę. Wyjaśnił również, w jaki sposób niektóre kolory światła mogą wyrzucać elektrony z powierzchni metalowych, zjawisko znane jako ” efekt fotoelektryczny.”Jednak Einstein nie był całkowicie uzasadniony w podejmowaniu tego skoku, powiedział Stephen Klassen, profesor nadzwyczajny fizyki na Uniwersytecie w Winnipeg., W artykule z 2008 roku „the Photoelectric Effect: Rehabilitating the Story for the Physics Classen stwierdza, że kwanty energii Einsteina nie są konieczne do wyjaśnienia wszystkich tych dziewięciu zjawisk. Niektóre matematyczne metody leczenia światła jako fali są nadal w stanie opisać zarówno specyficzne kolory, które Planck opisał jako emitowane przez Żarnik Żarówki, jak i efekt fotoelektryczny., Rzeczywiście, w kontrowersyjnej wygranej Einsteina Nagrody Nobla z 1921 roku, Komitet Noblowski uznał tylko „jego odkrycie prawa efektu fotoelektrycznego”, które w szczególności nie opierało się na pojęciu kwanty energii.
około dwie dekady po pracy Einsteina termin „Foton” został spopularyzowany na określenie kwantów energii, dzięki pracy Arthura Comptona z 1923 roku, który pokazał, że światło rozproszone przez wiązkę elektronów zmieniło kolor. To pokazało, że cząstki światła (fotony) rzeczywiście zderzają się z cząstkami materii (elektrony), potwierdzając tym samym hipotezę Einsteina., Do tej pory było jasne, że światło może zachowywać się zarówno jak fala, jak i cząstka, umieszczając „dualność falowo-cząstkową” światła w fundamencie QM.
fale materii?
od czasu odkrycia elektronu w 1896 roku powoli budowano dowody na istnienie całej materii w postaci cząstek. Mimo to, demonstracja dualności falowo-cząsteczkowej światła sprawiła, że naukowcy zastanawiali się, czy Materia ogranicza się do działania tylko jako cząstki. Być może dualność falowo-cząsteczkowa mogłaby być prawdziwa również dla materii?, Pierwszym naukowcem, który poczynił znaczne postępy w tym rozumowaniu, był francuski fizyk Louis de Broglie. W 1924 roku de Broglie użył równań specjalnej teorii względności Einsteina, aby pokazać, że cząstki mogą wykazywać cechy podobne do fal, a fale mogą wykazywać cechy podobne do cząstek. Następnie w 1925 roku dwóch naukowców, pracujących niezależnie i używając oddzielnych linii matematycznego myślenia, zastosowało rozumowanie de Broglie ' a, aby wyjaśnić, w jaki sposób elektrony wirują wokół atomów (zjawisko, które było niewytłumaczalne za pomocą równań mechaniki klasycznej)., W Niemczech fizyk Werner Heisenberg (wspólnie z Maxem Bornem i Pascualem Jordanem) dokonał tego, rozwijając „mechanikę macierzy.”Austriacki fizyk Erwin Schrödinger opracował podobną teorię zwaną” mechaniką falową.”Schrödinger pokazał w 1926 roku, że te dwa podejścia są równoważne (choć szwajcarski fizyk Wolfgang Pauli wysłał do Jordana niepublikowany wynik pokazujący, że mechanika macierzy jest bardziej kompletna).,
model Heisenberga-Schrödingera atomu, w którym każdy elektron działa jako fala (czasami określane jako „chmura”) wokół jądra atomu zastąpił model Rutherforda-Bohra. Jednym z założeń nowego modelu było to, że muszą spełniać się końce fali tworzącej elektron. W „mechanika kwantowa w chemii, Wyd.3″(W. A. Benjamin, 1981), Melvin Hanna pisze: „nałożenie warunków brzegowych ograniczyło energię do wartości dyskretnych.,”Konsekwencją tego warunku jest to, że dozwolone są tylko liczby całkowite grzebieni i koryta, co wyjaśnia, dlaczego niektóre właściwości są kwantyzowane. W modelu Heisenberga-Schrödingera atomu elektrony są posłuszne „funkcji falowej” i zajmują „orbitale”, a nie orbity. W przeciwieństwie do kołowych Orbit modelu Rutherforda-Bohra, orbitale atomowe mają różne kształty, od kul przez hantle po stokrotki.,
w 1927 roku Walter Heitler i Fritz London rozwinęli mechanikę falową, aby pokazać, w jaki sposób orbitale atomowe mogą się łączyć, tworząc orbitale molekularne, skutecznie pokazując, dlaczego Atomy łączą się ze sobą, tworząc cząsteczki. Był to kolejny problem, który był nierozwiązywalny przy użyciu matematyki mechaniki klasycznej. Te spostrzeżenia dały początek dziedzinie ” chemii kwantowej.”
zasada nieoznaczoności
również w 1927 roku Heisenberg dokonał innego ważnego wkładu do fizyki kwantowej., Rozumował, że skoro Materia działa jak fale, niektóre właściwości, takie jak położenie i prędkość elektronu, są „komplementarne”, co oznacza, że istnieje granica (związana ze stałą Plancka) jak dobrze precyzja każdej właściwości może być znana. Zgodnie z tym, co byłoby nazywane „zasadą nieoznaczoności Heisenberga”, uzasadniono, że im dokładniej znane jest położenie elektronu, tym mniej precyzyjnie może być znana jego prędkość i odwrotnie. Ta zasada niepewności odnosi się również do przedmiotów codziennego użytku, ale nie jest zauważalna, ponieważ brak precyzji jest wyjątkowo mały., Według Dave ' a Slavena z Morningside College (Sioux City, IA), jeśli prędkość baseballa jest znana z dokładnością do 0,1 mph, maksymalna precyzja, z jaką możliwe jest poznanie pozycji piłki wynosi 0,00000000000000000000000008 milimetrów.
dalej
Zasady kwantyzacji, dualności falowo-cząsteczkowej i zasady niepewności zapoczątkowały nową erę QM., W 1927 Paul Dirac zastosował kwantowe rozumienie pól elektrycznych i magnetycznych, aby dać początek badaniu „kwantowej teorii pola” (QFT), która traktowała cząstki (takie jak fotony i elektrony) jako Stany wzbudzone podstawowego pola fizycznego. Prace w QFT trwały przez dekadę, aż naukowcy uderzyli w przeszkodę: wiele równań w QFT przestało mieć fizyczny sens, ponieważ przyniosły wyniki nieskończoności. Po dekadzie stagnacji Hans Bethe dokonał przełomu w 1947 roku, stosując technikę zwaną ” renormalization.,”Tutaj zdajemy sobie sprawę, że wszystkie nieskończone wyniki związane są z dwoma zjawiskami (w szczególności „samoenergią elektronów” i „polaryzacją próżniową”), tak że obserwowane wartości masy elektronu i ładunku elektronu mogą być użyte do zniknięcia wszystkich nieskończoności.
od przełomu renormalizacji, QFT służył jako podstawa do rozwoju teorii kwantowych o czterech podstawowych siłach natury: 1) elektromagnetyzm, 2) słaba siła jądrowa, 3) silna siła jądrowa i 4) grawitacja., Pierwszy wgląd dostarczony przez QFT był kwantowym opisem elektromagnetyzmu poprzez „kwantową elektrodynamikę” (QED), która poczyniła postępy w późnych latach 40. i na początku lat 50. XX wieku. następnie był kwantowy opis słabej siły jądrowej, który został zunifikowany z elektromagnetyzmem w celu zbudowania „teorii elektrozaworu” (EWT) w latach 60.i 70. XX wieku. wreszcie przyszedł kwantowe leczenie silnej siły jądrowej przy użyciu „chromodynamiki kwantowej” (QCD) w latach 60. i 70., EWT i QCD razem tworzą podstawę standardowego modelu fizyki cząstek elementarnych., Niestety, QFT nie stworzyło jeszcze kwantowej teorii grawitacji. Poszukiwania te kontynuowane są do dziś w badaniach teorii strun i pętlowej grawitacji kwantowej.
Robert Coolman jest absolwentem Uniwersytetu Wisconsin-Madison, kończąc doktorat z inżynierii chemicznej. Pisze o matematyce, naukach ścisłych i ich interakcji z historią. Robert @ PrimeViridian. Obserwuj nas @LiveScience, Facebook & Google+.