Was Ist Quantenmechanik?

Quantenmechanik ist der Zweig der Physik in Bezug auf die sehr kleinen.

Dies führt zu möglicherweise sehr seltsamen Schlussfolgerungen über die physische Welt. Auf der Skala von Atomen und Elektronen sind viele Gleichungen der klassischen Mechanik, die beschreiben, wie sich Dinge mit alltäglichen Größen und Geschwindigkeiten bewegen, nicht mehr nützlich. In der klassischen Mechanik existieren Objekte zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort., In der Quantenmechanik existieren Objekte jedoch in einem Dunst der Wahrscheinlichkeit; Sie haben eine gewisse Chance, an Punkt A zu sein, eine andere Chance, an Punkt B zu sein und so weiter.

Drei revolutionäre Prinzipien

Die Quantenmechanik (QM) entwickelte sich über viele Jahrzehnte hinweg als eine Reihe kontroverser mathematischer Erklärungen von Experimenten, die die Mathematik der klassischen Mechanik nicht erklären konnte., Jahrhunderts, etwa zur gleichen Zeit, als Albert Einstein seine Relativitätstheorie veröffentlichte, eine separate mathematische Revolution in der Physik, die die Bewegung der Dinge mit hohen Geschwindigkeiten beschreibt. Im Gegensatz zur Relativitätstheorie können die Ursprünge von QM jedoch keinem Wissenschaftler zugeschrieben werden. Vielmehr trugen mehrere Wissenschaftler zu einer Grundlage von drei revolutionären Prinzipien bei, die zwischen 1900 und 1930 allmählich Akzeptanz und experimentelle Verifikation erlangten., Sie sind:

Quantisierte Eigenschaften: Bestimmte Eigenschaften, wie Position, Geschwindigkeit und Farbe, können manchmal nur in bestimmten Mengen auftreten, ähnlich wie bei einem Zifferblatt, das von Nummer zu Nummer „klickt“. Dies stellte eine grundlegende Annahme der klassischen Mechanik in Frage, die besagte, dass solche Eigenschaften in einem glatten, kontinuierlichen Spektrum existieren sollten. Um die Idee zu beschreiben, dass einige Eigenschaften wie ein Zifferblatt mit bestimmten Einstellungen „angeklickt“ werden, haben Wissenschaftler das Wort „quantisiert“ geprägt.“

Lichtteilchen: Licht kann sich manchmal als Teilchen verhalten., Dies stieß zunächst auf scharfe Kritik, da es im Gegensatz zu 200 Jahren Experimenten verlief, die zeigten, dass sich Licht wie eine Welle benahm.ähnlich wie Wellen auf der Oberfläche eines ruhigen Sees. Das Licht verhält sich insofern ähnlich, als es von Wänden abprallt und sich um Ecken biegt und dass sich die Kämme und Tröge der Welle summieren oder aufheben können. Hinzugefügte Wellenkämme führen zu hellerem Licht, während Wellen, die sich aufheben, Dunkelheit erzeugen. Eine Lichtquelle kann als eine Kugel auf einem Stock betrachtet werden, die rhythmisch in die Mitte eines Sees getaucht wird., Die emittierte Farbe entspricht dem Abstand zwischen den Kämmen, der durch die Geschwindigkeit des Ballrhythmus bestimmt wird.

Wellen der Materie: Materie kann sich auch als Welle verhalten. Dies widersprach den etwa 30 – jährigen Experimenten, die zeigten, dass Materie (wie Elektronen) als Teilchen existiert.

Quantisierte Eigenschaften?

1900 versuchte der deutsche Physiker Max Planck, die Verteilung der über das Spektrum emittierten Farben im Schein von glühenden und weißglühenden Objekten wie Glühbirnenfilamenten zu erklären., Als Planck die Gleichung, die er abgeleitet hatte, um diese Verteilung zu beschreiben, physikalisch verstand, erkannte er, dass Kombinationen nur bestimmter Farben (wenn auch einer großen Anzahl von ihnen) emittiert wurden, insbesondere solcher, die ein Vielfaches eines Basiswerts mit Ganzzahl waren. Irgendwie wurden Farben quantisiert! Dies war unerwartet, da Licht als Welle verstanden wurde, was bedeutet, dass Farbwerte ein kontinuierliches Spektrum sein sollten. Was könnte Atomen verbieten, die Farben zwischen diesen ganzen Vielfachen zu erzeugen?, Dies schien so seltsam, dass Planck die Quantisierung als nichts anderes als einen mathematischen Trick betrachtete. Laut Helge Kragh in seinem 2000-Artikel im Physics World Magazine,“ Max Planck, der widerstrebende Revolutionär“, “ Wenn eine Revolution in der Physik im Dezember 1900 stattfand, schien niemand es zu bemerken. Planck war keine Ausnahme … “

Plancks Gleichung enthielt auch eine Zahl,die später für die zukünftige Entwicklung von QM sehr wichtig werden würde. „

Die Quantisierung half, andere Geheimnisse der Physik zu erklären., Im Jahr 1907 verwendete Einstein Plancks Hypothese der Quantisierung, um zu erklären, warum sich die Temperatur eines Festkörpers um unterschiedliche Mengen änderte, wenn man die gleiche Wärmemenge in das Material gab, aber die Starttemperatur änderte.

Seit den frühen 1800er Jahren hatte die Wissenschaft der Spektroskopie gezeigt, dass verschiedene Elemente spezifische Lichtfarben emittieren und absorbieren, die als „Spektrallinien“ bezeichnet werden.“Obwohl die Spektroskopie eine zuverlässige Methode zur Bestimmung der in Objekten wie entfernten Sternen enthaltenen Elemente war, waren die Wissenschaftler verwirrt darüber, warum jedes Element diese spezifischen Linien überhaupt abgab., Im Jahr 1888 leitete Johannes Rydberg eine Gleichung ab, die die von Wasserstoff emittierten Spektrallinien beschrieb, obwohl niemand erklären konnte, warum die Gleichung funktionierte. Dies änderte sich 1913, als Niels Bohr Plancks Quantisierungshypothese auf Ernest Rutherfords „planetarisches“ Modell des Atoms von 1911 anwandte, das postulierte, dass Elektronen den Kern genauso umkreisten wie Planeten die Sonne umkreisen. Laut Physics 2000 (einem Standort der University of Colorado) schlug Bohr vor, Elektronen auf „spezielle“ Bahnen um den Kern eines Atoms zu beschränken., Sie konnten zwischen speziellen Bahnen „springen“, und die durch den Sprung erzeugte Energie verursachte bestimmte Lichtfarben, die als Spektrallinien beobachtet wurden. Obwohl quantisierte Eigenschaften als bloßer mathematischer Trick erfunden wurden, erklärten sie so viel, dass sie zum Gründungsprinzip von QM wurden.

Lichtteilchen?

Im Jahr 1905, Einstein published a paper „Über einen Heuristic Point of View Toward the Emission and Transformation of Light“, in dem er sah Licht Reisen nicht als Welle, sondern als eine Art „Energie-Quanten.,“Dieses Energiepaket, schlug Einstein vor, könnte „nur als Ganzes absorbiert oder erzeugt werden“, insbesondere wenn ein Atom zwischen quantisierten Schwingungsraten „springt“. Dies würde auch gelten, wie einige Jahre später gezeigt werden würde, wenn ein Elektron zwischen quantisierten Bahnen „springt“. Unter diesem Modell enthielt Einsteins „Energiequanten“ die Energiedifferenz des Sprungs; Wenn sie durch Plancks Konstante geteilt wurde, bestimmte diese Energiedifferenz die Farbe des Lichts, das von diesen Quanten getragen wurde.,

Mit dieser neuen Art, sich Licht vorzustellen, bot Einstein Einblicke in das Verhalten von neun verschiedenen Phänomenen, einschließlich der spezifischen Farben, die Planck beschrieb von einem Glühbirnenfaden emittiert. Es wurde auch erklärt, wie bestimmte Lichtfarben Elektronen von Metalloberflächen ausstoßen können, ein Phänomen, das als „photoelektrischer Effekt“ bekannt ist.“Einstein war jedoch nicht ganz gerechtfertigt, diesen Sprung zu machen, sagte Stephen Klassen, außerordentlicher Professor für Physik an der Universität von Winnipeg., In einer Arbeit von 2008, „The Photoelectric Effect: Rehabilitation der Geschichte für den Physikunterricht“, stellt Klassen fest, dass Einsteins Energiemengen nicht notwendig sind, um all diese neun Phänomene zu erklären. Bestimmte mathematische Behandlungen von Licht als Welle sind immer noch in der Lage, sowohl die spezifischen Farben zu beschreiben, die Planck beschrieben hat, als sie von einem Glühbirnenfaden emittiert wurden, als auch den photoelektrischen Effekt., In der Tat erkannte das Nobelkomitee in Einsteins umstrittenem Nobelpreis von 1921 nur „seine Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effekts“ an, die sich speziell nicht auf den Begriff der Energiequanten stützte.

Ungefähr zwei Jahrzehnte nach Einsteins Papier wurde der Begriff „Photon“ dank der 1923-Arbeit von Arthur Compton, der zeigte, dass Licht, das von einem Elektronenstrahl gestreut wurde, in der Farbe verändert wurde, zur Beschreibung von Energiequanten populär gemacht. Dies zeigte, dass Lichtteilchen (Photonen) tatsächlich mit Materieteilchen (Elektronen) kollidierten, was Einsteins Hypothese bestätigte., Inzwischen war klar, dass sich Licht sowohl als Welle als auch als Teilchen verhalten konnte, wodurch die „Wellen-Teilchen-Dualität“ des Lichts in die Grundlage von QM gestellt wurde.

Wellen der Materie?

Seit der Entdeckung des Elektrons im Jahr 1896 baute sich langsam der Beweis auf, dass alle Materie in Form von Teilchen existierte. Die Demonstration der Wellen-Teilchen-Dualität des Lichts ließ die Wissenschaftler jedoch in Frage stellen, ob die Materie darauf beschränkt war, nur als Teilchen zu wirken. Vielleicht könnte Wellen-Teilchen-Dualität auch für Materie wahr sein?, Der erste Wissenschaftler, der mit dieser Argumentation erhebliche Fortschritte machte, war ein französischer Physiker namens Louis de Broglie. Im Jahr 1924 verwendete de Broglie die Gleichungen von Einsteins Relativitätstheorie, um zu zeigen, dass Teilchen wellenartige Eigenschaften aufweisen können und dass Wellen partikelartige Eigenschaften aufweisen können. Dann im Jahr 1925 wendeten zwei Wissenschaftler, die unabhängig arbeiteten und getrennte Linien des mathematischen Denkens verwendeten, de Broglie ‚ s Argumentation an, um zu erklären, wie Elektronen in Atomen herumwirbelten (ein Phänomen, das mit den Gleichungen der klassischen Mechanik nicht erklärbar war)., In Deutschland hat der Physiker Werner Heisenberg (zusammen mit Max Born und Pascual Jordan) dies durch die Entwicklung der „Matrixmechanik“ erreicht.“Der österreichische Physiker Erwin Schrödinger entwickelte eine ähnliche Theorie namens“ Wellenmechanik.“Schrödinger zeigte 1926, dass diese beiden Ansätze gleichwertig waren (obwohl der Schweizer Physiker Wolfgang Pauli ein unveröffentlichtes Ergebnis nach Jordanien schickte, das zeigte, dass die Matrixmechanik vollständiger war).,

Das Heisenberg-Schrödinger-Modell des Atoms, bei dem jedes Elektron als Welle (manchmal auch als „Wolke“ bezeichnet) um den Kern eines Atoms wirkt, ersetzte das Rutherford-Bohr-Modell. Eine Bestimmung des neuen Modells war, dass die Enden der Welle, die ein Elektron bildet, übereinstimmen müssen. In „Quantum Mechanics in Chemistry, 3rd Ed.“(W. A. Benjamin, 1981), Melvin Hanna schreibt: „Die Auferlegung der Randbedingungen hat die Energie auf diskrete Werte beschränkt.,“Eine Folge dieser Bestimmung ist, dass nur ganze Kämme und Mulden erlaubt sind, was erklärt, warum einige Eigenschaften quantisiert werden. Im Heisenberg-Schrödinger-Modell des Atoms gehorchen Elektronen einer“ Wellenfunktion „und besetzen eher“ Orbitale “ als Umlaufbahnen. Im Gegensatz zu den kreisförmigen Bahnen des Rutherford-Bohr-Modells haben Atomorbitale eine Vielzahl von Formen, die von Kugeln über Hanteln bis hin zu Gänseblümchen reichen.,

Im Jahr 1927 entwickelten Walter Heitler und Fritz London die Wellenmechanik weiter, um zu zeigen, wie Atomorbitale sich zu molekularen Orbitalen verbinden können, um effektiv zu zeigen, warum Atome aneinander binden, um Moleküle zu bilden. Dies war ein weiteres Problem, das mit der Mathematik der klassischen Mechanik unlösbar gewesen war. Diese Erkenntnisse führten zum Bereich der “ Quantenchemie.“

Das Unsicherheitsprinzip

Auch 1927 leistete Heisenberg einen weiteren wichtigen Beitrag zur Quantenphysik., Er argumentierte, dass, da Materie als Wellen wirkt, einige Eigenschaften, wie Position und Geschwindigkeit eines Elektrons, „komplementär“ sind, was bedeutet, dass es eine Grenze (bezogen auf Plancks Konstante) gibt, wie gut die Präzision jeder Eigenschaft bekannt sein kann. Unter dem sogenannten „Heisenbergschen Unsicherheitsprinzip“ wurde argumentiert, dass je genauer die Position eines Elektrons bekannt ist, desto weniger genau kann seine Geschwindigkeit bekannt sein und umgekehrt. Dieses Unsicherheitsprinzip gilt auch für alltagsgroße Objekte, fällt aber nicht auf, weil die mangelnde Präzision außerordentlich klein ist., Laut Dave Slaven vom Morningside College (Sioux City, IA) beträgt die maximale Präzision, bis zu der die Position des Balls bekannt ist, 0,0000000000000000000000000008 Millimeter, wenn die Geschwindigkeit eines Baseballs innerhalb einer Genauigkeit von 0,1 mph liegt.

Weiter

Die Prinzipien Quantisierung, Welle-Teilchen-Dualität und das Unsicherheitsprinzip leiteten eine neue Ära für QM ein., Im Jahr 1927 wandte Paul Dirac ein Quantenverständnis elektrischer und magnetischer Felder an, um die „Quantenfeldtheorie“ (QFT) zu untersuchen, die Teilchen (wie Photonen und Elektronen) als angeregte Zustände eines zugrunde liegenden physikalischen Feldes behandelte. Die Arbeit in QFT dauerte ein Jahrzehnt, bis Wissenschaftler eine Straßensperre erreichten: Viele Gleichungen in QFT machten keinen physischen Sinn mehr, weil sie Ergebnisse der Unendlichkeit produzierten. Nach einem Jahrzehnt der Stagnation gelang Hans Bethe 1947 mit einer Technik namens „Renormalisierung“ der Durchbruch.,“Hier erkannte Bethe, dass alle unendlichen Ergebnisse mit zwei Phänomenen zusammenhängen (insbesondere „Elektronenselbstenergie“ und „Vakuumpolarisation“), so dass die beobachteten Werte von Elektronenmasse und Elektronenladung verwendet werden konnten, um alle Unendlichkeiten verschwinden zu lassen.

Seit dem Durchbruch der Renormalisierung dient QFT als Grundlage für die Entwicklung von Quantentheorien über die vier Grundkräfte der Natur: 1) Elektromagnetismus, 2) die schwache Kernkraft, 3) die starke Kernkraft und 4) Schwerkraft., Die erste Erkenntnis von QFT war eine Quantenbeschreibung des Elektromagnetismus durch die „Quantenelektrodynamik“ (QED), die in den späten 1940er und frühen 1950er Jahren Fortschritte machte. Als nächstes folgte eine Quantenbeschreibung der schwachen Kernkraft, die mit dem Elektromagnetismus vereinheitlicht wurde, um in den 1960er und 1970er Jahren eine „elektroschwache Theorie“ (EWT) aufzubauen. Schließlich kam eine Quantenbehandlung der starken Kernkraft unter Verwendung der „Quantenchromodynamik“ (QCD). Die Theorien von QED, EWT und QCD bilden zusammen die Grundlage des Standardmodells der Teilchenchromodynamik (QCD) in den 1960er und 1970er Jahren.physik., Leider hat QFT noch eine Quantentheorie der Schwerkraft zu produzieren. Diese Suche setzt sich heute in den Studien der Stringtheorie und der Schleifenquantengravitation fort.

Robert Coolman ist Doktorand an der University of Wisconsin-Madison und promoviert in Chemieingenieurwesen. Er schreibt über Mathematik, Wissenschaft und wie sie mit der Geschichte interagieren. Folgen Sie Robert @PrimeViridian. Folgen Sie uns @LiveScience, Facebook & Google+.