Какво Е Квантовата Механика?

{h1}

Квантовата механика е основата на научните закони, които описват щурото поведение на фотоните, електроните и другите частици, съставляващи вселената.

Квантовата механика е отрасъл на физиката, свързан с много малкия.

Това води до това, което може да изглежда някои много странни заключения за физическия свят. В мащаба на атомите и електроните много от уравненията на класическата механика, които описват как нещата се движат с всекидневни размери и скорости, престават да бъдат полезни. В класическата механика предметите съществуват на определено място в определено време. В квантовата механика обаче обектите вместо това съществуват в мъгла на вероятността; те имат определен шанс да бъдат в точка А, друг шанс да бъдат в точка Б и така нататък.

Три революционни принципа

Квантовата механика (QM) се развива в продължение на много десетилетия, като започва като набор от противоречиви математически обяснения на експерименти, които математиката на класическата механика не може да обясни. Тя започна в началото на 20-ти век, приблизително по същото време, когато Алберт Айнщайн публикува своята теория на относителността, отделна математическа революция във физиката, която описва движението на нещата с висока скорост. За разлика от относителността обаче, произходът на QM не може да бъде приписан на нито един учен. По-скоро множество учени допринесоха за изграждането на три революционни принципа, които постепенно получиха приемане и експериментална проверка между 1900 и 1930 г. Те са:

Квантовани свойства: Някои свойства, като позиция, скорост и цвят, понякога могат да се появят само в определени, зададени количества, подобно на циферблат, който „кликва“ от число на число. Това оспорва фундаменталното предположение на класическата механика, която казва, че такива свойства трябва да съществуват в гладък, непрекъснат спектър. За да опишат идеята, че някои свойства „щракнаха“ като циферблат със специфични настройки, учените измислиха думата „количествено“.

Частици светлина: Понякога светлината може да се държи като частица. Първоначално това беше посрещнато с остра критика, тъй като противоречи на 200 години експерименти, показващи, че светлината се държи като вълна; много като пулсации по повърхността на спокойно езеро. Светлината се държи по подобен начин, тъй като отскача от стените и се огъва около ъглите и че гребените и коритата на вълната могат да се добавят или отменят. Добавените гребени на вълната водят до по-ярка светлина, докато вълните, които отменят, създават тъмнина. Източник на светлина може да се мисли като топка върху пръчка, ритмично потопена в центъра на езерото. Излъченият цвят съответства на разстоянието между гребените, което се определя от скоростта на ритъма на топката.

Вълни от материя: Материята може да се държи и като вълна. Това противоречи на приблизително 30-те години експерименти, показващи, че материята (като електроните) съществува като частици.

Квантовани свойства?

През 1900 г. немският физик Макс Планк се опитва да обясни разпределението на цветовете, излъчвани по спектъра в сиянието на червено-горещи и бели нажежени предмети, като нажежаеми жички. Когато осмисляше уравнението, което беше изведено, за да опише това разпределение, Планк осъзнава, че предполага, че се излъчват комбинации от само определени цветове (макар и голям брой от тях), по-специално тези, които са кратно число кратни от някаква базова стойност. Някак си цветовете бяха квантовани! Това беше неочаквано, тъй като се разбираше, че светлината действа като вълна, което означава, че стойностите на цвета трябва да бъдат непрекъснат спектър. Какво би могло да забрани атомите да произвеждат цветовете между тези кратни числа? Това изглеждаше толкова странно, че Планк смяташе квантоването за нищо повече от математически трик. Според Хелге Краг в своята статия от 2000 г. в списание Physics World, "Макс Планк, необезпокояващият революционер", "Ако революцията се случи във физиката през декември 1900 г., никой сякаш не я забелязва. Планк не е изключение..."

Уравнението на Планк също съдържа число, което по-късно ще стане много важно за бъдещото развитие на QM; днес той е известен като "Константата на Планк".

Квантоването помогна да се обяснят други мистерии на физиката. През 1907 г. Айнщайн използва хипотезата на Планк за квантоване, за да обясни защо температурата на твърдо вещество се променя с различни количества, ако поставите същото количество топлина в материала, но промените началната температура.

От началото на 1800 г. науката за спектроскопията показва, че различни елементи излъчват и абсорбират специфични цветове светлина, наречени „спектрални линии“. Въпреки че спектроскопията беше надежден метод за определяне на елементите, съдържащи се в обекти като далечни звезди, учените бяха озадачени защо всеки елемент излъчваше тези специфични линии на първо място. През 1888 г. Йоханес Ридберг извежда уравнение, което описва спектралните линии, излъчвани от водорода, въпреки че никой не може да обясни защо уравнението работи. Това се промени през 1913 г., когато Нилс Бор прилага хипотезата на Планк за квантоване към „планетарния“ модел на атома на Ернест Ръдърфорд от 1911 г., който постулира, че електроните обикалят около ядрото по същия начин, по който планетите обикалят около слънцето. Според Physics 2000 (сайт от Университета в Колорадо), Бор предлага електроните да бъдат ограничени до "специални" орбити около ядрото на атома. Те биха могли да „скачат“ между специални орбити, а енергията, произведена от скока, предизвикваше специфични цветове светлина, наблюдавани като спектрални линии. Въпреки че количествените свойства са измислени като просто математически трик, те обясниха толкова много, че се превърнаха в основополагащ принцип на QM.

Частици светлина?

През 1905 г. Айнщайн публикува статия „Относно евристичната гледна точка към излъчването и преобразуването на светлината“, в която той предвиждаше светлината да пътува не като вълна, а като някакъв вид „енергийна кванта“. Този пакет енергия, според Айнщайн, би могъл „да бъде абсорбиран или генериран само като цяло“, по-специално когато един атом „скача“ между квантованите вибрационни скорости. Това би се прилагало, както би било показано няколко години по-късно, когато един електрон „прескача“ между квантови орбити. При този модел „енергийната кванта“ на Айнщайн съдържа енергийната разлика на скока; когато се дели на константата на Планк, тази енергийна разлика определя цвета на светлината, носена от тези кванти.

По този нов начин да се предвиди светлина, Айнщайн предложи поглед върху поведението на девет различни явления, включително специфичните цветове, които Планк описа, че се излъчват от нажежаема жичка. Той също така обясни как определени цветове светлина могат да изхвърлят електрони от метални повърхности, явление, известно като „фотоелектрически ефект“. Въпреки това Айнщайн не беше напълно оправдан да предприеме този скок, заяви Стивън Класен, доцент по физика в Университета в Уинипег. В документ от 2008 г. „Фотоелектрическият ефект: възстановяване на историята за учебната стая по физика“, Класен заявява, че енергийните кванти на Айнщайн не са необходими за обясняване на всичките тези девет феномена. Някои математически обработки на светлината като вълна все още са в състояние да опишат както специфичните цветове, описани от Планк, излъчвани от нажежаемата крушка, така и фотоелектричния ефект. В действителност, при противоречивото спечелване на Айнщайн на Нобеловата награда от 1921 г. Нобеловият комитет признава само „откритието си на закона за фотоелектрическия ефект“, който конкретно не разчита на понятието енергийна кванта.

Приблизително две десетилетия след книгата на Айнщайн, терминът "фотон" е популяризиран за описване на енергийните кванти, благодарение на работата на Артур Комптън от 1923 г., който показа, че светлината, разпръсната от електронен лъч, се променя в цвета си. Това показа, че частиците светлина (фотони) наистина се сблъскват с частици от материята (електрони), като по този начин потвърждават хипотезата на Айнщайн. Досега беше ясно, че светлината може да се държи и като вълна, и като частица, поставяйки „двойствеността на вълната-частици“ на светлината в основата на QM.

Вълни от материя?

След откриването на електрона през 1896 г. доказателства, че цялата материя съществува под формата на частици, бавно се изграждат. Все пак демонстрацията на двойствеността на светлинните вълни-частици накара учените да се поставят под въпрос дали материята е ограничена до действие само като частици. Може би двойността вълна-частици може да звъни и за материята? Първият учен, който направи значителна крачка с тези разсъждения, беше френският физик на име Луи дьо Бройл. През 1924 г. де Бройли използва уравненията на теорията на Айнщайн за специална относителност, за да покаже, че частиците могат да проявяват вълнообразни характеристики и че вълните могат да проявяват характеристики, подобни на частици. След това през 1925 г. двама учени, работещи независимо и използвайки отделни линии на математическото мислене, прилагат разсъжденията на де Бройли, за да обяснят как електроните свирят наоколо в атомите (явление, което е необяснимо с помощта на уравненията на класическата механика). В Германия физикът Вернер Хайзенберг (съвместно с Макс Роден и Паскуал Джордан) постигна това чрез разработване на "матрична механика". Австрийският физик Ервин Шрьодингер разработи подобна теория, наречена "вълнова механика". Шрьодингер показа през 1926 г., че тези два подхода са еквивалентни (въпреки че швейцарският физик Волфганг Паули изпрати непубликуван резултат до Йордания, показвайки, че матричната механика е по-пълна).

Моделът на Хайзенберг-Шрьодингер на атома, при който всеки електрон действа като вълна (понякога наричана "облак") около ядрото на атом, замени модела на Ръдърфорд-Бор. Едно от условията на новия модел беше, че краищата на вълната, която образува електрон, трябва да срещнат. В "Квантова механика в химията, 3-то изд." (W.A. Benjamin, 1981), Мелвин Хана пише: „Налагането на граничните условия е ограничило енергията до дискретни стойности“. Последица от тази разпоредба е, че са разрешени само цели количества гребени и корита, което обяснява защо някои свойства се квантуват. В модела на Хайзенберг-Шрьодингер на атома електроните се подчиняват на "вълнова функция" и заемат "орбитали", а не орбити. За разлика от кръговите орбити на модела Ръдърфорд-Бор, атомните орбитали имат най-различни форми, вариращи от сфери до дъмбели до маргаритки.

През 1927 г. Уолтър Хайтлер и Фриц Лондон доразвиват вълновата механика, за да покажат как атомните орбитали могат да се комбинират, за да образуват молекулярни орбитали, показвайки ефективно защо атомите се свързват един с друг, за да образуват молекули. Това беше още един проблем, който беше неразрешим с помощта на математиката на класическата механика. Тези прозрения породиха полето на „квантовата химия“.

Принципът на несигурност

Също през 1927 г. Хайзенберг прави друг голям принос за квантовата физика. Той аргументира, че тъй като материята действа като вълни, някои свойства, като положение и скорост на електрон, са "допълващи се", което означава, че има ограничение (свързано с константата на Планк) до това колко добре може да се знае точността на всяко свойство. Съгласно това, което би било наречено „принцип на несигурността на Хайзенберг“, беше аргументирано, че колкото по-точно е известно положението на електрона, толкова по-малко може да се знае неговата скорост и обратно. Този принцип на несигурност се прилага и за обекти с всекидневен размер, но не се забелязва, тъй като липсата на точност е изключително мъничка. Според Дейв Славен от Morningside College (Sioux City, IA), ако скоростта на бейзбола е известна с точност до 0,1 мили / ч, максималната точност, до която е възможно да се знае позицията на топката, е 0,000000000000000000000000000008 милиметра.

напред

Принципите на квантоването, двойствеността на вълните-частици и принципа на несигурността поставиха началото на нова ера за QM. През 1927 г. Пол Дирак прилага квантово разбиране на електрически и магнитни полета, за да породи изследването на "квантовата теория на полето" (QFT), която третира частици (като фотони и електрони) като възбудени състояния на основното физическо поле. Работата в QFT продължи десетилетие, докато учените не се удариха в препятствие: Много уравнения в QFT престанаха да имат физически смисъл, защото дадоха резултати от безкрайност. След десетилетие на стагнация Ханс Бете направи пробив през 1947 г., използвайки техника, наречена „пренормализиране“. Тук Бете осъзна, че всички безкрайни резултати, свързани с две явления (по-специално „електронна самоенергия“ и „вакуумна поляризация“), така че наблюдаваните стойности на електронната маса и електронния заряд могат да бъдат използвани, за да изчезнат всички безкрайности.

След пробива на пренормализацията QFT послужи като основа за разработването на квантови теории за четирите основни сили на природата: 1) електромагнетизъм, 2) слаба ядрена сила, 3) силна ядрена сила и 4) гравитация. Първата представа, предоставена от QFT, беше квантово описание на електромагнетизма чрез „квантовата електродинамика“ (QED), която направи крачка в края на 40-те и началото на 50-те години. Следваше квантово описание на слабата ядрена сила, която беше обединена с електромагнетизма, за да се изгради „теория за електрослабването“ (EWT) през 60-те години. Най-накрая се стигна до квантово лечение на силната ядрена сила с помощта на „квантова хромодинамика“ (QCD) през 60-те и 70-те години. Теориите на QED, EWT и QCD заедно формират основата на Стандартния модел на физика на частиците. За съжаление, QFT все още не е създал квантова теория на гравитацията. Това търсене продължава и днес в проучванията на теорията на струните и квантовата гравитация на веригата.

Робърт Coolman е дипломиран изследовател в Университета на Уисконсин-Мадисън, завършва своя докторска степен. в химическото инженерство. Той пише за математиката, науката и как те взаимодействат с историята. Следвайте Робърт @PrimeViridian, Последвай ни @wordssidekick, Facebook.

Допълнителни ресурси

  • Това видео за TED-Ed обяснява принципа на несигурността на Хайзенберг.
  • Вземете онлайн курс по квантова физика I от Масачузетския технологичен институт.
  • Научете повече за квантовия механичен модел на атома и как той се различава от модела на Ръдърфорд-Борс.


Видео Добавка: Квантови компютри.




Изследване


Откровена Камера: Shark Gulps Друга Акула Цяло
Откровена Камера: Shark Gulps Друга Акула Цяло

Защо Тези Водни Биволи Са Покрити С Мънички Жаби?
Защо Тези Водни Биволи Са Покрити С Мънички Жаби?

Наука Новини


Още Големи Урагани, Идващи През Този Век
Още Големи Урагани, Идващи През Този Век

Облеклата, Третирани С Покритие „Горещи Крака“, Могат Да Удържат Кърлежи Далеч
Облеклата, Третирани С Покритие „Горещи Крака“, Могат Да Удържат Кърлежи Далеч

Как Пукнатината На Врата Остави Жена Частично Парализирана?
Как Пукнатината На Врата Остави Жена Частично Парализирана?

"Мъртво" Дълбоко Море Отдушва С Живот

Amx-30 Основен Боен Танк
Amx-30 Основен Боен Танк


BG.WordsSideKick.com
Всички Права Запазени!
Възпроизвеждането На Използваните Материали Оставя Само Prostanovkoy Активна Връзка Към Сайта BG.WordsSideKick.com

© 2005–2019 BG.WordsSideKick.com