Glavni Reference Kaj je kvantna mehanika?

Kaj je kvantna mehanika?

Abstraktna slika kvantne verjetnosti_agsandrew prek Shutterstocka

Abstraktna podoba kvantne verjetnosti. (Zasluge za sliko: agsandrew prek Shutterstock)

Skočiti:

Kvantna mehanika je podpodročje fizike, ki opisuje obnašanje delcev — atomi , elektroni, fotoni in skoraj vse na molekularnem in submolekularnem področju.

Rezultati kvantne mehanike, ki so bili razviti v prvi polovici 20. stoletja, so pogosto izjemno čudni in nasprotni intuiciji.

Kako se kvantna mehanika razlikuje od klasične fizike?

Na ravni atomov in elektronov so številne enačbeklasična mehanika, ki opisujejo gibanje in interakcije stvari pri vsakdanjih velikostih in hitrostih, prenehajo biti uporabni.

V klasični mehaniki predmeti obstajajo na določenem mestu in na določenem mestu čas . V kvantni mehaniki predmeti namesto tega obstajajo v meglici verjetnosti; imajo določeno možnost, da so na točki A, drugo možnost, da so na točki B in tako naprej.

Kdaj je bila razvita kvantna mehanika?

Kvantna mehanika se je razvijala več desetletij, začela pa se je kot niz kontroverznih matematičnih razlag za poskuse, ki jih jematematikaklasične mehanike ni znal pojasniti, glede na Univerza St. Andrews na Škotskem (odpre se v novem zavihku). Začelo se je na prelomu 20. stoletja, približno v istem času Albert Einstein objavil svojeteorija relativnosti, ločena revolucija v fiziki, ki opisuje gibanje stvari pri visokih hitrostih. Za razliko od teorije relativnosti pa izvora kvantne mehanike ni mogoče pripisati enemu samemu znanstveniku. Namesto tega je več znanstvenikov prispevalo k ustanovi, ki je med poznimi 1800-imi in 1930-imi postopoma postala sprejeta in eksperimentalno potrjena.

Leta 1900 je nemški fizik Max Planck poskušal razložiti, zakaj predmeti pri določenih temperaturah, kot je 1470 stopinj Fahrenheita (800 stopinj Celzija) žarilna nitka žarnice, svetijo v določeni barvi - v tem primeru rdeče, glede na Inštitut Perimeter (odpre se v novem zavihku). Planck je spoznal, da bi lahko enačbe, ki jih je uporabil fizik Ludwig Boltzmann za opis obnašanja plinov, prevedli v razlago za to razmerje med temperaturo in barvo. Težava je bila v tem, da je Boltzmannovo delo temeljilo na dejstvu, da je bil vsak dani plin narejen iz drobnih delcev, kar pomeni, da je bila tudi svetloba narejena iz diskretnih bitov.

Ta ideja je bila v nasprotju s takratnimi idejami o svetlobi, ko je večina fizikov verjela, da je svetloba neprekinjen val in ne majhen paket. Planck sam ni verjel niti v atome niti v ločene koščke svetlobe, vendar je njegov koncept dobil zagon leta 1905, ko je Einstein objavil članek, ' O hevrističnem pogledu na emisijo in transformacijo svetlobe. (odpre se v novem zavihku)'

Einstein si je zamislil, da svetloba ne potuje kot valovanje, ampak kot nekakšen 'energijski kvant'. Einstein je v svojem prispevku predlagal, da bi ta paket energije lahko 'absorbirali ali ustvarili samo kot celoto', zlasti ko atom 'skače' med kvantiziranimi stopnjami vibracij. Od tod izvira 'kvantni' del kvantne mehanike.

S tem novim načinom pojmovanja svetlobe je Einstein ponudil vpogled v obnašanje devetih pojavov v svojem članku, vključno s posebnimi barvami, ki jih je Planck opisal kot oddajanje žarilne nitke. Pojasnilo je tudi, kako lahko nekatere barve svetlobe izbijejo elektrone s kovinskih površin – pojav, znan kotfotoelektrični učinek.

Kaj je dualnost val-delec?

Uklon svetlobe. Eksperiment z dvojno režo. Youngova teorija svetlobnih valov.

Tukaj je diagram eksperimenta z dvojno režo, kjer elektroni proizvajajo valovni vzorec, ko uporabimo dve reži.(Zasluge za sliko: grayjay prek Shutterstock)

(odpre se v novem zavihku)

V kvantni mehaniki lahko delci včasih obstajajo kot valovi in ​​včasih obstajajo kot delci. To je najbolj znano videti v eksperimentu z dvojno režo, kjer se delci, kot so elektroni, izstrelijo na ploščo z dvema zarezama, za katerima sedi zaslon, ki zasveti, ko vanj zadene elektron. Če bi bili elektroni delci, bi ustvarili dve svetli črti na mestu, kjer so udarili v zaslon po prehodu skozi eno ali drugo režo priljubljen članek v Nature (odpre se v novem zavihku).

Namesto tega se med izvedbo poskusa na zaslonu oblikuje interferenčni vzorec. Ta vzorec temnih in svetlih pasov je smiseln le, če so elektroni valovi z vrhovi (visokimi točkami) in padci (nizkimi točkami), ki lahko motijo ​​drug drugega. Tudi ko je en sam elektron izstreljen skozi reže naenkrat, se pokaže interferenčni vzorec - učinek, podoben motenju enega samega elektrona.

Leta 1924 je francoski fizik Louis de Broglie uporabil Einsteinove enačbe. teorija posebne relativnosti (odpre se v novem zavihku)pokazati, da lahko delci kažejo lastnosti, podobne valovom, in da lahko valovi kažejo značilnosti, podobne delcem – ugotovitev, za katero čez nekaj let je prejel Nobelovo nagrado (odpre se v novem zavihku).

Kako kvantna mehanika opisuje atome?

V 1910-ih je danski fizik Niels Bohr poskušal opisati notranjo strukturo atomov z uporabo kvantne mehanike. Do te točke je bilo znano, da je atom sestavljen iz težkega, gostega, pozitivno nabitega jedra, obdanega z rojem drobnih, lahkih, negativno nabitih elektronov. Bohr je postavil elektrone v orbite okoli jedra, npr planeti (odpre se v novem zavihku)v subatomskem sončnem sistemu, le da bi lahko imeli samo določene vnaprej določene orbitalne razdalje. S preskokom iz ene orbite v drugo lahko atom sprejema ali oddaja sevanje pri določenih energijah, kar odraža njihovo kvantno naravo.

Kmalu zatem sta dva znanstvenika, ki sta delala neodvisno in uporabljala ločene linije matematičnega razmišljanja, ustvarila popolnejšo kvantno sliko atoma, glede na American Physical Society (odpre se v novem zavihku). V Nemčiji je fizik Werner Heisenberg to dosegel z razvojem 'matrične mehanike'. Avstrijsko-irski fizik Erwin Schrödinger je razvil podobno teorijo, imenovano 'valovna mehanika'. Schrödinger je leta 1926 pokazal, da sta ta dva pristopa enakovredna.

Heisenberg-Schrödingerjev model atoma, v katerem vsak elektron deluje kot val okoli jedra atoma, je nadomestil prejšnji Bohrov model. V Heisenberg-Schrödingerjevem modelu atoma so elektroni poslušni 'valovni funkciji' in zasedajo 'orbitale' namesto orbit. Za razliko od krožnih orbit Bohrovega modela imajo atomske orbite različne oblike, od krogel do uteg do marjetic. razlagalno spletno mesto kemika Jima Clarka (odpre se v novem zavihku).

Kaj je paradoks Schrödingerjeve mačke?

Schrödingerjeva mačkaje pogosto napačno razumljen miselni eksperiment, ki opisuje pomisleke, ki so jih nekateri zgodnji razvijalci kvantne mehanike imeli glede njegovih rezultatov. Medtem ko so Bohr in mnogi njegovi učenci verjeli, da kvantna mehanika nakazuje, da delci nimajo dobro definiranih lastnosti, dokler jih ne opazujemo, Schrödinger in Einstein nista mogla verjeti takšni možnosti, ker bi vodila do smešnih zaključkov o naravi realnosti. Leta 1935 je Schrödinger predlagal eksperiment, v katerem bi bilo življenje ali smrt mačke odvisno od naključnega obrata kvantnega delca, katerega stanje bi ostalo nevidno, dokler ne bi odprli škatle. Schrödinger je upal, da bo pokazal absurdnost Bohrovih idej s primerom iz resničnega sveta, ki je bil odvisen od verjetnostne narave kvantnega delca, vendar je dal nesmiseln rezultat.

V skladu z Bohrovo interpretacijo kvantne mehanike je mačka, dokler škatla ni bila odprta, obstajala v nemogočem dvojnem položaju, da je hkrati živa in mrtva. (Nobena dejanska mačka še nikoli ni bila podvržena temu poskusu.) Tako Schrödinger kot Einstein sta verjela, da je to pomagalo dokazati, dakvantna mehanika je bila nepopolna teorijain bi ga sčasoma nadomestil tisti, ki bi bil v skladu z običajnimi izkušnjami.

Umetnik

Konceptualno umetniško delo para zapletenih kvantnih delcev ali dogodkov (levo in desno), ki medsebojno delujejo na daljavo. Kvantna prepletenost je ena od posledic kvantne teorije. Zdi se, da sta dva delca povezana v prostoru in času, pri čemer spremembe enega od delcev (kot je opazovanje ali meritev) vplivajo na drugega. Zdi se, da je ta trenutni učinek neodvisen od prostora in časa, kar pomeni, da je v kvantnem kraljestvu učinek lahko pred vzrokom.(Zasluge za sliko: MARK GARLICK/ZNANSTVENA KNJIŽNICA FOTOGRAFIJ prek Getty Images)

(odpre se v novem zavihku)

Schrödinger in Einstein sta pomagala izpostaviti še en nenavaden rezultat kvantne mehanike, ki ga nobeden ni mogel popolnoma dojeti. Leta 1935 je Einstein skupaj s fizikoma Borisom Podolskim in Nathanom Rosenom pokazal, da je mogoče dva kvantna delca nastaviti tako, da bosta njuni kvantni stanji med seboj vedno korelirani. Stanfordska enciklopedija filozofije (odpre se v novem zavihku). Delci so v bistvu vedno vedeli za lastnosti drug drugega. To pomeni, da bi vam merjenje stanja enega delca v trenutku povedalo stanje njegovega dvojčka, ne glede na to, kako daleč sta narazen, rezultat, ki ga je Einstein imenoval grozljivo delovanje na daljavo, vendar ga je Schrödinger kmalu poimenoval ' zapletanje .'

Izkazalo se je, da je prepletenost eden najpomembnejših vidikov kvantne mehanike in se v resničnem svetu pojavlja ves čas. Raziskovalci pogosto izvajajo poskuse z uporabo kvantne prepletenosti in ta pojav je del osnove za nastajajoče področjekvantno računalništvo.

Ali sta kvantna mehanika in splošna relativnost nezdružljivi?

Trenutno fiziki nimajo popolne razlage za vse opazovane delce in sile v vesolju, ki jo pogosto imenujemo teorija vsega. Einsteinova relativnost opisuje velike in masivne stvari, medtem ko kvantna mehanika opisuje majhne in nebistvene stvari. Teoriji nista ravno nezdružljivi, a nihče ne ve, kako ju uskladiti.

Mnogi raziskovalci so iskali teorijo kvantne gravitacije, ki bi uvedla gravitacijo v kvantno mehaniko in razložila vse od subatomskih do supergalaktičnih sfer. Obstaja veliko predlogov, kako to narediti, na primer izum hipotetičnega kvantnega delca za gravitacijo, imenovanega graviton, vendar doslej nobena ena sama teorija ni bila sposobna ustrezati vsem opazovanjem objektov v našem vesolju. Drug priljubljen predlog, teorija strun, ki domneva, da so najbolj temeljne entitete drobne strune, ki vibrirajo v številnih dimenzijah, so fiziki začeli postajati vse manj sprejeti, saj je bilo odkritih malo dokazov v njen prid. Tudi drugi raziskovalci so delali na teorijah, ki vključujejo zančna kvantna gravitacija (odpre se v novem zavihku), v katerem tako čas kot prostor prihajata v diskretnih, majhnih kosih, vendar do zdaj še nobena ideja ni uspela pridobiti večjega uveljavitve v skupnosti fizikov.

Ta članek je prvotno napisal sodelavec Live Science Robert Coolman, posodobil pa ga je Adam Mann 2. marca 2022.

Bibliografija

Bow, E. (2019, 19. junij). Hitra kvantna zgodovina žarnice. Znotraj oboda https://insidetheperimeter.ca/quick-quantum-history-of-the-light-bulb/ (odpre se v novem zavihku)

Clark, J. (2021, maj). Atomske orbitale . https://www.chemguide.co.uk/atoms/properties/atomorbs.html (odpre se v novem zavihku)

Coolman, R. (2014, 11. september). Kaj je klasična mehanika? Znanost v živo.https://www.livescience.com/47814-classical-mechanics.html

O'Connor, J. J. in Robertson, E. F. (1996, maj). Zgodovina kvantne mehanike. https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/HistTopics/The_Quantum_age_begins/ (odpre se v novem zavihku)

Einstein, A. (1905). S hevrističnega vidika proizvodnje in transformacije svetlobe . Annals of Physics. https://einsteinpapers.press.princeton.edu/vol2-trans/100 (odpre se v novem zavihku)

Mann, A. (28. februar 2020) Schrodingerjeva mačka: najljubši nerazumljeni hišni ljubljenček kvantne mehanike . Znanost v živo.https://www.livescience.com/schrodingers-cat.html

Mann, A. (29. avgust 2019) Kaj je teorija vsega ? Space.com. https://www.space.com/theory-of-everything-definition.html (odpre se v novem zavihku)

Moskowitz, C. (2012, 25. marec). Največje molekule se v kvantnem eksperimentu z dvojno režo obnašajo kot valovi . Znanost v živo.https://www.livescience.com/19268-quantum-double-slit-experiment-largest-molecules.html

Schirber, M. (2019, 9. julij). Kaj je relativnost? Znanost v živo.https://www.livescience.com/32216-what-is-relativity.html

Nobelova nagrada (n.d.). Louis de Broglie dejstva. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1929/broglie/facts/ (odpre se v novem zavihku)

Tretkoff, E. (2008, februar). Ta mesec v zgodovini fizike: februar 1927 Heisenbergovo načelo negotovosti . Ameriško fizikalno društvo. https://www.aps.org/publications/apsnews/200802/physicshistory.cfm (odpre se v novem zavihku)

Wood, C. (2019, 27. avgust). Kaj je kvantna gravitacija? Space.com. https://www.space.com/quantum-gravity.html (odpre se v novem zavihku)

Zanimivi Članki