Articles

kvanttiteoria, lähestymistapa maailmankaikkeuteen todennäköisesti

Posted by admin

 kvanttiteoria, lähestymistapa maailmankaikkeuteen todennäköisesti

kvanttiteoria on yksi modernin fysiikan peruspilareista. Se on teoria, joka tuo yhteen matemaattisen ja käsitteellisen formalismin, ja kerää joukon uusia ideoita, jotka on otettu käyttöön koko vuosisadan ensimmäisen kolmanneksen aikana, selittämään prosesseja, joiden ymmärrys oli ristiriidassa nykyisten fysikaalisten käsitysten kanssa.

kvanttiteorian perustana olevat ajatukset nousivat esiin vaihtoehtona, kun yritettiin selittää niiden järjestelmien käyttäytymistä, joissa klassisen fysiikan käsitteellinen laitteisto oli riittämätön. Toisin sanoen joukko empiirisiä havaintoja, joiden selittämistä ei voitu käsitellä olemassa olevilla menetelmillä, johti uusien ajatusten syntyyn.

on korostettava voimakasta vastakkainasettelua, joka syntyi kvanttifysiikan ja siihen asti voimassa olleiden ajatusten, vaikkapa klassisen fysiikan, välillä. Tämä on vielä akuutti, jos otetaan huomioon merkittävä kokeellinen menestys, että nämä olivat osoittaneet koko yhdeksännentoista vuosisadan, pohjimmiltaan vedoten Newtonin mekaniikka ja Maxwell ’ s sähkömagneettinen teoria (1865).

”kaksi pientä pilveä”

tiedeyhteisön tyytyväisyyden aste oli sellainen, että jotkut fyysikot, mukaan lukien yksi yhdeksännentoista vuosisadan maineikkaimmista, William Thompson (Lordi Kelvin), menivät niin pitkälle, että sanoivat:

nykyään fysiikka muodostaa pohjimmiltaan täydellisen harmonisen kokonaisuuden, käytännössä valmiin kokonaisuuden! … On vielä ”kaksi pientä pilveä”, jotka hämärtävät tämän sarjan loiston. Ensimmäinen on Michelsonin-Morleyn kokeen negatiivinen tulos. Toinen on kokemuksen ja Rayleigh-Jeansin lain väliset syvälliset ristiriidat.

ensimmäisen näistä ”kahdesta pilvestä” hajoaminen johti siihen, että Einstein (1905) loi erityisen suhteellisuusteorian eli romahdutti absoluuttisen avaruuden ja ajan käsitteet ja omisti Newtonin mekaniikan, ja otti käyttöön ”relativismin” todellisuuden fysikaalisessa kuvauksessa. Toinen ”pieni pilvi” purki ensimmäisten kvanttiajatusten myrskyn saksalaisen fyysikon Max Planckin (1900) ansiosta.

kvanttiteorian alkuperä

mitä Rayleigh-Jeans (1899) tarkoitti näin epäonnisella tavalla selitettäväksi? Fysikaalinen ilmiö, jota kutsutaan mustan kappaleen säteilyksi, eli prosessi, joka kuvaa aineen ja säteilyn vuorovaikutusta, tapaa, jolla aine vaihtaa energiaa, emittoiden tai absorboiden sitä, säteilylähteen kanssa. Rayleigh-Jeansin lain lisäksi oli kuitenkin olemassa toinenkin laki, Wienin laki (1893), jonka tarkoituksena oli myös selittää sama ilmiö.

Wienin laki antoi oikean kokeellisen selityksen, jos säteilytaajuus on korkea, mutta epäonnistui matalilla taajuuksilla. Rayleigh-Jeansin laki puolestaan antoi oikean kokeellisen selityksen, jos säteilytaajuus on alhainen, mutta epäonnistui korkeilla taajuuksilla.

taajuus on yksi säteilyn ja yleensä minkä tahansa aaltoihin liittyvän ilmiön tunnusmerkeistä. Taajuus voidaan tulkita värähtelyjen lukumääräksi aikayksikköä kohti. Kaikki mahdolliset säteilyn taajuudet luonnossa sisältyvät sähkömagneettiseen spektriin, joka valitun taajuuden arvon mukaan määrittää yhden tai toisen säteilyn tyypin.

vuonna 1900 Max Planck laski peruskiven kvanttiteorian rakentamiselle. Hän postuloi lain (Planckin laki), joka selitti yhtenäisellä tavalla mustan kappaleen säteilyn koko taajuusalueella.

Planckin hypoteesi

Mitä sellaista Planckin laki esitti, jota ei olisi jo implisiittisesti kirjattu Wienin ja Rayleigh-Jeansin lakeihin? Yhtä tärkeä ainesosa kuin uusi. Niin paljon, että hän on vastuussa ensimmäisestä suuresta kriisistä, jonka kvanttiteoria on aiheuttanut klassisen fysiikan käsitteellisestä viitekehyksestä. Tämä oletti, että energian vaihto säteilyn ja aineen välillä tapahtui jatkuvan prosessin kautta, toisin sanoen F-taajuinen säteily saattoi tuottaa minkä tahansa määrän energiaa aineen absorboituessa.

Planck esitti lakinsa esitellessään, että ainoa tapa saada kokeellisesti oikea kaava edellytti uutta ja rohkeaa olettamusta siitä, että tällainen energian vaihto tapahtuisi epäjatkuvalla tavalla, toisin sanoen diskreettien energiamäärien emissiolla ja absorptiolla, jota nyt kutsumme säteilyksi ”kvantumeiksi”. Taajuuden f säteilykvantin oikea energiamäärä E saadaan Planckin suhdeluvulla: E = h x f, ja h on Planckin yleisvakio = 6 ’ 62 x 10 (expo-34) (”toiminnan”yksiköt).

Planckin suhde voidaan ymmärtää sanomalla, että mikä tahansa taajuuden f säteily käyttäytyy kuin hiukkasvirta, kvantumit, joista jokainen kuljettaa energiaa E = h x f, jota aine voi emittoida tai absorboida.

Planckin hypoteesi antaa korpuskulaarisen, aineellisen luonteen perinteisesti undulatoriselle ilmiölle, kuten säteilylle. Mutta mikä vielä tärkeämpää, siihen liittyy siirtyminen jatkumollisesta luonnonkäsityksestä epäjatkuvaan, mikä on erityisen ilmeistä atomien rakenteen tutkimuksessa, jossa elektroneilla voi olla vain diskreetti ja epäjatkuva joukko energia-arvoja.

Planckin hypoteesi vahvistettiin kokeellisesti paitsi mustan kappaleen säteilyprosessissa, jonka seurauksena se syntyi, myös Einsteinin (1905) ja Arthur Comptonin (1923) aiheuttaman valosähköisen ilmiön selityksissä.

kvanttiteorian Soveltamiskehys

kvanttiteorian soveltamiskehys rajoittuu lähes yksinomaan atomi -, subatomi-ja ydinasteisiin, joilla se on ehdottoman välttämätöntä. Mutta myös muilla aloilla, kuten elektroniikka (suunnittelussa transistorit, mikroprosessorit, ja kaikenlaisia elektronisia komponentteja), fysiikan uusien materiaalien (puolijohteet ja suprajohteiden), fysiikan korkean energian, suunnittelussa lääketieteellisen instrumentoinnin (laserit, skannerit, jne), salauksen ja computing quantum, ja kosmologian teoria varhaisen maailmankaikkeuden. Kvanttiteoria ulottuu siis onnistuneesti hyvin erilaisiin yhteyksiin, mikä vahvistaa sen paikkansapitävyyttä.

mutta miksi klassinen teoria epäonnistuu yrityksessään selittää Mikromaailman ilmiöitä? Eikö se loppujen lopuksi ole yksinkertainen mittakaavaero suurten ja pienten välillä suhteessa järjestelmien kokoon? Vastaus on ei. Ajatellaan, että ei ole aina mahdollista mallintaa samaa järjestelmää eri mittakaavoissa sen ominaisuuksien tutkimiseksi.

nähdäksemme, että mittakaavan vaihtelu on prosessi, jolla on tiettyjä luontaisia rajoituksia, oletetaan, että haluamme tehdä merivirtojen liikkeisiin liittyviä hydrodynaamisia tutkimuksia. Tietyin edellytyksin voisimme luoda riittävän kattavan mittakaavamallin, joka ei jätä pois ilmiön olennaisia tekijöitä. Käytännön tarkoituksessa alaskirjaus voi olla riittävän kuvaava.

mutta jos pienennämme asteikkoa toistuvasti, käymme peräkkäin läpi tilanteita, jotka vastaavat vähäisemmässä määrin todellista tapausta. Kunnes lopulta pääsemme tutkittavan asian ytimeen, vesimolekyyliin, joka ei selvästikään hyväksy hydrodynaamista käsittelyä, ja meidän on turvauduttava toisenlaiseen teoriaan, molekyyliteoriaan. Toisin sanoen asteikon peräkkäisissä pienenemisissä molekyylien agglutinaation aiheuttamat vaikutukset ja prosessit ovat hävinneet.

vastaavasti yksi syy siihen, miksi klassista fysiikkaa ei voida soveltaa atomisiin ilmiöihin, voidaan ajatella olevan se, että olemme pienentäneet asteikon ”liian välttämättömäksi” todellisuuden alueelle ja on välttämätöntä, kuten edellisessä esimerkissä, muuttaa teoriaa. Ja itse asiassa näin on: kvanttiteoria tutkii aineen perimmäisiä puolia, aineen olennaisimpia aineosia (niin sanottuja ”alkeishiukkasia”) ja säteilyn olemusta.

 kvanttiteoria, likiarvo todennäköiselle kaikkeudelle

kun kvanttiteoria astuu kuvaan

meidän on siis oletettava niiden systeemien pienuuden absoluuttinen luonne, joihin kvanttiteoria pätee. Toisin sanoen ”pieni” tai ”kvantti” laatu lakkaa olemasta suhteessa järjestelmän kokoon, ja saa absoluuttisen merkin. Ja mitä se kertoo meille, jos järjestelmä pitäisi pitää ”pieni”, ja tutkitaan kvanttiteoria? On olemassa” viivoitin”,” mittakuvio”, joka huolehtii tästä, mutta se ei ole viivoitin, joka kalibroidaan pituuden yksiköissä, vaan toisen tärkeän fysikaalisen magnitudin yksiköissä, joita kutsutaan”aktioksi”.

toiminta on fysikaalinen suure, kuten myös pituus, aika, nopeus, energia, lämpötila, teho, sähkövirta, voima jne. tosin vähemmän tunnettu. Ja aivan kuten lämpötila ilmaisee järjestelmän kylmän tai kuuman laadun ja nopeus sen levon tai liikkeen laadun, toiminta ilmaisee järjestelmän pienen (kvanttisen) tai suuren (klassisen) laadun. Energian eli pituuden tavoin jokaisella systeemillä on myös sille ominainen toiminta.

tämä ominaisaktiivisuus, a, saadaan seuraavalla magnitudien kertolaskulla: A = P x L, missä P edustaa systeemin ominaisliikemäärää (sen massan tulo kertaa sen nopeuden) ja L sen ominaispituutta. Mainitsemamme ”säännön” yksikkö, jolla mitataan systeemien toimintaa, on Planckin vakio, h. jos systeemin ominaisaktiivisuuden arvo on Planckin vakion luokkaa, meidän on välttämättä käytettävä kvanttiteoriaa tutkiessamme sitä.

päinvastoin, jos h on hyvin pieni verrattuna järjestelmän tyypilliseen toimintaan, voimme tutkia sitä klassisen teorian menetelmillä. Toisin sanoen: jos A on järjestyksessä h meidän on tutkittava järjestelmän mukaan Quantum Theory. Jos A on paljon suurempi kuin h, voimme tutkia sitä klassisen fysiikan avulla.

kaksi esimerkkiä: hiukkaset ja planeetat

tarkastellaan kahta esimerkkiä karakteristikan vaikutuksesta kahdessa eri mutta analogisessa järjestelmässä:

1. Elektroni kiertää ydintä vetyatomin alimmalla energiatasolla.

lasketaan tuotteen suuruusjärjestys p x L. P tarkoittaa elektronin massan tuloa sen orbitaalinopeudella, eli P = 10 (exp-31) (massa) x 10 (exp 6) (nopeus) = 10 (exp-25) (liikemäärä). L: n ominaisarvo vastaa kiertoradan sädettä eli L = 10 (expo-10) (pituus). Suoritamme nyt tuotteen P x L löytääksemme tähän prosessiin liittyvän tyypillisen ”toiminnan” suuruuden: A1 = Px l = 10 (expo-25) x 10 (expo-10) = 10 (expo-35) (toiminta).

2. Planeetta Jupiter kiertää Aurinkoa (pidämme Pyöreä kiertorata, yksinkertaistaa).

tässä toisessa esimerkissä suoritetaan edellisten kaltaisia laskutoimituksia. Ensin liikemäärä P, kertomalla Jupiterin massa sen kiertonopeudella: P = 10 (expo 26) (massa) x 10 (expo 4) (nopeus) = 10 (expo 30) (liikemäärä). Samoin ominaispituus on keskimääräinen kiertoradan etäisyys: L = 10 (expo 11) (pituus). Tässä toisessa tapauksessa tyypillisen toiminnan suuruus on: A2 = 10 (expo 30) x 10 (expo 11) = 10 (expo 41) (toiminta).

jos verrataan näitä kahta tulosta Planckin vakion suuruusluokkaan, saadaan:

h = 10 (expo-34)
A1 = 10 (expo-35)
A2 = 10 (expo 41)

näemme, että tapauksessa 1 (elektronirata vetyatomissa) suuruusluokkien läheisyys viittaa kvanttisysteemi, joka on arvioitava ”pieneksi” siinä mielessä kuin edellä osoitimme, Planckin vakion suhteen, jota pidetään ”standardimittana”. Päinvastoin, tapauksen 2 (Aurinkoa kiertävä Jupiter) ja Planckin vakion välillä on 75 suuruusluokan ero, mikä osoittaa, että systeemi on selvästi ”suuri”, mitattuna h: n yksikköinä, eikä vaadi kvanttiteoriaan perustuvaa tutkimusta.

Planckin vakiolla on hyvin, hyvin pieni arvo. Katsotaanpa sitä eksplisiittisesti:

h = 0′ 0000000000000000000000000662 (toimintayksiköt)

ensimmäinen nollasta poikkeava numero esiintyy kolmenkymmenen neljännen desimaalin tarkkuudella. H: n äärimmäinen pienuus vaikeuttaa todellisuuden kvanttinäkökohtien löytämistä, joka pysyi piilossa fysiikalta aina 1900-luvulle saakka. Jos kvanttiteoria ei ole välttämätön, klassinen teoria tarjoaa riittävän tarkkoja kuvauksia prosesseista, kuten planeettojen liikkeistä, kuten juuri näimme.

lyhyt kvanttiteorian kronologia

1900. ”Planckin Kvanttihypoteesi” (Nobelin fysiikanpalkinto, 1918). Solususkulaarinen luonne säteilyn.

1905. Einstein (Nobelin fysiikanpalkinto, 1921) selittää ”valosähköisen ilmiön” soveltamalla Planckin hypoteesia.

1911. Rutherford tekee kokeita, joissa planeetan malliatomi määritetään ytimillä (protoneilla) ja uloimmilla orbitaaleilla (elektroneilla).

1913. Niels Bohrin atomimalli (Nobelin fysiikanpalkinto, 1922). Se ottaa huomioon Rutherfordin tulokset,mutta lisää Planckin kvanttihypoteesin. Olennainen piirre Bohrin mallissa on, että elektronit voivat miehittää vain epäjatkuvan joukon orbitaaleja ja energiatasoja.

1923. Arthrur Comptom (Nobelin fysiikanpalkinto, 1927) esittää Planckin hypoteesin uuden todentamisen hänen nimeään kantavan vaikutuksen selityksen avulla.

1924. De Broglien hypoteesi (Nobelin fysiikanpalkinto, 1929). Se liittää aallon jokaiseen materiaalihiukkaseen täydentäen sitä, miten Planckin hypoteesi antaa säteilylle solususkulaarisia ominaisuuksia.

1925. Werner Heisenberg (Nobelin fysiikanpalkinto, 1932) ehdottaa matemaattista formalismia, jonka avulla voidaan laskea kvanttitiloihin liittyvät kokeelliset magnitudit.

1926. Erwin Schrödinger (Nobelin fysiikanpalkinto, 1933) ehdottaa aaltoyhtälöä, jonka ratkaisut ovat de Broglien vuonna 1924 teoreettisesti olettamia aaltoja.

1927. V Solvay Congress of Physics, omistettu teema ”elektronit ja fotonit”. Siinä väittely Einsteinin ja Bohrin välillä tapahtuu antagonististen kantojen puolustajina kvanttiteorian aiheuttamista tulkinnallisista ongelmista.

1928. Hiukkasten (elektronien) diffraktion kokeet, jotka vahvistavat de Broglien hypoteesin viitaten hiukkasiin liittyviin undulatorisiin ominaisuuksiin. Diffraktioilmiö on aalloille tyypillinen.

1932. Ulkonäkö työn perusta Quantum Theory valmistellut matemaatikko Jon von Neumann.

olennaisesti uusia kvanttiteorian aspekteja

kvanttiteoriasta johdettuja olennaisesti uusia (ei-klassisia) aspekteja ovat:

a) säteilyn Korpuskulaarinen luonne (Planckin hypoteesi).

b) hiukkasten Aaltoaspekti (Broglien hypoteesi).

c) sellaisten fysikaalisten magnitudien olemassaolo, joiden arvospektri on epäjatkuva. Esimerkiksi vetyatomin energiatasot (Bohrin atomimalli).

Implications of a): corpuscular character of radiation.

säteilyä oli perinteisesti pidetty aaltoilmiönä. Planckin hypoteesi kuitenkin pitää sitä hiukkasvirtana, ”quantumeina”. Mikä sitten on säteilyn luonne: Aalto vai solusyöpä? Kaksonen. Se ilmentää selvästi ”kaksijakoista” luonnetta. Nämä ovat aspekteja, joita kvanttiformalismin sisällä ei suljeta pois, vaan ne integroidaan ”kvanttiformalismin”käsitteeseen.

säteilykvantti voi ilmaista sekä solususkulaarisia että undulatorisia ominaisuuksia riippuen säteilytaajuuden arvosta. Suurtaajuusarvoilla (spektrin gamma-alueella)korpuskulaarinen merkki on vallitseva. Kun taas matalilla taajuuksilla (alueella spektrin, joka kuvaa radioaaltoja) aallon näkökohta vallitseva.

Implications of b): undulatory character of particles.

testattiin elektroni-ja neutronidiffraktiokokeissa. Nämä kokeet paljastavat, että hiukkasten liikettä seuraa eräänlainen aalto, joka on vastuussa diffraktioilmiöstä. Joten jälleen meillä on esimerkki duality välillä solususkulaarinen ja undulatory ominaisuuksia, jotka liittyvät tässä tapauksessa hiukkasia.

mutta aaltoilmiön ilmaantuminen ei tapahdu vain mikroskooppisella tasolla, se ilmenee myös makroskooppisille kappaleille, vaikka tässä tapauksessa siihen liittyvän aallon aallonpituus on niin pieni, että se on käytännössä korvaamaton ja sen paljastavaa diffraktiokoetta on mahdotonta tehdä.

Impications of c): epäjatkuvien fysikaalisten suureiden olemassaolo.

paljastaa luonnon luonnostaan epäjatkuvan luonteen, joka ilmenee huomattavimpana esimerkkinä atomien energiaspektristä. Näiden energeettisten epäjatkuvuuksien olemassaolosta selitetään aineen pysyvyys.

 kvanttiteoria, likiarvo todennäköiselle kaikkeudelle

konkreettinen esimerkki

analysoidaan vetyatomin tapauksessa Bohrin mallin mukaan, miten nämä kolme aiempaa kvanttioletusta, a), b) ja C) ovat konjugoituneet. Vetyatomilla tarkoitetaan stabiilia systeemiä, joka koostuu elektronista ja protonista. Elektroni löytyy äärettömästä, mutta epäjatkuvasta energiatasojen joukosta .

siirtyäkseen tasolta toiselle elektronin on absorboitava tai emittoitava diskreetti säteilyn kvantti, jonka energia on yhtä suuri kuin näiden tasojen välinen energiaero. Elektronien mahdollisia energiatasoja kuvaavat matemaattisesti aaltofunktiot, joita kutsutaan ”tilafunktioiksi”, jotka kuvaavat elektronin fysikaalista tilaa vastaavalla energiatasolla.

tietääksesi hiukkaseen viittaavan ominaisuuden kokeellisen arvon sinun on ”kysyttävä” sen liitännäistilan funktiota. Toisin sanoen tällainen funktio muodostaa fysikaalisen tilan esitystavan siten, että elektronin tilaa n: nnen energiatasolla kuvaa n: nnen tilan funktio.

aaltofunktio

yleisimmän kuvauksen vetyatomin elektronitilasta antaa eri tilafunktioiden ”superpositio”. Tällaista päällekkäisyyttä kutsutaan ”aaltofunktioksi”. Mahdollisten tilojen superpositio on tyypillinen Kvanttiteorialle, eikä sitä esitetä klassiseen fysiikkaan perustuvissa kuvauksissa.

viimeksi mainituissa mahdollisia tiloja ei koskaan aseteta päällekkäin, vaan ne esitetään suoraan järjestelmän tilasta johtuvina reaaliominaisuuksina. Päinvastoin, systeemin tilan määritteleminen Kvanttiteoriassa edellyttää kaikkien sen mahdollisten tilojen superposition huomioimista. Aaltofunktiot eivät ole minkään fysikaalisen kentän etenemiseen (sähköinen, magneettinen jne.), mutta representaatiot, joiden avulla voidaan matemaattisesti luonnehtia niiden hiukkasten tiloja, joihin ne liittyvät.

saksalainen fyysikko Max Born esitti aaltofunktioille ensimmäisen fysikaalisen tulkinnan, jonka mukaan niiden amplitudin neliö on mitta todennäköisyydelle löytää niihin liittyvä hiukkanen tietystä avaruuden pisteestä tiettynä hetkenä. Tässä ilmenee tosiasia, joka toistuu koko kehityksen Quantum Theory, ja on ulkonäkö todennäköisyys olennaisena osana valtaosa analyyseistä.

todennäköisyys Kvanttiteoriassa

kvanttiteoria on puhtaasti todennäköisyysteoria. Se puhuu meille todennäköisyydestä, että tietty tapahtuma tapahtuu tiettynä aikana, ei siitä, milloin kyseinen tapahtuma varmasti tapahtuu. Todennäköisyyden merkitys Hänen formalismissaan oli tärkein kohta Einsteinin ja Bohrin välisessä konfliktissa viidennessä Solvay Congress of Physics-konferenssissa vuonna 1927.

Einstein esitti, että todennäköisyyden vahva läsnäolo Kvanttiteoriassa teki siitä epätäydellisen teorian, joka voidaan korvata paremmalla hypoteettisella teorialla, josta puuttuvat todennäköisyysabilistiset ennustukset ja siten deterministiset. Hän loi tämän mielipiteen nyt kuuluisaan lauseeseensa ” Jumala ei pelaa noppaa maailmankaikkeuden kanssa.”

Einsteinin kanta on, että todennäköisyydelle annettu rooli Kvanttiteoriassa on hyvin erilainen kuin sillä on klassisessa fysiikassa. Tässä todennäköisyydellä tarkoitetaan koehenkilön tiedon puutteesta johtuvaa tietämättömyyttä tutkittavan järjestelmän joistakin ominaisuuksista. Voisimme siis puhua todennäköisyyden subjektiivisesta arvosta. Kvanttiteoriassa todennäköisyydellä on kuitenkin olennainen objektiivinen arvo, eikä se ole subjektin tiedon tilan alainen, vaan tietyllä tavalla määrittää sen.

Einsteinin mielestä kvanttiteoria täytyisi täydentää ottamalla formalismiinsa mukaan ylimääräinen joukko todellisuuden elementtejä (joita kutsuttiin ”piilomuuttujiksi”), jotka teorian otaksuttavasti sivuutettaisiin ja jotka huomioon otettuna antaisivat puuttuvan tiedon, joka muuttaisi hänen probabilistiset ennustuksensa deterministisiksi ennustuksiksi.

Mario Toboso on filosofian tohtori Salamancan yliopistosta ja hän on Comillas Pontificalin yliopiston luonnontieteiden, teknologian ja uskonnon oppituolin jäsen. Tempus de Tendencias21-blogin toimittaja ja lehtemme toimituskunnan jäsen. Tämä artikkeli on ensimmäinen osa kaksiosaisessa sarjassa kvanttiteoria. Katso seuraava: kvanttiteoria kyseenalaistaa todellisuuden luonteen.

Related Post

Leave A Comment