PLANI

GİRİŞ 2

1. KUANTUM MEKANİĞİNİN YARATILIŞ TARİHİ 5

2. KUANTUM MEKANİĞİNİN HAREKET İLE İLGİLİ DİĞER BİLİMLER ARASINDAKİ YERİ. 14

SONUÇ 17

EDEBİYAT 18

giriiş

Kuantum mekaniği, mikropartiküllerin (temel parçacıklar, atomlar, moleküller, atom çekirdekleri) ve bunların sistemlerinin (örneğin kristaller) tanım yöntemini ve hareket yasalarını ve ayrıca parçacıkları ve sistemleri karakterize eden miktarlar arasındaki bağlantıyı kuran bir teoridir. Makroskopik deneylerde doğrudan ölçülen fiziksel büyüklükler. Kuantum mekaniğinin yasaları (bundan sonra QM olarak anılacaktır), maddenin yapısının incelenmesinin temelini oluşturur. Atomların yapısını açıklığa kavuşturmayı, kimyasal bağların doğasını oluşturmayı, periyodik element sistemini açıklamayı, atom çekirdeğinin yapısını anlamayı, temel parçacıkların özelliklerini incelemeyi mümkün kıldılar.

Makroskobik cisimlerin özellikleri, onları oluşturan parçacıkların hareketi ve etkileşimi tarafından belirlendiğinden, çoğu makroskobik olayın anlaşılmasının temelinde kuantum mekaniğinin yasaları yatmaktadır. Matematik, örneğin sıcaklığa bağımlılığı açıklamayı ve gazların ve katıların ısı kapasitesini hesaplamayı, yapıyı belirlemeyi ve katıların (metaller, dielektrikler, yarı iletkenler) birçok özelliğini anlamayı mümkün kıldı. Ferromanyetizma, süperakışkanlık ve süperiletkenlik gibi olguları tutarlı bir şekilde açıklamak, beyaz cüceler ve nötron yıldızları gibi astrofiziksel nesnelerin doğasını anlamak ve Güneş ve Güneş'teki termonükleer reaksiyonların mekanizmasını açıklamak ancak kuantum mekaniği temelinde mümkün olabilmiştir. yıldızlar. Kuantum mekaniği yasalarının doğrudan makroskobik nesnelerin davranışlarında ortaya çıktığı olaylar da vardır (örneğin Josephson etkisi).

Bu nedenle, kuantum mekaniksel yasalar nükleer reaktörlerin çalışmasının temelini oluşturur, karasal koşullar altında termonükleer reaksiyonların olasılığını belirler, en son teknolojide kullanılan metallerde ve yarı iletkenlerde vb. bir dizi olayda kendini gösterir. Kuantum elektroniği gibi hızla gelişen bir fizik alanının temeli, kuantum mekaniksel radyasyon teorisidir. Yeni malzemelerin (özellikle manyetik, yarı iletken ve süper iletken malzemeler) hedefli olarak aranması ve yaratılmasında kuantum mekaniği yasalarından yararlanılır. Kuantum mekaniği büyük ölçüde bir “mühendislik” bilimi haline geliyor ve bilgisi sadece araştırma fizikçileri için değil aynı zamanda mühendisler için de gerekli.

1. Kuantum mekaniğinin yaratılış tarihi

20. yüzyılın başında. olağanın uygulanamazlığını gösteren iki (görünüşte ilgisiz) grup olgu keşfedildi klasik teori elektro manyetik alan(klasik elektrodinamik) ışığın madde ile etkileşimi süreçlerine ve atomda meydana gelen süreçlere. İlk fenomen grubu, ışığın ikili doğasının (ışık düalizmi) deneysel olarak kurulmasıyla ilişkilendirildi; ikincisi, klasik kavramlara dayanarak bir atomun kararlı varlığını ve atomlar tarafından ışık emisyonu çalışmasında keşfedilen spektral modelleri açıklamanın imkansızlığıdır. Bu fenomen grupları arasında bağlantıların kurulması ve bunları yeni bir teori temelinde açıklama girişimleri, sonuçta kuantum mekaniği yasalarının keşfine yol açtı.

İlk kez kuantum kavramları (kuantum sabiti dahil) H) M. Planck'ın (1900) termal radyasyon teorisine adanmış çalışmasında fiziğe tanıtıldı.

O dönemde var olan, klasik elektrodinamik ve istatistiksel fizik temellerine dayanan termal radyasyon teorisi, radyasyon ile madde arasında termal (termodinamik) dengenin sağlanamadığı gibi anlamsız bir sonuca yol açıyordu, çünkü Tüm enerji er ya da geç radyasyona dönüşmelidir. Planck bu çelişkiyi çözdü ve son derece cesur bir hipoteze dayanarak deneyle mükemmel uyum içinde olan sonuçlar elde etti. Elektromanyetik dalgaların emisyonunu sürekli bir süreç olarak kabul eden klasik radyasyon teorisinin aksine Planck, ışığın enerjinin belirli bölümleri - kuantum - yayıldığını öne sürdü. Böyle bir enerji kuantumunun büyüklüğü ışık frekansı n'ye bağlıdır ve şuna eşittir: e=H N. Planck'ın bu çalışmasından, kuantum mekaniğinin iki biçimindeki nihai formülasyonuyla (1927) sonuçlanan, birbirine bağlı iki gelişme çizgisi izlenebilmektedir.

Bunlardan ilki, fotoelektrik etki teorisinin (ışığın maddeden elektron fırlatması olgusu) verildiği Einstein'ın (1905) çalışmasıyla başlar.

Planck'ın fikrini geliştirirken Einstein, ışığın yalnızca ayrı bölümler halinde (radyasyon kuantası) yayılıp soğurulmadığını, aynı zamanda ışığın yayılmasının da bu tür kuantumlarda meydana geldiğini, yani ayrıklığın ışığın kendisinde doğasında bulunduğunu, ışığın kendisinin ayrı bölümlerden oluştuğunu öne sürdü. ışık kuantumu (bunlara daha sonra foton adı verildi). Foton enerjisi e Planck bağıntısıyla n dalgasının salınım frekansıyla ilişkilidir e= HN.

Işığın parçacık yapısına ilişkin daha fazla kanıt, 1922'de ışığın serbest elektronlar tarafından saçılmasının iki parçacığın (bir foton ve bir elektron) elastik çarpışma yasalarına göre gerçekleştiğini deneysel olarak gösteren A. Compton tarafından elde edildi. Böyle bir çarpışmanın kinematiği, enerjinin ve momentumun korunumu yasaları ve enerjiyle birlikte foton tarafından belirlenir. e= HN dürtü atfedilmelidir p = h / l = h n / c, Nerede ben- ışık dalga boyu.

Bir fotonun enerjisi ve momentumu E = cp ile ilişkilidir. , sıfır kütleli bir parçacık için göreceli mekanikte geçerlidir. Böylece, ışığın bilinen dalga özelliklerinin (örneğin, ışığın kırınımında ortaya çıkan) yanı sıra, parçacık özelliklerine de sahip olduğu deneysel olarak kanıtlanmıştır: parçacıklardan - fotonlardan oluştuğu gibi. Bu, ışığın ikiliğini, karmaşık parçacık-dalga doğasını ortaya koyuyor.

Dualizm zaten formülde yer alıyor e= HN iki kavramdan herhangi birinin seçilmesine izin vermez: eşitliğin sol tarafında enerji e parçacığı ifade eder ve sağdaki frekans n, dalganın bir özelliğidir. Biçimsel bir mantıksal çelişki ortaya çıktı: Bazı fenomenleri açıklamak için ışığın dalga doğasına sahip olduğunu varsaymak ve diğerlerini - parçacık şeklinde açıklamak gerekliydi. Aslında bu çelişkinin çözümü kuantum mekaniğinin fiziksel temellerinin yaratılmasına yol açtı.

1924'te L. de Broglie, 1913'te N. Bohr tarafından öne sürülen atomik yörüngelerin nicelenmesine ilişkin koşullar için bir açıklama bulmaya çalışırken, dalga-parçacık ikiliğinin evrenselliği hakkında bir hipotez öne sürdü. De Broglie'ye göre her parçacık, doğası ne olursa olsun, uzunluğu belirli bir dalga ile ilişkilendirilmelidir. L parçacığın momentumuyla ilgili R oran. Bu hipoteze göre, yalnızca fotonlar değil, aynı zamanda tüm "sıradan parçacıklar" (elektronlar, protonlar vb.), özellikle kırınım olgusunda kendilerini göstermesi gereken dalga özelliklerine sahiptir.

1927'de K. Davisson ve L. Germer ilk kez elektron kırınımını gözlemlediler. Daha sonra diğer parçacıklarda dalga özellikleri keşfedildi ve de Broglie formülünün geçerliliği deneysel olarak doğrulandı.

1926'da E. Schrödinger, bu tür "dalgaların" dış kuvvet alanlarındaki davranışını açıklayan bir denklem önerdi. Dalga mekaniği bu şekilde ortaya çıktı. Schrödinger dalga denklemi, göreceli olmayan kuantum mekaniğinin temel denklemidir.

1928'de P. Dirac, bir elektronun harici bir kuvvet alanındaki hareketini tanımlayan göreli bir denklem formüle etti; Dirac denklemi göreli kuantum mekaniğinin temel denklemlerinden biri haline geldi.

İkinci gelişim çizgisi, Einstein'ın (1907) katıların ısı kapasitesi teorisine adanan çalışmasıyla başlar (bu aynı zamanda Planck'ın hipotezinin bir genellemesidir). Farklı frekanslardaki bir dizi elektromanyetik dalgadan oluşan elektromanyetik radyasyon, belirli bir osilatör grubuna (salınım sistemleri) dinamik olarak eşdeğerdir. Dalgaların emisyonu veya soğurulması, karşılık gelen osilatörlerin uyarılmasına veya sönümlenmesine eşdeğerdir. Elektromanyetik radyasyonun madde tarafından emisyonu ve soğurulmasının enerji kuantumu olarak gerçekleşmesi H N. Einstein, bir elektromanyetik alan osilatörünün enerjisini keyfi nitelikteki bir osilatöre nicelendirmek fikrini genelleştirdi. Katıların termal hareketi atomların titreşimlerine indirgendiğinden, bir katı dinamik olarak bir dizi osilatöre eşdeğerdir. Bu tür osilatörlerin enerjisi de kuantize edilir, yani komşu enerji seviyeleri (osilatörün sahip olabileceği enerjiler) arasındaki fark şuna eşit olmalıdır: H n, burada n atomların titreşim frekansıdır.

P. Debye, M. Born ve T. Carman tarafından geliştirilen Einstein'ın teorisi, katılar teorisinin gelişiminde olağanüstü bir rol oynadı.

1913'te N. Bohr, enerji nicemleme fikrini atomik yapı teorisine uyguladı; gezegen modeli, E. Rutherford'un (1911) deneylerinin sonuçlarını takip etti. Bu modele göre atomun merkezinde, atom kütlesinin neredeyse tamamının yoğunlaştığı pozitif yüklü bir çekirdek bulunur; Negatif yüklü elektronlar çekirdeğin etrafında dönerler.

Böyle bir hareketin klasik kavramlar temelinde ele alınması paradoksal bir sonuca yol açtı - atomların kararlı varlığının imkansızlığı: klasik elektrodinamiğe göre, dönen bir elektrik yükünün elektromanyetik dalgalar yayması gerektiğinden bir elektron yörüngede kararlı bir şekilde hareket edemez ve bu nedenle , enerjinizi kaybedersiniz. Yörüngesinin yarıçapı küçülmeli ve yaklaşık 10 –8 saniye içinde elektron çekirdeğe düşmelidir. Bu, klasik fizik yasalarının bir atomdaki elektronların hareketine uygulanamayacağı anlamına geliyordu, çünkü Atomlar mevcuttur ve son derece kararlıdırlar.

Atomların kararlılığını açıklamak için Bohr, Newton mekaniğinin bir elektronun hareketi için izin verdiği tüm yörüngelerden birini önerdi. elektrik alanı Atom çekirdeğinde, yalnızca belirli nicemleme koşullarını karşılayanlar gerçekte gerçekleştirilir. Yani bir atomda (bir osilatörde olduğu gibi) ayrık enerji seviyeleri vardır.

Bu seviyeler, Bohr tarafından Newton mekaniği yasalarının, klasik yörünge için eylemin büyüklüğünün Planck sabitinin tam katı olmasını gerektiren kuantizasyon koşullarıyla birleşimi temelinde türetilen belirli bir modele uyar.

Bohr, belirli bir enerji seviyesinde olan (yani kuantizasyon koşullarının izin verdiği yörünge hareketini gerçekleştiren) elektronun ışık dalgaları yaymadığını öne sürdü.

Radyasyon yalnızca bir elektron bir yörüngeden diğerine, yani bir enerji seviyesinden hareket ettiğinde meydana gelir. e ben, daha az enerjiye sahip bir başkasına e k, bu durumda geçişin gerçekleştiği seviyelerin enerjileri farkına eşit bir enerjiye sahip bir ışık kuantumu doğar:

H n= e Ben- e k. (1)

Bir çizgi spektrumu bu şekilde ortaya çıkar - atom spektrumunun ana özelliği Bohr, daha önce keşfedilen bir dizi ampirik formülü kapsayan hidrojen atomunun (ve hidrojen benzeri atomların) spektral çizgilerinin frekansları için doğru formülü elde etti.

Atomlardaki enerji seviyelerinin varlığı Frank-Hertz deneyleriyle (1913-14) doğrudan doğrulandı. Bir gazı bombalayan elektronların, atomlarla çarpıştıklarında, atomun enerji seviyelerindeki farka eşit olan, yalnızca belirli miktarda enerji kaybettiği bulundu.

N. Bohr, kuantum sabitini kullanarak H Işığın dualizmini yansıtan bu nicelik, aynı zamanda bir atomdaki elektronların hareketini de belirlediğini (ve bu hareketin yasalarının klasik mekaniğin yasalarından önemli ölçüde farklı olduğunu) gösterdi. Bu gerçek daha sonra de Broglie'nin hipotezinde yer alan dalga-parçacık ikiliğinin evrenselliği temelinde açıklandı. Bohr teorisinin başarısı, tıpkı kuantum teorisinin önceki başarıları gibi, teorinin mantıksal bütünlüğünün ihlal edilmesiyle elde edildi: bir yandan Newton mekaniği kullanıldı, diğer yandan ona yabancı yapay kuantizasyon kuralları kullanıldı. aynı zamanda klasik elektrodinamikle de çelişiyordu. Ayrıca Bohr'un teorisi, karmaşık atomlardaki elektronların hareketini ve moleküler bağların ortaya çıkışını açıklayamıyordu.

Bohr'un "yarı klasik" teorisi, elektronun bir enerji seviyesinden diğerine geçerken nasıl hareket ettiği sorusuna da cevap veremiyordu.

Atom teorisine ilişkin soruların daha da yoğun bir şekilde geliştirilmesi, bir elektronun yörüngedeki hareketinin klasik resmini korurken, mantıksal olarak tutarlı bir teori oluşturmanın imkansız olduğu inancına yol açtı.

Bir atomdaki elektronların hareketinin klasik mekanik terimleriyle (kavramları) (belirli bir yörünge boyunca hareket olarak) tanımlanmadığının farkındalığı, bir elektronun seviyeler arasındaki hareketi sorununun klasik mekanikle bağdaşmadığı fikrine yol açtı. Bir atomdaki elektronların davranışını belirleyen yasaların doğası ve yalnızca atomun başlangıç ​​ve son durağan durumlarıyla ilgili nicelikleri içerecek yeni bir teoriye ihtiyaç duyulduğu.

1925'te W. Heisenberg, elektronun koordinatları ve hızları yerine belirli soyut cebirsel büyüklüklerin - matrislerin - ortaya çıktığı resmi bir şema oluşturmayı başardı; Matrisler ve gözlemlenebilir nicelikler (enerji seviyeleri ve kuantum geçişlerinin yoğunlukları) arasındaki bağlantı, basit tutarlı kurallarla veriliyordu. Heisenberg'in çalışması M. Born ve P. Jordan tarafından geliştirildi. Matris mekaniği bu şekilde ortaya çıktı. Schrödinger denkleminin ortaya çıkmasından kısa bir süre sonra, dalganın (Schrödinger denklemine dayalı olarak) ve matris mekaniğinin matematiksel eşdeğerliği gösterildi. 1926'da M. Born, de Broglie dalgalarının olasılıksal bir yorumunu yaptı (aşağıya bakınız).

Dirac'ın aynı döneme ait çalışmaları kuantum mekaniğinin yaratılmasında büyük rol oynadı. Açık temellere ve uyumlu bir matematiksel aygıta sahip tutarlı bir fiziksel teori olarak kuantum mekaniğinin nihai oluşumu, belirsizlik ilişkisinin formüle edildiği Heisenberg'in (1927) çalışmasından sonra meydana geldi. - kuantum mekaniği denklemlerinin fiziksel anlamını, klasik mekanikle bağlantısını ve kuantum mekaniğinin diğer temel konularını ve niteliksel sonuçlarını aydınlatan en önemli ilişki. Bu çalışma Bohr ve Heisenberg'in çalışmalarında devam ettirildi ve genelleştirildi.

Atom spektrumlarının ayrıntılı bir analizi bu kavrama yol açtı (ilk olarak J. Yu. Uhlenbeck ve S. Goudsmit tarafından tanıtıldı ve W. Pauli tarafından geliştirildi). yük ve kütleye ek olarak bir elektrona bir iç özellik daha (kuantum numarası) atanması gerektiği - döndürmek.

W. Pauli (1925) tarafından keşfedilen ve atom, molekül, çekirdek ve katı cisim teorisinde temel öneme sahip olan dışlama prensibi önemli bir rol oynadı.

Kısa bir süre içinde kuantum mekaniği çok çeşitli olgulara başarıyla uygulandı. Atomik spektrum teorileri, moleküllerin yapısı, kimyasal bağ, D.I. Mendeleev'in periyodik tablosu, metalik iletkenlik ve ferromanyetizma. Bunlar ve diğer birçok olgu (en azından niteliksel olarak) netleşti.

“Kuantum teorisinin temel fikirlerini tek bir cümleyle karakterize etmek zorunda kalsaydık şunu söyleyebilirdik: o zamana kadar sürekli kabul edilen bazı fiziksel nicelikler , temel kuantumlardan oluşur " (A.Einstein)

19. yüzyılın sonunda J. Thomson keşfetti elektron Negatif elektriğin temel bir kuantumu (parçacığı) olarak. Böylece hem atomik hem de elektrik teorisi bilimle tanıştırıldı fiziksel büyüklükler, bu ancak büyük bir hızla değişebilir . Thomson, elektronun aynı zamanda atomun kurucu unsurlarından biri olduğunu, maddenin oluştuğu temel yapı taşlarından biri olduğunu gösterdi. Thomson'ın yarattığı ilk model atom, Buna göre atom, "kuru üzümlü çörek" gibi, elektronlarla dolu amorf bir küredir. Bir atomdan elektronları çıkarmak nispeten kolaydır. Bu, atomun ısıtılması veya diğer elektronlarla bombardıman edilmesi yoluyla yapılabilir.

Ancak çok en atom kütlesi sundu elektronlar değil, geriye kalan parçacıklar, çok daha ağır - bir atomun çekirdeği . Bu keşif, altın folyoyu alfa parçacıklarıyla bombalayan ve parçacıkların çok büyük bir şeye çarpıyormuş gibi göründüğü ve parçacıkların serbestçe uçtuğu yerler olduğunu keşfeden E. Rutherford tarafından yapıldı. Rutherford bu keşfe dayanarak atomun gezegen modelini oluşturur. Bu modele göre atomun merkezinde atom kütlesinin büyük bir kısmını yoğunlaştıran bir çekirdek bulunur ve elektronlar çekirdeğin etrafında dairesel yörüngelerde dönerler.

Fotoelektrik etki

1888-1890'da fotoelektrik etki Rus fizikçi A.P. Stoletov tarafından incelenmiştir. Fotoelektrik etki teorisi 1905 yılında A. Einstein tarafından geliştirildi. Işığın elektronları metalden dışarı atmasına izin verin. Elektronlar metalden kaçar ve belli bir hızla ileri doğru atılır. Bu elektronların sayısını sayabiliyor, hızlarını ve enerjilerini belirleyebiliyoruz. Eğer metali aynı dalga boyundaki ışıkla yeniden aydınlatsaydık, daha güçlü bir kaynaksa, o zaman enerjinin daha fazla elektron yayılacak . Ancak ne hız ne de elektron enerjisi değişmez artan ışık yoğunluğuyla. Bu, M. Planck'ın enerji kuantumunu keşfetmesine kadar bir sorun olarak kaldı.

Enerji kuantumunun M. Planck tarafından keşfi

19. yüzyılın sonlarında fizikte “ultraviyole felaketi” olarak adlandırılan bir zorluk ortaya çıktı. Deneysel çalışma Tamamen siyah bir cismin termal radyasyon spektrumu, radyasyon yoğunluğunun frekansına belirli bir bağımlılığını verdi. Öte yandan klasik elektrodinamik çerçevesinde yapılan hesaplamalar bambaşka bir bağımlılık ortaya çıkardı. Spektrumun ultraviyole ucunda radyasyon yoğunluğunun sınırsız artması gerektiği ortaya çıktı ki bu da deneyle açıkça çelişiyor.

Bu sorunu çözmeye çalışan Max Planck, çelişkinin klasik fizikteki radyasyon mekanizmasının yanlış anlaşılmasından kaynaklandığını kabul etmek zorunda kaldı.

1900 yılında, enerjinin emisyonunun ve emiliminin sürekli olarak değil, ayrı ayrı meydana geldiği hipotezini öne sürdü: porsiyonlar halinde (kuantum) E= değeriyle H × N , Nerede e– radyasyon yoğunluğu, N– radyasyon frekansı, H– yeni temel sabit (Planck sabiti, 6,6×10 -34 J×saniyeye eşit). Bu temelde “ultraviyole felaketi” aşıldı.

M. Planck gördüklerimizin beyaz ışık boşluğa doğru hızla akan küçük enerji parçalarından oluşur ışık hızında uzay. Planck enerjinin bu kısımlarına kuantum adını verdi veya fotonlar .

Işığın kuantum teorisinin fotoelektrik etki için bir açıklama sağladığı hemen anlaşıldı. Böylece metal bir plaka üzerine bir foton akışı düşer. Bir foton bir atoma çarpar ve bir elektronu yok eder. Fırlatılan elektron her durumda aynı enerjiye sahip olacaktır. O halde açıktır ki ışık yoğunluğunun arttırılması anlamına gelir Gelen fotonların sayısındaki artış . Bu durumda metalden plaka, daha fazla sayıda elektron koparılır, ancak her birinin enerjisi tek elektron değişmez .

Işık kuantumunun enerjisi ışınlar için farklıdır farklı renkler, dalgalar farklı frekanslar . Dolayısıyla kırmızı ışık fotonlarının enerjisi, mor ışık fotonlarının enerjisinin yarısı kadardır. X ışınları ise beyaz ışık fotonlarına göre çok daha yüksek enerjiye sahip fotonlardan oluşur, yani X ışınlarının dalga boyu çok daha kısadır.

Bir ışık kuantumunun emisyonu, bir atomun bir enerji seviyesinden diğerine geçişi ile ilişkilidir. Bir atomun enerji seviyeleri genellikle ayrıktır, yani uyarılmamış bir durumda atom yaymaz, kararlıdır. Bu hükme dayanarak N. Bohr 1913'te atom modelini yarattı . Bu modele göre atomun merkezinde elektronların etrafında sabit yörüngelerde döndüğü devasa bir çekirdek vardır. Bir atom sürekli olarak enerji yaymaz, ancak kısımlar halinde (kuantum) ve yalnızca uyarılmış durumdayken enerji yayar. Bu durumda elektronların dış yörüngeden iç yörüngeye geçişini gözlemliyoruz. Enerjinin bir atom tarafından emilmesi durumunda, elektronların iç yörüngeden dış yörüngeye geçişi gerçekleşir.

Kuantum Teorisinin Temelleri

Yukarıdaki keşifler ve daha birçokları klasik mekaniğin bakış açısından anlaşılamadı ve açıklanamadı. Yeni bir teoriye ihtiyaç vardı 1925-1927'de yaratıldı İsim kuantum mekaniği .

Fizikçiler atomun evrenin son yapı taşı olmadığını, kendisinin daha basit parçacıklardan oluştuğunu tespit ettikten sonra temel parçacık arayışı başladı. Temel bir parçacık daha küçük bir parçacığı adlandırın atom çekirdeği(proton, elektron, nötronla başlayarak). Bugüne kadar 400'den fazla temel parçacık bilinmektedir.

Zaten bildiğimiz gibi, 1891'de keşfedilen ilk temel parçacık elektron. 1919'da E. Rutherford açılıyor proton, atom çekirdeğinin bir parçası olan pozitif yüklü ağır parçacık. 1932'de İngiliz fizikçi John Chadwick şunu keşfetti: nötron elektrik yükü olmayan ve aynı zamanda atom çekirdeğinin bir parçası olan ağır bir parçacık. 1932'de Paul Dirac ilkini öngördü antiparçacık – pozitron Kütlesi elektrona eşit fakat zıttı (pozitif) elektrik yükü.

20. yüzyılın 50'li yıllarından bu yana, süper güçlü hızlandırıcılar - senkrofazotronlar - temel parçacıkların keşfi ve araştırılmasının ana aracı haline geldi. Rusya'da bu tür ilk hızlandırıcı 1957'de Dubna şehrinde kuruldu. Hızlandırıcıların yardımıyla antipartiküller keşfedildi: pozitron ve ardından antiproton ve antinötron (elektrik yükü olmayan, ancak nötronun baryon yükünün tersi bir baryon yüküne sahip bir antipartikül). O zamandan beri antimaddenin, antimaddenin ve hatta belki de antidünyaların olası varlığına dair hipotezler öne sürülmeye başlandı. Ancak bu hipotezin deneysel olarak doğrulanması henüz sağlanamamıştır.

Temel parçacıkların temel özelliklerinden biri de son derece küçük kütlelere ve boyutlara sahip . Çoğunun kütlesi 1,6 × 10 –24 gram, boyutu ise yaklaşık 10 –16 cm çapındadır.

Temel parçacıkların bir diğer özelliği de doğup yok olma, yani diğer parçacıklarla etkileşime girdiğinde yayılma ve absorbe edilme yeteneği . Örneğin, bir elektronun ve bir pozitronun iki zıt parçacığının etkileşimi (yok edilmesi) sırasında iki foton (enerji kuantumu) salınır: e - + e + = 2g

Bir sonraki önemli özellik ise dönüşüm, yani etkileşim sırasında parçacıkların birbirleriyle birleşmesi ve ortaya çıkan parçacığın kütlesinin artması. Parçacığın yeni kütlesi, birleşen iki parçacığın toplamından daha büyüktür, çünkü birleşme sırasında açığa çıkan enerjinin bir kısmı kütleye dönüşür.

Parçacıklar 1.etkileşim türlerinde farklılık gösterir; 2. etkileşim türleri; 3. kütle; 4. yaşam süresi; 5. geri; 6. şarj.

Etkileşim türleri ve türleri

Etkileşim türleri

Güçlü etkileşim Atom çekirdeğindeki protonlar ve nötronlar arasındaki bağlantıyı belirler.

Elektromanyetik etkileşim – güçlüden ziyade daha az yoğun, bir moleküldeki atomlar arasındaki bağlantıyı olduğu gibi, bir atomdaki elektronlar ve çekirdek arasındaki bağlantıyı da belirler.

Zayıf etkileşim yavaş süreçlere, özellikle de parçacıkların parçalanma sürecine neden olur.

Yerçekimi etkileşimi – bu bireysel parçacıklar arasındaki etkileşimdir; Kuantum mekaniğinde bu etkileşimin gücü, kütlelerin küçüklüğü nedeniyle son derece küçüktür, ancak büyük kütlelerin etkileşimi ile gücü önemli ölçüde artar.

Etkileşim türleri

Kuantum mekaniğindeki her şey temel parçacıklar yalnızca iki türde etkileşime girebilir: hadronik ve lepton .

Ağırlık .

Parçacıklar kütlelerine göre ikiye ayrılır ağır (proton, nötron, graviton vb.), orta ve hafif (elektron, foton, nötrino vb.)

Yaşam süresi.

Parçacıklar var oldukları zamana göre ikiye ayrılır. stabil, yeterince uzun bir ömre sahip (örneğin protonlar, nötronlar, elektronlar, fotonlar, nötrinolar vb.), yarı kararlı yani oldukça kısa bir ömre sahip (örneğin antipartiküller) ve dengesiz Ömrü son derece kısa olan (örneğin mezonlar, pionlar, baryonlar vb.)

Döndürmek

Döndürmek (İngilizce'den - dönmeye, dönmeye) kuantum doğasına sahip olan ve parçacığın bir bütün olarak hareketi ile ilişkili olmayan temel bir parçacığın içsel açısal momentumunu karakterize eder. Planck sabitinin (6,6 × 10 –34 J × sn) tam sayı veya yarım tam sayı katı olarak ölçülür. Çoğu temel parçacık için spin indeksi 1/2'dir; (elektron, proton, nötrino için) 1 (foton için), 0 (P-mezonlar, K-mezonlar için).

Spin kavramı, 1925 yılında Amerikalı bilim adamları J. Uhlenbeck ve S. Goudsmit tarafından fiziğe tanıtıldı ve elektronun bir "dönen top" olarak düşünülebileceğini öne sürdü.

Elektrik yükü

Temel parçacıklar, pozitif veya negatif bir elektrik yükünün varlığı veya hiç bir elektrik yükünün bulunmaması ile karakterize edilir. Baryon grubunun temel parçacıkları, elektrik yüküne ek olarak bir de baryon yüküne sahiptir.

Yirminci yüzyılın 50'li yıllarında fizikçiler M. Gell-Mann ve G. Zweig, hadronların içinde daha da fazla temel parçacık olması gerektiğini öne sürdüler. Zweig bunlara as adını verdi ve Gell-Man onlara kuark adını verdi. Kuark kelimesi J. Joyce'un "Finnegans Wake" adlı romanından alınmıştır. Daha sonra kuark adı takıldı.

Gell-Man hipotezine göre kuarkların üç türü (tadı) vardır: sen – D – S. Her birinin spini = 1/2; ve yük = elektronun yükünün 1/3'ü veya 2/3'ü. Tüm baryonlar üç kuarktan oluşur. Örneğin, bir proton uud'dan, bir nötron ise ddu'dan gelir. Üç kuark çeşidinin her biri üç renge bölünmüştür. Bu sıradan bir renk değil, yükün bir benzeridir. Dolayısıyla bir proton, iki u ve bir d-kuark içeren bir torba olarak düşünülebilir. Torbadaki kuarkların her biri kendi bulutuyla çevrilidir. Proton-proton etkileşimi, yeterince küçük bir mesafede gluon alışverişi yapmaya başlayan kuarklı iki torbanın yakınsaması olarak temsil edilebilir. Gluon bir taşıyıcı parçacıktır ( İngilizce kelime tutkal (yapıştırıcı anlamına gelir). Gluonlar, atomun çekirdeğindeki protonları ve nötronları birbirine yapıştırarak bozunmalarını önler. Biraz benzetme yapalım.

Kuantum elektrodinamiği: elektron, yük, foton. Kuantum renk dinamiğinde bunlar şunlara karşılık gelir: kuark, renk, gluon. Kuarklar, hadron grubunun temel parçacıkları arasındaki bir takım süreçleri ve etkileşimleri açıklamak için gerekli teorik nesnelerdir. Soruna felsefi bir yaklaşım açısından bakıldığında, kuarkların mikro dünyayı makro dünya açısından açıklamanın yollarından biri olduğunu söyleyebiliriz.

Fiziksel boşluk ve sanal parçacıklar

Yirminci yüzyılın ilk yarısında Paul Dirac, kuantum mekaniği yasalarını ve görelilik teorisini dikkate alarak elektronların hareketini tanımlayan bir denklem derledi. Beklenmedik bir sonuç elde etti. Elektron enerjisi formülü 2 çözüm veriyordu: Çözümlerden biri zaten tanıdık olan elektrona (pozitif enerjili bir parçacık), diğeri ise enerjisi negatif olan bir parçacığa karşılık geliyordu. Kuantum mekaniğinde negatif enerjili bir parçacığın durumu şu şekilde yorumlanır: antiparçacık . Dirac antiparçacıkların parçacıklardan oluştuğunu fark etti.

Bilim adamı şu sonuca vardı: “fiziksel boşluk”, negatif enerjili elektronlarla doludur. Fiziksel boşluğa genellikle "Dirac denizi" adı verildi. Negatif enerjiye sahip elektronları tam olarak gözlemlemiyoruz çünkü onlar, tüm dünya olaylarının önünde gerçekleştiği sürekli, görünmez bir arka plan (“deniz”) oluşturuyorlar. Ancak bu “deniz”, belirli bir şekilde harekete geçilmedikçe gözlemlenemez. Diyelim ki bir foton "Dirac denizine" girdiğinde, "denizi" (vakum) kendisini ele vermeye zorlar ve negatif enerjili birçok elektrondan birini devre dışı bırakır. Ve aynı zamanda, teorinin belirttiği gibi, iki parçacık aynı anda doğacak: pozitif enerjili ve negatif elektrik yüklü bir elektron ve yine pozitif enerjili ama aynı zamanda pozitif yüklü bir antielektron.

1932'de Amerikalı fizikçi K. D. Anderson deneysel olarak kozmik ışınlarda bir antielektron keşfetti ve ona adını verdi. pozitron.

Bugün, dünyamızdaki her temel parçacık için bir antiparçacık olduğu (bir elektron için - bir pozitron, bir proton için - bir antiproton, bir foton için - bir antifoton ve hatta bir nötron için - bir antinötron) olduğu kesin olarak tespit edilmiştir. .

Boşluğun saf "hiçlik" olarak anlaşılması, P. Dirac'ın teorisine uygun olarak çok sayıda üretilen çifte dönüştü: parçacık-antiparçacık.

Bir tanesi fiziksel vakumun özellikleri onun içindeki varlık mı enerjisi “0”a eşit olan ve gerçek olmayan alanlar parçacıklar. Ancak bir alan olduğu için salınması gerekir. Boşluktaki bu tür salınımlara sıfır denir çünkü orada parçacık yoktur. Şaşırtıcı bir şey: parçacıkların hareketi olmadan alan salınımları imkansızdır, ancak bu durumda salınımlar vardır, ancak parçacık yoktur! Ve sonra fizik böyle bir uzlaşmayı bulmayı başardı: Parçacıklar sıfır alan salınımlarında doğarlar, çok kısa yaşarlar ve yok olurlar. Ancak parçacıkların "hiçlikten" doğup kütle ve enerji kazanarak kütle ve enerjinin korunumu yasasını ihlal ettiği ortaya çıktı. Burada bütün mesele bir parçacığın “ömrü”ndedir: Bu süre o kadar kısadır ki, yasaların ihlali ancak teorik olarak hesaplanabilir, ancak deneysel olarak gözlemlenemez. Bir parçacık “hiçlikten” doğdu ve hemen öldü. Örneğin, anlık bir elektronun ömrü 10-21 saniye, anlık bir nötronun ömrü ise 10-24 saniyedir. Sıradan bir serbest nötron dakikalarca yaşar, ancak atom çekirdeğinde süresiz olarak uzun bir süre yaşar. Çok az yaşayan parçacıklar, sıradan, gerçek olanların aksine isimlendirildi. sanal (Latince'den çeviride - mümkün).

Eğer fizik tek bir sanal parçacığı tespit edemiyorsa, o zaman bunların sıradan parçacıklar üzerindeki toplam etkisi mükemmel bir şekilde kaydedilir. Örneğin, fiziksel bir boşluğa yerleştirilen ve sanal parçacıkların etkisiyle birbirine yaklaştırılan iki plaka birbirini çekmeye başlar. Bu gerçek 1965 yılında Hollandalı deneysel fizikçi Hendrik Casimir tarafından keşfedildi.

Aslında, temel parçacıklar arasındaki tüm etkileşimler, temel parçacıkların da etkilediği bir vakum sanal arka planının kaçınılmaz katılımıyla gerçekleşir.

Daha sonra sanal parçacıkların yalnızca boşlukta görünmediği gösterildi; Sıradan parçacıklar tarafından da üretilebilirler. Örneğin elektronlar sürekli olarak sanal fotonlar yayar ve hemen emer.

Dersin sonunda şunu belirtelim: atomistik kavram, daha önce olduğu gibi, şu fikir üzerine kuruludur: özellikler bir fiziksel beden sonuçta kendisini oluşturan parçacıkların özelliklerine indirgenebilir , bu tarihi anda bölünmez kabul edilir . Tarihsel olarak bu tür parçacıklar atom olarak kabul edildi, daha sonra temel parçacıklar ve bugün ise kuarklar olarak kabul edildi. Felsefi açıdan bakıldığında en umut verici olanı yeni yaklaşımlar , temelli bölünemez temel parçacıkların arayışında değil, Bütünselliği açıklamak için iç bağlantılarını belirleme konusunda malzeme oluşumlarının özellikleri . Bu görüş de dile getirildi W. Heisenberg ancak maalesef henüz gelişme sağlanamadı.

Kuantum mekaniğinin temel ilkeleri

Doğa bilimleri tarihinin gösterdiği gibi, fizikçilerin mikro dünyayı incelerken karşılaştıkları temel parçacıkların özellikleri, geleneksel fiziksel teorilerin çerçevesine uymuyor. Mikro dünyayı klasik fiziğin kavram ve ilkelerini kullanarak açıklama girişimleri başarısız oldu. Yeni kavram ve açıklamalar arayışı, yeni bir fiziksel teorinin ortaya çıkmasına yol açtı - kökenleri W. Heisenberg, N. Bohr, M. Planck, E. Schrödinger ve diğerleri gibi seçkin fizikçiler olan kuantum mekaniği.

Mikronesnelerin spesifik özelliklerinin incelenmesi deneylerle başladı. bazılarındaki mikro nesneler deneyler kendilerini parçacıklar (parçacıklar) olarak ve diğerlerinde ortaya çıkarır – dalgalar gibi . Bununla birlikte, ışığın doğasına ilişkin çalışmaların tarihini veya daha doğrusu Newton ile Huygens arasındaki uzlaşmaz farklılıkları hatırlayalım. Newton ışığı bir akış olarak gördü parçacık, ve Huygens - nasıl dalgalı özel bir ortamda - eterde meydana gelen hareket.

1900 yılında enerjinin ayrık kısımlarını (kuantum) keşfeden M. Planck, şu fikri tamamladı: kuantum veya foton akışı olarak ışık . Ancak ışığın kuantum kavramıyla birlikte Louis de Broglie ve E. Schrödinger'in çalışmalarında ışığın dalga mekaniği gelişmeye devam etti. Louis de Broglie bir sicimin titreşimi ile radyasyon yayan bir atom arasındaki benzerliği keşfetti. Her elementin atomu temel parçacıklardan oluşur: ağır bir çekirdek ve hafif elektronlar. Bu parçacık sistemi, duran dalgalar üreten akustik bir enstrüman gibi davranır. Louis de Broglie cesur bir varsayımda bulundu: Düzgün ve doğrusal olarak hareket eden bir elektron, belirli bir uzunlukta bir dalgadır. Bundan önce, ışığın bazı durumlarda parçacık, bazı durumlarda ise dalga gibi davrandığı gerçeğine zaten alışmıştık. Elektrona göre onu bir parçacık olarak tanıdık (kütlesi ve yükü belirlendi). Ve aslında elektron, elektrik veya manyetik alanda hareket ettiğinde parçacık gibi davranır. Aynı zamanda bir kristalden veya kırınım ızgarasından geçerek kırıldığında bir dalga gibi davranır.

Kırınım ızgarası deneyi

Bu olgunun özünü ortaya çıkarmak için genellikle iki yarıklı bir düşünce deneyi yapılır. Bu deneyde bir kaynaktan yayılan bir elektron ışını S, iki delikli bir plakanın içinden geçerek ekrana çarpıyor.

Elektronlar topaklar gibi klasik parçacıklar olsaydı, ilk yarıktan geçerek ekrana çarpan elektronların sayısı bir eğri ile temsil edilirdi. İÇİNDE ve ikinci yarıktan geçerek bir eğri İLE. Toplam isabet sayısı toplam eğri ile ifade edilir D.

Gerçekte tamamen farklı bir şey olur. Eğriler İÇİNDE Ve İLE yalnızca deliklerden birinin kapalı olduğu durumlarda alacağız. Her iki delik de aynı anda açıksa, ışık dalgalarında meydana gelene benzer bir maksimum ve minimum sistemi ekranda görünecektir (eğri). A).

Ortaya çıkan epistemolojik durumun özellikleri şu şekilde tanımlanabilir. Bir yandan, fiziksel gerçekliğin bir olduğu, yani alan ile madde arasında bir boşluk olmadığı ortaya çıktı: alan madde gibidir, parçacık özelliklerine sahiptir ve alan gibi madde parçacıkları da dalga özelliklerine sahiptir. Öte yandan tek fiziksel gerçekliğin ikili olduğu ortaya çıktı. Doğal olarak bir sorun ortaya çıktı: Mikro nesnelerin parçacık-dalga özelliklerinin çelişkisinin nasıl çözüleceği. Aynı mikro nesneye sadece farklı değil, aynı zamanda zıt özellikler de atfedilir.

1925'te Louis de Broglie (1875-1960) aday gösterildi prensip buna göre Doğası ne olursa olsun her maddi parçacık, uzunluğu ters olan dalgayı eşleştirin parçacığın momentumu ile orantılıdır: ben = H / P , Nerede ben– dalga boyu, H– Planck sabiti 6,63 × 10 –34 J × sn'ye eşit, R– parçacığın momentumu, parçacığın kütlesi ile hızının çarpımına eşittir ( R = M× v). Böylece, şu tespit edildi: sadece fotonlar (ışık parçacıkları) değil, aynı zamanda diğerleri de Elektron, proton, nötron vb. gibi maddi parçacıklar ikili özellikler . Bu fenomene denir dalga-parçacık ikiliği . Bu nedenle, bazı deneylerde temel parçacık bir parçacık gibi, diğerlerinde ise bir dalga gibi davranabilir. Aletlerin ve ölçüm aletlerinin etkisi dikkate alınmadan mikro nesnelerin herhangi bir şekilde gözlemlenmesinin imkansız olduğu sonucu çıkmaktadır. Makrokozmosumuzda, gözlem ve ölçüm cihazının incelediğimiz makro cisimler üzerindeki etkisini fark etmiyoruz çünkü bu etki son derece küçüktür ve ihmal edilebilir. Makro cihazlar, mikro dünyaya rahatsızlıklar getirir ve mikro nesnelere değişiklik getirmekten başka çaresi kalmaz.

Parçacıkların parçacık ve dalga özelliklerinin tutarsızlığının bir sonucu olarak Danimarkalı fizikçi N. Bor (1885-1962) 1925'te aday gösterildi tamamlayıcılık ilkesi . Bu prensibin özü şuydu: Atom fiziğinin son derece karakteristik bir özelliği Farklı deneylerde gözlemlenen olaylar arasındaki yeni ilişki koşullar. Bu koşullar altında elde edilen deneysel veriler, temsil ettikleri için ek olarak değerlendirilmelidir. Atomik nesneler hakkında eşit derecede önemli bilgiler ve birlikte ele alındığında onları tüketiriz. Ölçüm cihazları ile incelenen fiziksel nesneler arasındaki etkileşim kuantum fenomeninin ayrılmaz bir parçası . Tamamlayıcılık ilkesinin bize mikro dünyanın nesnelerini dikkate almanın temel özelliğini verdiği sonucuna varıyoruz.

Kuantum mekaniğinin bir sonraki en temel prensibi şudur: belirsizlik ilkesi 1927'de formüle edildi Werner Heisenberg (1901 – 1976). Özü aşağıdaki gibidir. Bir mikropartikülün koordinatını aynı anda ve eşit doğrulukla belirlemek imkansızdır. ve onun ivmesi . Koordinat ölçümünün doğruluğu, darbe ölçümünün doğruluğuna bağlıdır ve bunun tersi de geçerlidir; imkansız ikisi birden bu miktarları herhangi bir doğrulukla ölçün; Koordinat ölçümünün doğruluğu ne kadar yüksek olursa ( X), dürtü ne kadar belirsiz olursa ( R) ve tam tersi. Konum ölçümündeki belirsizlik ile momentum ölçümündeki belirsizliğin çarpımı Planck sabitinden “büyük veya ona eşit” olmalıdır ( H), .

Bu prensiple tanımlanan sınırlar, ölçüm aletlerinde ve ölçüm prosedürlerinde herhangi bir iyileştirme yapılarak temel olarak aşılamaz. Belirsizlik ilkesi şunu gösterdi: kuantum mekaniğinin öngörüleri yalnızca olasılıksaldır ve sağlama doğru tahminler Klasik mekanikte alışık olduğumuz. Bilim adamları arasında tartışmaya neden olan ve neden olmaya devam eden şey, kuantum mekaniğinin öngörülerinin belirsizliğidir. Hatta kuantum mekaniğinde kesinliğin tamamen bulunmadığından, yani onun indeterminizm. Klasik fiziğin temsilcileri, bilim ve ölçüm teknolojisi geliştikçe kuantum mekaniği yasalarının doğru ve güvenilir hale geleceğine inanıyorlardı. Bu bilim adamları inanıyordu ölçümlerin ve tahminlerin doğruluğunun sınırı yoktur.

Determinizm ve indeterminizm ilkesi

Klasik determinizm, Laplace'ın (18. yüzyıl) şu sözüyle başladı: "Bana tüm dünyanın parçacıklarının ilk verilerini verin, ben de size tüm dünyanın geleceğini tahmin edeyim." Var olan her şeyin kesinliğinin ve önceden belirlenmesinin bu aşırı biçimine Laplace determinizmi denir.

İnsanlık uzun zamandır Tanrı'nın kaderine ve daha sonra nedensel "demir" bağlantıya inandı. Ancak Majestelerini göz ardı etmemek gerekir. oluyor, bizim için beklenmedik ve beklenmedik şeyleri düzenleyen. Atom fiziğinde rastlantısallık özellikle açıkça kendini gösterir. Dünyanın doğrusal bir şekilde organize edilmediği ve istediğimiz kadar basit olmadığı fikrine alışmalıyız.

Determinizm ilkesi Bu özellikle klasik mekanikte belirgindir. Böylece ikincisi şunu öğretir: ilk verilere göre Herhangi bir zamanda mekanik bir sistemin tam durumunu belirlemek mümkündür. gelecek ne kadar uzak olursa olsun . Aslında bu sadece görünen basitliktir. Bu yüzden, klasik mekanikte bile başlangıç ​​verileri sonsuz kesinlikte belirlenemez . İlk olarak, başlangıç ​​verilerinin gerçek değeri bizim tarafımızdan yalnızca bir dereceye kadar bilinmektedir. olasılık derecesi . Devam ederken mekanik sistem hareket edecek rastgele kuvvetler, öngöremediğimiz . İkincisi, bu kuvvetler oldukça küçük olsa bile etkileri uzun bir süre boyunca çok önemli olabilir. Ayrıca sistemin geleceğini tahmin etmeyi planladığımız süre boyunca bunun gerçekleşeceğine dair hiçbir garantimiz yok. sistem izole kalacak . Üçüncüsü, klasik mekanikte bu üç durum genellikle göz ardı edilir. Rastgeleliğin etkisi göz ardı edilmemelidir çünkü zamanla başlangıç ​​koşullarının belirsizliği artar ve tahmin mükemmelleşiyor anlamsız .

Deneyimlerin gösterdiği gibi, rastgele faktörlerin işlediği sistemlerde, gözlemler birçok kez tekrarlandığında, genellikle adı verilen belirli modeller tespit edilebilir. istatistiksel (olasılığa dayalı)) . Eğer sistem çok sayıda rastgele etkiye sahipse, o zaman deterministik (dinamik) modelin kendisi de şansın hizmetkarı haline gelir; ve kendisi şans doğurur yeni tip desenler – istatistiksel . Dinamik bir düzenlilikten istatistiksel bir düzenlilik elde etmek imkansızdır. Şansın önemli bir rol oynamaya başladığı sistemlerde istatistiksel (olasılıksal) nitelikte varsayımlar yapmak gerekir. Dolayısıyla şansın determinizmden daha kötü olmayan bir model yaratabileceğini "fiilen" kabul etmemiz gerekiyor.

Kuantum mekaniği aslında bir teoridir istatistiksel kalıplara dayalı . Bu nedenle, bireysel bir mikropartikülün kaderi, tarihi ancak çok küçük bir alanda izlenebilir. genel taslak. Bir parçacık uzayda yalnızca belirli bir olasılıkla lokalize edilebilir ve bu lokalizasyon, başlangıçtaki lokalizasyon ne kadar doğru olursa zamanla bozulacaktır; bu, belirsizlik ilişkisinin doğrudan bir sonucudur. Ancak bu hiçbir şekilde kuantum mekaniğinin değerini azaltmaz. Kuantum mekaniği yasalarının istatistiksel doğası, onun aşağılığı veya deterministik bir teori arama ihtiyacı olarak değerlendirilmemelidir - büyük olasılıkla böyle bir şey yoktur.

Kuantum mekaniğinin istatistiksel doğası, eksik olduğu anlamına gelmez. nedensellik . Kuantum mekaniğinde nedensellik şu şekilde tanımlanır: kesin şekil uzayda etkinliklerin düzenlenmesi ve zamanla ve bu düzenlilik onun En kaotik görünen olaylarda bile kısıtlamalar .

İstatistik teorilerinde nedensellik iki şekilde ifade edilir:

• istatistiksel kalıpların kendileri katı bir şekilde sıralanmıştır;
• Bireysel temel parçacıklar (olaylar), yalnızca uzay ve zamandaki göreceli konumları bunun nedenselliği, yani parçacıkları düzenleyen kuralları ihlal etmeden yapılmasına izin veriyorsa, biri diğerini etkileyebilecek şekilde sıralanmıştır.

Kuantum teorisindeki nedensellik ünlü E. Schrödinger denklemiyle ifade edilir. . Bu denklem, bir hidrojen atomunun (kuantum topluluğu) hareketini ve zaman içindeki önceki durumun sonraki durumlarını (hidrojen atomundaki elektronun durumu - koordinatı ve momentumu) belirleyeceği şekilde açıklar.

(psi) – dalga fonksiyonu; T- zaman; – fonksiyonun zaman içinde artması, H– Planck sabiti ( H=6,63×10 -34 J×saniye); Ben keyfi bir gerçek sayıdır.

Günlük yaşamda diyoruz sebep başka bir olguya yol açan bir olgu. İkincisi, sebebin eyleminin sonucudur, yani sonuçlar . Bu tür tanımlar doğrudan pratik aktiviteler insanların çevrelerindeki dünyayı dönüştürmelerini sağladı ve faaliyetlerinin neden-sonuç doğasını vurguladı. Modern bilimde hakim olan eğilim nedensel bağımlılığın yasalar aracılığıyla belirlenmesi. Örneğin ünlü metodolojist ve bilim felsefecisi R. Carnap, “nedensellik kavramının anlamına ilişkin tartışmanın araştırmayla değiştirilmesinin daha verimli olacağına” inanıyordu. çeşitli türler bilimde bulunan yasalardır.”

Determinizm ve indeterminizme gelince, modern bilim, zorunluluk ve şansı organik olarak birleştirir. Bu nedenle, dünya ve içindeki olaylar ne açıkça önceden belirlenmiş ne de tamamen rastgeledir, hiçbir şey tarafından koşullandırılmamıştır. Klasik Laplacecı determinizm, doğadaki rastgeleliği reddederek zorunluluğun rolünü aşırı vurguladı ve bu nedenle çarpık bir dünya görüşü verdi. Kuantum mekaniğindeki belirsizlik ilkesini diğer alanlara genişleten bir dizi modern bilim adamı, zorunluluğu reddederek şansın üstünlüğünü ilan etti. Ancak en doğru tutum, zorunluluk ve şansın gerçekliğin birbiriyle ilişkili ve tamamlayıcı yönleri olarak ele alınması olacaktır.

Kendini kontrol etmeye yönelik sorular

1. Doğayı tanımlarken kullanılan temel kavramlar nelerdir?
2. Doğayı tanımlamaya yönelik fiziksel ilkeleri adlandırın.
3. Dünyanın fiziksel resmi nedir? Onu bana ver genel konsept ve başlıca tarihsel türlerini adlandırın.
4. Çok yönlülük nedir? fiziksel yasalar?
5. Kuantum ve klasik mekanik arasındaki fark nedir?
6. Özel ve ana sonuçları nelerdir? genel teori görelilik?
7. Modern fiziğin temel ilkelerini adlandırın ve bunları kısaca genişletin.

1. Andreev E.P. Mikro dünya alanı. M., Nauka, 1969.
2. Gardner M. Milyonlarca görelilik teorisi. M., Atomizdat, 1967.
3. Heisenberg V. Kuantum teorisinin fiziksel ilkeleri. L.-M., 1932.
4. Jammer M. Kuantum mekaniği kavramlarının evrimi. M., Mir, 1985.
5. Dirac P. Kuantum mekaniğinin ilkeleri. M., 1960.
6. Dubnischeva T.Ya. Modern doğa biliminin kavramları. Novosibirsk, 1997. Atölye adı Dipnot

   Sunumlar

   Sunum başlığı	Dipnot

   öğretmenler

   Öğretmen adı	Dipnot

A. ŞİŞLOVA. "Fiziksel Bilimlerdeki Gelişmeler" ve "Scientific American" dergilerindeki materyallere dayanmaktadır.

Mikro dünyanın fiziksel olaylarının kuantum mekaniksel tanımı, tek doğru ve gerçeklikle en tutarlı olan olarak kabul edilir. Makrokozmosun nesneleri başka bir klasik mekaniğin kanunlarına uyar. Makro ve mikro dünya arasındaki sınır bulanıktır ve bu da bir takım paradokslara ve çelişkilere neden olur. Bunları ortadan kaldırma girişimleri, kuantum mekaniği ve mikro dünyanın fiziği hakkında başka görüşlerin ortaya çıkmasına yol açıyor. Görünüşe göre Amerikalı teorisyen David Joseph Bohm (1917-1992) bunları en iyi şekilde ifade edebilmiştir.

1. Bir elektronun dönüşünün (hareket momentumunun) bileşenlerinin belirli bir cihaz - bir "kara kutu" kullanılarak ölçülmesine ilişkin bir düşünce deneyi.

2. İki spin bileşeninin ardışık ölçümü. Elektronun “yatay” dönüşü (solda), ardından “dikey” dönüşü (sağda), sonra tekrar “yatay” dönüşü (altta) ölçülür.

3A. “Dikey” bir kutudan geçtikten sonra “sağa” dönüş yapan elektronlar iki yönde hareket eder: yukarı ve aşağı.

3B. Aynı deneyde iki ışından birinin yoluna belirli bir soğurucu yüzey yerleştireceğiz. Ayrıca, ölçümlere elektronların yalnızca yarısı katılıyor ve çıktıda yarısı "sol" dönüşe, yarısı da "sağ" dönüşe sahip.

4. Mikro dünyadaki herhangi bir nesnenin durumu, dalga fonksiyonu olarak adlandırılan fonksiyonla tanımlanır.

5. Erwin Schrödinger'in düşünce deneyi.

6. 1959'da D. Bohm ve Ya. Aharonov tarafından önerilen deneyin, bir parçacığın erişemediği manyetik alanın onun durumunu etkilediğini göstermesi gerekiyordu.

Modern kuantum mekaniğinin ne gibi zorluklarla karşılaştığını anlamak için onun klasik Newton mekaniğinden ne kadar farklı olduğunu hatırlamamız gerekiyor. Newton, mekaniğin maddi noktaların veya parçacıkların (küçük madde topakları) evrensel bir hareket yasası olarak hareket ettiği dünyanın genel bir resmini yarattı. Bu parçacıklardan herhangi bir nesne yapılabilir. Newton mekaniğinin tüm doğal olayları teorik olarak açıklayabilecek kapasitede olduğu görülüyordu. Ancak geçen yüzyılın sonunda klasik mekaniğin ısıtılmış cisimlerin termal radyasyon yasalarını açıklayamadığı ortaya çıktı. Görünüşe göre bu özel soru fiziksel teorilerin revize edilmesi ihtiyacını doğurdu ve yeni fikirler gerektirdi.

1900 yılında Alman fizikçi Max Planck'ın bu yeni fikirlerin ortaya çıktığı çalışması ortaya çıktı. Planck radyasyonun parçalar halinde, yani kuantumlar halinde meydana geldiğini öne sürdü. Bu fikir klasik görüşlerle çelişiyordu, ancak deneylerin sonuçlarını mükemmel bir şekilde açıkladı (1918'de bu çalışma Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü). Beş yıl sonra Albert Einstein, yalnızca radyasyonun değil, aynı zamanda enerjinin soğurulmasının da ayrı ayrı, porsiyonlar halinde gerçekleşmesi gerektiğini gösterdi ve fotoelektrik etkinin özelliklerini açıklayabildi (Nobel Ödülü 1921). Hafif bir kuantum - Einstein'a göre dalga özelliklerine sahip bir foton, aynı zamanda birçok yönden bir parçacığa (parçacık) benzer. Örneğin bir dalganın aksine, ya tamamen emilir ya da hiç emilmez. Elektromanyetik radyasyonun dalga-parçacık ikiliği ilkesi bu şekilde ortaya çıktı.

1924'te Fransız fizikçi Louis de Broglie, istisnasız tüm parçacıkların (elektronlar, protonlar ve tüm atomlar) dalga özelliklerine sahip olduğunu ileri sürerek oldukça "çılgın" bir fikir öne sürdü. Bir yıl sonra Einstein bu çalışma hakkında şunları söyledi: "Her ne kadar deli bir adam tarafından yazılmış gibi görünse de sağlam bir şekilde yazılmıştı" ve 1929'da de Broglie bunun için bir ödül aldı. Nobel Ödülü...

İlk bakışta günlük deneyimler de Broglie'nin hipotezini reddediyor: Etrafımızdaki nesnelerde "dalgalanan" hiçbir şey yok gibi görünüyor. Ancak hesaplamalar, 100 elektron volt enerjiye hızlandırılan bir elektronun de Broglie dalga boyunun 10-8 santimetre olduğunu göstermektedir. Bu dalga, bir elektron akışının bir kristalden geçirilmesiyle deneysel olarak kolayca tespit edilebilir. Dalgalarının kırınımı kristal kafes üzerinde meydana gelecek ve karakteristik çizgili bir desen görünecektir. Ancak aynı hızda 0,001 gram ağırlığındaki bir toz zerresinin de Broglie dalga boyu 10 24 kat daha küçük olacağından hiçbir şekilde tespit edilememektedir.

De Broglie dalgaları, uzayda yayılan maddenin titreşimleri olan mekanik dalgalara benzemez. Uzayda belirli bir noktada bir parçacığın tespit edilme olasılığını karakterize ederler. Herhangi bir parçacık uzayda "yayılmış" gibi görünüyor ve onu herhangi bir yerde bulma olasılığı sıfırdan farklı. Mikro dünyadaki nesnelerin olasılıksal tanımının klasik bir örneği, iki yarıktan elektron kırınımı üzerine yapılan deneydir. Yarıktan geçen bir elektron, bir fotoğraf plakasına veya bir ekrana benek şeklinde kaydedilir. Her elektron tamamen rastgele bir şekilde sağ yarıktan veya sol yarıktan geçebilir. Çok fazla leke olduğunda ekranda bir kırınım deseni belirir. Ekranın kararmasının, belirli bir konumda bir elektronun ortaya çıkma olasılığıyla orantılı olduğu ortaya çıkıyor.

De Broglie'nin fikirleri Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger tarafından derinleştirildi ve geliştirildi. 1926'da, enerjilerine bağlı olarak kuantum nesnelerinin zaman içindeki davranışlarını tanımlayan dalga fonksiyonlarından oluşan bir denklem sistemi türetmiştir (Nobel Ödülü 1933). Denklemlerden parçacık üzerindeki herhangi bir etkinin durumunu değiştirdiği anlaşılmaktadır. Parçacık parametrelerini ölçme süreci kaçınılmaz olarak darbeyle ilişkili olduğundan şu soru ortaya çıkıyor: Ne kaydediyor? metreölçülen nesnenin durumuna öngörülemeyen bozulmalar mı katıyor?

Böylece, temel parçacıkların incelenmesi, dünyanın genel fiziksel görünümüne ilişkin son derece şaşırtıcı en az üç gerçeğin ortaya çıkarılmasını mümkün kılmıştır.

İlk olarak doğada meydana gelen süreçlerin tamamen tesadüflerle kontrol edildiği ortaya çıktı. İkincisi, maddi bir nesnenin uzaydaki kesin konumunu belirtmek prensip olarak her zaman mümkün değildir. Üçüncüsü, belki de en tuhafı, "ölçüm cihazı" veya "gözlemci" gibi fiziksel nesnelerin davranışlarının, diğer fiziksel sistemler için geçerli olan temel yasalarla açıklanmamasıdır.

İlk defa, kuantum teorisinin kurucuları - Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli - bu tür sonuçlara vardılar. Daha sonra kuantum mekaniğinin Kopenhag yorumu olarak adlandırılan bu bakış açısı teorik fizikte resmi olarak kabul edildi ve tüm standart ders kitaplarına yansıdı.

Bununla birlikte, bu tür sonuçların çok aceleyle yapılmış olması oldukça mümkündür. 1952'de Amerikalı teorik fizikçi David D. Bohm, genel olarak kabul edilenden farklı, derinlemesine gelişmiş bir kuantum teorisi yarattı ve bu, aynı zamanda atom altı parçacıkların davranışının şu anda bilinen tüm özelliklerini de iyi açıklıyor. Fiziksel nesnelerin davranışlarının yanı sıra uzaydaki konumlarının belirsizliğini tanımlarken herhangi bir rastgelelikten kaçınmamıza olanak tanıyan birleşik bir fiziksel yasalar dizisini temsil eder. Buna rağmen Bohm'un teorisi yakın zamana kadar neredeyse tamamen göz ardı edildi.

Kuantum olayını tanımlamanın karmaşıklığını daha iyi hayal edebilmek için, bir elektronun dönüşünü (içsel açısal momentumu) ölçmek amacıyla birkaç düşünce deneyi yapalım. Zihinsel çünkü henüz hiç kimse spinin her iki bileşenini de doğru bir şekilde ölçmeye olanak tanıyan bir ölçüm cihazı yaratmayı başaramadı. Açıklanan deney sırasında hangi elektronların dönüşünü değiştireceğini ve hangilerinin değiştirmeyeceğini tahmin etmeye yönelik girişimler de aynı derecede başarısızdır.

Bu deneyler, geleneksel olarak "dikey" ve "yatay" spinler olarak adlandıracağımız iki spin bileşeninin ölçümünü içerir. Bileşenlerin her biri sırasıyla geleneksel olarak "üst" ve "alt", "sağ" ve "sol" spinler olarak adlandıracağımız değerlerden birini alabilir. Ölçüm, parçacıkların mekansal olarak ayrılmasına dayanmaktadır. farklı sırtlar. Ayırma işlemini gerçekleştiren cihazlar, "yatay" ve "dikey" olmak üzere iki türden bir tür "kara kutu" olarak düşünülebilir (Şekil 1). Serbest bir parçacığın spininin farklı bileşenlerinin tamamen bağımsız olduğu bilinmektedir (fizikçiler bunların birbiriyle ilişkili olmadığını söylüyor). Ancak bir bileşenin ölçümü sırasında diğerinin değeri tamamen kontrol edilemeyecek şekilde değişebilir (2).

Elde edilen sonuçları açıklamaya çalışan geleneksel kuantum teorisi, deterministik yani belirleyici durumu tamamen terk etmenin gerekli olduğu sonucuna vardı.

nesne, mikro dünya olaylarının açıklaması. Elektronların davranışı, spin bileşenlerinin aynı anda doğru bir şekilde ölçülememesine göre belirsizlik ilkesine tabidir.

Düşünce deneylerimize devam edelim. Artık elektron ışınlarını yalnızca bölmekle kalmayacak, aynı zamanda onların belirli yüzeylerden yansımasını, kesişmesini ve özel bir "kara kutu" (3) içinde tek bir ışın halinde yeniden bağlanmasını sağlayacağız.

Bu deneylerin sonuçları geleneksel mantıkla çelişmektedir. Aslında, soğurucu duvarın (3 A) olmadığı durumda herhangi bir elektronun davranışını ele alalım. Nereye gidecek? Diyelim ki düştü. Daha sonra, eğer elektron başlangıçta "sağ-elli" bir dönüşe sahipse, deneyin sonuna kadar sağ-elli kalacaktır. Ancak başka bir deneyin (3 B) sonuçlarını bu elektrona uyguladığımızda, çıkıştaki "yatay" dönüşünün vakaların yarısında "sağ", yarısında ise "sol" olması gerektiğini göreceğiz. Açık bir çelişki. Elektron yukarı çıkabilir mi? Hayır, aynı sebepten. Belki aşağı ya da yukarıya doğru değil de başka bir şekilde hareket ediyordu? Ancak üst ve alt yolları emici duvarlarla kapatarak çıkışta hiçbir şey elde edemeyiz. Elektronun aynı anda iki yönde hareket edebileceğini varsaymak kalıyor. Daha sonra konumunu sabitleme fırsatına sahip olmak farklı anlar Zamanın yarısında onu yukarı çıkarken, yarısını da aşağı inerken bulurduk. Durum oldukça paradoksaldır: Maddi bir parçacık ne çatallanabilir ne de bir yörüngeden diğerine “atlayabilir”.

Geleneksel kuantum teorisi bu durumda ne diyor? Sadece imkansız olduğu düşünülen tüm durumları ilan eder ve elektronun belirli bir hareket yönü (ve buna bağlı olarak dönüş yönü) hakkındaki sorunun formülasyonu yanlıştır. Elektronun kuantum doğasının tezahürü, sorunun cevabının bulunmasında yatmaktadır. bu soru temelde mevcut değil. Elektron durumu bir süperpozisyondur, yani her biri belirli bir "dikey" spin değerine sahip iki durumun toplamıdır. Süperpozisyon kavramı, yetmiş yıldan fazla bir süredir bilinen tüm kuantum sistemlerinin davranışlarını başarılı bir şekilde açıklamak ve tahmin etmek mümkün olan kuantum mekaniğinin temel prensiplerinden biridir.

Kuantum nesnelerinin durumlarını matematiksel olarak tanımlamak için, tek bir parçacık durumunda basitçe koordinatlarını belirleyen bir dalga fonksiyonu kullanılır. Dalga fonksiyonunun karesi, uzayda belirli bir noktada bir parçacığın tespit edilme olasılığına eşittir. Dolayısıyla bir parçacık belirli bir A bölgesinde bulunuyorsa dalga fonksiyonu bu bölge dışında her yerde sıfırdır. Benzer şekilde, B bölgesinde lokalize olan bir parçacık, yalnızca B'de sıfır olmayan bir dalga fonksiyonuna sahiptir. Parçacığın durumunun, A ve B'deki varlığının bir süperpozisyonu olduğu ortaya çıkarsa, o zaman böyle bir durumu tanımlayan dalga fonksiyonu, sıfırdan farklıdır. uzayın her iki bölgesi ve bunların dışındaki her yerde sıfıra eşittir. Bununla birlikte, böyle bir parçacığın konumunu belirlemek için bir deney kurarsak, her ölçüm bize yalnızca bir değer verecektir: vakaların yarısında parçacığı A bölgesinde ve yarısında B bölgesinde bulacağız (4). Bu, bir parçacık çevresiyle etkileşime girdiğinde, parçacığın durumlarından yalnızca biri sabitlendiğinde dalga fonksiyonunun çöktüğü, bir noktaya "çöktüğü" anlamına gelir.

Kuantum mekaniğinin temel iddialarından biri, fiziksel nesnelerin tamamen dalga fonksiyonlarıyla tanımlandığıdır. Dolayısıyla fizik yasalarının tüm amacı, dalga fonksiyonlarında zaman içinde meydana gelen değişiklikleri tahmin etmeye dayanır. Bu yasalar sistemin kendi haline bırakılmasına ya da denetim altına alınmasına göre iki kategoriye ayrılmaktadır. doğrudan gözlem ve ölçümler bunun içinde yapılır.

İlk durumda, mikropartiküllerin durumunu tamamen tanımlayan deterministik denklemler olan doğrusal diferansiyel "hareket denklemleri" ile uğraşıyoruz. Bu nedenle, bir parçacığın belirli bir andaki dalga fonksiyonunu bilerek, parçacığın sonraki herhangi bir andaki davranışını doğru bir şekilde tahmin edebiliriz. Bununla birlikte, aynı parçacığın herhangi bir özelliğine ilişkin ölçüm sonuçlarını tahmin etmeye çalışırken, tamamen farklı yasalarla, tamamen olasılıksal olanlarla uğraşmak zorunda kalacağız.

Doğal bir soru ortaya çıkıyor: Bir veya başka bir yasa grubunun uygulanabilirlik koşulları nasıl ayırt edilir? Kuantum mekaniğinin yaratıcıları, tüm fiziksel süreçlerin "ölçümler" ve "fiziksel süreçlerin kendisi", yani "gözlemciler" ve "gözlenenler" veya felsefi terminolojide özne ve nesne olarak net bir şekilde bölünmesi gerektiğine işaret ediyor. . Ancak bu kategoriler arasındaki fark temel değil tamamen görecelidir. Dolayısıyla birçok fizikçi ve filozofa göre böyle bir yorumda kuantum teorisi muğlaklaşır, nesnelliğini ve temelliğini kaybeder. "Ölçüm problemi" kuantum mekaniğinde büyük bir engel haline geldi. Durum biraz Zeno'nun ünlü aporia'sı "Heap" i anımsatıyor. Bir tanenin bir yığın olmadığı açıktır, ancak bin tane (ya da tercih ederseniz bir milyon tane) bir yığındır. İki tane de bir yığın değildir, ancak 999 (veya 999999) bir yığındır. Bu akıl yürütme zinciri, "yığın - yığın değil" kavramlarının belirsizleştiği belirli sayıda taneye yol açar. Gözlemcinin öznel değerlendirmesine, yani gözle bile ölçüm yöntemine bağlı olacaktır.

Bizi çevreleyen tüm makroskobik cisimlerin, klasik mekanik yasalarına uyan, sabit koordinatlara sahip nokta (veya uzatılmış) nesneler olduğu varsayılır. Ancak bu, klasik tanımlamanın en küçük parçacıklara kadar devam ettirilebileceği anlamına gelir. Öte yandan, mikrokozmos tarafından bakıldığında, Evren'in tamamına kadar giderek daha büyük boyutlara sahip nesnelerin dalga tanımına dahil edilmesi gerekir. Makro ve mikro dünya arasındaki sınır tanımlanmamıştır ve onu tanımlama çabaları bir paradoksa yol açmaktadır. Bunun en açık örneği, Erwin Schrödinger'in 1935 yılında ortaya attığı bir düşünce deneyi olan “Schrödinger'in kedisi problemi”dir (5).

Bir kedi kapalı bir kutuda oturuyor. Ayrıca bir şişe zehir, radyasyon kaynağı ve parçacığı tespit ettiği anda şişeyi kıran bir cihaza bağlı yüklü parçacık sayacı da bulunuyor. Zehir dökülürse kedi ölür. Sayacın bir parçacığı kaydedip kaydetmediğini prensipte bilemeyiz: Kuantum mekaniğinin yasaları olasılık yasalarına tabidir. Ve bu açıdan bakıldığında sayaç ölçüm yapana kadar iki durumun üst üste binmesi durumundadır - “kayıtlı - kayıtsız”. Ancak şu anda kedi kendisini yaşam ve ölüm durumlarının üst üste bindiği bir durumda buluyor.

Gerçekte elbette burada gerçek bir paradoks olamaz. Parçacık kaydı geri dönüşü olmayan bir işlemdir. Buna dalga fonksiyonunun çökmesi ve ardından şişeyi kıran bir mekanizma eşlik ediyor. Ancak ortodoks kuantum mekaniği geri dönüşü olmayan olayları dikkate almaz. Yasalarıyla tam bir uyum içinde ortaya çıkan paradoks, kuantum mikro dünyası ile klasik makro dünya arasında, kuantum mekaniğinin işlemediği belirli bir ara bölgenin bulunduğunu açıkça göstermektedir.

Dolayısıyla, kuantum mekaniğinin deneysel gerçekleri açıklamadaki şüphesiz başarısına rağmen, şu anda fiziksel olayların tam ve evrensel bir tanımı olduğunu iddia etmesi pek mümkün değildir. Kuantum mekaniğinin en cesur alternatiflerinden biri David Bohm'un önerdiği teoriydi.

Belirsizlik ilkesinden bağımsız bir teori oluşturmak için yola çıkan Bohm, bir mikroparçacığı, uzayda kesin bir konumu işgal edebilen maddi bir nokta olarak düşünmeyi önerdi. Dalga fonksiyonu, bir olasılık özelliği değil, çok gerçek bir fiziksel nesne, anlık bir kuvvet etkisi uygulayan bir tür kuantum mekanik alan statüsünü alır. Bu yorumun ışığında, örneğin “Einstein-Podolsky-Rosen paradoksu” (bkz. “Bilim ve Yaşam” No. 5, 1998) bir paradoks olmaktan çıkıyor. Fiziksel süreçleri yöneten tüm yasalar kesin olarak deterministik hale gelir ve doğrusal biçime sahip olur. diferansiyel denklemler. Bir denklem grubu, dalga fonksiyonlarının zaman içindeki değişimini, diğeri ise bunların karşılık gelen parçacıklar üzerindeki etkisini tanımlar. Yasalar, istisnasız tüm fiziksel nesneler için geçerlidir - hem "gözlemciler" hem de "gözlemlenenler".

Dolayısıyla, eğer bir anda Evrendeki tüm parçacıkların konumu ve her birinin tam dalga fonksiyonu biliniyorsa, o zaman prensipte parçacıkların konumunu ve bunların dalga fonksiyonlarını zamanın herhangi bir sonraki anında doğru bir şekilde hesaplamak mümkündür. Dolayısıyla fiziksel süreçlerde rastgelelikten söz edilemez. Başka bir şey de, doğru hesaplamalar için gerekli tüm bilgilere asla sahip olamayacağımız ve hesaplamaların aşılmaz derecede karmaşık hale gelmesidir. Birçok sistem parametresinin temelden bilinmemesi, pratikte her zaman belirli ortalama değerlerle çalışmamıza neden olur. Bohm'a göre bizi mikrokozmostaki olguları tanımlarken olasılık yasalarına başvurmaya zorlayan şey bu "cehalettir" (benzer bir durum klasik istatistiksel mekanikte, örneğin çok sayıda molekülle ilgilenen termodinamikte de ortaya çıkar) . Bohm'un teorisi, bilinmeyen parametrelerin ortalamasını almak ve olasılıkları hesaplamak için belirli kurallar sağlar.

Şekil 2'de gösterilen elektronlarla yapılan deneylere dönelim. 3 A ve B. Bohm'un teorisi onlara aşağıdaki açıklamayı verir. Elektronun "dikey kutudan" çıkıştaki hareket yönü tamamen başlangıç ​​​​koşulları - elektronun başlangıç ​​\u200b\u200bpozisyonu ve dalga fonksiyonu - tarafından belirlenir. Elektron yukarı veya aşağı doğru hareket ederken, diferansiyel hareket denklemlerinden de anlaşılacağı üzere dalga fonksiyonu bölünecek ve aynı anda iki yönde yayılmaya başlayacaktır. Böylece dalga fonksiyonunun bir kısmı “boş” olacak, yani elektrondan ayrı olarak yayılacaktır. Duvarlardan yansıyan dalga fonksiyonunun her iki kısmı da “kara kutuda” yeniden birleşecek ve aynı zamanda elektron, yolun olmadığı kısmı hakkında bilgi alacaktır. Bu bilginin içeriği, örneğin "boş" dalga fonksiyonunun yolundaki bir engel hakkında, elektronun özellikleri üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilir. Bu, şekilde gösterilen deneylerin sonuçları arasındaki mantıksal çelişkiyi ortadan kaldırır. "Boş" dalga fonksiyonlarının ilginç bir özelliğine dikkat çekmek gerekir: Gerçek olmalarına rağmen yabancı cisimleri hiçbir şekilde etkilemezler ve ölçüm cihazlarıyla kaydedilemezler. Ve "boş" dalga fonksiyonu, mesafeden bağımsız olarak "kendi" elektronuna bir kuvvet uygular ve bu etki anında iletilir.

Pek çok araştırmacı kuantum mekaniğini "düzeltmek" veya burada ortaya çıkan çelişkileri açıklamak için girişimlerde bulundu. Örneğin de Broglie, "Tanrı zar atmaz" konusunda Einstein'la aynı fikirde olan, mikro dünyaya ilişkin determinist bir teori oluşturmaya çalıştı. Ve önde gelen Rus teorisyen D.I. Blokhintsev, kuantum mekaniğinin özelliklerinin, bir parçacığı çevredeki dünyadan ayırmanın imkansızlığından kaynaklandığına inanıyordu. Mutlak sıfırın üzerindeki herhangi bir sıcaklıkta cisimler elektromanyetik dalgalar yayar ve emer. Kuantum mekaniği açısından bu, konumlarının sürekli olarak "ölçüldüğü" anlamına gelir ve bu da dalga fonksiyonlarının çökmesine neden olur. Blokhintsev, "Bu açıdan bakıldığında, kendi başlarına bırakılmış izole edilmiş 'serbest' parçacıklar yok" diye yazdı Blokhintsev, "Parçacıklar ve çevre arasındaki bu bağlantıda, bir parçacığı izole etmenin imkansızlığının doğasının kendini göstermesi mümkündür. kuantum mekaniğinin aygıtı gizlidir.”

Peki Bohm'un önerdiği kuantum mekaniği yorumu neden hâlâ bilim dünyasında gerektiği gibi kabul edilmiyor? Ve tüm paradokslarına ve "karanlık yerlerine" rağmen geleneksel teorinin neredeyse evrensel hakimiyetini nasıl açıklayabiliriz?

Uzun zamandır yeni teori belirli deneylerin sonucunun tahmin edilmesinde, önemli ölçüde yeni sonuçlara yol açmadan kuantum mekaniğiyle tamamen örtüştüğü temelinde bunu ciddi olarak düşünmek istemediler. Örneğin Werner Heisenberg, "(Bohm'un) herhangi bir deneyinin sonuçlarının Kopenhag yorumuyla örtüştüğüne inanıyordu. Dolayısıyla ilk sonuç: Bohm'un yorumu deneyle çürütülemez..." Bazıları teorinin hatalı olduğunu düşünüyor çünkü. parçacığın uzaydaki konumuna baskın bir rol verir. Onlara göre bu, fiziksel gerçekliğe aykırıdır çünkü kuantum dünyasındaki olaylar prensipte deterministik yasalarla tanımlanamaz. Bohm'un teorisine karşı, kendileri de ciddi kanıtlar gerektiren, daha az tartışmalı olmayan başka birçok argüman daha var. Her durumda, henüz hiç kimse bunu tamamen çürütemedi. Üstelik yerli olanlar da dahil olmak üzere pek çok araştırmacı, iyileştirilmesi üzerinde çalışmaya devam ediyor.

Kuantum mekaniği- açıklayan teorik fizik dalı fiziksel olaylar eylemin büyüklüğü Planck sabitiyle karşılaştırılabilir. Kuantum mekaniğinin tahminleri klasik mekaniğin tahminlerinden önemli ölçüde farklı olabilir. Planck sabiti, makroskobik hareket halindeki nesnelerin hareketi ile karşılaştırıldığında son derece küçük bir nicelik olduğundan, kuantum etkileri esas olarak mikroskobik ölçeklerde ortaya çıkar. Eğer fiziksel eylem Sistemler Planck sabitinden çok daha büyük olduğundan kuantum mekaniği organik olarak klasik mekaniğe dönüşür. Buna karşılık, kuantum mekaniği, kuantum alan teorisinin göreceli olmayan bir yaklaşımıdır (yani, sistemin büyük parçacıklarının dinlenme enerjisine kıyasla düşük enerjili bir yaklaşımdır).

Sistemleri makroskobik ölçekte iyi açıklayan klasik mekanik, moleküller, atomlar, elektronlar ve fotonlar düzeyindeki tüm olguları açıklama yeteneğine sahip değildir. Kuantum mekaniği atomların, iyonların, moleküllerin, yoğunlaştırılmış maddenin ve elektron-nükleer yapıya sahip diğer sistemlerin temel özelliklerini ve davranışlarını yeterince açıklar. Kuantum mekaniği aynı zamanda şunları da tanımlama yeteneğine sahiptir: elektronların, fotonların ve diğer temel parçacıkların davranışlarını, ancak temel parçacıkların dönüşümlerinin daha doğru, göreli olarak değişmez bir açıklaması, kuantum alan teorisi çerçevesinde inşa edilmiştir. Deneyler kuantum mekaniği kullanılarak elde edilen sonuçları doğrulamaktadır.

Kuantum kinematiğinin temel kavramları gözlemlenebilirlik ve durum kavramlarıdır.

Kuantum dinamiğinin temel denklemleri Schrödinger denklemi, von Neumann denklemi, Lindblad denklemi, Heisenberg denklemi ve Pauli denklemidir.

Kuantum mekaniğinin denklemleri, operatör teorisi, olasılık teorisi, fonksiyonel analiz, operatör cebirleri, grup teorisi dahil olmak üzere matematiğin birçok dalıyla yakından ilişkilidir.

Hikaye

Alman Fizik Derneği'nin bir toplantısında Max Planck tarihi makalesini okudu "Normal spektrumda radyasyon enerjisi dağılımı teorisine doğru" evrensel sabiti tanıttığı h (\displaystyle h). Bu olayın tarihi olan 14 Aralık 1900, genellikle kuantum teorisinin doğum günü olarak kabul edilir.

Atomun yapısını açıklamak için Niels Bohr, 1913'te elektronun, enerjinin yalnızca ayrık değerler alabildiği durağan durumlarının varlığını önerdi. Arnold Sommerfeld ve diğer fizikçiler tarafından geliştirilen bu yaklaşıma genellikle eski kuantum teorisi (1900-1924) adı verilir. Ayırt edici özellik Eski kuantum teorisi, klasik teorinin onunla çelişen ek varsayımlarla birleşimidir.

• Sistemin saf durumları karmaşık ayrılabilir Hilbert uzayının sıfır olmayan vektörleri ile tanımlanır H (\displaystyle H) ve vektörler | Ve ψ 1 ⟩ (\displaystyle |\psi _(1)\rangle )| ψ 2 ⟩ (\displaystyle |\psi _(2)\rangle ), Nerede aynı durumu ancak ve ancak şu durumda tanımlayın:|
• ψ 2 ⟩ = c | ψ 1 ⟩ (\displaystyle |\psi _(2)\rangle =c|\psi _(1)\rangle ) c (\displaystyle c) - keyfi bir karmaşık sayı. Her gözlemlenebilir, doğrusal bir kendine eşlenik operatörle benzersiz bir şekilde ilişkilendirilebilir. Gözlenebilir olanı ölçerken

, temiz sistem durumunda |ψ ⟩ (\displaystyle |\psi \rangle ) - keyfi bir karmaşık sayı. Ve ortalama olarak sonuç şuna eşittir:.

• ⟨A⟩ = ⟨ψ |

ψ ⟩ = ⟨ψ Bir ^ | ψ ⟩ ⟨ ψ |ψ ⟩ (\displaystyle \langle A\rangle =(\frac (\langle \psi |(\hat (A))\psi \rangle )(\langle \psi |\psi \rangle ))=(\frac (\ langle \psi (\hat (A))|\psi \rangle )(\langle \psi |\psi \rangle )))

nereden geçiyor

• ⟨ψ | ϕ ⟩ (\displaystyle \langle \psi |\phi \rangle ) vektörlerin skaler çarpımını belirtir
• |

ϕ ⟩ (\displaystyle |\phi \rangle ) Hamilton sisteminin saf durumunun evrimi Schrödinger denklemi ile belirlenir. ben ℏ ∂ ∂ t |

Sabit Schrödinger denklemi

Bir noktada bir parçacık bulma olasılığının genliği olsun M. Durağan Schrödinger denklemi bunu belirlememize izin verir.
İşlev ψ (r →) (\displaystyle \psi ((\vec (r)))) denklemi karşılar:

ψ ⟩ = ⟨ψ Bir ^ | ∇ 2 (\displaystyle (\nabla )^(\,2)) Laplace operatörüdür ve U = U (r →) (\displaystyle U=U((\vec (r)))) parçacığın potansiyel enerjisinin bir fonksiyonudur.

Bu denklemi çözmek kuantum mekaniğinin ana görevidir. Durağan Schrödinger denkleminin kesin çözümünün yalnızca birkaç nispeten basit sistem için elde edilebilmesi dikkat çekicidir. Bu tür sistemler arasında kuantum harmonik osilatör ve hidrojen atomu bulunur. Çoğu gerçek sistem için, çözüm elde etmek amacıyla pertürbasyon teorisi gibi çeşitli yaklaşık yöntemler kullanılabilir.

Sabit denklemin çözümü

E ve U bağımsız iki sabit olsun r → (\displaystyle (\vec (r))).
Durağan denklemi şu şekilde yazarak:

• Eğer E - Ü > 0, O:

• Eğer AB-Ü< 0 , O:

Heisenberg Belirsizlik İlkesi

Değişmeyen operatörler tarafından tanımlanan herhangi bir kuantum gözlemlenebilir arasında bir belirsizlik ilişkisi ortaya çıkar.

Konum ve momentum arasındaki belirsizlik

Parçacık koordinatının standart sapması olsun M (\displaystyle M), eksen boyunca hareket eden x (\displaystyle x) ve itkisinin standart sapmasıdır. Miktarlar Δ x (\displaystyle \Delta x) Ve Δ p (\displaystyle \Delta p) aşağıdaki eşitsizlikle ilişkilidir:

ψ ⟩ = ⟨ψ Bir ^ | h (\displaystyle h) Planck sabitidir ve ℏ = h 2 π .

(\displaystyle \hbar =(\frac (h)(2\pi ))).)

Belirsizlik ilişkisine göre bir parçacığın momentumunu ve koordinatlarını aynı anda mutlak olarak doğru bir şekilde belirlemek imkansızdır. Koordinat ölçümünün doğruluğu arttıkça, darbe ölçümünün maksimum doğruluğu azalır ve bunun tersi de geçerlidir. Böyle bir ifadenin doğru olduğu parametrelere kanonik eşlenik denir.

N. Bohr'dan gelen bu boyutsal merkezleme çok popülerdir. Ancak belirsizlik ilişkisi teorik olarak Schrödinger ve Born'un önermelerinden türetilir ve ölçümle değil nesnenin durumlarıyla ilgilidir: herhangi bir olası durum için karşılık gelen belirsizlik ilişkilerinin karşılandığını belirtir. Doğal olarak ölçüm amaçlı da yapılacaktır. Onlar. "Koordinat ölçümünün doğruluğu arttıkça, darbe ölçümünün maksimum doğruluğu azalır" yerine şunu söylemek gerekir: "koordinat belirsizliğinin daha az olduğu durumlarda, dürtü belirsizliği daha büyüktür."

Enerji ve zaman arasındaki belirsizlik İzin vermekΔ E (\displaystyle \Delta E) - bir kuantum sisteminin belirli bir durumunun enerjisini ölçerken standart sapma veΔ t (\displaystyle \Delta t)

Δ E Δ t ⩾ ℏ 2 .

(\displaystyle \Delta E\Delta t\geqslant (\frac (\hbar )(2))).)

Başka bir deyişle kısa süren bir durumun iyi tanımlanmış bir enerjiye sahip olması mümkün değildir. Üstelik bu iki belirsizlik ilişkisinin şekli benzer olsa da doğası (fizik) tamamen farklıdır. Muhtemelen bunu birçok kez duymuşsunuzdur kuantum fiziği ve kuantum mekaniğinin açıklanamayan gizemleri hakkında.

Kuantum fiziğinin temel kavramlarını ve paradokslarını anlayacaksınız. Makaleden öğreneceksiniz:

• Kuantum fiziği ve kuantum mekaniği nedir?
• Girişim nedir?
• Kuantum Dolaşma (veya Aptallar için Kuantum Işınlanması) nedir? (makaleye bakın)
• Schrödinger'in Kedisi düşünce deneyi nedir? (makaleye bakın)

Kuantum mekaniği kuantum fiziğinin bir parçasıdır.

Bu bilimleri anlamak neden bu kadar zor? Cevap basit: Kuantum fiziği ve kuantum mekaniği (kuantum fiziğinin bir parçası) mikro dünyanın yasalarını inceliyor. Ve bu yasalar makrokozmomuzun yasalarından kesinlikle farklıdır. Bu nedenle mikrokozmostaki elektronlara ve fotonlara ne olacağını hayal etmek bizim için zor.

Makro ve mikro dünyaların yasaları arasındaki farka bir örnek: Makro dünyamızda, 2 kutudan birine bir top koyarsanız, bunlardan biri boş, diğerinde top olacaktır. Ancak mikrokozmosta (top yerine atom varsa) bir atom aynı anda iki kutuda bulunabilir. Bu deneysel olarak birçok kez doğrulandı. Bunu kafana takmak zor değil mi? Ama gerçekleri tartışamazsınız.

Başka bir örnek. Hızlı yarışan kırmızı bir spor arabanın fotoğrafını çektiniz ve fotoğrafta sanki araba fotoğrafın çekildiği sırada uzayda birkaç noktada bulunuyormuş gibi bulanık bir yatay şerit gördünüz. Fotoğrafta gördüklerinize rağmen, fotoğrafladığınız anda arabanın o saniyede bulunduğundan hala eminsiniz. uzayda belirli bir yerde. Mikro dünyada her şey farklıdır. Atomun çekirdeği etrafında dönen elektron aslında dönmez, fakat kürenin her noktasında aynı anda bulunur Bir atomun çekirdeğinin etrafında. Gevşek bir şekilde sarılmış kabarık yün topu gibi. Fizikte bu kavrama denir "elektronik bulut" .

Tarihe kısa bir gezi. Bilim adamları kuantum dünyası hakkında ilk kez 1900 yılında Alman fizikçi Max Planck'ın metallerin ısıtıldığında neden renk değiştirdiğini anlamaya çalıştığında düşündüler. Kuantum kavramını ortaya atan oydu. O zamana kadar bilim insanları ışığın sürekli hareket ettiğini düşünüyorlardı. Planck'ın keşfini ciddiye alan ilk kişi o zamanlar tanınmayan Albert Einstein'dı. Işığın sadece bir dalga olmadığını fark etti. Bazen bir parçacık gibi davranır. Einstein, ışığın parçalar halinde, yani kuantumlar halinde yayıldığını keşfetmesi nedeniyle Nobel Ödülü'nü aldı. Işığın kuantumuna foton denir ( foton, Vikipedi) .

Kuantum yasalarını anlamayı kolaylaştırmak için fizikçiler Ve mekanik (Wikipedia) Bir anlamda klasik fizik yasalarından aşina olduğumuz yasalardan soyutlamamız gerekiyor. Ve Alice gibi tavşan deliğine, Harikalar Diyarına daldığınızı hayal edin.

Ve işte çocuklar ve yetişkinler için bir çizgi film. Kuantum mekaniğinin 2 yarık ve bir gözlemci ile yapılan temel deneyini anlatır. Sadece 5 dakika sürer. Kuantum fiziğinin temel sorularına ve kavramlarına dalmadan önce onu izleyin.

Aptallar için kuantum fiziği videosu. Karikatürde gözlemcinin “gözüne” dikkat edin. Fizikçiler için ciddi bir gizem haline geldi.

Girişim nedir?

Karikatürün başlangıcında, bir sıvı örneğini kullanarak dalgaların nasıl davrandığı gösterildi - yarıklı bir plakanın arkasındaki ekranda alternatif koyu ve açık dikey şeritler beliriyor. Ve ayrı parçacıkların (örneğin çakıl taşları) plakaya "fırlatılması" durumunda, 2 yarıktan uçarlar ve yarıkların tam karşısındaki ekrana inerler. Ve ekranda yalnızca 2 dikey şerit “çiziyorlar”.

Işık girişimi- Bu, ekranda birçok alternatif parlak ve karanlık dikey şerit görüntülendiğinde ışığın "dalga" davranışıdır. Ayrıca bu dikey şeritler girişim deseni denir.

Makrokozmosumuzda ışığın dalga gibi davrandığını sıklıkla gözlemliyoruz. Elinizi bir mumun önüne koyarsanız, duvarda elinizin net bir gölgesi değil, bulanık konturları olacaktır.

Yani her şey o kadar da karmaşık değil! Işığın dalga doğasına sahip olduğu artık bizim için oldukça açık ve eğer 2 yarık ışıkla aydınlatılırsa arkalarındaki ekranda bir girişim deseni göreceğiz.

Şimdi 2. deneye bakalım. Bu ünlü Stern-Gerlach deneyidir (geçen yüzyılın 20'li yıllarında gerçekleştirildi).

Karikatürde anlatılan enstalasyon ışıkla parlatılmadı, elektronlarla (bireysel parçacıklar halinde) “vuruldu”. Daha sonra, geçen yüzyılın başında, dünyanın dört bir yanındaki fizikçiler, elektronların maddenin temel parçacıkları olduğuna ve dalga doğasına sahip olmaması, çakıl taşları ile aynı olması gerektiğine inanıyorlardı. Sonuçta elektronlar maddenin temel parçacıklarıdır, değil mi? Yani, onları çakıl taşları gibi 2 yarığa "atarsanız", yarıkların arkasındaki ekranda 2 dikey şerit görmeliyiz. Ama... Sonuç çarpıcıydı. Bilim adamları bir girişim deseni gördüler; birçok dikey şerit. Yani elektronlar da ışık gibi dalga yapısına sahip olabilir ve girişimde bulunabilir. Öte yandan, ışığın sadece bir dalga değil, aynı zamanda küçük bir parçacık, bir foton olduğu da ortaya çıktı. tarihsel bilgi

Belki hatırlarsınız, okulda bize fizik dersinde şunlar söylenmişti: "dalga-parçacık ikiliği"? Bu, mikrokozmosun çok küçük parçacıklarından (atomlar, elektronlar) bahsettiğimizde, o zaman Hem dalga hem de parçacıktırlar

Bugün sen ve ben çok akıllıyız ve yukarıda anlatılan 2 deneyin (elektronlarla çekim yapmak ve yarıkları ışıkla aydınlatmak) aynı şey olduğunu anlıyoruz. Çünkü kuantum parçacıklarını yarıklara fırlatıyoruz. Artık hem ışığın hem de elektronların kuantum doğasında olduğunu, aynı anda hem dalga hem de parçacık olduklarını biliyoruz. Ve 20. yüzyılın başında bu deneyin sonuçları sansasyon yarattı.

Dikkat! Şimdi daha incelikli bir konuya geçelim.

Yarıklarımıza bir foton (elektron) akışı göndeririz ve ekrandaki yarıkların arkasında bir girişim deseni (dikey şeritler) görürüz. Bu çok açık. Ancak biz elektronların her birinin yarıktan nasıl uçtuğunu görmekle ilgileniyoruz.

Muhtemelen bir elektron sol yuvaya, diğeri sağ yuvaya uçuyor. Ancak daha sonra ekranda yuvaların tam karşısında 2 dikey şerit görünmelidir. Neden bir girişim deseni oluşuyor? Belki de elektronlar yarıklardan geçtikten sonra ekranda zaten bir şekilde birbirleriyle etkileşime giriyordur. Ve sonuç bunun gibi bir dalga modelidir. Bunu nasıl takip edebiliriz?

Elektronları bir ışın halinde değil, teker teker atacağız. Atalım, bekleyelim, bir sonrakini atalım. Elektron artık tek başına uçtuğu için ekrandaki diğer elektronlarla etkileşime giremeyecektir. Atıştan sonra her elektronu ekrana kaydedeceğiz. Elbette bir veya iki tanesi bizim için net bir resim “boyamayacak”. Ancak bunların çoğunu yarıklara teker teker gönderdiğimizde, şunu fark edeceğiz... ah, dehşet - yine bir girişim dalgası modeli "çizdiler"!

Yavaş yavaş delirmeye başlıyoruz. Sonuçta yuvaların karşısında 2 dikey şerit olmasını bekliyorduk! Fotonları teker teker fırlattığımızda, her birinin sanki aynı anda 2 yarıktan geçip kendi kendine müdahale ettiği ortaya çıktı.

Fantastik! Bir sonraki bölümde bu olguyu açıklamaya dönelim.

Spin ve süperpozisyon nedir?

Artık müdahalenin ne olduğunu biliyoruz. Bu, mikro parçacıkların (fotonlar, elektronlar, diğer mikro parçacıklar) dalga davranışıdır (basitlik açısından bunlara bundan sonra foton diyelim).

Deney sonucunda 1 fotonu 2 yarığa fırlattığımızda sanki iki yarıktan aynı anda uçuyor gibi olduğunu fark ettik. Aksi halde ekrandaki girişim desenini nasıl açıklayabiliriz?

• Peki bir fotonun iki yarıktan aynı anda uçtuğunu nasıl hayal edebiliriz? 2 seçenek var. bir foton, bir dalga gibi (su gibi), aynı anda 2 yarıktan "yüzer"
• 2. seçenek: bir foton, bir parçacık gibi, aynı anda 2 yörünge boyunca uçar (ikisi bile değil, hepsi aynı anda)

Prensip olarak bu ifadeler eşdeğerdir. “Yol integraline” ulaştık. Bu Richard Feynman'ın kuantum mekaniği formülasyonudur.

Bu arada, tam olarak Richard Feynmançok bilinen bir ifade var Hiç kimsenin kuantum mekaniğini anlamadığını rahatlıkla söyleyebiliriz.

Ancak onun bu ifadesi yüzyılın başında işe yaradı. Ama artık akıllıyız ve bir fotonun hem parçacık hem de dalga gibi davranabileceğini biliyoruz. Bizim için anlaşılmaz bir şekilde aynı anda 2 yarıktan uçabiliyor. Dolayısıyla kuantum mekaniğinin şu önemli ifadesini anlamamız kolay olacaktır:

Kesin olarak konuşursak, kuantum mekaniği bize bu foton davranışının istisna değil, kural olduğunu söylüyor. Herhangi bir kuantum parçacığı, kural olarak, aynı anda birden fazla durumda veya uzayda birkaç noktada bulunur.

Makro dünyanın nesneleri yalnızca belirli bir yerde ve belirli bir durumda olabilir. Ancak bir kuantum parçacığı kendi yasalarına göre var olur. Ve onları anlamamamızı umursamıyor bile. Önemli olan bu.

Bir aksiyom olarak, bir kuantum nesnesinin "süperpozisyonunun", onun aynı anda 2 veya daha fazla yörüngede, 2 veya daha fazla noktada olabileceği anlamına geldiğini kabul etmemiz gerekir.

Aynı şey başka bir foton parametresi olan spin (kendi açısal momentumu) için de geçerlidir. Spin bir vektördür. Kuantum nesnesi mikroskobik bir mıknatıs olarak düşünülebilir. Mıknatıs vektörünün (spin) yukarıya veya aşağıya doğru yönlendirildiği gerçeğine alışkınız. Ama elektron ya da foton bize yine şunu söylüyor: "Arkadaşlar, neye alıştığınız umurumuzda değil, aynı anda her iki dönüş durumunda da olabiliriz (vektör yukarı, vektör aşağı), tıpkı aynı anda 2 yörüngede olabileceğimiz gibi. aynı anda veya aynı anda 2 noktada!

"Ölçüm" veya "dalga fonksiyonu çöküşü" nedir?

“Ölçüm”ün ne olduğunu, “dalga fonksiyonu çöküşünün” ne olduğunu anlamamıza çok az şey kaldı.

Dalga fonksiyonu bir kuantum nesnesinin (fotonumuz veya elektronumuz) durumunun bir açıklamasıdır.

Diyelim ki bir elektronumuz var, kendi kendine uçuyor belirsiz bir durumda, dönüşü aynı anda hem yukarıya hem de aşağıya doğru yönlendirilir. Durumunu ölçmemiz gerekiyor.

Manyetik alan kullanarak ölçüm yapalım: Spini alan yönünde yönlendirilen elektronlar bir yönde sapacak ve spini alana karşı yönlendirilen elektronlar diğer yönde sapacaktır. Polarizasyon filtresine daha fazla foton yönlendirilebilir. Fotonun spini (polarizasyonu) +1 ise filtreden geçer, -1 ise geçemez.

Durmak! Burada kaçınılmaz olarak bir soruyla karşılaşacaksınız:Ölçümden önce elektronun belirli bir dönüş yönü yoktu, değil mi? Aynı anda tüm eyaletlerdeydi, değil mi?

Bu kuantum mekaniğinin hilesi ve hissi. Bir kuantum nesnesinin durumunu ölçmediğiniz sürece, herhangi bir yönde dönebilir (kendi açısal momentum vektörünün herhangi bir yönüne sahip olabilir - spin). Ancak şu anda onun durumunu ölçtüğünüzde, hangi spin vektörünü kabul edeceğine karar veriyor gibi görünüyor.

Bu kuantum nesnesi o kadar harika ki, durumu hakkında kararlar veriyor. Ve ölçtüğümüz manyetik alana uçtuğunda nasıl bir karar vereceğini önceden tahmin edemeyiz. Bir spin vektörünün "yukarı" veya "aşağı" olmasına karar verme olasılığı %50 ila 50'dir. Ancak karar verir vermez, belirli bir dönüş yönüne sahip, belirli bir duruma gelir. Kararının nedeni “boyutumuz”!

Buna " denir dalga fonksiyonunun çöküşü". Ölçümden önceki dalga fonksiyonu belirsizdi; Elektron spin vektörü aynı anda tüm yönlerdeydi; ölçümden sonra elektron, spin vektörünün belirli bir yönünü kaydetti.

Dikkat! Anlamaya mükemmel bir örnek, makrokozmostan gelen bir ilişkidir:

Masanın üzerinde topaç gibi bir bozuk para döndürün. Madeni para dönerken, özel anlam- yazı veya tura. Ancak bu değeri "ölçmeye" karar verdiğinizde ve parayı elinizle vurduğunuzda, işte o zaman paranın özel durumunu (tura veya yazı) elde edersiniz. Şimdi bu madalyonun size hangi değeri "göstereceğine" karar verdiğini hayal edin: yazı mı yoksa tura mı? Elektron yaklaşık olarak aynı şekilde davranır.

Şimdi karikatürün sonunda gösterilen deneyi hatırlayın. Fotonlar yarıklardan geçerken dalga gibi davrandılar ve ekranda girişim deseni gösterdiler. Ve bilim insanları fotonların yarıktan uçma anını kaydetmek (ölçmek) istediklerinde ve ekranın arkasına bir "gözlemci" yerleştirdiklerinde, fotonlar dalga gibi değil parçacık gibi davranmaya başladı. Ve ekrana 2 dikey şerit “çizdiler”. Onlar. Ölçüm veya gözlem anında kuantum nesnelerinin kendisi hangi durumda olması gerektiğini seçer.

Fantastik! Bu doğru değil mi?

Ama hepsi bu değil. Sonunda biz En ilginç kısma geldik.

Ama... bana öyle geliyor ki aşırı bilgi yükü olacak, bu yüzden bu 2 kavramı ayrı yazılarda ele alacağız:

• Ne oldu ?
• Düşünce deneyi nedir?

Şimdi bilgilerin düzenlenmesini istiyor musunuz? Bakmak belgesel Kanada Teorik Fizik Enstitüsü tarafından hazırlanmıştır. 20 dakika içinde Planck'ın 1900'deki keşfinden başlayarak kuantum fiziğinin tüm keşifleri çok kısa ve kronolojik sırayla anlatılacak. Ve sonra size şu anda kuantum fiziğindeki bilgilere dayanarak hangi pratik gelişmelerin yürütüldüğünü anlatacaklar: en doğru atom saatlerinden kuantum bilgisayarının süper hızlı hesaplamalarına kadar. Bu filmi izlemenizi şiddetle tavsiye ederim.

Görüşürüz!

Herkese tüm planları ve projeleri için ilham diliyorum!

P.S.2 Sorularınızı ve düşüncelerinizi yorumlara yazın. Kuantum fiziği ile ilgili başka hangi sorularla ilgileniyorsunuz?

P.S.3 Bloga abone olun - abonelik formu makalenin altındadır.