A kvantummechanika ujjak
Ahhoz, hogy megértsük a lényegét a kvantumfizika a semmiből
A modern fizika osztható két nagy ága - a klasszikus és kvantum. Az első történetileg visszamegy a Galileo és Newton, a második - a Max Planck és Albert Einstein. Quantum ideológia eredetileg megtalálták a helyüket az új elmélet az elektromágneses sugárzás, azonban anélkül, hogy nagy késedelem átterjedt a leírása az anyag tulajdonságainak szintjén az atomok és molekulák. Mint ilyen, ez lett az alapja egy új tudománya kvantummechanika. Próbáld megérteni a lényegét a semmiből, bármilyen korábbi ismeret nélkül.
A kvantummechanika már régóta túllépett eredeti körét. Végére az első harmadában a huszadik század vált nélkülözhetetlen eszköze az elméleti tanulmány az elektromos és mágneses tulajdonságai a különböző anyagokat. Szükséges, hogy leírja a atommagok és a részecskék, ahol a készülékek, - a protonok és a neutronok. A kvantummechanika is az alapja tudásunk a legalapvetőbb tulajdonságait kérdés, hogy kitölti az univerzumot. Enélkül lehetetlen kideríteni, hogy hol volt a kémiai elemek, ezért a fény, ragyog, és haldokló csillagok, mint a kozmikus sugárzás születnek, és mi történik a ütközések az elemi részecskéket. Általában ez egy tudomány generalista.
De ez még nem minden. A kvantummechanika azt mutatja, hogy a mikrokozmosz a törvényeket, amely erősen ellentmondanak a mindennapi tapasztalat. Ezek nem könnyű megérteni, könnyen megszokja őket, ők csodálatos és ellentmondásos - és még mindig érvényes!
A „mérnök” sok jelentése van, de a fizika tudománya a mozgás mozog az űrben. Tenisz labda repül a háló felett, a vonatsebességek sínek mentén, szél visz légáramlatok, a Föld forog a Nap körül, és ez viszont minden kétszázmillió éve, hogy egy teljes fordulatot körül galaxisunk közepén. Ezek a mozgások zajlanak az intézkedés alapján a különböző erők, néha nagyon nehéz. Ezek azonban le ugyanazokat a törvényeket, amely megnyitotta a XVII században a nagy angol fizikus és matematikus Sir Isaac Newton. Később többször másolt révén új matematikai képletek, de a lényeg nem változott. És több mint kétszáz éve, fizikusok meg voltak győződve arról, hogy Newton nagy létrehozása nem ismer kivételt.
Vegyük a legegyszerűbb az összes elképzelhető szervek - egy kis labdát. Ha fel az egyenletben részletezi a mechanika, ami a tömege, milyen erők hatnak rá, ha ez a kezdeti pillanatban, és mi ebben az esetben a sebesség, akkor lehet számítani a helyzet (fizikusok azt mondják, koordináták) és a sebessége a labdát az összes későbbi . Leírni a mozgás a komplex alakja a test, meg kell, hogy többet, és a gyakorlatban ezek a számítások is nagyon időigényes, és nem csak az emberekre, hanem a szuperszámítógép, de ez egy technológiai kérdés.
Newtoni mechanika foglalkozik csak azokkal a mozgalmakkal, amely meghatározza a koordinátáit testüket és sebességgel. Ugyanakkor azt biztosra veszi, hogy ezeket az értékeket egyidejűleg mérhető bármilyen pontossággal - legalábbis elvben. Ez az a feltevés lehetővé teszi számunkra, hogy feltételezzük, hogy a test bármely időpontban egy adott helyen a térben, és így van egy bizonyos sebesség. Ha elutasítja, akkor a egyenletei newtoni mechanika nem csak áramkimaradás, de értelmetlenné válik. Ez könnyen érthető - koordinálja és sebességeket jelennek meg bennük egyenrangú és egymással kombinálva.
Most nézzük meg, hogy a gyakorlatban, hogy végre ilyen méréseket. Tegyük fel, hogy kövesse a repülőgép radar. Az impulzusok rádióhullámok visszaverődik a géptest, és a készülék kiadja a kijelző helyzetét és sebességét. Amikor minden impulzus visszaverődés síkja továbbítja része az energia, és ezáltal kissé változik a sebesség. Azonban a kinetikus energia a repülőgép meghaladja az energia sugárzás, hogy ezek a változások nem érinti őket, és lehet tekinteni nulla. Ez ad okot azt hinni, hogy a készülék egyszerre pályák és az út és a sebesség a repülőgép. Ugyanez történik, ha bármilyen mozgást nagy méretű (például a fizika makroszkopikus testek) segítségével rádióhullámok, a fény, vagy valami más. Még csak egy „szemmel” megbecsülni a távolságot a következő autó az autópályán is csak azért, mert visszaveri a fényt - máskülönben egyszerűen nem látni. Ugyanez vonatkozik az értékelés a sebességét.
De itt van, hogy vajon lehetséges ugyanúgy egyidejűleg kell mérni a helyzetét és sebességét a mikrorészecskék - mondjuk egy elektron? Az elektronok hordoznak elektromos töltések, ezért szétszórják az elektromágneses hullámok, beleértve a könnyű. Következésképpen az elektron elvileg lehet fogni akadás visszaverődik egy elektromágneses impulzust. Azonban a térbeli helyzetét, képesek vagyunk azonosítani csak egy hiba, amelynek értéke körülbelül megegyezik a sugárzás hullámhossza, amit használnak a lokátor. A pontosság fokozása érdekében van szükség, hogy csökkentsék ezt hosszát, majd a látható fény az ultraibolya, akkor az X-sugarak, majd gamma-sugárzás. Mérni a sebességet az elektron, ezen a helyen kell futtatni legalább kétszer, és rövid idő múlva.
Most jön a lényeg - az igazság pillanata. Mint már említettük, az elektromágneses impulzus részét átadja az energia a tárgy, amelyen szétszórt. Visszaverődés után kinetikus energiája az elektron lendülete változik, és ezért meg fogja változtatni a sebességét. Egy elektron gyorsul, lassul, vagy kapcsolja, de minden esetben a mozgás nem lesz ugyanaz. Ez nem történik meg csak abban az esetben, ha minden alkalommal fogunk bombázzák az elektron csak ezeket az impulzusokat, amelyeknek az energiája szinte nulla, mint az övé. Mint említettük, annak érdekében, hogy egyre nagyobb pontosságú koordinátákat kell ismételten csökkenti a hullámhossz, amely működik a képzeletbeli lokátor (vagyis növeli a frekvenciát). Megtehetem, miközben a pulzus energiát tetszőlegesen alacsony szintre?
Ha valaki az az ötlete támadt, hogy ilyen kérdést felfedezése után az elektron 1897-ben a választ csak pozitív lehet. Akkor azt gondolták, hogy az energia elektromágneses hullám lehet a lehető legkisebb bármely hullámhosszon. De bebizonyosodott, hogy a természet ezt a szabadságot nem teszi lehetővé a három évet.
Ez fontos felfedezés a tudomány köszönheti a német elméleti fizikus Max Planck. Bár a fizikusok érdekelt nagyon forró hősugárzás szervek (például a vas vagy izzószál izzó). Ezen a számlán nagyon sok kísérletet végeztek, de az eredmények nem sikerül tartani, hogy ugyanazt a formulát. 1900-ban godu Planck azt mutatta, hogy a következő képlet úgy állíthatjuk elő, feltételezve, hogy a hő sugárzás indul, és elnyeli az egyes csomagokat, inkább, mint folyamatosan. Az energia minden egyes csomagot egyenlő a kibocsátási frekvencia szorozva egy új fizikai állandó, az úgynevezett Planck-állandó.
Az új elmélet gyökeresen ellentmond az akkori elképzelések természete az elektromágneses hullámok (például a hősugárzás - ez csak egyfajta). Minden hullám folyamatok tekintették abszolút folytonos. Szerint a Planck, kiderül, hogy ez a tulajdonság csak a már megszületett hullámok, amelyek terjednek a térben. A folyamatok emissziós és abszorpciós hullámok, ezzel szemben lehet végezni csak részletekben (fizikusok mondják, diszkréten). Általában, ha az elektromágneses sugárzás - a tenger, a sorsolás belőle (vagy hozzá) vízben csak körök bizonyos kapacitást.
A következő lépés az öt éves volt Albert Einstein elméletében a fotoelektromos hatás. Tehát az a folyamat, amelyben a fény kopogás elektronokat felületén különböző anyagok. Ezt a jelenséget fedezte fel 1887-ben Heinrich Hertz - ő a felfedezője az elektromágneses hullámokat. A huszadik század elején, azt találták, hogy az energia a kibocsátott elektronok növekszik a frekvencia a beeső sugárzás. Megmagyarázni ezt az eredményt, Einstein feltételezte, hogy a Planck energetichseskie csomagokat tárolja a fény terjedési. Fényáram meg nem folyamatos, akkor törik egyes „szemek”, amely Einstein nevű fénymennyiség (a latin szó „quantum” azt jelenti, „szám”). Így a nyelv a fizika volt olyan kifejezés, hogy a jövőben, mivel a neve az új mechanika.
Térjünk vissza a gondolat kísérlet mérésével az elektron. Mint említettük, tudjuk tisztázni a helyzetét, égetés az elektron fény impulzusokat minden hullámhosszon. Ez azt jelenti, hogy a helyét az elektron sugarakat kell használni egyre több frekvencia, és így az energia. Találkozó minden ilyen kvantum egyre változik a sebesség. És bármilyen pontos mérését a fénysebesség volna használni nagyon alacsony frekvenciákat, amely közel nulla energiájú fotonokat. Gyakoriságának csökkentésére a növekedés a hullámhossz, úgy, hogy a helyzet az elektron mérjük egyre pontosabb.
Miért jöttünk? Feltesszük, hogy az elektron bármikor tudható be egy bizonyos helyzetben a térben, és egy bizonyos sebesség. Azonban a gondolat kísérlet azt mutatta, hogy a kvantum szerkezete fény nem teszi lehetővé, hogy mérni és akkor, és így tovább. Ez egy alapvető tilalom, nem függ a készülék és a minőségi műszerek. Minél pontosabban tudjuk meghatározni a helyzetét az elektron, a nagyobb változás sebessége, míg a pontos sebességet méri lehetetlenné teszi mérheti a pozíciót. Azonban a fizika nem foglalkozik képzeletbeli dolog, ez egy kísérleti tudomány. Ezért a kezdeti feltételezés jelenlétében elektron térbeli koordinátáit, és a sebesség nem fizikai jelentésük, és meg kell semmisíteni. Másként kifejezve elektron nem veheti fel egyidejűleg mind egy bizonyos sebességet és egy bizonyos helyzetben a térben. Kiderül, hogy Newton elmélete nem alkalmas, hogy leírja a mozgás az elektron. Itt kell egy teljesen más mechanika, figyelembe véve a kvantum fény természetéről.
Ezek a megfontolások jöhet szóba valamilyen fizika közvetlenül megjelenése után Einstein a fényelektromos hatást. Mielőtt tudtak gondolni maga Einstein, aki nagyon szereti a gondolat kísérlet és figyelemre méltóan képes használni (ez az ő segítségükkel, ő teremtette a saját relativitáselmélet). Ez azonban nem történt meg, és megszületett az új mechanika kellett várni egy húsz éve.