kvantmekanik är den gren av fysiken som rör den mycket lilla.
det resulterar i vad som kan tyckas vara några mycket konstiga slutsatser om den fysiska världen. På omfattningen av atomer och elektroner upphör många av ekvationerna för klassisk mekanik, som beskriver hur saker rör sig i vardagliga storlekar och hastigheter, att vara användbara. I klassisk mekanik finns föremål på en viss plats vid en viss tidpunkt., Men i kvantmekanik finns objekt istället i ett dis av Sannolikhet; de har en viss chans att vara vid punkt A, en annan chans att vara vid punkt B och så vidare.
tre revolutionära principer
kvantmekanik (QM) utvecklades under många årtionden, med början som en uppsättning kontroversiella matematiska förklaringar av experiment som matematiken i klassisk mekanik inte kunde förklara., Det började vid 1900-talets början, ungefär samtidigt som Albert Einstein publicerade sin relativitetsteori, en separat matematisk revolution i fysiken som beskriver rörelsen av saker vid höga hastigheter. Till skillnad från relativitet kan QM: s ursprung inte tillskrivas någon vetenskapsman. Snarare bidrog flera forskare till en grund av tre revolutionära principer som gradvis fick acceptans och experimentell verifiering mellan 1900 och 1930., De är:
kvantifierade egenskaper: vissa egenskaper, såsom position, hastighet och färg, kan ibland bara förekomma i specifika, inställda mängder, ungefär som en ratt som ”klickar” från nummer till nummer. Detta utmanade ett grundläggande antagande om klassisk mekanik, som sa att sådana egenskaper borde existera på ett jämnt, kontinuerligt spektrum. För att beskriva tanken att vissa egenskaper ”klickade” som en ratt med specifika inställningar, myntade forskare ordet ” quantized.”
ljuspartiklar: ljus kan ibland uppträda som en partikel., Detta möttes ursprungligen med hård kritik, eftersom det sprang i motsats till 200 års experiment som visade att ljuset betedde sig som en våg; ungefär som krusningar på ytan av en lugn sjö. Ljus beter sig på samma sätt genom att det studsar av väggar och böjer sig runt hörn, och att vågens Kammar och tråg kan lägga upp eller avbryta ut. Inkom våg kammar resulterar i ljusare ljus, medan vågor som avbryter ut producerar mörker. En ljuskälla kan ses som en boll på en pinne som rytmiskt doppas i mitten av en sjö., Den utsända färgen motsvarar avståndet mellan kammarna, vilket bestäms av hastigheten på bollens rytm.
vågor av materia: Materia kan också bete sig som en våg. Detta strider mot de ungefär 30 år av experiment som visar att materia (såsom elektroner) existerar som partiklar.
kvantifierade egenskaper?
år 1900 försökte tysk fysiker Max Planck förklara fördelningen av färger som emitteras över spektrumet i glöd av glödheta och vita heta föremål, såsom glödlampor., När han gjorde fysisk känsla av ekvationen som han hade härlett för att beskriva denna fördelning, insåg Planck att det innebar att kombinationer av endast vissa färger (om än ett stort antal av dem) emitterades, speciellt de som var heltalsmultipler av något basvärde. På något sätt kvantifierades färgerna! Detta var oväntat eftersom ljus förstod att fungera som en våg, vilket innebär att färgvärdena ska vara ett kontinuerligt spektrum. Vad kan förbjuda atomer från att producera färgerna mellan dessa heltalsmultiplar?, Detta verkade så konstigt att Planck betraktade kvantifiering som inget annat än ett matematiskt trick. Enligt Helge Kragh i sin 2000-artikel i Physics World magazine,” Max Planck, den motvilliga revolutionären”, ” om en revolution inträffade i fysiken i december 1900, verkade ingen märka det. Planck var inget undantag …”
Plancks ekvation innehöll också ett tal som senare skulle bli mycket viktigt för den framtida utvecklingen av QM; idag är det känt som ”Plancks konstant.”
Quantization hjälpte till att förklara andra fysikens mysterier., I 1907 använde Einstein Plancks hypotes om kvantifiering för att förklara varför temperaturen hos ett fast ämne förändrats med olika mängder om du lägger samma mängd värme i materialet men ändrade starttemperaturen.
sedan början av 1800-talet hade spektroskopiens vetenskap visat att olika element avger och absorberar specifika färger av ljus som kallas ”spektrallinjer.”Även om spektroskopi var en tillförlitlig metod för att bestämma elementen i föremål som avlägsna stjärnor, var forskare förbryllade över varför varje element gav bort de specifika linjerna i första hand., År 1888 härledde Johannes Rydberg en ekvation som beskrev de spektrala linjer som emitterades av väte, men ingen kunde förklara varför ekvationen fungerade. Detta förändrades 1913 när Niels Bohr tillämpade Plancks hypotes om kvantifiering till Ernest Rutherfords 1911 ”planetariska” modell av atomen, som postulerade att elektroner kretsade kärnan på samma sätt som planeter bana solen. Enligt Physics 2000 (en plats från University of Colorado) föreslog Bohr att elektroner var begränsade till ”speciella” banor runt en atomkärna., De kunde ”hoppa” mellan speciella banor, och den energi som produceras av hoppet orsakade specifika färger av ljus, observerade som spektrallinjer. Även om kvantifierade egenskaper uppfanns som men bara ett matematiskt trick, förklarade de så mycket att de blev grundprincipen för QM.
ljuspartiklar?
1905 publicerade Einstein ett papper, ”om en heuristisk synvinkel mot utsläpp och omvandling av ljus”, där han föreställde sig ljus som inte reser som en våg, men som något sätt att ”energikvanta.,”Detta paket av energi, Einstein föreslog, kunde ”absorberas eller genereras endast som helhet”, speciellt när en atom ”hoppar” mellan kvantifierade vibrationshastigheter. Detta skulle också gälla, vilket skulle visas några år senare, när en elektron ”hoppar” mellan kvantifierade banor. Under denna modell innehöll Einsteins ”energikvanta” hoppets energiskillnad; när den dividerades med Plancks konstant bestämde den energiskillnaden ljusets färg som bärs av dessa quanta.,
med detta nya sätt att föreställa sig ljus erbjöd Einstein insikter i beteendet hos nio olika fenomen, inklusive de specifika färger som Planck beskrev som emitteras från en glödlampa. Det förklarade också hur vissa färger av ljus kunde mata ut elektroner från metallytor, ett fenomen som kallas ”fotoelektrisk effekt.”Einstein var dock inte helt berättigad att ta detta steg, säger Stephen Klassen, en docent i fysik vid University of Winnipeg., I ett 2008-dokument, ”den fotoelektriska effekten: rehabilitera historien för fysik klassrummet”, säger Klassen att Einsteins energikvanta inte är nödvändiga för att förklara alla dessa nio fenomen. Vissa matematiska behandlingar av ljus som en våg kan fortfarande beskriva både de specifika färger som Planck beskrev som emitteras från en glödlampa och den fotoelektriska effekten., I Einsteins kontroversiella vinst av Nobelpriset 1921 erkände Nobelkommittén bara ”hans upptäckt av lagen om den fotoelektriska effekten”, som specifikt inte litade på begreppet energikvanta.
ungefär två decennier efter Einsteins papper blev termen” photon ” populariserad för att beskriva energikvanta tack vare Arthur Comptons arbete 1923, som visade att ljuset utspridda av en elektronstråle förändrades i färg. Detta visade att partiklar av ljus (fotoner) verkligen kolliderade med partiklar av materia (elektroner), vilket bekräftar Einsteins hypotes., Vid det här laget var det klart att ljuset kunde bete sig både som en våg och en partikel och placera ljusets ”vågpartikeldualitet” i grunden för QM.
vågor av materia?
sedan upptäckten av elektronen 1896 byggdes långsamt bevis för att all materia existerade i form av partiklar. Ändå gjorde demonstrationen av ljusets vågpartikeldualitet att forskare ifrågasatte huruvida materien var begränsad till att endast fungera som partiklar. Kanske vågpartikel dualitet kan ringa sant för materia också?, Den första forskaren som gjorde betydande framsteg med detta resonemang var en fransk fysiker som heter Louis de Broglie. 1924 använde de Broglie ekvationerna av Einsteins teori om speciell relativitet för att visa att partiklar kan uppvisa vågliknande egenskaper och att vågor kan uppvisa partikelliknande egenskaper. Sedan 1925 tillämpade två forskare, som arbetade självständigt och använde separata linjer av matematiskt tänkande, de Broglies resonemang för att förklara hur elektroner whizzed runt i atomer (ett fenomen som var oförklarligt med hjälp av ekvationerna för klassisk mekanik)., I Tyskland åstadkom fysikern Werner Heisenberg (tillsammans med Max Born och Pascual Jordan) detta genom att utveckla ”matrix mechanics.”Österrikisk fysiker Erwin Schrödinger utvecklade en liknande teori som heter” vågmekanik.”Schrödinger visade 1926 att dessa två tillvägagångssätt var likvärdiga (även om den schweiziska fysikern Wolfgang Pauli skickade ett opublicerat resultat till Jordanien som visade att matrismekaniken var mer komplett).,
Heisenberg-Schrödinger-modellen av atomen, där varje elektron fungerar som en våg (ibland kallad ett ”moln”) runt kärnan i en atom ersatte Rutherford-Bohr-modellen. En bestämmelse i den nya modellen var att ändarna av den våg som bildar en elektron måste mötas. I ” kvantmekanik i kemi, 3rd Ed.”(W. A. Benjamin, 1981), skriver Melvin Hanna, ” införandet av gränsförhållandena har begränsat energin till diskreta värden.,”En följd av denna bestämmelse är att endast hela Antal Kammar och dalar är tillåtna, vilket förklarar varför vissa egenskaper kvantifieras. I Heisenberg-Schrödinger-modellen av atomen lyder elektroner en ” vågfunktion ”och upptar” orbitaler ” snarare än banor. Till skillnad från Rutherford-Bohr-modellens cirkulära banor har atomiska orbitaler en mängd olika former som sträcker sig från sfärer till hantlar till tusenskönor.,
1927 utvecklade Walter Heitler och Fritz London vidare vågmekanik för att visa hur atomiska orbitaler kan kombinera för att bilda molekylära orbitaler, vilket effektivt visar varför atomer binder till varandra för att bilda molekyler. Detta var ännu ett problem som hade varit olösligt med hjälp av matematiken i klassisk mekanik. Dessa insikter gav upphov till området ” kvantkemi.”
osäkerhetsprincipen
även 1927 gjorde Heisenberg ett annat viktigt bidrag till kvantfysik., Han motiverade att eftersom Materia fungerar som vågor är vissa egenskaper, såsom en elektrons position och hastighet, ”kompletterande”, vilket betyder att det finns en gräns (relaterad till Plancks konstant) för hur väl precisionen hos varje egenskap kan vara känd. Enligt vad som skulle komma att kallas ”Heisenbergs osäkerhetsprincip” var det motiverat att ju mer exakt en elektrons position är känd, desto mindre exakt kan dess hastighet vara känd och vice versa. Denna osäkerhetsprincip gäller även för vardagliga föremål, men är inte märkbar eftersom bristen på precision är utomordentligt liten., Enligt Dave Slaven på Morningside Högskola (Sioux City, IA), om en baseball hastighet är kända för att inom en precision på 0,1 km / h, maximal precision som det är möjligt att veta bollens position är 0.000000000000000000000000000008 millimeter.
framåt
principerna för kvantifiering, vågpartikeldualitet och osäkerhetsprincipen inledde en ny era för QM., 1927 tillämpade Paul Dirac en kvantförståelse av elektriska och magnetiska fält för att ge upphov till studien av ”quantum field theory” (QFT), som behandlade partiklar (såsom fotoner och elektroner) som upphetsade tillstånd av ett underliggande fysiskt fält. Arbetet i QFT fortsatte i ett decennium tills forskare slog en vägspärr: många ekvationer i QFT slutade göra fysisk mening eftersom de gav resultat av oändligheten. Efter ett decennium av stagnation gjorde Hans Bethe ett genombrott 1947 med hjälp av en teknik som heter ”renormalisering.,”Här insåg Bethe att alla oändliga resultat relaterade till två fenomen (speciellt ”elektron självenergi” och ”vakuumpolarisering”) så att de observerade värdena för elektronmassa och elektronladdning kan användas för att få alla infiniteter att försvinna.
sedan renormaliseringens genombrott har QFT fungerat som grund för att utveckla kvantteorier om naturens fyra grundläggande krafter: 1) elektromagnetism, 2) den svaga kärnkraften, 3) den starka kärnkraften och 4) gravitationen., Den första insikten från QFT var en kvantbeskrivning av elektromagnetism genom ”quantum electrodynamics” (QED), som gjorde framsteg i slutet av 1940-talet och början av 1950-talet. nästa var en kvantbeskrivning av den svaga kärnkraften, som förenades med elektromagnetism för att bygga ”elektroweakteori” (EWT) under 1960-talet. slutligen kom en kvantbehandling av den starka kärnkraften med hjälp av ”quantum chromodynamics” (QCD) på 1960-och 1970-talet. teorierna om QED, EWT och QCD utgör tillsammans grunden för Standardmodellen för qed, EWT och QCD.partikelfysik., Tyvärr har QFT ännu inte producerat en kvantgravitationsteori. Denna strävan fortsätter idag i studierna av strängteori och loop quantum gravity.
Robert Coolman är doktorand vid University of Wisconsin-Madison och avslutar sin doktorsexamen i kemiteknik. Han skriver om matematik, vetenskap och hur de interagerar med historien. Följ Robert @PrimeViridian. Följ oss @LiveScience, Facebook & Google+.