mecanica cuantică este ramura fizicii referitoare la foarte mici. rezultă ceea ce poate părea a fi niște concluzii foarte ciudate despre lumea fizică. La scara atomilor și electronilor, multe dintre ecuațiile mecanicii clasice, care descriu modul în care lucrurile se mișcă la dimensiuni și viteze de zi cu zi, încetează să mai fie utile. În mecanica clasică, obiectele există într-un anumit loc la un anumit moment., Cu toate acestea, în mecanica cuantică, obiectele există în schimb într-o ceață de probabilitate; au o anumită șansă de a fi la punctul A, O altă șansă de a fi la punctul B și așa mai departe.mecanica cuantică (QM) s-a dezvoltat de-a lungul mai multor decenii, începând ca un set de explicații matematice controversate ale experimentelor pe care matematica mecanicii clasice nu le-a putut explica., A început la începutul secolului XX, cam în același timp în care Albert Einstein și-a publicat teoria relativității, o revoluție matematică separată în fizică care descrie mișcarea lucrurilor la viteze mari. Spre deosebire de relativitate, totuși, originile QM nu pot fi atribuite niciunui om de știință. Mai degrabă, mai mulți oameni de știință au contribuit la fundamentarea a trei principii revoluționare care au obținut treptat acceptarea și verificarea experimentală între 1900 și 1930., Ele sunt:
proprietăți cuantificate: anumite proprietăți, cum ar fi poziția, viteza și culoarea, pot apărea uneori numai în anumite cantități setate, la fel ca un cadran care „face clic” de la număr la număr. Acest lucru a contestat o presupunere fundamentală a mecanicii clasice, care a spus că astfel de proprietăți ar trebui să existe pe un spectru neted, continuu. Pentru a descrie ideea că unele proprietăți ” au făcut clic „ca un cadran cu setări specifice, oamenii de știință au inventat cuvântul” cuantificat.”
particule de lumină: lumina se poate comporta uneori ca o particulă., Acest lucru a fost inițial întâmpinat cu critici dure, deoarece a fost contrar a 200 de ani de experimente care au arătat că lumina s-a comportat ca un val; la fel ca valurile de pe suprafața unui lac calm. Lumina se comportă în mod similar prin faptul că sare de pe pereți și se îndoaie în jurul colțurilor și că crestele și jgheaburile valului se pot adăuga sau anula. Crestele de undă adăugate au ca rezultat o lumină mai strălucitoare, în timp ce valurile care anulează produc întuneric. O sursă de lumină poate fi considerat ca o minge pe un băț fiind ritmic muiată în centrul unui lac., Culoarea emisă corespunde distanței dintre crestături, care este determinată de viteza ritmului mingii. valurile materiei: Materia se poate comporta și ca un val. Acest lucru a fost contrar celor aproximativ 30 de ani de experimente care arată că materia (cum ar fi electronii) există ca particule.
proprietăți cuantificate?
în 1900, fizicianul German Max Planck a căutat să explice distribuția culorilor emise pe spectru în strălucirea obiectelor roșu-fierbinți și alb-fierbinți, cum ar fi filamentele becurilor., Când a înțeles fizic ecuația pe care a derivat-o pentru a descrie această distribuție, Planck și-a dat seama că implică faptul că au fost emise combinații de numai anumite culori (deși un număr mare dintre ele), în special cele care erau multipli de număr întreg de o anumită valoare de bază. Cumva, culorile au fost cuantificate! Acest lucru a fost neașteptat, deoarece lumina a fost înțeleasă să acționeze ca o undă, ceea ce înseamnă că valorile de culoare ar trebui să fie un spectru continuu. Ce ar putea interzice atomilor să producă culorile dintre acești multipli de număr întreg?, Acest lucru părea atât de ciudat încât Planck considera cuantizarea ca fiind doar un truc matematic. Potrivit lui Helge Kragh în articolul său din 2000 din revista Physics World, „Max Planck, revoluționarul reticent”, ” dacă o revoluție a avut loc în fizică în decembrie 1900, nimeni nu părea să o observe. Ecuația lui Planck conținea, de asemenea, un număr care mai târziu va deveni foarte important pentru dezvoltarea viitoare a QM; astăzi, este cunoscut sub numele de „constanta lui Planck.”
cuantizarea a ajutat la explicarea altor mistere ale fizicii., În 1907, Einstein a folosit ipoteza de cuantizare a lui Planck pentru a explica de ce temperatura unui solid s-a schimbat cu cantități diferite dacă puneți aceeași cantitate de căldură în material, dar ați schimbat temperatura de pornire.de la începutul anilor 1800, știința spectroscopiei a arătat că diferite elemente emit și absorb culori specifice de lumină numite „linii spectrale.”Deși spectroscopia a fost o metodă fiabilă pentru determinarea elementelor conținute în obiecte, cum ar fi stelele îndepărtate, oamenii de știință au fost nedumerit de ce fiecare element a dat acele linii specifice în primul rând., În 1888, Johannes Rydberg a derivat o ecuație care descrie liniile spectrale emise de hidrogen, deși nimeni nu a putut explica de ce ecuația a funcționat. Acest lucru s-a schimbat în 1913 când Niels Bohr a aplicat ipoteza de cuantizare a lui Planck la modelul „planetar” al atomului din 1911 al lui Ernest Rutherford, care a postulat că electronii orbitează nucleul în același mod în care planetele orbitează Soarele. Conform Physics 2000 (un site de la Universitatea din Colorado), Bohr a propus ca electronii să fie limitați la orbite „speciale” în jurul nucleului unui atom., Ei puteau „sări” între orbite speciale, iar energia produsă de salt a provocat culori specifice de lumină, observate ca linii spectrale. Deși proprietățile cuantificate au fost inventate ca un simplu truc matematic, au explicat atât de mult încât au devenit principiul fondator al QM.
particule de lumină?
În anul 1905, Einstein a publicat o carte, „cu Privire la o Euristică Punct de Vedere Față de Emisii și Transformarea Luminii”, în care a imaginat-o lumina care nu ca un val, dar ca un fel de „cuante de energie.,”Acest pachet de energie, a sugerat Einstein, ar putea fi „absorbit sau generat doar ca un întreg”, în special atunci când un atom „sare” între ratele de vibrație cuantificate. Acest lucru s-ar aplica, de asemenea, așa cum s-ar arăta câțiva ani mai târziu, când un electron „sare” între orbitele cuantificate. Sub acest model, „Quanta de energie” a lui Einstein conținea diferența de energie a saltului; atunci când este împărțită la constanta lui Planck, acea diferență de energie a determinat culoarea luminii purtate de acele cuante., cu acest nou mod de a imagina lumina, Einstein a oferit perspective asupra comportamentului a nouă fenomene diferite, inclusiv culorile specifice pe care Planck le-a descris ca fiind emise de un filament de bec. De asemenea, a explicat modul în care anumite culori ale luminii ar putea scoate electronii de pe suprafețele metalice, fenomen cunoscut sub numele de „efect fotoelectric.”Cu toate acestea, Einstein nu a fost pe deplin justificat să facă acest salt, a declarat Stephen Klassen, profesor asociat de fizică la Universitatea din Winnipeg., Într-o lucrare din 2008, „The fotoelectric Effect: Rehabiliting the Story for the Physics Classroom”, Klassen afirmă că Quanta energetică a lui Einstein nu este necesară pentru a explica toate cele nouă fenomene. Anumite tratamente matematice ale luminii ca undă sunt încă capabile să descrie atât culorile specifice pe care Planck le-a descris ca fiind emise de un filament de bec, cât și efectul fotoelectric., Într-adevăr, în câștigarea controversată a lui Einstein a Premiului Nobel din 1921, Comitetul Nobel a recunoscut doar „descoperirea legii efectului fotoelectric”, care în mod specific nu se baza pe noțiunea de quanta energetică.la aproximativ două decenii după lucrarea lui Einstein, termenul „foton” a fost popularizat pentru descrierea cuantelor energetice, datorită lucrării lui Arthur Compton din 1923, care a arătat că lumina împrăștiată de un fascicul de electroni și-a schimbat culoarea. Acest lucru a arătat că particulele de lumină (fotoni) se ciocneau într-adevăr cu particule de materie (electroni), confirmând astfel ipoteza lui Einstein., Până acum, era clar că lumina se poate comporta atât ca o undă, cât și ca o particulă, plasând „dualitatea undă-particulă” a luminii în fundamentul QM.
valuri de materie?
de la descoperirea electronului în 1896, dovezile că toată materia exista sub formă de particule se construiau încet. Totuși, demonstrarea dualității undelor-particule a făcut oamenii de știință să se întrebe dacă materia se limita la a acționa doar ca particule. Poate că dualitatea val-particule ar putea suna adevărat și pentru materie?, Primul om de știință care a făcut progrese substanțiale cu acest raționament a fost un fizician francez pe nume Louis de Broglie. În 1924, de Broglie a folosit ecuațiile teoriei relativității speciale a lui Einstein pentru a arăta că particulele pot prezenta caracteristici asemănătoare undelor și că undele pot prezenta caracteristici asemănătoare particulelor. Apoi, în 1925, doi oameni de știință, care lucrau independent și foloseau linii separate de gândire matematică, au aplicat raționamentul lui de Broglie pentru a explica modul în care electronii se învârteau în atomi (un fenomen inexplicabil folosind ecuațiile mecanicii clasice)., În Germania, fizicianul Werner Heisenberg (în echipă cu Max Born și Pascual Jordan) a realizat acest lucru prin dezvoltarea „mecanicii matricei. Fizicianul austriac Erwin Schrödinger a dezvoltat o teorie similară numită ” mecanica valurilor.”Schrödinger a arătat în 1926 că aceste două abordări erau echivalente (deși fizicianul elvețian Wolfgang Pauli a trimis un rezultat Nepublicat Iordaniei arătând că mecanica matricei era mai completă).,Modelul Heisenberg-Schrödinger al atomului, în care fiecare electron acționează ca un val (uneori denumit „nor”) în jurul nucleului unui atom a înlocuit modelul Rutherford-Bohr. O prevedere a noului model a fost că capetele undei care formează un electron trebuie să se întâlnească. În ” mecanica cuantică în chimie, 3rd Ed.”(W. A. Benjamin, 1981), Melvin Hanna scrie, „impunerea condițiilor limită a limitat energia la valori discrete.,”O consecință a acestei prevederi este că sunt permise doar numere întregi de crestături și jgheaburi, ceea ce explică de ce unele proprietăți sunt cuantificate. În modelul atomului Heisenberg-Schrödinger, electronii se supun unei ” funcții de undă „și ocupă mai degrabă” orbite ” decât orbite. Spre deosebire de orbitele circulare ale modelului Rutherford-Bohr, orbitalii atomici au o varietate de forme, de la sfere la gantere până la margarete.,
În 1927, Walter Heitler și Fritz London dezvoltat în continuare val mecanica pentru a arăta cum atomica orbitalii ar putea combina pentru a forma orbitali moleculari, în mod eficient, să arate de ce atomii de obligațiuni unul de altul pentru a forma molecule. Aceasta a fost încă o problemă care a fost de nerezolvat folosind matematica mecanicii clasice. Aceste perspective au dat naștere domeniului ” chimiei cuantice.”
principiul incertitudinii
tot în 1927, Heisenberg a adus o altă contribuție majoră la fizica cuantică., El a motivat că, deoarece materia acționează ca valuri, unele proprietăți, cum ar fi poziția și viteza unui electron, sunt „complementare”, ceea ce înseamnă că există o limită (legată de constanta lui Planck) la cât de bine poate fi cunoscută precizia fiecărei proprietăți. Sub ceea ce s-ar numi „principiul incertitudinii lui Heisenberg”, s-a motivat că cu cât este cunoscută mai precis poziția unui electron, cu atât mai puțin poate fi cunoscută viteza sa și invers. Acest principiu de incertitudine se aplică și obiectelor de dimensiuni de zi cu zi, dar nu este vizibil, deoarece lipsa de precizie este extraordinar de mică., Potrivit lui Dave Slaven de la Morningside College( Sioux City, IA), dacă viteza unui baseball este cunoscută într-o precizie de 0.1 mph, precizia maximă la care este posibil să se cunoască poziția mingii este de 0.00000000000000000000000000008 milimetri.
mai departe
principiile cuantizării, dualitatea undelor-particule și principiul incertitudinii au inaugurat o nouă eră pentru QM., În 1927, Paul Dirac a aplicat o înțelegere cuantică a câmpurilor electrice și magnetice pentru a da naștere studiului „teoriei câmpului cuantic” (QFT), care a tratat particulele (cum ar fi fotonii și electronii) ca stări excitate ale unui câmp fizic subiacent. Munca în QFT a continuat timp de un deceniu până când oamenii de știință au lovit un blocaj: multe ecuații din QFT au încetat să mai aibă sens fizic, deoarece au produs rezultate ale infinității. După un deceniu de stagnare, Hans Bethe a făcut o descoperire în 1947 folosind o tehnică numită „renormalizare.,”Aici, Bethe a dat seama că toate infinit rezultatele referitoare la două fenomene (în special „electron auto-energie” și „vid de polarizare”), astfel încât valorile observate ale electronului și electroni taxa ar putea fi folosit pentru a face toate infinități dispar.de la descoperirea renormalizării, QFT a servit drept fundament pentru dezvoltarea teoriilor cuantice despre cele patru forțe fundamentale ale naturii: 1) electromagnetismul, 2) forța nucleară slabă, 3) forța nucleară puternică și 4) gravitatea., Prima perspectivă furnizate de QFT a fost o descriere cuantică a electromagnetismului prin „electrodinamica cuantică” (QED), care a făcut progrese la sfârșitul anilor 1940 și începutul anilor 1950. Următorul a fost un quantum descriere a forța nucleară slabă, care a fost unificat cu electromagnetismul pentru a construi „electro-teorie” (EWT) de-a lungul anilor 1960. În cele din urmă a venit un quantum de tratament de forta nucleara puternica folosind „cromodinamica cuantică” (QCD) în anii 1960 și 1970. Teoriile de QED, EWT și QCD formează împreună baza de Modelul Standard al fizicii particulelor., Din păcate, QFT nu a produs încă o teorie cuantică a gravitației. Această căutare continuă și astăzi în studiile teoriei corzilor și gravitației cuantice a buclei.Robert Coolman este un cercetător absolvent la Universitatea din Wisconsin-Madison, terminând doctoratul în inginerie chimică. Scrie despre matematică, știință și cum interacționează cu istoria. Urmați Robert @ PrimeViridian. Urmați-ne @LiveScience, Facebook & Google+.