Nükleer fizikte temsiller

Kuantum mekaniğinin ortaya çıkışı.

Kuantum mekaniği, hareketi mikro düzeyde inceleyen fiziksel bir teoridir.

19. yüzyılın sonunda bile çoğu bilim adamı, dünyanın fiziksel resminin temelde inşa edildiği ve gelecekte de sarsılmaz kalacağı görüşüne meyilliydi. Yalnızca ayrıntılar belirtilmelidir. Ancak 20. yüzyılın on yıllarında ilk kez, fiziksel görüşler kökten değişti. Bu, 19. yüzyılın son yıllarını ve 20. yüzyılın ilk on yıllarını kapsayan son derece kısa bir tarihsel dönemde yapılan bir dizi bilimsel keşfin sonucuydu.

1896'da Fransız fizikçi Antoine Henri Becquerel (1852-1908), uranyum tuzunun kendiliğinden yayılımını keşfetti.

Araştırmaları arasında Fransız fizikçiler, eşler Pierre Curie (1859-1906) ve Marie Sklodowska-Curie (1867-1934) vardı. 1898'de, "Becquerel ışınları" - polonyum ve radyum - yayma özelliğine de sahip olan yeni elementler keşfedildi. Curie karısının bu özelliğine radyoaktivite adı verildi.

Ve bir yıl önce, 1897'de, Cambridge'deki Cavendish laboratuvarında, gazlardaki (katot ışınları) elektrik boşalmasını incelerken, İngiliz fizikçi Joseph John Thomson (1856-1940) ilk temel parçacık olan elektronu keşfetti.

1911'de ünlü İngiliz fizikçi Ernest Rutherford (1871-1937), gezegensel olarak adlandırılan kendi atom modelini önerdi.

Rutherford'un modelini bilen ve onu bir başlangıç ​​noktası olarak alan N. Bohr, 1913'te atomun yapısına ilişkin bir kuantum kuramı geliştirdi.

Kuantum mekaniğinin ilkeleri

Heisenberg Belirsizlik İlkesi: “Bir kuantum parçacığının koordinatlarını ve hızını aynı anda doğrulukla belirlemek imkansızdır”

Yirminci yüzyılın ilk çeyreğinde, fizikçilerin maddenin davranışını atomik ve atom altı seviyelerde incelemeye başladıklarında verdikleri tepki tam da buydu.

Heisenberg ilkesi, mikro dünyanın bildiğimiz maddi dünyadan nasıl ve neden farklı olduğunu oldukça açık bir şekilde açıkladığı için kuantum mekaniğinde kilit bir rol oynar.

Örneğin bir kitap bulmak için, odaya girdikten sonra, o üzerinde durana kadar etrafına bakın. Fizik dilinde bu, görsel bir ölçüm yaptığınız (bir bakışta bir kitap bulduğunuz) ve sonucu aldığınız - uzamsal koordinatlarını sabitlediğiniz (kitabın odadaki konumunu belirlediğiniz) anlamına gelir.

1920'lerin başında, kuantum mekaniğinin yaratılmasına yol açan bir yaratıcı düşünce fırtınası olduğunda, bu problem ilk olarak genç Alman teorik fizikçi Werner Heisenberg tarafından fark edildi. Formüle ettiler belirsizlik ilkesi, şimdi onun adını aldı:

"Uzay koordinat belirsizliği" terimi, parçacığın tam yerini bilmediğimiz anlamına gelir. Örneğin, bir kitabın konumunu belirlemek için küresel GPS sistemini kullanırsanız, sistem bunları 2-3 metrelik bir doğrulukla hesaplar. Ve burada mikro dünya ile günlük fiziksel dünyamız arasındaki en temel farka geliyoruz. Sıradan dünyada, bir cismin uzaydaki konumunu ve hızını ölçerek, üzerinde neredeyse hiçbir etkimiz yok. Böylece, ideal olarak, yapabiliriz eşzamanlı nesnenin hem hızını hem de koordinatlarını kesinlikle doğru bir şekilde (başka bir deyişle, sıfır belirsizlikle) ölçün. Elektronun uzamsal konumunu belirlememiz gerektiğini varsayalım. Hala bir ölçüm aracına ihtiyacımız var. bir elektronla etkileşir ve nerede olduğu hakkında bilgi içeren bir sinyali dedektörlere geri gönderin.

Ölçülen niceliklerden birini sıfır hatayla (kesinlikle doğru) belirlemeyi başarırsak, diğer niceliğin belirsizliği sonsuza eşit olur ve onun hakkında hiçbir şey bilmeyiz. Başka bir deyişle, bir kuantum parçacığının koordinatlarını kesinlikle doğru bir şekilde saptayabilseydik, hızı hakkında en ufak bir fikrimiz olmazdı; Bir parçacığın hızını tam olarak saptayabilseydik, onun nerede olduğu hakkında hiçbir fikrimiz olmazdı.

Belirsizlik ilkesi, bu niceliklerin her birini istenen doğrulukla ölçmemizi engellemez. O sadece bizim olduğumuzu iddia ediyor. aciz ikisini de aynı anda kesin olarak bilin.

Heisenberg ilişkisinin anahtarı, ölçümün parçacık-nesnesi ile sonuçlarını etkileyen ölçüm aleti arasındaki etkileşimdir.

N. Bohr'un tamamlayıcılık ilkesi: “ Mikro dünyanın nesneleri hem parçacık hem de dalga olarak tanımlanır ve bir tanım diğerini tamamlar.

Günlük yaşamda, uzayda enerji aktarmanın iki yolu vardır - parçacıklar veya dalgalar aracılığıyla. Diyelim ki kenarında dengede duran bir domino kemiğini masadan atmak için ona gerekli enerjiyi iki şekilde verebilirsiniz. İlk olarak, ona başka bir domino taşı atabilirsiniz (yani, bir parçacık kullanarak bir noktasal dürtü aktarabilirsiniz). İkinci olarak, zincir boyunca masanın kenarındaki domino taşlarına ilerleyerek arka arkaya duran domino taşları inşa edebilir ve birincisini ikinciye bırakabilirsiniz: bu durumda, dürtü zincir boyunca iletilecektir - ikinci domino üçüncüyü, üçüncüsü dördüncüyü vb. Bu, enerji transferinin dalga prensibidir. Günlük yaşamda, iki enerji aktarım mekanizması arasında gözle görülür çelişkiler yoktur. Yani basketbol bir parçacıktır ve ses bir dalgadır ve her şey açıktır.

Ancak kuantum mekaniğinde işler hiç de o kadar basit değil. Kuantum nesnelerle yapılan en basit deneylerden bile, çok geçmeden, makro dünyanın bize aşina olan ilke ve yasalarının mikro kozmosta çalışmadığı anlaşılır. Eskiden bir dalga olarak düşündüğümüz ışık, bazen bir parçacık akışından oluşuyormuş gibi davranır ( fotonlar) ve bir elektron veya hatta büyük bir proton gibi temel parçacıklar genellikle bir dalganın özelliklerini sergiler. Elektronları birer birer "vurursanız", her biri ekranda net bir iz bırakacak - yani bir parçacık gibi davranacaklar. En ilginç şey, bir elektron ışını yerine bir foton ışını alırsanız aynı şeyin olacağıdır: ışında dalgalar gibi ve ayrı ayrı - parçacıklar gibi davranacaklar

Başka bir deyişle, mikro kozmosta, parçacıklar gibi davranan nesneler aynı zamanda dalga doğalarını "hatırlar" ve bunun tersi de geçerlidir. Mikro dünya nesnelerinin bu garip özelliğine denir kuantum dalga dualizmi.

Tamamlayıcılık ilkesi, bu gerçeğin basit bir ifadesidir. Bu prensibe göre bir kuantum nesnesinin özelliklerini parçacık olarak ölçersek parçacık gibi davrandığını görürüz. Dalga özelliklerini ölçersek, bizim için dalga gibi davranır. Bu iki görüş hiçbir şekilde birbiriyle çelişmez; onlar Tamamlayıcı ilke adına yansıyan, birbirine.

Atomun yapısı.

Atomun yapısının gezegen modeli, Rutherford tarafından atom çekirdeğinin keşfinin bir sonucu olarak önerildi:
1. Atomun merkezinde, atomun içindeki boşluğun önemsiz bir bölümünü kaplayan pozitif yüklü bir çekirdek vardır.
2. Bir atomun tüm pozitif yükü ve neredeyse tüm kütlesi çekirdeğinde yoğunlaşmıştır (bir elektronun kütlesi 1/1823 amu'dur).
3. Elektronlar çekirdeğin etrafında kapalı yörüngelerde dönerler. Sayıları çekirdeğin yüküne eşittir.
atom çekirdeği

Bir atomun çekirdeği protonlardan ve nötronlardan oluşur (genel adı nükleonlardır). Üç parametre ile karakterize edilir: A kütle numarası, Z proton sayısına eşit nükleer yük ve N çekirdekteki nötron sayısıdır. Bu parametreler ilişki ile birbirine bağlıdır:
A = Z + N
Çekirdekteki proton sayısı, elementin atom numarasına eşittir.
Nükleer yük genellikle element sembolünün sol alt köşesine ve kütle numarası sol üst köşeye yazılır (nükleer yük genellikle ihmal edilir).
Örnek 40 18 Ar: Bu atomun çekirdeği 18 proton ve 22 nötron içerir.
Çekirdekleri aynı sayıda proton ve farklı sayıda nötron içeren atomlara izotop denir, örneğin: 12/6C ve 13/6C. Hidrojen izotoplarının özel sembolleri ve adları vardır: 1 H - protium, 2 D - döteryum, 3 T - trityum. İzotopların kimyasal özellikleri aynıdır, bazı fiziksel özellikler çok az farklılık gösterir.

radyoaktivite

radyoaktivite kararsızlığın kendiliğinden, kendiliğinden dönüşümüdür. atom çekirdeği parçacıkların emisyonu ile birlikte diğer elementlerin çekirdeklerine. Karşılık gelen elementlere radyoaktif veya radyonüklidler adı verildi.

1899'da E. Rutherford, deneyler sonucunda radyoaktif radyasyonun homojen olmadığını ve güçlü bir manyetik alanın etkisi altında a- ve b-ışınları olmak üzere iki bileşene ayrıldığını keşfetti. Üçüncü bileşen olan g-ışınları, 1900 yılında Fransız fizikçi P. Vilard tarafından keşfedildi.

Gama ışınları maddenin atomlarının iyonlaşmasına neden olur. Gama radyasyonunun maddeden geçişi sırasında meydana gelen ana işlemler:

Fotoelektrik etki - gama ışınının enerjisi, atom kabuğunun elektronu tarafından emilir ve iş işlevini yapan elektron atomu terk eder (iyonlaşır, yani bir iyona dönüşür).

İletken malzemelerin yüzeyinden gelen ışıkla elektronların dışarı atılması, günümüzde günlük yaşamda yaygın olarak kullanılan bir olgudur. Örneğin, bazı alarm sistemleri, görünür veya kızılötesi ışık huzmeleri ileterek çalışır. fotovoltaik hücre, dahil olduğu devreye elektriksel iletkenlik sağlayan elektronların dışarı atıldığı. Işık huzmesinin yolunda bir engel belirirse, sensöre ışık akışı durur, elektron akışı durur, devre kesilir - ve bir elektronik alarm tetiklenir.

γ-ışınları ile ışınlama, doza ve süreye bağlı olarak, kronik ve akut radyasyon hastalığına neden olabilir. Radyasyonun etkileri çeşitli kanser türlerini içerir. Aynı zamanda, gama radyasyonu kanserli ve diğer hızla bölünen hücrelerin büyümesini engeller. Gama radyasyonu mutajeniktir ve bir faktördür.

gama radyasyonu uygulaması:

Gama-defektoskopi, γ-ışınları ile transillüminasyon yoluyla ürünlerin kontrolü.

Gıda koruması.

Tıbbi malzeme ve ekipmanların sterilizasyonu.

Radyasyon tedavisi.

Seviye göstergeleri

İniş uzay aracının inişi sırasında yüzeye olan mesafeyi ölçen gama altimetreler.

Raf ömrünü uzatmak için baharat, tahıl, balık, et ve diğer ürünlerin gama sterilizasyonu.

radyoaktivite türleri

Bir atom çekirdeğinin bölünmesi kendiliğinden (kendiliğinden) ve zorlanabilir (diğer parçacıklarla, özellikle nötronlarla etkileşimin bir sonucu olarak). Ağır çekirdeklerin bölünmesi, reaksiyon ürünlerinin kinetik enerjisi ve radyasyon şeklinde büyük miktarda enerjinin salınmasının bir sonucu olarak ekzotermik bir süreçtir. Nükleer fisyon, nükleer reaktörlerde ve nükleer silahlarda bir enerji kaynağı olarak hizmet eder. Atom numarası 82'den büyük olan SS'nin tüm kimyasal elementlerinin (yani bizmut ile başlayan) ve bazı daha hafif elementlerin (prometyum ve teknetyumun kararlı izotopları olmadığı ve indiyum, potasyum veya kalsiyum gibi bazı elementlerin bazı doğal izotoplara sahip olduğu, diğerlerinin radyoaktif olduğu) tespit edilmiştir.

1913 baharında Soddy şu kuralı formüle etti:

α-parçacıklarının emisyonu atom kütlesini 4 azaltır ve PS boyunca 2 yer sola kaydırır.

β-parçacıklarının emisyonu, elementi neredeyse kütlesini değiştirmeden 1 yer sağa kaydırır

Kuantum mekaniği, mikro dünyanın mekaniğidir. İncelediği fenomenler çoğunlukla duyusal algımızın ötesindedir, bu nedenle bu fenomenleri yöneten yasaların görünüşteki paradoksuna şaşırmamak gerekir.

Kuantum mekaniğinin temel yasaları, bazı temel fiziksel deneylerin sonuçlarının mantıksal bir sonucu olarak formüle edilemez. Başka bir deyişle, deneyimle doğrulanan bir aksiyomlar sistemine dayanan kuantum mekaniğinin formülasyonu hala bilinmiyor. Dahası, kuantum mekaniğinin bazı temel ilkeleri prensip olarak deneysel doğrulamaya izin vermez. Kuantum mekaniğinin geçerliliğine olan güvenimiz, teorinin tüm fiziksel sonuçlarının deneyle uyumlu olduğu gerçeğine dayanmaktadır. Bu nedenle, kuantum mekaniğinin temel yasalarının değil, yalnızca temel hükümlerinin sonuçları deneysel olarak test edilir. Görünüşe göre, bu koşullar, kuantum mekaniğinin ilk çalışmasında ortaya çıkan ana zorluklarla bağlantılı.

Aynı nitelikte, ama besbelli çok daha büyük güçlükler kuantum mekaniğinin yaratıcılarıyla karşı karşıya kaldı. Deneyler kesinlikle mikro kozmosta özel kuantum düzenliliklerinin varlığını gösterdi, ancak hiçbir şekilde kuantum teorisi biçimini önermedi. Bu, kuantum mekaniğinin yaratılışının gerçekten dramatik tarihini ve özellikle kuantum mekaniğinin orijinal formülasyonlarının doğası gereği tamamen reçeteli olduğu gerçeğini açıklayabilir. Deneysel olarak ölçülen miktarları hesaplamayı mümkün kılan bazı kurallar içeriyorlardı ve teorinin fiziksel yorumu, temel olarak matematiksel biçimciliği oluşturulduktan sonra ortaya çıktı.

Bu derste kuantum mekaniğini inşa ederken tarihsel yolu izlemeyeceğiz. Klasik fizik yasalarına dayanarak aşılmaz zorluklara yol açan bir dizi fiziksel fenomeni çok kısaca açıklayacağız. Daha sonra, önceki paragraflarda açıklanan klasik mekanik şemasının hangi özelliklerinin mikro dünya mekaniğinde korunması gerektiğini ve nelerin terk edilebileceğini ve nelerin terk edilmesi gerektiğini bulmaya çalışacağız. Klasik mekaniğin yalnızca bir ifadesinin, yani gözlemlenebilirlerin faz uzayı üzerindeki fonksiyonlar olduğu ifadesinin reddedilmesinin, klasik olandan önemli ölçüde farklı davranışa sahip sistemleri tanımlayan bir mekanik şeması oluşturmamıza izin vereceğini göreceğiz. Son olarak, ilerleyen bölümlerde, kurulan teorinin klasik mekanikten daha genel olduğunu ve ikincisini sınırlayıcı bir durum olarak içerdiğini göreceğiz.

Tarihsel olarak, ilk kuantum hipotezi, denge radyasyonu teorisi ile bağlantılı olarak 1900 yılında Planck tarafından ortaya atılmıştır. Planck, termal radyasyon enerjisinin spektral dağılımı deneyimiyle tutarlı bir formül elde etmeyi başardı ve elektromanyetik radyasyonun ayrı bölümlerde yayıldığı ve emildiği varsayımını ortaya koydu - enerjisi radyasyon frekansıyla orantılı olan kuantum

bir ışık dalgasındaki salınımların frekansı nerede, Planck sabitidir.

Planck'ın ışık kuantumu hipotezi, Einstein'ın fotoelektrik etki kalıpları hakkında son derece basit bir açıklama yapmasına izin verdi (1905). Fotoelektrik etki olgusu, bir ışık akısının etkisi altında elektronların metalden dışarı atılması gerçeğinden oluşur. Fotoelektrik etki teorisinin ana görevi, fırlatılan elektronların enerjisinin ışık akısının özelliklerine bağımlılığını bulmaktır. Metalden bir elektronu koparmak için harcanması gereken iş V olsun (iş fonksiyonu). O zaman enerjinin korunumu yasası ilişkiye yol açar

burada T, fırlatılan elektronun kinetik enerjisidir. Bu enerjinin doğrusal olarak frekansa bağlı olduğunu ve ışık akısının yoğunluğuna bağlı olmadığını görüyoruz. Ek olarak, bir frekansta (fotoelektrik etkinin kırmızı sınırı), çünkü fotoelektrik etki olgusu imkansız hale gelir. Işık kuantumu hipotezine dayanan bu sonuçlar, deneyle tamamen uyum içindedir. Aynı zamanda, klasik teoriye göre, fırlatılan elektronların enerjisi, deneysel sonuçlarla çelişen ışık dalgalarının yoğunluğuna bağlı olmalıdır.

Einstein, formüle göre bir ışık kuantumunun momentumunu tanıtarak ışık kuantumu kavramını tamamladı.

Burada k, ışık dalgalarının yayılma yönüne sahip olan sözde dalga vektörüdür; bu k vektörünün uzunluğu, dalga boyu, frekans ve ışık hızı ile ilişkilerle ilişkilidir.

Işık miktarları için formül geçerlidir

görelilik teorisinin formülünün özel bir durumu olan

durağan kütleye sahip bir parçacık için.

Tarihsel olarak ilk kuantum hipotezlerinin mekanikle değil, radyasyon yasalarıyla ve ışık dalgalarının soğurulmasıyla, yani elektrodinamikle ilgili olduğuna dikkat edin. Bununla birlikte, kısa süre sonra, yalnızca elektromanyetik radyasyon için değil, aynı zamanda atomik sistemler için de bir dizi fiziksel niceliğin ayrık değerlerinin karakteristik olduğu anlaşıldı. Frank ve Hertz'in (1913) deneyleri, elektronların atomlarla çarpışmalarında, elektronların enerjisinin ayrık kısımlarda değiştiğini gösterdi. Bu deneylerin sonuçları, atomların enerjisinin ancak belirli ayrık değerlere sahip olabileceği gerçeğiyle açıklanabilir. Daha sonra 1922'de Stern ve Gerlach'ın deneyleri, atomik sistemlerin açısal momentumunun belirli bir yöne izdüşümünün benzer bir özelliğe sahip olduğunu gösterdi. Şu anda, bir dizi gözlemlenebilirin değerlerinin ayrıklığının, mikro kozmos sistemlerinin bir özelliği olmasına rağmen zorunlu bir özelliği olmamasına rağmen iyi bilinmektedir. Örneğin, bir hidrojen atomundaki bir elektronun enerjisi ayrık değerlere sahipken, serbestçe hareket eden bir elektronun enerjisi herhangi bir pozitif değer alabilir. Kuantum mekaniğinin matematiksel aygıtı, hem ayrık hem de sürekli değerler alan gözlemlenebilirlerin tanımına uyarlanmalıdır.

1911'de Rutherford atom çekirdeğini keşfetti ve atomun gezegensel bir modelini önerdi (Rutherford'un a-parçacıklarının çeşitli elementlerin örnekleri üzerinde saçılması üzerine yaptığı deneyler, atomun pozitif yüklü bir çekirdeğe sahip olduğunu gösterdi; yükü - periyodik tablodaki elementin sayısı ve - elektronun yükü, çekirdeğin boyutları atomların kendilerinin cm mertebesinde doğrusal boyutları vardır). Atomun gezegen modeli, klasik elektrodinamiğin temel ilkeleriyle çelişir. Aslında, klasik yörüngelerde çekirdeğin etrafında hareket eden elektronlar, hızlı hareket eden herhangi bir yük gibi, elektromanyetik dalgalar yaymak zorundadır. Bu durumda elektronların enerjilerini kaybetmeleri ve sonunda çekirdeğe düşmeleri gerekir. Bu nedenle, böyle bir atom kararlı olamaz ki bu elbette doğru değildir. Kuantum mekaniğinin temel görevlerinden biri, pozitif yüklü çekirdek ve elektronlardan oluşan sistemler olarak atomların ve moleküllerin kararlılığını açıklamak ve yapılarını açıklamaktır.

Klasik mekanik açısından bakıldığında, mikropartiküllerin kırınım olgusu kesinlikle şaşırtıcıdır. Bu fenomen, 1924'te de Broglie tarafından tahmin edildi ve momentum p ile serbestçe hareket eden bir parçacığı önerdi.

ve enerji Е bir anlamda k dalga vektörü ve frekansı olan bir dalgaya karşılık gelir ve

yani, (1) ve (2) bağıntıları sadece ışık kuantaları için değil, aynı zamanda parçacıklar için de geçerlidir. De Broglie dalgalarının fiziksel yorumu daha sonra Born tarafından verildi ve biz bunu henüz tartışmayacağız. Hareket eden bir parçacık bir dalgaya karşılık geliyorsa, bu sözlere tam olarak ne anlam verilirse verilsin, bunun parçacıklar için kırınım olgusunun varlığında kendini göstermesini beklemek doğaldır. Elektron kırınımı ilk olarak 1927'de Devisson ve Germer'in deneylerinde gözlemlendi. Daha sonra diğer parçacıklar için de kırınım olayı gözlemlendi.

Kırınım fenomeninin, parçacıkların yörüngeler boyunca hareketi hakkındaki klasik fikirlerle bağdaşmadığını gösterelim. Akıl yürütme, en uygun şekilde, şeması Şekil 1'de gösterilen bir elektron ışınının iki yarık tarafından kırınımı üzerine bir düşünce deneyi örneği üzerinde gerçekleştirilir. 1. A kaynağından gelen elektronların B ekranına hareket etmesine ve yuvalardan ve içindeki yuvalardan geçerek C ekranına düşmesine izin verin.

Elektronların B ekranına düşen y-koordinatı boyunca dağılımıyla ilgileniyoruz. Bir ve iki yarıktan kırınım olgusu iyi çalışılmıştır ve elektronların dağılımının Şekil 1'de gösterilen a biçimine sahip olduğunu iddia edebiliriz. 2, sadece birinci yarık açıksa görünüm (Şek. 2), - ikinci yarık açıksa ve görünüm c, - her iki yarık da açıksa. Her elektronun belirli bir klasik yörünge boyunca hareket ettiğini varsayarsak, o zaman B ekranına çarpan tüm elektronlar hangi yarıktan geçtiklerine göre iki gruba ayrılabilir. Birinci grubun elektronları için, ikinci aralığın açık olup olmaması tamamen kayıtsızdır ve bu nedenle onların

ekrandaki dağılım a eğrisi ile temsil edilmelidir; benzer şekilde, ikinci grubun elektronları da bir dağılıma sahip olmalıdır. Bu nedenle her iki yarığın da açık olması durumunda ekranda a ve b dağılımlarının toplamı olan bir dağılım görünmelidir. Böyle bir dağılım toplamının girişim deseni c ile hiçbir ilgisi yoktur. Bu çelişki, elektronların geçtikleri yarık kriterine göre gruplara bölünmesinin, açıklanan deneyin koşulları altında imkansız olduğunu göstermektedir, bu da yörünge kavramını terk etmek zorunda kaldığımız anlamına gelir.

Elektronun hangi yarıktan geçtiğini öğrenecek şekilde bir deney yapmanın mümkün olup olmadığı sorusu hemen ortaya çıkıyor. Elbette deneyin böyle bir ayarı mümkündür, bunun için ekranlar ile B arasına bir ışık kaynağı yerleştirmek ve ışık kuantumlarının elektronlar tarafından saçılmasını gözlemlemek yeterlidir. Yeterli çözünürlüğü elde etmek için, yarıklar arasındaki mesafeyi aşmayan, yani yeterince büyük bir enerji ve momentuma sahip bir dalga boyuna sahip quanta kullanmalıyız. Elektronların saçtığı nicelikleri gözlemleyerek, aslında elektronun hangi yarıktan geçtiğini belirleyebiliriz. Ancak kuantumların elektronlarla etkileşimi, momentumlarında kontrolsüz bir değişikliğe neden olacaktır ve sonuç olarak ekrana çarpan elektronların dağılımı değişmek zorundadır. Böylece elektronun hangi yarıktan geçtiği sorusuna ancak deneyin hem koşullarını hem de sonucunu değiştirerek cevap vermenin mümkün olduğu kanaatine varıyoruz.

Bu örnekte, kuantum sistemlerinin davranışının aşağıdaki genel özelliği ile karşı karşıyayız. Deneyci, nihai sonucunda bir değişikliğe yol açacağından, deneyin ilerleyişini takip etme fırsatına sahip değildir. Kuantum davranışının bu özelliği, mikro dünyadaki ölçümlerin özellikleriyle yakından ilgilidir. Herhangi bir ölçüm, yalnızca sistem ölçüm cihazı ile etkileşime girdiğinde mümkündür. Bu etkileşim, sistemin hareketinin bozulmasına yol açar. Klasik fizikte her zaman olduğu varsayılır

bu pertürbasyon, tıpkı ölçüm sürecinin süresi gibi keyfi olarak küçük yapılabilir. Bu nedenle, herhangi bir sayıda gözlemlenebiliri aynı anda ölçmek her zaman mümkündür.

Kuantum mekaniği üzerine birçok ders kitabında bulunabilen mikrosistemler için bazı gözlemlenebilirleri ölçme sürecinin ayrıntılı bir analizi, gözlemlenebilirleri ölçmenin doğruluğundaki artışla sistem üzerindeki etkinin arttığını ve ölçümün diğer bazı gözlemlenebilirlerin sayısal değerlerinde kontrolsüz değişiklikler getirdiğini göstermektedir. Bu, bazı gözlemlenebilirlerin eşzamanlı doğru ölçümünün temelde imkansız hale gelmesine yol açar. Örneğin, bir parçacığın koordinatını ölçmek için ışık kuantumunun saçılması kullanılıyorsa, bu tür bir ölçümün hatası ışığın dalga boyu mertebesindedir. Daha kısa bir dalga boyuna ve dolayısıyla büyük bir momentuma sahip olan kuantumları seçerek ölçüm doğruluğunu artırmak mümkündür. Bu durumda, kuantum momentumunun düzeninde kontrolsüz bir değişiklik, parçacık momentumunun sayısal değerlerine dahil edilir. Bu nedenle, konumun ve momentumun ölçüm hataları ilişki ile ilişkilidir.

Daha kesin bir akıl yürütme, bu ilişkinin yalnızca aynı adlı koordinat ve momentum projeksiyonunu birbirine bağladığını gösterir. İki gözlemlenebilirin eşzamanlı ölçümünün temel olarak olası doğruluğu ile ilgili ilişkilere Heisenberg belirsizlik ilişkileri denir. Aşağıdaki bölümlerde tam formülasyonda elde edileceklerdir. Belirsizlik ilişkilerinin herhangi bir kısıtlama getirmediği gözlemlenebilirler, eş zamanlı olarak ölçülebilir. Bir parçacığın Kartezyen koordinatlarının veya momentum izdüşümünün aynı anda ölçülebilir olduğunu ve aynı isimli koordinatların ve momentum izdüşümünün veya açısal momentumun iki Kartezyen izdüşümünün aynı anda ölçülemez olduğunu daha sonra göreceğiz. Kuantum mekaniğini inşa ederken, aynı anda ölçülemez niceliklerin var olma olasılığını aklımızda tutmalıyız.

Şimdi, kısa bir fiziksel girişten sonra, daha önce ortaya atılan şu soruyu yanıtlamaya çalışacağız: mikro dünyanın mekaniğini inşa ederken klasik mekaniğin hangi özellikleri korunmalı ve ne doğal olarak terk edilmelidir. Klasik mekaniğin temel kavramları gözlemlenebilir ve durum kavramlarıydı. Fiziksel teorinin görevi, deneylerin sonuçlarını tahmin etmektir ve bir deney her zaman bir sistemin bazı özelliklerinin veya sistemin durumunu belirleyen belirli koşullar altında gözlemlenebilir bir ölçümüdür. Bu nedenle, gözlemlenebilir ve durum kavramları görünmelidir.

Herhangi bir fiziksel teoride. Deneycinin bakış açısından, gözlemlenebilir bir şeyi tanımlamak, onu ölçmek için bir yöntem belirlemek anlamına gelir. Gözlemlenebilirler a, b, c, ... sembolleriyle gösterilecek ve şimdilik onların matematiksel doğası hakkında herhangi bir varsayımda bulunmayacağız (klasik mekanikte gözlemlenebilirlerin faz uzayındaki fonksiyonlar olduğunu hatırlayın). Gözlenebilirler kümesi, daha önce olduğu gibi, ile göstereceğiz.

Deneysel koşulların en azından tüm gözlemlenebilirlerin ölçüm sonuçlarının olasılıksal dağılımlarını belirlediğini varsaymak mantıklıdır, dolayısıyla § 2'de verilen bir durum tanımını korumak mantıklıdır. Daha önce olduğu gibi, durumları karşılık gelen gözlemlenebilir a ile ve gerçek eksendeki olasılık ölçüsünü, durumdaki gözlemlenebilir a'nın dağılım fonksiyonu ile ve son olarak, durumdaki gözlemlenebilir a'nın ortalama değerini ile göstereceğiz.

Teori, gözlemlenebilir olanın bir fonksiyonunun tanımını içermelidir. Deneyci için, gözlemlenen b'nin gözlemlenen a'nın bir fonksiyonu olduğu ifadesi, b'yi ölçmek için a'yı ölçmenin yeterli olduğu anlamına gelir ve eğer gözlemlenen a'nın ölçümü bir sayıyla sonuçlanırsa, o zaman gözlemlenen b'nin sayısal değeri . Karşılık gelen a ve olasılık ölçüleri için eşitliğe sahibiz

herhangi bir eyalet için.

Bir gözlemlenebilir a'nın tüm olası fonksiyonlarının aynı anda ölçülebilir olduğuna dikkat edin, çünkü bu gözlemlenebilirleri ölçmek için gözlemlenebilir a'yı ölçmek yeterlidir. Daha sonra kuantum mekaniğinde bu örneğin gözlemlenebilirlerin eşzamanlı ölçülebilirliği durumlarını tükettiğini göreceğiz, yani eğer gözlemlenebilirler eşzamanlı olarak ölçülebilir ise, o zaman öyle bir gözlemlenebilir a ve öyle işlevler vardır ki, .

Gözlenebilir a'nın fonksiyonlar kümesi arasında, açıkçası, gerçek bir sayı olan tanımlanır. Bu fonksiyonlardan ilkinin varlığı gözlenebilirlerin gerçek sayılarla çarpılabileceğini göstermektedir. Bir gözlemlenebilirin sabit olduğu ifadesi, herhangi bir durumdaki sayısal değerinin bu sabitle çakıştığını ima eder.

Şimdi gözlemlenebilirlerin toplamına ve çarpımına hangi anlamın eklenebileceğini bulmaya çalışalım. Bu işlemler, iki gözlemlenebilirin bir fonksiyonunun bir tanımına sahip olsaydık tanımlanacaktı.Ancak burada, aynı anda ölçülemeyen gözlemlenebilirlerin var olma olasılığıyla ilgili temel zorluklar var. a ve b ise

aynı anda ölçülebilir, o zaman tanım tanımına tamamen benzerdir. Gözlemlenebilir olanı ölçmek için, gözlemlenebilir a ve b'yi ölçmek yeterlidir ve böyle bir ölçüm, sırasıyla a ve b gözlemlenebilirlerin sayısal değerlerinin olduğu sayısal bir değere yol açacaktır. Eşzamanlı olarak gözlemlenen ölçülemez a ve b durumu için, fonksiyonun makul bir tanımı yoktur. Bu durum, gözlemlenebilirlerin faz uzayı üzerindeki fonksiyonlar olduğu varsayımını terk etmemize neden olur, çünkü q ve p'yi aynı anda ölçülemez olarak kabul etmek için fiziksel gerekçelerimiz var ve farklı doğadaki matematiksel nesneler arasında gözlemlenebilirler arıyoruz.

İki gözlenebilirin fonksiyonu kavramını kullanarak toplamı ve çarpımı belirlemenin, ancak aynı anda ölçülebilir olmaları durumunda mümkün olduğunu görüyoruz. Bununla birlikte, toplamın genel duruma getirilmesine izin veren başka bir yaklaşım da mümkündür. Durumlar ve gözlemlenebilirler hakkındaki tüm bilgilerin ölçümler sonucunda elde edildiğini biliyoruz, bu nedenle gözlemlenebilirleri onlardan ayırmak için yeterli durum olduğunu ve benzer şekilde durumların onlardan ayırt edilebileceği kadar yeterli gözlemlenebilir olduğunu varsaymak mantıklıdır.

Daha doğrusu, eşitlikten varsayıyoruz

herhangi bir a durumu için geçerli olduğundan, gözlemlenebilir a ve b'nin çakıştığı ve eşitlikten çıkarıldığı sonucu çıkar.

Herhangi bir gözlemlenebilir için geçerli olan, DURUMLAR ve örtüşen izler.

Yapılan varsayımlardan ilki, gözlemlenebilirlerin toplamını, eşitliğin sağlandığı bir gözlemlenebilir olarak tanımlamayı mümkün kılar.

her koşulda A. Hemen bu eşitliğin, yalnızca gözlemlenen a ve b'nin ortak bir dağılım işlevine sahip olduğu durumda toplamın ortalama değeri hakkındaki iyi bilinen olasılık teorisi teoreminin bir ifadesi olduğunu not ediyoruz. Böyle bir genel dağılım işlevi, yalnızca aynı anda ölçülebilen nicelikler için var olabilir (ve gerçekten de kuantum mekaniğinde mevcuttur). Bu durumda, formül (5) ile toplamın tanımı, daha önce yapılanla örtüşür. Ürünün ortalaması olduğu için benzer bir ürün tanımı imkansızdır.

eşzamanlı olarak ölçülebilir gözlemlenebilirler için bile ortalamaların ürününe eşit değildir.

Toplamın (5) tanımı, gözlemlenebilir a ve b'nin bilinen ölçüm yöntemlerine göre gözlemlenebiliri ölçme yöntemine dair herhangi bir gösterge içermez ve bu anlamda zımnidir.

Gözlemlenebilirlerin toplamı kavramının, rastgele değişkenlerin toplamı kavramından nasıl farklı olabileceğine dair bir fikir vermek için, daha sonra ayrıntılı olarak incelenecek olan bir gözlemlenebilir örneği vereceğiz. İzin vermek

Gözlemlenen H (tek boyutlu harmonik osilatörün enerjisi), momentum ve koordinatın kareleriyle orantılı iki gözlemlenebilirin toplamıdır. Bu son gözlemlenebilirlerin negatif olmayan herhangi bir sayısal değeri alabildiğini göreceğiz, oysa gözlemlenebilir H'nin değerleri sayılarla eşleşmelidir, yani ayrık sayısal değerlerle gözlenen H, sürekli değerlerle gözlemlenebilirlerin toplamıdır.

Aslında, tüm varsayımlarımız, kuantum mekaniği inşa ederken, klasik mekaniğin gözlenebilir cebir yapısını korumanın makul olduğu gerçeğine indirgenir, ancak bu cebirin faz uzayı üzerindeki fonksiyonlar tarafından uygulanmasını terk etmeliyiz, çünkü ölçülemez eşzamanlı gözlemlenebilirlerin varlığını kabul ediyoruz.

Acil görevimiz, klasik mekaniğin gerçekleştirilmesinden farklı bir gözlemlenebilir cebir gerçekleştirmesinin var olduğunu doğrulamaktır. Bir sonraki bölümde, kuantum mekaniğinin sonlu boyutlu bir modelini oluşturarak böyle bir uygulamanın örneğini vereceğiz. Bu modelde, gözlenebilirlerin cebiri, -boyutlu karmaşık uzayda kendine eşlenik operatörlerin cebiridir. Bu basitleştirilmiş modeli inceleyerek, kuantum teorisinin temel özelliklerini takip edebileceğiz. Aynı zamanda kurulan modelin fiziksel bir yorumunu verdikten sonra gerçeğe karşılık gelemeyecek kadar zayıf olduğunu göreceğiz. Bu nedenle, sonlu boyutlu model, kuantum mekaniğinin son hali olarak kabul edilemez. Ancak, bu modelin karmaşık bir Hilbert uzayı ile değiştirilerek iyileştirilmesi oldukça doğal görünecektir.

KUANTUM MEKANİĞİNİN TEMEL İLKELERİ.

1900'de ᴦ. Alman fizikçi Max Planck, ışığın madde tarafından salınmasının ve soğurulmasının sonlu kısımlarda (kuanta) meydana geldiğini ve her bir kuantumun enerjisinin yayılan radyasyonun frekansıyla orantılı olduğunu öne sürdü:

burada yayılan (veya emilen) radyasyonun frekansı ve h, Planck sabiti adı verilen evrensel bir sabittir. Modern verilere göre

h \u003d (6.62618 0.00004) ∙ 10 -34 J ∙ s.

Planck'ın hipotezi, temelde yeni bir fiziğin - kuantum fiziği adı verilen mikro dünya fiziğinin - temelini oluşturan kuantum kavramlarının ortaya çıkışının başlangıç ​​​​noktasıydı. Danimarkalı fizikçi Niels Bohr ve okulunun derin fikirleri, gelişiminde büyük rol oynadı. Kuantum mekaniğinin kökünde, maddenin parçacık ve dalga özelliklerinin tutarlı bir sentezi yatar. Bir dalga, uzayda çok geniş bir süreçtir (sudaki dalgaları hatırlayın) ve bir parçacık, bir dalgadan çok daha yerel bir nesnedir. Belirli koşullar altında ışık, bir dalga gibi değil, bir parçacık akışı gibi davranır. Aynı zamanda, temel parçacıklar bazen dalga özellikleri sergiler. Klasik teori çerçevesinde dalga ve parçacık özelliklerini birleştirmek imkansızdır. Bu nedenle, mikro kozmosun kalıplarını açıklayan yeni bir teorinin yaratılması, makroskopik nesneler için geçerli olan geleneksel fikirlerin reddedilmesine yol açmıştır.

Kuantum bakış açısından, hem ışık hem de parçacıklar, hem dalga hem de parçacık özellikleri sergileyen karmaşık nesnelerdir (sözde dalga-parçacık ikiliği). Kuantum fiziğinin yaratılması, atomun yapısını ve atomların emisyon spektrumlarının düzenliliğini kavrama girişimleriyle teşvik edildi.

19. yüzyılın sonunda, bir metalin yüzeyine ışık düştüğünde, ikincisinden elektronların yayıldığı keşfedildi. Bu fenomen denir fotoelektrik etki.

1905'te ᴦ. Einstein, fotoelektrik olayı kuantum teorisine dayanarak açıkladı. Tek renkli bir ışık huzmesindeki enerjinin, boyutları h'ye eşit olan kısımlardan oluştuğu varsayımını ortaya attı. h'nin fiziksel boyutu zaman∙enerji=uzunluk∙momentum= momentum anı. Bu boyut, eylem adı verilen bir niceliğe sahiptir ve bununla bağlantılı olarak h, eylemin temel kuantumu olarak adlandırılır. Einstein'a göre, bir metaldeki bir elektron, enerjinin böyle bir kısmını emdikten sonra, metalden çıkma işini yapar ve kinetik enerji kazanır.

E k \u003d h - A çıkışı.

Bu, fotoelektrik etki için Einstein'ın denklemidir.

Ayrık ışık bölümleri daha sonra (1927 ᴦ'de) olarak adlandırıldı. fotonlar.

Bilimde, matematiksel aygıtı belirlerken, her zaman gözlemlenen deneysel fenomenlerin doğasından hareket edilmelidir. Alman fizikçi Schrödinger, farklı bir bilimsel araştırma stratejisi deneyerek büyük başarılar elde etti: önce matematik, sonra onun fiziksel anlamını anlamak ve sonuç olarak kuantum fenomeninin doğasını yorumlamak.

Kuantum mekaniğinin denklemlerinin dalga benzeri olması gerektiği açıktı (sonuçta kuantum nesnelerinin dalga özellikleri vardır). Bu denklemlerin ayrık çözümleri olmalıdır (ayrıklık unsurları kuantum fenomeninin doğasında vardır). Bu tür denklemler matematikte biliniyordu. Bunlara odaklanan Schrödinger, ʼʼψʼʼ dalga fonksiyonu kavramını kullanmayı önerdi. X ekseni boyunca serbestçe hareket eden bir parçacık için dalga fonksiyonu ψ=e - i|h(Et-px) , burada p momentum, x koordinat, E-enerji, h-Planck sabitidir. ʼʼψʼʼ fonksiyonu genellikle bir dalga fonksiyonu olarak adlandırılır çünkü onu tanımlamak için üstel bir fonksiyon kullanılır.

Kuantum mekaniğinde bir parçacığın durumu, yalnızca uzayda belirli bir noktada bir parçacığı bulma olasılığını belirlemeyi mümkün kılan bir dalga fonksiyonu ile tanımlanır. Dalga fonksiyonu, nesnenin kendisini ve hatta potansiyellerini tanımlamaz. Dalga fonksiyonuyla yapılan işlemler, kuantum mekaniği olaylarının olasılıklarını hesaplamayı mümkün kılar.

Kuantum fiziğinin temel ilkeleri şunlardır: süperpozisyon, belirsizlik, tamamlayıcılık ve özdeşlik ilkeleri.

Prensip süperpozisyonlar klasik fizikte, her bir etkinin ayrı ayrı neden olduğu etkilerin toplamı olarak, birkaç bağımsız etkinin üst üste binmesinden (süperpozisyon) elde edilen etkiyi elde etmenizi sağlar. Doğrusal denklemlerle tanımlanan sistemler veya alanlar için geçerlidir. Bu ilke mekanikte, salınım teorisinde ve fiziksel alanların dalga teorisinde çok önemlidir. Kuantum mekaniğinde, süperpozisyon ilkesi dalga fonksiyonlarını ifade eder: eğer bir fiziksel sistem iki veya daha fazla dalga fonksiyonu ψ 1, ψ 2 ,…ψ ń tarafından tanımlanan durumlarda olabilirse, o zaman bu fonksiyonların herhangi bir lineer kombinasyonu ile tanımlanan bir durumda olabilir:

Ψ=c 1 ψ 1 +c 2 ψ 2 +….+с n ψ n ,

burada с 1 , с 2 ,…с n gelişigüzel karmaşık sayılardır.

Süperpozisyon ilkesi, klasik fiziğin ilgili kavramlarının geliştirilmiş halidir. İkincisine göre, pertürbasyonların etkisi altında özelliklerini değiştirmeyen bir ortamda dalgalar birbirinden bağımsız olarak yayılır. Sonuç olarak, ortamın herhangi bir noktasında birkaç dalga yayıldığında ortaya çıkan bozulma, bu dalgaların her birine karşılık gelen bozulmaların toplamına eşittir:

S \u003d S 1 + S 2 + .... + S n,

burada S 1 , S 2,….. S n dalganın neden olduğu pertürbasyonlardır. Harmonik olmayan bir dalga durumunda, harmonik dalgaların toplamı olarak temsil edilebilir.

Prensip belirsizlikler bir mikro parçacığın iki özelliğini, örneğin hız ve koordinatları aynı anda belirlemenin imkansız olmasıdır. Temel parçacıkların ikili parçacık dalga doğasını yansıtır. Deneydeki ek niceliklerin eş zamanlı belirlenmesindeki hatalar, yanlışlıklar, hatalar 1925ᴦ'de kurulan belirsizlik ilişkisi ile ilişkilidir. Werner Heisenberg. Belirsizlik ilişkisi, herhangi bir ek nicelik çiftinin (örneğin, koordinat ve üzerindeki momentumun izdüşümü, enerji ve zaman) yanlışlıklarının ürününün Planck sabiti h tarafından belirlenmesidir. Belirsizlik ilişkileri, ilişkide yer alan parametrelerden birinin değeri ne kadar spesifikse, diğer parametrenin değeri o kadar belirsizdir ve bunun tersi de geçerlidir. Bu, parametrelerin aynı anda ölçüldüğü anlamına gelir.

Klasik fizik bize, nesnelerin tüm parametrelerinin ve onlarla meydana gelen süreçlerin herhangi bir doğrulukla aynı anda ölçülebileceğini öğretti. Bu pozisyon kuantum mekaniği tarafından çürütülür.

Danimarkalı fizikçi Niels Bohr, kuantum nesnelerinin gözlem araçlarına göre göreceli olduğu sonucuna vardı. Kuantum fenomeninin parametreleri ancak gözlem araçları ᴛ.ᴇ ile etkileşimlerinden sonra değerlendirilebilir. aletleri ile. Atomik nesnelerin davranışı, bu fenomenlerin meydana geldiği koşulları belirleyen ölçüm cihazlarıyla etkileşimlerinden keskin bir şekilde ayırt edilemez. Aynı zamanda parametreleri ölçmek için kullanılan aletlerin de farklı tipte olduğunu dikkate almak gerekir. Deneyin farklı koşullarında elde edilen veriler, yalnızca farklı ölçümlerin bir kombinasyonunun nesnenin özelliklerinin tam bir resmini verebileceği anlamında ek olarak düşünülmelidir. Tamamlayıcılık ilkesinin içeriği budur.

Klasik fizikte, ölçümün çalışma nesnesini bozmadığı kabul edildi. Ölçüm, nesneyi değiştirmeden bırakır. Kuantum mekaniğine göre, her bir ölçüm mikro nesneyi yok eder. Yeni bir ölçüm yapmak için mikro nesneyi yeniden hazırlamak gerekir. Bu, ölçüm sentezi sürecini zorlaştırır. Bu bağlamda Bohr, kuantum ölçümlerinin tamamlayıcılığını ileri sürer. Klasik ölçülerin verileri birbirini tamamlayıcı olmayıp, birbirinden bağımsız bağımsız bir anlam taşımaktadır. Tamamlama, çalışılan nesnelerin birbirinden ayırt edilemez ve birbirine bağlı olduğu yerde gerçekleşir.

Bohr, tamamlayıcılık ilkesini yalnızca fizik bilimleriyle ilişkilendirmedi: "canlı organizmaların bütünlüğü ve insan kültürlerinin yanı sıra bilinçli insanların özellikleri, bütünlüğün özelliklerini temsil eder ve bunların gösterimi, tipik olarak tamamlayıcı bir açıklama yolu gerektirir". Bohr'a göre, canlı varlıkların olasılıkları o kadar çeşitlidir ve o kadar yakından bağlantılıdır ki, onları incelerken, gözlemsel verileri tamamlama prosedürüne tekrar başvurmak gerekir. Aynı zamanda, Bohr'un bu fikri uygun bir gelişme göstermedi.

Karmaşık mikro ve makro sistemlerin bileşenleri arasındaki etkileşimlerin özellikleri ve özgüllüğü. ve aralarındaki dış etkileşimler, muazzam çeşitliliklerine yol açar. Bireysellik, mikro ve makro sistemlerin karakteristiğidir, her sistem, yalnızca kendisine özgü tüm olası özellikler kümesiyle tanımlanır. Hidrojen ve uranyum çekirdeği arasındaki farkları adlandırabilirsiniz, ancak her ikisi de mikrosistemleri ifade eder. Bu gezegenler aynı güneş sistemine ait olsalar da, Dünya ve Mars arasında daha az fark yoktur.

Böylece temel parçacıkların özdeşliğinden bahsetmek mümkündür. Özdeş parçacıklar aynı fiziksel özelliklere sahiptir: kütle, elektrik yükü ve diğer iç özellikler. Örneğin, Evrenin tüm elektronları aynı kabul edilir. Özdeş parçacıklar özdeşlik ilkesine uyar - kuantum mekaniğinin temel ilkesi, buna göre: özdeş parçacıkların yer yer yeniden düzenlenmesiyle birbirinden elde edilen bir parçacık sisteminin durumları hiçbir deneyde ayırt edilemez.

Bu ilke, klasik ve kuantum mekaniği arasındaki temel farktır. Kuantum mekaniğinde, özdeş parçacıklar bireysellikten yoksundur.

ATOMUN YAPISI VE NÜKLEER. TEMEL PARÇACIKLAR.

Maddenin yapısı ile ilgili ilk fikirler 6.-4. yüzyıllarda Antik Yunanistan'da ortaya çıktı. M.Ö. Aristo, maddenin sürekli olduğunu düşündü, ᴛ.ᴇ. keyfi olarak küçük parçalara bölünebilir, ancak daha fazla bölünmeyecek en küçük parçacığa asla ulaşmaz. Demokritos, dünyadaki her şeyin atomlardan ve boşluktan oluştuğuna inanıyordu. Atomlar, "bölünemez" anlamına gelen maddenin en küçük parçacıklarıdır ve Demokritos'un temsilinde atomlar, pürüzlü bir yüzeye sahip kürelerdir.

Böyle bir dünya görüşü 19. yüzyılın sonuna kadar vardı. 1897ᴦ'de. İki kez Nobel Ödülü kazanan W. Thomson'ın oğlu Joseph John Thomson (1856-1940ᴦ.ᴦ.), elektron adı verilen temel bir parçacık keşfetti. Elektronun atomlardan uçup gittiği ve negatif bir elektrik yüküne sahip olduğu bulundu. Elektron yükünün büyüklüğü e\u003d 1.6.10 -19 C (Coulomb), elektron kütlesi M\u003d 9.11.10 -31 kᴦ.

Elektronun keşfinden sonra, 1903'te Thomson, atomun üzerine pozitif bir yükün bulaştığı bir küre olduğu ve negatif yüklü elektronların kuru üzüm şeklinde serpiştirildiği hipotezini ortaya koydu. Pozitif yük negatife eşittir, genel olarak atom elektriksel olarak nötrdür (toplam yük 0'dır).

1911'de bir deney yürüten Ernst Rutherford, pozitif yükün atomun hacmine yayılmadığını, ancak atomun yalnızca küçük bir bölümünü kapladığını buldu. Bundan sonra, daha sonra gezegensel olarak bilinen bir atom modeli ortaya koydu. Bu modele göre, bir atom gerçekten de merkezinde pozitif bir yükün bulunduğu ve bu kürenin küçük bir bölümünü kaplayan bir küredir - yaklaşık 10-13 cm Negatif yük, elektron kabuğu denilen dış kısımda bulunur.

Atomun daha mükemmel bir kuantum modeli, Rutherford'un laboratuvarında çalışan Danimarkalı fizikçi N. Bohr tarafından 1913'te önerildi. Rutherford'un atom modelini temel aldı ve onu klasik fikirlerle çelişen yeni hipotezlerle destekledi. Bu hipotezler Bohr'un varsayımları olarak bilinir. Οʜᴎ aşağıdakilere indirgenmiştir.

1. Bir atomdaki her elektron, elektromanyetik radyasyon yaymadan veya emmeden, belirli bir enerji değeri ile belirli bir yörünge boyunca kararlı bir yörünge hareketi gerçekleştirebilir. Bu durumlarda, atomik sistemler ayrı bir seri oluşturan enerjilere sahiptir: E 1 , E 2 ,…E n . Elektromanyetik radyasyonun emisyonu veya absorpsiyonu sonucunda enerjide meydana gelen herhangi bir değişiklik, bir durumdan diğerine sıçrama ile meydana gelebilir.

2. Bir elektron bir durağan yörüngeden diğerine geçtiğinde, enerji yayılır veya emilir. Bir elektronun bir yörüngeden diğerine geçişi sırasında atomun enerjisi E m'den E n'ye değişirse, o zaman h v= E m - E n , burada v radyasyon frekansıdır.

Bohr bu varsayımları en basit hidrojen atomunu hesaplamak için kullandı,

Pozitif yükün yoğunlaştığı alana çekirdek denir. Çekirdeğin pozitif temel parçacıklardan oluştuğu varsayımı vardı. Proton adı verilen bu parçacıklar (Yunanca'da proton ilk anlamına gelir) 1919'da Rutherford tarafından keşfedildi. Modulo yükleri elektron yüküne eşittir (ancak pozitiftir), proton kütlesi 1.6724.10 -27 kᴦ'dir. Protonun varlığı, nitrojeni oksijene dönüştüren yapay bir nükleer reaksiyonla doğrulandı. Azot atomları helyum çekirdeği ile ışınlandı. Sonuç oksijen ve bir protondu. Proton kararlı bir parçacıktır.

1932'de James Chadwick, elektrik yükü olmayan ve neredeyse bir protonunkine eşit bir kütleye sahip olan bir parçacık keşfetti. Bu parçacığa nötron adı verildi. Nötronun kütlesi 1.675.10 -27 kᴦ'dir. Nötron, bir berilyum levhasının alfa parçacıkları ile ışınlanmasıyla keşfedildi. Nötron kararsız bir parçacıktır. Yük eksikliği, atomların çekirdeğine kolayca nüfuz etme yeteneğini açıklar.

Proton ve nötronun keşfi, atomun proton-nötron modelinin yaratılmasına yol açtı. 1932'de Sovyet fizikçileri Ivanenko, Gapon ve Alman fizikçi Heisenberg tarafından önerildi. Bu modele göre, bir atomun çekirdeği proton ve nötronlardan oluşur, hidrojen çekirdeği hariç, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ bir protondan oluşur.

Çekirdeğin yükü, içindeki proton sayısı ile belirlenir ve sembolü ile gösterilir. Z . Bir atomun tüm kütlesi, çekirdeğinin kütlesinde bulunur ve içine giren protonların ve nötronların kütlesi tarafından belirlenir, çünkü bir elektronun kütlesi, bir proton ve bir nötronun kütlelerine kıyasla ihmal edilebilir. Mendeleev'in periyodik tablosundaki seri numarası, belirli bir kimyasal elementin çekirdeğinin yüküne karşılık gelir. Bir atomun kütle numarası A nötronların ve protonların kütlesine eşittir: A=Z+N, Nerede Z proton sayısıdır, N nötron sayısıdır. Geleneksel olarak, herhangi bir öğe şu sembolle gösterilir: A X z .

Aynı sayıda proton ancak farklı sayıda nötron içeren çekirdekler vardır, ᴛ.ᴇ. farklı kütle numaraları. Bu tür çekirdeklere izotop denir. Örneğin, 1 saat 1 - normal hidrojen 2 N 1 - döteryum, 3 N 1 - trityum. En kararlı çekirdekler, proton sayısının nötron sayısına eşit olduğu veya aynı anda her ikisinin = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 - sihirli sayılar olduğu çekirdeklerdir.

Atomun boyutları yaklaşık 10-8 cm'dir Atom 10-13 cm büyüklüğünde bir çekirdekten oluşur Atomun çekirdeği ile atomun sınırı arasında mikro alemde ölçek olarak çok büyük bir boşluk vardır. Bir atomun çekirdeğindeki yoğunluk muazzamdır, yaklaşık 1.5.108 t/cm3'tür. Kütlesi A olan kimyasal elementler<50 называются легкими, а с А>50 - ağır. Ağır elementlerin çekirdeğinde biraz kalabalık, ᴛ.ᴇ. radyoaktif bozunmaları için bir enerji ön koşulu yaratılır.

Bir çekirdeği kendisini oluşturan nükleonlara ayırmak için gereken enerjiye bağlanma enerjisi denir. (Nüklonlar, protonlar ve nötronlar için genelleştirilmiş bir addır ve Rusça'ya çevrildiğinde "nükleer parçacıklar" anlamına gelir):

E sv \u003d Δm∙s 2,

Nerede ∆m nükleer kütle kusurudur (çekirdeği oluşturan nükleonların kütleleri ile çekirdeğin kütlesi arasındaki fark).

1928'de. Teorik fizikçi Dirac, elektron teorisini önerdi. Temel parçacıklar bir dalga gibi davranabilir - dalga-parçacık ikiliğine sahiptirler. Dirac'ın teorisi, bir elektronun ne zaman dalga gibi davrandığını ve ne zaman parçacık gibi davrandığını belirlemeyi mümkün kıldı. Elektronla aynı özelliklere sahip, ancak pozitif yüklü bir temel parçacık olması gerektiği sonucuna vardı. Böyle bir parçacık daha sonra 1932'de keşfedildi ve pozitron olarak adlandırıldı. Amerikalı fizikçi Andersen, kozmik ışınların bir fotoğrafında elektrona benzer, ancak pozitif yüklü bir parçacığın izini keşfetti.

Bir elektron ve bir pozitronun birbiriyle etkileşime girerek (yok olma reaksiyonu) bir çift foton, ᴛ.ᴇ oluşturduğu teorisini takip etti. elektromanyetik radyasyon miktarı. Çekirdekle etkileşime giren bir foton bir elektron-pozitron çiftine dönüştüğünde, tersi işlem de mümkündür. Her parçacık, genliğinin karesi parçacığı belirli bir hacimde bulma olasılığına eşit olan bir dalga fonksiyonu ile ilişkilidir.

1950'lerde antiproton ve antinötronun varlığı kanıtlandı.

30 yıl önce bile, nötronların ve protonların temel parçacıklar olduğuna inanılıyordu, ancak yüksek hızlarda hareket eden protonlar ve elektronların etkileşimi üzerine yapılan deneyler, protonların daha da küçük parçacıklardan oluştuğunu gösterdi. Bu parçacıklar ilk olarak Gell Mann tarafından incelendi ve onlara kuarklar adı verildi. Çeşitli kuark çeşitleri bilinmektedir. 6 çeşnin olduğu varsayılır: U - kuark (yukarı), d-kuark (aşağı), garip kuark (tuhaf), çekici kuark (tılsım), b - kuark (güzellik), t-kuark (gerçek) ..

Her lezzet kuarkı üç renkten birine sahiptir: kırmızı, yeşil, mavi. Bu sadece bir atama, çünkü Kuarklar, görünür ışığın dalga boyundan çok daha küçüktür ve bu nedenle renkleri yoktur.

Temel parçacıkların bazı özelliklerini ele alalım. Kuantum mekaniğinde, her parçacığa, uzaydaki hareketi veya dönüşü ile ilişkili olmayan, kendine ait özel bir mekanik moment atanır. Bu kendi mekanik momenti denir. geri. Yani, bir elektronu 360 o döndürürseniz, orijinal durumuna geri dönmesini beklersiniz. Bu durumda başlangıç ​​durumuna yalnızca bir kez daha 360° döndürme ile ulaşılacaktır. Yani elektronu orijinal durumuna döndürmek için 720 o döndürülmelidir, dönüşe kıyasla dünyayı sadece yarısı olarak algılarız. Örneğin, çift telli bir döngüde, boncuk 720 derece döndürüldüğünde orijinal konumuna geri dönecektir. Bu tür parçacıkların spini ½ tamsayıdır. Spin bize parçacığın farklı açılardan bakıldığında nasıl göründüğünü söyler. Örneğin, "0" spinli bir parçacık bir nokta gibi görünür: her yönden aynı görünür. "1" spinli bir parçacık bir oka benzetilebilir: farklı yönlerden farklı görünür ve 360° döndürüldüğünde eski haline döner. "2" spinli bir parçacık, her iki tarafı keskinleştirilmiş bir okla karşılaştırılabilir: konumlarından herhangi biri yarım dönüşten (180 o) tekrarlanır. Daha yüksek spinli parçacıklar, tam bir dönüşün daha da küçük bir kısmı kadar döndürüldüklerinde orijinal hallerine geri dönerler.

Spini yarı tamsayı olan parçacıklara fermiyonlar, spini tamsayı olan parçacıklara bozonlar denir. Yakın zamana kadar, bozonların ve fermiyonların ayırt edilemeyen tek olası parçacık türü olduğuna inanılıyordu. Aslında, bir dizi ara olasılık vardır ve fermiyonlar ve bozonlar sadece iki sınırlayıcı durumdur. Böyle bir parçacık sınıfına anyonlar denir.

Maddenin parçacıkları, 1923'te Avusturyalı fizikçi Wolfgang Pauli tarafından keşfedilen Pauli dışlama ilkesine uyar. Pauli ilkesi, spinleri yarı tamsayı olan iki özdeş parçacıktan oluşan bir sistemde, birden fazla parçacığın aynı kuantum durumunda olamayacağını belirtir. Tamsayı spinli parçacıklar için herhangi bir kısıtlama yoktur. Bu, iki özdeş parçacığın, belirsizlik ilkesi tarafından belirlenen doğrulukla aynı koordinatlara ve hızlara sahip olamayacağı anlamına gelir. Madde parçacıkları çok yakın koordinatlara sahipse hızları farklı olmalıdır ve bu nedenle bu koordinatlara sahip noktalarda uzun süre kalamazlar.

Kuantum mekaniğinde, parçacıklar arasındaki tüm kuvvetlerin ve etkileşimlerin 0.1.2 tamsayı spinli parçacıklar tarafından taşındığı varsayılır. Bu şu şekilde gerçekleşir: örneğin, bir madde parçacığı, etkileşimin taşıyıcısı olan bir parçacık (örneğin bir foton) yayar. Geri tepmenin bir sonucu olarak parçacığın hızı değişir. Daha sonra taşıyıcı parçacık, maddenin başka bir parçacığına "çarpar" ve onun tarafından emilir. Bu çarpışma sanki maddenin bu iki parçacığı arasında bir kuvvet varmışçasına ikinci parçacığın hızını değiştirir. Madde parçacıkları arasında değiş tokuş edilen taşıyıcı parçacıklara sanal denir, çünkü gerçek parçacıklardan farklı olarak parçacık detektörü kullanılarak kaydedilemezler. Ancak ölçülebilir bir etki yarattıkları için var olurlar.

Taşıyıcı parçacıklar, taşıdıkları etkileşim miktarına ve hangi parçacıklarla etkileştiklerine ve hangi parçacıklarla etkileşime geçtiklerine göre 4 tipte sınıflandırılabilir:

1) Yer çekimi gücü. Herhangi bir parçacık, büyüklüğü parçacığın kütlesine ve enerjisine bağlı olan bir yerçekimi kuvvetinin etkisi altındadır. Bu zayıf bir kuvvettir. Yerçekimi kuvvetleri uzun mesafelerde etki eder ve her zaman çekici kuvvetlerdir. Örneğin, yerçekimi etkileşimi gezegenleri yörüngelerinde ve bizi Dünya'da tutar.

Yerçekimi alanına kuantum mekaniği yaklaşımında, maddenin parçacıkları arasında etki eden kuvvetin, genellikle graviton olarak adlandırılan, dönüşü "2" olan bir parçacık tarafından aktarıldığına inanılır. Gravitonun kendi kütlesi yoktur ve bununla bağlantılı olarak aktardığı kuvvet uzun menzillidir. Güneş ve Dünya arasındaki yerçekimi etkileşimi, Güneş ve Dünya'yı oluşturan parçacıkların graviton alışverişi yapmasıyla açıklanır. Bu sanal parçacıkların değiş tokuşunun etkisi ölçülebilir, çünkü bu etki Dünya'nın Güneş etrafında dönmesidir.

2) Bir sonraki etkileşim türü yaratılır elektromanyetik kuvvetler elektrik yüklü parçacıklar arasında hareket eden Elektromanyetik kuvvet, yerçekimi kuvvetinden çok daha güçlüdür: iki elektron arasında hareket eden elektromanyetik kuvvet, yerçekimi kuvvetinden yaklaşık 1040 kat daha fazladır. Elektromanyetik etkileşim, kararlı atomların ve moleküllerin varlığını belirler (elektronlar ve protonlar arasındaki etkileşim). Elektromanyetik etkileşimin taşıyıcısı bir fotondur.

3) Zayıf etkileşim. Radyoaktiviteden sorumludur ve ½ spinli tüm madde parçacıkları arasında bulunur. Zayıf etkileşim, Dünya'daki tüm biyolojik süreçlerin akışı için enerji sağlayan Güneşimizin uzun ve eşit yanmasını sağlar. Zayıf etkileşimin taşıyıcıları üç parçacıktır - W ± ve Z 0 - bozonlar. Οʜᴎ yalnızca 1983ᴦ'de keşfedildi. Zayıf etkileşimin yarıçapı son derece küçüktür, bununla bağlantılı olarak taşıyıcılarının büyük kütleleri olmalıdır. Belirsizlik ilkesine göre, bu kadar büyük bir kütleye sahip parçacıkların ömrü son derece kısa olmalıdır - 10-26 s.

4) Güçlü etkileşim bir etkileşimdir, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ kuarkları proton ve nötronların içinde, protonları ve nötronları atom çekirdeğinin içinde tutar. Güçlü etkileşimin taşıyıcısının, genellikle bir gluon olarak adlandırılan, "1" dönüşüne sahip bir parçacık olduğu düşünülür. Gluonlar sadece kuarklarla ve diğer gluonlarla etkileşime girer. Kuarklar, gluonlar sayesinde çiftler veya üçlüler halinde bağlanır. Yüksek enerjilerdeki güçlü kuvvet zayıflar ve kuarklar ve gluonlar serbest parçacıklar gibi davranmaya başlar. Bu özelliğe asimptotik özgürlük denir. Güçlü hızlandırıcılar üzerinde yapılan deneyler sonucunda, yüksek enerjili protonların ve antiprotonların çarpışması sonucu ortaya çıkan serbest kuarkların izlerinin (izlerinin) fotoğrafları elde edildi. Güçlü etkileşim, atom çekirdeğinin göreceli kararlılığını ve varlığını sağlar. Güçlü ve zayıf etkileşimler, parçacıkların karşılıklı dönüşümlerine yol açan mikro kozmosun süreçlerinin karakteristiğidir.

Güçlü ve zayıf etkileşimler, radyoaktivite çalışması ve çeşitli elementlerin atomlarının a-parçacıkları tarafından bombardıman edilmesinin sonuçlarının anlaşılmasıyla bağlantılı olarak, 20. yüzyılın yalnızca ilk üçte birinde insan tarafından biliniyordu. alfa parçacıkları hem protonları hem de nötronları yok eder. Akıl yürütmenin amacı, fizikçileri, protonların ve nötronların atomların çekirdeğinde birbirlerine sıkı sıkıya bağlı olarak oturduklarına inanmaya yöneltti. Güçlü etkileşimler var. Öte yandan, radyoaktif maddeler α-, β- ve γ-ışınları yayar. 1934'te Fermi, deneysel veriler için yeterince yeterli olan ilk teoriyi yarattığında, atomların çekirdeğinde, zayıf olarak adlandırılmaya başlanan ihmal edilebilir etkileşim yoğunluklarının varlığını varsaymak zorunda kaldı.

Elektromanyetik, zayıf ve güçlü kuvvetleri birleştirerek sözde kuvvetleri oluşturmak için çaba gösteriliyor. BÜYÜK BİRLEŞİK TEORİ. Bu teori varlığımıza ışık tutuyor. Varlığımızın proton oluşumunun bir sonucu olması mümkündür. Evrenin başlangıcına dair böyle bir resim en doğal olanı gibi görünüyor. Karasal madde esas olarak protonlardan oluşur, ancak içinde ne antiprotonlar ne de antinötronlar vardır. Kozmik ışınlarla yapılan deneyler, aynı şeyin Galaksimizdeki tüm maddeler için geçerli olduğunu göstermiştir.

Güçlü, zayıf, elektromanyetik ve yerçekimi etkileşimlerinin özellikleri tabloda verilmiştir.

Tabloda belirtilen her etkileşimin yoğunluk sırası, 1 olarak alınan güçlü etkileşimin yoğunluğuna göre belirlenir.

Şu anda en iyi bilinen temel parçacıkların bir sınıflandırmasını verelim.

FOTON. Kalan kütle ve elektrik yükü 0'a eşittir. Foton bir tamsayı spinine sahiptir ve bir bozondur.

LEPTONLAR. Bu parçacık sınıfı, güçlü etkileşime katılmaz, ancak elektromanyetik, zayıf ve yerçekimi etkileşimlerine sahiptir. Leptonlar yarı tamsayı spinlidir ve fermiyonlardır. Bu gruba dahil olan temel parçacıklara lepton yükü adı verilen belirli bir özellik atanır. Lepton yükü, elektrik yükünden farklı olarak herhangi bir etkileşim kaynağı değildir, rolü henüz tam olarak aydınlatılamamıştır. Leptonlar için lepton yükünün değeri L=1, antileptonlar için L= -1, diğer tüm temel parçacıklar için L=0'dır.

MESONLAR. Bunlar, güçlü bir etkileşim ile karakterize edilen kararsız parçacıklardır. "Mesons" adı "ara" anlamına gelir ve başlangıçta keşfedilen mezonların kütlesinin bir elektronunkinden daha büyük, ancak bir protonunkinden daha küçük olmasından kaynaklanır. Bugün kütleleri protonların kütlesinden daha büyük olan mezonlar bilinmektedir. Tüm mezonların tamsayı dönüşü vardır ve bu nedenle bozonlardır.

BARYONLAR. Bu sınıf, yarım tamsayı spinli (fermiyonlar) ve bir protonunkinden daha az olmayan bir kütleye sahip bir grup ağır temel parçacık içerir. Tek kararlı baryon protondur, nötron sadece çekirdeğin içinde kararlıdır. Baryonlar 4 tip etkileşim ile karakterize edilir. Herhangi bir nükleer reaksiyon ve etkileşimde, toplam sayıları değişmeden kalır.

KUANTUM MEKANİĞİNİN TEMEL İLKELERİ. - kavram ve türleri. "KUANTUM MEKANİĞİNİN TEMEL İLKELERİ" kategorisinin sınıflandırılması ve özellikleri. 2017, 2018.

"Kuantum" kelimesi Latince'den gelmektedir. kuantum(“ne kadar, ne kadar”) ve İngilizce kuantum("miktar, kısım, kuantum"). "Mekanik" uzun zamandır maddenin hareketinin bilimi olarak anılıyor. Buna göre, "kuantum mekaniği" terimi, maddenin kısımlar halinde hareket bilimi (veya modern bilim dilinde hareket bilimi) anlamına gelir. nicelenmiş konu). "Kuantum" terimi, Alman fizikçi Max Planck tarafından tanıtıldı ( santimetre. Planck sabiti), ışığın atomlarla etkileşimini açıklamak için.

Kuantum mekaniği genellikle sağduyu kavramlarımızla çelişir. Ve bunların hepsi, sağduyunun bize günlük deneyimlerden alınan şeyleri söylemesi ve günlük deneyimimizde yalnızca büyük nesnelerle ve makro kozmosun fenomenleriyle uğraşmamız nedeniyle ve atomik ve atom altı düzeyde, maddi parçacıklar oldukça farklı davranır. Heisenberg Belirsizlik İlkesi tam da bu farklılıkların anlamıdır. Makro kozmosta, herhangi bir nesnenin (örneğin bu kitap) konumunu (uzaysal koordinatları) güvenilir ve açık bir şekilde belirleyebiliriz. Cetvel, radar, sonar, fotometri veya başka bir ölçüm yöntemi kullanmamız farketmez, ölçüm sonuçları objektif ve kitabın konumundan bağımsız olacaktır (tabii ölçüm sürecinde dikkatli olmanız şartıyla). Yani, bir miktar belirsizlik ve yanlışlık mümkündür - ancak yalnızca ölçüm cihazlarının sınırlı yetenekleri ve gözlem hataları nedeniyle. Daha doğru ve güvenilir sonuçlar elde etmek için daha doğru bir ölçüm cihazı alıp hatasız kullanmaya çalışmamız yeterli.

Şimdi, bir kitabın koordinatları yerine elektron gibi bir mikro parçacığın koordinatlarını ölçmemiz gerekiyorsa, o zaman ölçüm cihazı ile ölçüm nesnesi arasındaki etkileşimleri artık ihmal edemeyiz. Bir cetvelin veya başka bir ölçüm cihazının kitap üzerindeki etkisinin kuvveti önemsizdir ve ölçüm sonuçlarını etkilemez, ancak bir elektronun uzamsal koordinatlarını ölçmek için, bir foton, başka bir elektron veya ölçülen elektronla karşılaştırılabilir enerjilerin başka bir temel parçacığını kendi yönünde fırlatmamız ve sapmasını ölçmemiz gerekir. Ancak aynı zamanda ölçüm nesnesi olan elektronun kendisi de bu parçacıkla etkileşimi sonucunda uzaydaki konumunu değiştirecektir. Bu nedenle, ölçüm eyleminin kendisi, ölçülen nesnenin konumunda bir değişikliğe yol açar ve ölçümün yanlışlığı, kullanılan ölçüm cihazının doğruluk derecesinden değil, ölçümün kendisinden kaynaklanır. Mikro dünyada katlanmak zorunda olduğumuz durum budur. Etkileşim olmadan ölçüm mümkün değildir ve ölçülen nesne üzerinde etki olmadan etkileşim ve sonuç olarak ölçüm sonuçlarında bozulma olmaz.

Bu etkileşimin sonuçları hakkında söylenebilecek tek bir şey var:

uzamsal koordinat belirsizliği × parçacık hızı belirsizliği > H/M,

veya matematiksel terimlerle:

Δ X × Δ v > H/M

nerede ∆ X ve Δ v - sırasıyla parçacığın uzamsal konumunun ve hızının belirsizliği, H- Planck sabiti ve M - parçacık kütlesi.

Buna göre, yalnızca bir elektronun değil, aynı zamanda herhangi bir atom altı parçacığın uzamsal koordinatlarını ve yalnızca koordinatları değil, aynı zamanda hız gibi parçacıkların diğer özelliklerini de belirlerken belirsizlik ortaya çıkar. Karşılıklı olarak ilişkili parçacık özelliklerinin bu tür herhangi bir çiftinin ölçüm hatası benzer şekilde belirlenir (başka bir çiftin örneği, bir elektronun yaydığı enerji ve yayıldığı sürenin uzunluğudur). Yani, örneğin, bir elektronun uzamsal konumunu yüksek doğrulukla ölçmeyi başardıysak, o zaman biz zamanda aynı anda hızı hakkında sadece en belirsiz fikrimiz var ve bunun tersi de geçerli. Doğal olarak, gerçek ölçümlerle bu iki uç noktaya ulaşmaz ve durum her zaman ortada bir yerdedir. Yani, örneğin bir elektronun konumunu 10 -6 m doğrulukla ölçmeyi başardıysak, o zaman aynı anda hızını en iyi ihtimalle 650 m/s doğrulukla ölçebiliriz.

Belirsizlik ilkesi nedeniyle, kuantum mikro dünyasının nesnelerinin tanımı, Newtoncu makrokozmosun nesnelerinin olağan tanımından farklı bir yapıya sahiptir. Kuantum mekaniğinde bilardo masasındaki bir topun mekanik hareketini tanımlamak için kullandığımız uzamsal koordinatlar ve hız yerine, nesneler sözde tarafından tanımlanır. dalga fonksiyonu."Dalganın" tepesi, ölçüm anında uzayda bir parçacık bulmanın maksimum olasılığına karşılık gelir. Böyle bir dalganın hareketi, bize bir kuantum sisteminin durumunun zaman içinde nasıl değiştiğini anlatan Schrödinger denklemi ile tanımlanır.

Schrödinger denklemi tarafından çizilen mikro kozmostaki kuantum olaylarının resmi öyledir ki, parçacıklar okyanus uzayının yüzeyinde yayılan bireysel gelgit dalgalarına benzetilir. Zamanla, dalga tepesi (elektron gibi bir parçacığı uzayda bulma olasılığının zirvesine karşılık gelir), bu diferansiyel denklemin çözümü olan dalga fonksiyonuna göre uzayda hareket eder. Buna göre, kuantum düzeyinde bize geleneksel olarak bir parçacık olarak temsil edilen şey, dalgaların doğasında var olan bir takım özellikler sergiler.

Mikro dünya nesnelerinin dalga ve parçacık özelliklerinin koordinasyonu ( santimetre. De Broglie ilişkisi), fizikçilerin kuantum dünyasının nesnelerini parçacıklar veya dalgalar olarak değil, ara bir şey olarak ve hem dalga hem de parçacık özelliklerine sahip olarak kabul etmelerinden sonra mümkün oldu; Newton mekaniğinde bu tür nesnelerin analogları yoktur. Böyle bir çözümle bile, kuantum mekaniğinde hala yeterince paradoks olmasına rağmen ( santimetre. Bell'in teoremi), henüz hiç kimse mikro dünyada meydana gelen süreçleri açıklamak için en iyi modeli önermedi.

Kuantum mekaniği

Kuantum mekaniği nedir?

Kuantum alan teorisi de dahil olmak üzere kuantum mekaniği (QM; kuantum fiziği veya kuantum teorisi olarak da bilinir), küçük mesafelerde ve atomların ve atom altı parçacıkların düşük enerjilerinde doğa yasalarını inceleyen bir fizik dalıdır. Klasik fizik - kuantum mekaniğinden önce var olan fizik, yalnızca büyük (makroskobik) ölçeklerde geçerli olan sınırlayıcı geçişi olarak kuantum mekaniğini takip eder. Kuantum mekaniği, enerji, momentum ve diğer niceliklerin genellikle ayrık değerlerle sınırlı olması (kuantizasyon), nesnelerin hem parçacıkların hem de dalgaların özelliklerine sahip olması (dalga-parçacık ikiliği) ve miktarların belirlenebileceği kesinlik sınırları olması (belirsizlik ilkesi) bakımından klasik fizikten farklıdır.

Kuantum mekaniği, Max Planck'ın 1900'de kara cisim radyasyonu sorununa getirdiği çözümden (1859'da yayınlandı) ve Albert Einstein'ın fotoelektrik etkiyi açıklamak için bir kuantum teorisi öneren 1905 çalışmasından (1887'de yayınlandı) takip eder. Erken kuantum teorisi, 1920'lerin ortalarında derinlemesine yeniden düşünüldü.

Yeniden düşünülmüş teori, özel olarak geliştirilmiş matematiksel biçimciliklerin dilinde formüle edilmiştir. Bunlardan birinde matematiksel bir fonksiyon (dalga fonksiyonu), parçacığın konumunun olasılık genliği, momentumu ve diğer fiziksel özellikleri hakkında bilgi sağlar.

Kuantum teorisinin önemli uygulama alanları şunlardır: kuantum kimyası, süper iletken mıknatıslar, ışık yayan diyotların yanı sıra mikroişlemci gibi lazer, transistör ve yarı iletken cihazlar, manyetik rezonans görüntüleme ve elektron mikroskobu gibi tıbbi ve araştırma görüntüleme ve birçok biyolojik ve fiziksel fenomenin açıklamaları.

Kuantum mekaniğinin tarihi

Işığın dalga doğasına ilişkin bilimsel çalışma, 17. ve 18. yüzyıllarda bilim adamları Robert Hoek, Christian Huygens ve Leonhard Euler'in deneysel gözlemlere dayalı bir ışık dalga teorisi önermesiyle başladı. 1803'te İngiliz general Thomas Young, daha sonra The Nature of Light and Colors adlı bir makalesinde tanımlayacağı ünlü çift yarık deneyini gerçekleştirdi. Bu deney, ışığın dalga teorisinin genel kabul görmesinde önemli bir rol oynadı.

1838'de Michael Faraday katot ışınlarını keşfetti. Bu çalışmaları, 1859'da Gustav Kirchhoff'un kara cisim radyasyon problemini formüle etmesi, 1877'de Ludwig Boltzmann'ın fiziksel bir sistemin enerji durumlarının ayrık olabileceği önerisi ve 1900'de Max Planck'ın kuantum hipotezi takip etti. Planck'ın enerjinin ayrı "kuantum" (veya enerji paketleri) halinde yayıldığı ve emildiği hipotezi, tam olarak gözlemlenebilir kara cisim radyasyonu modellerine karşılık gelir.

1896'da Wilhelm Wien ampirik olarak kara cisim radyasyon dağılım yasasını (Wien yasası) belirledi. Ludwig Boltzmann bağımsız olarak Maxwell denklemlerini analiz ederek bu sonuca ulaştı. Ancak yasa yalnızca yüksek frekanslarda çalıştı ve düşük frekanslardaki radyasyonu hafife aldı. Planck daha sonra bu modeli Boltzmann'ın termodinamiğinin istatistiksel bir yorumuyla düzeltti ve şimdi Planck yasası olarak adlandırılan ve kuantum mekaniğinin gelişmesine yol açan şeyi önerdi.

Max Planck'ın 1900'de kara cisim ışıması sorununa getirdiği çözümden sonra (1859'da yayınlandı), Albert Einstein fotoelektrik etkiyi açıklamak için bir kuantum teorisi önerdi (1905, 1887'de yayınlandı). 1900-1910 yıllarında, atom teorisi ve ışığın parçacık teorisi ilk kez bilimsel gerçek olarak kabul edildi. Buna göre, bu son teoriler, madde ve elektromanyetik radyasyonun kuantum teorileri olarak kabul edilebilir.

Doğadaki kuantum olaylarını ilk inceleyenler arasında, bazı kuantum etkilerinin her birinin adını taşıyan Arthur Compton, C. V. Raman ve Peter Zeeman vardı. Robert Andrews Millikan, fotoelektrik etkiyi deneysel olarak araştırdı ve Albert Einstein bunun için bir teori geliştirdi. Aynı zamanda, Ernest Rutherford deneysel olarak atomun nükleer modelini keşfetti; buna göre Niels Bohr, daha sonra Henry Moseley'in deneyleriyle doğrulanan atomun yapısı teorisini geliştirdi. 1913'te Peter Debye, yine Arnold Sommerfeld tarafından önerilen bir kavram olan eliptik yörüngeleri tanıtarak Niels Bohr'un atomun yapısı teorisini genişletti. Fiziğin gelişimindeki bu aşama, eski kuantum teorisi olarak bilinir.

Planck'a göre, bir radyasyon kuantumunun enerjisi (E), radyasyon frekansı (v) ile orantılıdır:

burada h, Planck sabitidir.

Planck ihtiyatlı bir şekilde bunun radyasyonun absorpsiyon ve emisyon süreçlerinin matematiksel bir ifadesi olduğu ve radyasyonun kendisinin fiziksel gerçekliği ile hiçbir ilgisi olmadığı konusunda ısrar etti. Aslında, kuantum hipotezini büyük bir temel keşiften ziyade doğru cevaba ulaşmak için matematiksel bir numara olarak görüyordu. Bununla birlikte, 1905'te Albert Einstein, Planck'ın kuantum hipotezine fiziksel bir yorum getirdi ve bunu, belirli maddelerin ışıkla aydınlatılmasının, maddeden elektronların yayılmasına neden olabileceği fotoelektrik etkiyi açıklamak için kullandı. Einstein, bu çalışması için 1921 Nobel Fizik Ödülü'nü aldı.

Einstein daha sonra bu fikri, ışığın ne olduğu olan bir elektromanyetik dalganın, dalganın frekansına bağlı olan ayrı bir kuantum enerjiye sahip bir parçacık (daha sonra foton olarak adlandırılacak) olarak da tanımlanabileceğini göstermek için geliştirdi.

20. yüzyılın ilk yarısında Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Louis de Broglie, Arthur Compton, Albert Einstein, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Enrico Fermi, Wolfgang Pauli, Max von Laue, Freeman Dyson, David Hilbert, Wilhelm Wien, Schatien Ranatom Bose, Arnold Sommerfeld ve diğerleri kuantum mekaniğinin temellerini attı. Niels Bohr'un Kopenhag yorumu evrensel beğeni topladı.

1920'lerin ortalarında, kuantum mekaniğinin gelişimi, onun atomik fiziğin standart formülasyonu haline gelmesine yol açtı. 1925 yazında Bohr ve Heisenberg eski kuantum teorisini kapatan sonuçları yayınladılar. Belirli süreçlerdeki ve ölçümlerdeki parçacık benzeri davranışlarına saygı duymadan, ışık kuantumları fotonlar olarak adlandırılmaya başlandı (1926). Einstein'ın basit bir varsayımından, bir tartışma, teorik yapı ve deney telaşı doğdu. Bu şekilde, kuantum fiziğinin tüm alanları ortaya çıktı ve 1927'deki Beşinci Solvay Kongresi'nde yaygın olarak tanınmasına yol açtı.

Atom altı parçacıkların ve elektromanyetik dalgaların ne sadece parçacıklar ne de dalgalar olduğu, her birinin belirli özelliklere sahip olduğu bulundu. Dalga-parçacık ikiliği kavramı böyle ortaya çıktı.

1930'a gelindiğinde kuantum mekaniği, ölçümü, gerçeklik bilgimizin istatistiksel doğasını ve "gözlemci" üzerine felsefi yansımaları vurgulayan David Hilbert, Paul Dirac ve John von Neumann'ın çalışmalarında daha da birleştirildi ve formüle edildi. Daha sonra kuantum kimyası, kuantum elektroniği, kuantum optiği ve kuantum bilgi bilimi dahil olmak üzere birçok disipline nüfuz etti. Teorik çağdaş gelişmeleri arasında sicim teorisi ve kuantum yerçekimi teorileri yer alıyor. Aynı zamanda, modern periyodik element tablosunun birçok özelliğinin tatmin edici bir açıklamasını sağlar ve atomların kimyasal reaksiyonlardaki davranışını ve bilgisayar yarı iletkenlerindeki elektronların hareketini tanımlar ve bu nedenle birçok modern teknolojide kritik bir rol oynar.

Kuantum mekaniği mikrokozmosu tanımlamak için inşa edilmiş olsa da, süperiletkenlik ve süperakışkanlık gibi bazı makroskopik fenomenleri açıklamak da gereklidir.

Kuantum kelimesi ne anlama gelir?

Kuantum kelimesi, "ne kadar" veya "ne kadar" anlamına gelen Latince "kuantum" kelimesinden gelir. Kuantum mekaniğinde kuantum, durağan bir atomun enerjisi gibi belirli fiziksel niceliklere bağlı ayrı bir birim anlamına gelir. Parçacıkların dalga benzeri özelliklere sahip ayrık enerji paketleri olduğunun keşfi, şimdi kuantum mekaniği olarak adlandırılan atomik ve atom altı sistemlerle ilgilenen bir fizik dalının yaratılmasına yol açtı. Yoğun madde fiziği, katı hal fiziği, atom fiziği, moleküler fizik, hesaplamalı fizik, hesaplamalı kimya, kuantum kimyası, parçacık fiziği, nükleer kimya ve nükleer fizik dahil olmak üzere fizik ve kimyanın birçok alanı için matematiksel temel oluşturur. Teorinin bazı temel yönleri hala aktif olarak incelenmektedir.

kuantum mekaniğinin önemi

Kuantum mekaniği, sistemlerin atomik ve daha küçük mesafe ölçeklerindeki davranışını anlamak için gereklidir. Atomun fiziksel doğası yalnızca klasik mekanik tarafından tanımlanmış olsaydı, yörüngedeki elektronların radyasyon yayması (dairesel hareket nedeniyle) ve sonunda enerji kaybı nedeniyle çekirdekle çarpışması gerektiğinden, elektronların çekirdeğin etrafında dönmesi gerekmezdi. Böyle bir sistem atomların kararlılığını açıklayamazdı. Bunun yerine, elektronlar, klasik mekanik ve elektromanyetizmanın geleneksel kavramlarının aksine, çekirdeğin etrafındaki belirsiz, deterministik olmayan, lekeli, olasılıksal dalga-parçacık yörüngelerindedir.

Kuantum mekaniği başlangıçta atomu, özellikle aynı kimyasal elementin farklı izotopları tarafından yayılan ışık spektrumundaki farklılıkları daha iyi açıklamak ve tanımlamak ve atom altı parçacıkları tanımlamak için geliştirildi. Kısacası, atomun kuantum mekaniği modeli, klasik mekaniğin ve elektromanyetizmanın başarısız olduğu bir alanda oldukça başarılı olmuştur.

Kuantum mekaniği, klasik fiziğin açıklayamadığı dört fenomen sınıfını içerir:

• bireysel fiziksel özelliklerin kuantizasyonu
• kuantum dolaşıklığı
• belirsizlik ilkesi
• dalga-parçacık ikiliği

Kuantum mekaniğinin matematiksel temelleri

Paul Dirac, David Hilbert, John von Neumann ve Hermann Weyl tarafından geliştirilen kuantum mekaniğinin matematiksel olarak titiz formülasyonunda, bir kuantum mekanik sisteminin olası durumları birim vektörlerle (durum vektörleri olarak adlandırılır) sembolize edilir. Resmi olarak, karmaşık ayrılabilir Hilbert uzayına aittirler - aksi halde, durum uzayı veya sistemin ilişkili Hilbert uzayı ve bir birim modül (faz faktörü) ile karmaşık bir sayı ile bir çarpıma kadar tanımlanırlar. Başka bir deyişle, olası durumlar, genellikle karmaşık yansıtmalı uzay olarak adlandırılan bir Hilbert uzayının yansıtmalı uzayındaki noktalardır. Bu Hilbert uzayının tam doğası sisteme bağlıdır - örneğin, konum ve momentumun durum uzayı kare-integrallenebilir fonksiyonların uzayıdır, halbuki tek bir protonun spininin durum uzayı iki karmaşık düzlemin doğrudan çarpımıdır. Her fiziksel nicelik, durum uzayı üzerinde hareket eden hipermaksimum Hermitian (daha kesin olarak: kendine eş) bir lineer operatör tarafından temsil edilir. Bir fiziksel niceliğin her bir özdurumu, operatörün bir özvektörüne karşılık gelir ve ilişkili özdeğer, o özdurumdaki fiziksel niceliğin değerine karşılık gelir. Operatörün spektrumu ayrık ise, fiziksel nicelik yalnızca ayrık özdeğerler alabilir.

Kuantum mekaniğinin biçimciliğinde, bir sistemin belirli bir andaki durumu, karmaşık bir vektör uzayında durum vektörü olarak da adlandırılan karmaşık bir dalga fonksiyonu ile tanımlanır. Bu soyut matematiksel nesne, belirli deneylerin sonuçlarının olasılıklarını hesaplamanıza izin verir. Örneğin, belirli bir zamanda çekirdeğin etrafındaki belirli bir alanda bir elektron bulma olasılığını hesaplamanızı sağlar. Klasik mekanikten farklı olarak, burada konum ve momentum gibi eşlenik değişkenler için keyfi doğrulukla eş zamanlı tahminler asla yapılamaz. Örneğin, elektronların (bazı olasılıklarla) uzayın belirli bir bölgesinde bir yerde olduğu düşünülebilir, ancak tam konumları bilinmemektedir. Bir elektronun bulunma olasılığının en yüksek olduğu yeri temsil etmek için, bir atomun çekirdeğinin etrafına genellikle "bulutlar" adı verilen sabit olasılıklı alanlar çizebilirsiniz. Heisenberg belirsizlik ilkesi, bir parçacığın konumla eşlenik olan belirli bir momentumla doğru bir şekilde lokalize edilememesinin miktarını belirler.

Bir yoruma göre, ölçümün bir sonucu olarak, sistemin durumunun olasılığı hakkında bilgi içeren dalga fonksiyonu, belirli bir başlangıç ​​durumundan belirli bir özduruma bozunur. Muhtemel ölçüm sonuçları, fiziksel miktarı temsil eden operatörün özdeğerleridir - bu, özdeğerlerinin tümü gerçek sayılar olan Hermitian operatörünün seçimini açıklar. Belirli bir durumdaki bir fiziksel niceliğin olasılık dağılımı, karşılık gelen operatörün spektral genişlemesi hesaplanarak bulunabilir. Heisenberg belirsizlik ilkesi, belirli niceliklere karşılık gelen operatörlerin gidip gelmediği bir formülle temsil edilir.

Kuantum mekaniğinde ölçüm

Kuantum mekaniğinin olasılıksal doğası bu nedenle ölçüm eyleminden kaynaklanır. Bu, kuantum sistemlerinin anlaşılması en zor yönlerinden biridir ve Bohr'un Einstein'la yaptığı ve her iki bilim adamının da bu temel ilkeleri düşünce deneyleri yoluyla açıklamaya çalıştıkları ünlü tartışmasının ana temasıydı. Kuantum mekaniğinin formüle edilmesinden sonraki onlarca yıl boyunca, neyin bir "ölçüm" oluşturduğu sorusu geniş çapta incelenmiştir. Kuantum mekaniğinin yeni yorumları, "dalga fonksiyonunun çökmesi" kavramını ortadan kaldırmak için formüle edildi. Temel fikir, bir kuantum sistemi bir ölçüm aparatı ile etkileşime girdiğinde, ilgili dalga fonksiyonlarının dolaşık hale gelmesi ve böylece orijinal kuantum sisteminin bağımsız bir varlık olarak varlığının sona ermesidir.

Kuantum mekaniğinin tahminlerinin olasılıksal doğası

Kural olarak, kuantum mekaniği belirli değerler vermez. Bunun yerine, bir olasılık dağılımı kullanarak bir tahminde bulunur; yani, fiziksel bir niceliğin ölçümünden olası sonuçların elde edilme olasılığını tanımlar. Çoğu zaman bu sonuçlar, olasılık yoğunluğu bulutları gibi birçok süreç tarafından çarpıtılır. Olasılık yoğunluk bulutları, bir elektronun konumunun bir olasılık fonksiyonu, özdeğerlere karşılık gelen dalga fonksiyonları tarafından verildiği bir yaklaşımdır (ancak Bohr modelinden daha iyidir), öyle ki olasılık, karmaşık genliğin modülünün karesidir veya nükleer çekimin kuantum halidir. Doğal olarak, bu olasılıklar ölçüm "anındaki" kuantum durumuna bağlı olacaktır. Bu nedenle, ölçülen değere belirsizlik eklenir. Bununla birlikte, belirli bir fiziksel niceliğin belirli değerleri ile ilişkili bazı durumlar vardır. Bunlara fiziksel bir niceliğin özdurumları (özdurumlar) denir ("eigen", Almanca'dan "içsel" veya "uygun" olarak çevrilebilir).

Günlük yaşamdaki her şeyin (tüm fiziksel niceliklerin) kendi anlamlarının olması doğal ve sezgiseldir. Her şeyin belirli bir konumu, belirli bir anı, belirli bir enerjisi ve olayın belirli bir zamanı var gibi görünüyor. Bununla birlikte, kuantum mekaniği bir parçacığın tam konumunu ve momentumunu (eşlenik çift oldukları için) veya enerjisini ve zamanını (aynı zamanda eşlenik çift oldukları için) belirtmez; daha doğrusu, yalnızca bu parçacığın belirli bir momentuma ve momentum olasılığına sahip olabileceği olasılık aralığını sağlar. Bu nedenle, tanımsız değerlere sahip durumlar ile belirli değerlere sahip durumlar (özdurumlar) arasında ayrım yapılması önerilir. Kural olarak, parçacığın fiziksel niceliğin özdeğerinin olmadığı bir sistemle ilgilenmiyoruz. Bununla birlikte, fiziksel bir niceliği ölçerken, dalga işlevi anında o niceliğin bir özdeğerini (veya "genelleştirilmiş" özdeğerini) alır. Bu süreç, dalga fonksiyonunun çökmesi olarak adlandırılır, incelenen sistemin bir ölçüm cihazı eklenerek genişletildiği tartışmalı ve çok tartışılan bir süreçtir. Karşılık gelen dalga fonksiyonu ölçümden hemen önce biliniyorsa, dalga fonksiyonunun olası özdurumların her birine girme olasılığı hesaplanabilir. Örneğin, önceki örnekteki serbest parçacık tipik olarak, x0 ortalama konumu etrafında merkezlenmiş (konum ve momentum özdurumları olmayan) bir dalga paketi olan bir dalga fonksiyonuna sahiptir. Bir parçacığın konumu ölçüldüğünde, sonucu kesin olarak tahmin etmek imkansızdır. Dalga fonksiyonunun genliğinin büyük olduğu x0'a yakın olması oldukça olasıdır, ancak kesin değildir. Ölçümü gerçekleştirdikten sonra, bir x sonucu elde ettikten sonra, dalga fonksiyonu, x merkezli konum operatörünün bir özfonksiyonuna çöker.

Kuantum mekaniğinde Schrödinger denklemi

Bir kuantum durumunun zamansal evrimi, Hamiltonian'ın (sistemin toplam enerjisine karşılık gelen operatör) zamansal evrimi ürettiği Schrödinger denklemi ile tanımlanır. Dalga fonksiyonlarının zamansal evrimi, dalga fonksiyonunun ilk anda ne olduğu göz önüne alındığında, dalga fonksiyonunun gelecekte herhangi bir zamanda ne olacağına dair net bir tahminde bulunulabilmesi anlamında deterministiktir.

Öte yandan, ölçüm sırasında, orijinal dalga fonksiyonundan başka bir dalga fonksiyonuna geçiş, daha sonraki dalga fonksiyonu deterministik olmayacak, tahmin edilemez (yani, rastgele) olacaktır. Zaman evriminin bir öykünmesi burada görülebilir.

Dalga fonksiyonları zamanla değişir. Schrödinger denklemi, dalga fonksiyonlarının zamanla değişimini açıklar ve klasik mekanikte Newton'un ikinci yasasının rolüne benzer bir rol oynar. Yukarıdaki serbest parçacık örneğine uygulanan Schrödinger denklemi, dalga paketinin merkezinin uzayda sabit bir hızla hareket edeceğini öngörür (üzerine etki eden kuvvetlerin yokluğunda klasik bir parçacık gibi). Bununla birlikte, dalga paketi de zamanla yayılacaktır, bu da konumun zamanla daha belirsiz hale geldiği anlamına gelir. Bu aynı zamanda konum özfonksiyonunu (sonsuz keskin bir dalga paketi tepe noktası olarak düşünülebilir), artık (belirli) bir konum özdeğerini temsil etmeyen genişletilmiş bir dalga paketine dönüştürme etkisine de sahiptir.

Bazı dalga fonksiyonları, sabit veya zamandan bağımsız olasılık dağılımlarına yol açar - örneğin, sabit enerjili durağan bir durumdayken, dalga fonksiyonunun kare modülünden zaman kaybolur. Klasik mekanikte dinamik kabul edilen birçok sistem, kuantum mekaniğinde bu tür "statik" dalga fonksiyonlarıyla tanımlanır. Örneğin, uyarılmamış bir atomdaki tek bir elektron, klasik olarak atom çekirdeği etrafında dairesel bir yolda hareket eden bir parçacık olarak temsil edilirken, kuantum mekaniğinde çekirdeği çevreleyen statik, küresel olarak simetrik bir dalga fonksiyonu ile tanımlanır (Şekil 1) (ancak, yörünge açısal momentumunun yalnızca s olarak gösterilen en düşük durumlarının küresel olarak simetrik olduğuna dikkat edin).

Schrödinger denklemi, yalnızca mutlak değerine değil, tüm olasılık genliğine etki eder. Olasılık genliğinin mutlak değeri, olasılıklar hakkında bilgi içerirken fazı, kuantum durumları arasındaki karşılıklı etki hakkında bilgi içerir. Bu, kuantum durumlarının "dalga benzeri" davranışına yol açar. Görünen o ki, Schrödinger denkleminin analitik çözümleri, kuantum harmonik osilatör, kutudaki parçacık, hidrojen molekülü iyonu ve hidrojen atomu gibi çok az sayıda nispeten basit Hamiltoniyen için mümkündür - bunlar bu tür modellerin en önemli temsilcileridir. Bir hidrojen atomundan yalnızca bir elektron fazlası içeren helyum atomu bile, tamamen analitik bir çözüme yönelik hiçbir girişime yenik düşmemiştir.

Bununla birlikte, yaklaşık çözümler elde etmek için birkaç yöntem vardır. Pertürbasyon teorisi olarak bilinen önemli bir teknik, basit bir kuantum mekaniği modeli için elde edilen analitik bir sonucu alır ve zayıf bir potansiyel alanın enerjisini ekleyerek (örneğin) daha basit modelden farklı olan daha karmaşık bir model için bir sonuç üretir. Başka bir yaklaşım, kuantum mekaniğinin klasik davranıştan yalnızca zayıf (küçük) sapmalara uygulandığı sistemlere uygulanan "yarı klasik yaklaşım" yöntemidir. Bu sapmalar daha sonra klasik harekete göre hesaplanabilir. Bu yaklaşım, kuantum kaos çalışmasında özellikle önemlidir.

Kuantum mekaniğinin matematiksel olarak eşdeğer formülasyonları

Kuantum mekaniğinin matematiksel olarak eşdeğer çok sayıda formülasyonu vardır. En eski ve en çok kullanılan formülasyonlardan biri, kuantum mekaniğinin en eski iki formülasyonunu - matris mekaniği (Werner Heisenberg tarafından yaratılmıştır) ve dalga mekaniği (Erwin Schrödinger tarafından yaratılmıştır) birleştiren ve genelleştiren Paul Dirac tarafından önerilen "dönüşüm teorisidir".

Werner Heisenberg'e 1932'de kuantum mekaniğinin yaratılması için Nobel Fizik Ödülü verildiği göz önüne alındığında, Max Born'un QM'nin geliştirilmesindeki rolü, kendisine 1954'te Nobel Ödülü verilinceye kadar göz ardı edildi. Bu rol, Born'un kuantum mekaniğinin matris formülasyonundaki rolünden ve olasılık genliklerinin kullanımından bahseden 2005 biyografisinde bahsedilmektedir. 1940'ta Heisenberg, Max Planck onuruna bir anma koleksiyonunda matrisleri Born'dan öğrendiğini itiraf ediyor. Bir matris formülasyonunda, bir kuantum sisteminin anlık durumu, onun ölçülebilir özelliklerinin veya fiziksel niceliklerinin olasılıklarını belirler. Örnek nicelikler arasında enerji, konum, momentum ve yörüngesel momentum bulunur. Fiziksel büyüklükler sürekli (örneğin, bir parçacığın konumu) veya ayrık (örneğin, bir hidrojen atomuna bağlı bir elektronun enerjisi) olabilir. Feynman yol integralleri - Kuantum mekaniği genliğini başlangıç ​​ve son durumlar arasındaki olası tüm klasik ve klasik olmayan yolların toplamı olarak ele alan alternatif bir kuantum mekaniği formülasyonu. Bu, klasik mekanikteki en az eylem ilkesinin kuantum mekaniği analoğudur.

Kuantum mekaniğinin kanunları

Kuantum mekaniğinin yasaları temeldir. Sistemin durum uzayının Hilbert olduğu ve bu sistemin fiziksel niceliklerinin bu uzayda hareket eden Hermitian operatörler olduğu belirtilmişse de bunların hangi Hilbert uzayları veya hangi operatörler olduğu söylenmemiştir. Kuantum sistemini ölçmek için uygun şekilde seçilebilirler. Bu kararları vermek için önemli bir kılavuz, sistem yüksek enerjiler bölgesine veya aynı olan büyük kuantum sayıları bölgesine girdiğinde kuantum mekaniğinin tahminlerinin klasik mekaniğe indirgendiğini, yani bireysel bir parçacık belirli bir rastgelelik derecesine sahipken, milyonlarca parçacık içeren sistemlerde ortalama değerlerin hakim olduğunu ve yüksek enerji sınırı eğilimi gösterdiğinden, rastgele davranışın istatistiksel olasılığının sıfır olma eğiliminde olduğunu belirten yazışma ilkesidir. Başka bir deyişle, klasik mekanik, basitçe büyük sistemlerin kuantum mekaniğidir. Bu "yüksek enerji" limiti, klasik veya karşılık gelen limit olarak bilinir. Böylece, çözüm, belirli bir sistemin iyi kurulmuş bir klasik modeliyle bile başlayabilir ve ardından, karşılık gelme sınırına geçerken böyle bir klasik modele yol açacak olan temel kuantum modelini tahmin etmeye çalışabilir.

Kuantum mekaniği başlangıçta formüle edildiğinde, uyum sınırı göreli olmayan klasik mekanik olan modellere uygulandı. Örneğin, kuantum harmonik osilatörün iyi bilinen modeli, osilatörün kinetik enerjisi için açıkça göreli olmayan bir ifade kullanır ve bu nedenle klasik harmonik osilatörün kuantum versiyonudur.

Diğer bilimsel teorilerle etkileşim

Kuantum mekaniğini özel görelilik ile birleştirmeye yönelik ilk girişimler, Schrödinger denklemini Klein-Gordon denklemi veya Dirac denklemi gibi kovaryant denklemlerle değiştirmeyi içeriyordu. Bu teoriler birçok deneysel sonucu açıklamakta başarılı olsalar da, parçacıkların göreli yaratılışını ve yok oluşunu dikkate almamalarından kaynaklanan tatmin edici olmayan bazı niteliklere sahiptiler. Tamamen göreli bir kuantum teorisi, (sabit bir parçacık seti yerine) alanın nicelleştirilmesini kullanan bir kuantum alan teorisinin geliştirilmesini gerektiriyordu. İlk tam teşekküllü kuantum alan teorisi, kuantum elektrodinamiği, elektromanyetik etkileşimin tam bir kuantum tanımını sağlar. Elektrodinamik sistemleri tanımlamak için kuantum alan teorisinin tam aparatı genellikle gerekli değildir. Kuantum mekaniğinin başlangıcından bu yana benimsenen daha basit bir yaklaşım, yüklü parçacıkları klasik bir elektromanyetik alana maruz kalan kuantum mekanik nesneleri olarak ele almaktır. Örneğin, hidrojen atomunun temel kuantum modeli, Coulomb potansiyeli için klasik ifadeyi kullanarak hidrojen atomunun elektrik alanını tanımlar:

E2/(4πε0r)

Elektromanyetik alanın kuantum dalgalanmaları önemli bir rol oynuyorsa, örneğin yüklü parçacıklar fotonlar yaydığında, böyle bir "yarı-klasik" yaklaşım işe yaramaz.

Kuantum alan teorileri de güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler için geliştirilmiştir. Güçlü nükleer etkileşimler için kuantum alan teorisine kuantum renk dinamiği denir ve kuarklar ve gluonlar gibi çekirdek altı parçacıkların etkileşimini tanımlar. Zayıf nükleer ve elektromanyetik kuvvetler, fizikçiler Abdus Salam, Sheldon Glashow ve Steven Weinberg tarafından kuantize formlarında birleşik bir kuantum alan teorisinde (elektrozayıf teori olarak bilinir) birleştirildi. Bu çalışma için üçü de 1979'da Nobel Fizik Ödülü'nü aldı.

Kalan dördüncü temel kuvvet olan yerçekimi için kuantum modeller oluşturmanın zor olduğu ortaya çıktı. Hawking radyasyonu gibi tahminlere yol açan yarı klasik yaklaşımlar yapılır. Bununla birlikte, tam bir kuantum yerçekimi teorisinin formülasyonu, (şu anda bilinen en doğru yerçekimi teorisi olan) genel görelilik ile kuantum teorisinin bazı temel ilkeleri arasındaki bariz uyumsuzluklar nedeniyle engellenmektedir. Bu uyumsuzlukları çözmek, gelecekteki bir kuantum yerçekimi teorisi için olası adaylardan biri olan sicim teorisi gibi aktif araştırma ve teorilerin bir alanıdır.

Klasik mekanik, kuantum mekaniği gibi davranmaya başlayan karmaşık klasik mekanikle birlikte karmaşık alana da genişletildi.

Kuantum mekaniği ve klasik mekanik arasındaki ilişki

Kuantum mekaniğinin tahminleri, deneysel olarak çok yüksek bir doğruluk derecesine kadar doğrulanmıştır. Klasik ve kuantum mekaniği arasındaki yazışma ilkesine göre, tüm nesneler kuantum mekaniği yasalarına uyar ve klasik mekanik, yalnızca büyük nesne sistemleri için bir yaklaşımdır (veya büyük bir parçacık kümesi için istatistiksel kuantum mekaniği). Böylece klasik mekaniğin yasaları, sistemin eleman sayısı veya kuantum sayılarının değerleri çok büyük bir sınıra meylettiğinden, kuantum mekaniği yasalarından istatistiksel bir ortalama olarak çıkar. Bununla birlikte, kaotik sistemler iyi kuantum sayılarından yoksundur ve kuantum kaosu, bu sistemlerin klasik ve kuantum tanımları arasındaki ilişkiyi inceler.

Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) paradoksu ile örneklenen kuantum tutarlılığı, klasik ve kuantum teorileri arasındaki temel bir farktır, yerel gerçekçiliğe başvurarak kuantum mekaniğinin iyi bilinen felsefi yorumuna bir saldırı haline gelmiştir. Kuantum girişim, olasılık genliklerinin eklenmesini içerirken, klasik "dalgalar" yoğunlukların eklenmesini içerir. Mikroskobik cisimler için, sistemin kapsamı tutarlılık uzunluğundan çok daha küçüktür, bu da büyük mesafelerde dolaşıklığa ve kuantum sistemlerinin karakteristiği olan diğer yerel olmayan fenomenlere yol açar. Kuantum tutarlılık genellikle makroskopik ölçeklerde ortaya çıkmaz, ancak bu kuralın bir istisnası, kuantum davranışının makroskopik ölçekte ortaya çıkabileceği aşırı düşük sıcaklıklarda (yani mutlak sıfıra yaklaşırken) ortaya çıkabilir. Bu, aşağıdaki gözlemlerle uyumludur:

Klasik bir sistemin birçok makroskopik özelliği, parçalarının kuantum davranışının doğrudan bir sonucudur. Örneğin, maddenin ana kısmının kararlılığı (yalnızca elektrik kuvvetlerinin etkisi altında hızla çökecek olan atomlardan ve moleküllerden oluşur), katıların sertliği ve ayrıca maddenin mekanik, termal, kimyasal, optik ve manyetik özellikleri, elektrik yüklerinin kuantum mekaniği kurallarına uygun olarak etkileşiminin sonucudur.

Kuantum mekaniği ve görelilik tarafından öne sürülen maddenin görünüşte "egzotik" davranışı, çok küçük parçacıklarla uğraşırken veya ışık hızına yaklaşan hızlarda hareket ederken daha belirgin hale gelirken, genellikle "Newtoncu" fizik olarak adlandırılan klasik yasalar, "büyük" nesnelerin büyük çoğunluğunun (büyük moleküllerin boyutunda veya hatta daha büyük) davranışını ve ışık hızından çok daha küçük hızlarda tahmin etmede doğru kalır.

Kuantum mekaniği ile klasik mekanik arasındaki fark nedir?

Klasik ve kuantum mekaniği, çok farklı kinematik tanımlamalar kullanmaları bakımından çok farklıdır.

Niels Bohr'un köklü görüşüne göre, sistemin tüm cihazlarının tam bir açıklaması, hazırlık, ara ve nihai ölçümlerle kuantum mekaniği olaylarını incelemek için deneyler gereklidir. Açıklamalar, klasik mekanik kavramlarıyla desteklenen, günlük dilde ifade edilen makroskopik terimlerle sunulur. Sistemin başlangıç ​​koşulları ve son durumu sırasıyla konfigürasyon uzayındaki, örneğin koordinat uzayındaki veya momentum uzayı gibi eşdeğer uzaydaki bir konumla tanımlanır. Kuantum mekaniği, başlangıç ​​koşullarından veya "durumlardan" (terimin klasik anlamında) bir son durumun doğru deterministik ve nedensel tahmininin hem konum hem de momentum açısından tamamen doğru bir tanımına izin vermez. Bohr'un olgun yazılarında öne sürdüğü bu anlamda, kuantum fenomeni, kelimenin klasik anlamıyla anlık bir "durum" değil, başlangıçtan son duruma geçiş sürecidir. Böylece, kuantum mekaniğinde iki tür süreç vardır: durağan ve geçişli. Durağan süreçler için başlangıç ​​ve bitiş konumları aynıdır. Geçiş için - farklıdırlar. Tanım gereği açıktır ki, yalnızca başlangıç ​​koşulu verilirse, o zaman süreç tanımlanmaz. Başlangıç ​​koşulları göz önüne alındığında, nihai durumun tahmini mümkündür, ancak yalnızca olasılık düzeyinde mümkündür, çünkü Schrödinger denklemi dalga fonksiyonunun evrimi için belirlenir ve dalga fonksiyonu sistemi yalnızca olasılıksal anlamda tanımlar.

Pek çok deneyde, sistemin başlangıç ​​ve son durumunu bir parçacık olarak almak mümkündür. Bazı durumlarda, parçacığın başlangıçtan son duruma geçebileceği potansiyel olarak birkaç uzamsal olarak ayırt edilebilir yol veya yörünge olduğu ortaya çıktı. Kuantum kinematik tanımının önemli bir özelliği, durumlar arasındaki geçişin bu yollardan hangisinin gerçekleştiğini kesin olarak belirlemeye izin vermemesidir. Yalnızca başlangıç ​​ve son koşullar tanımlanır ve önceki paragrafta belirtildiği gibi, bunlar yalnızca mekansal konfigürasyonun tanımının veya eşdeğerinin izin verdiği ölçüde tanımlanır. Kuantum kinematik tanımlamanın gerekli olduğu her durumda, kinematik kesinlikte böyle bir sınırlama için her zaman iyi bir neden vardır. Bunun nedeni, bir parçacığı deneysel olarak belirli bir konumda bulabilmek için, durağan olması gerektiğidir; belirli bir momentuma sahip bir parçacığı deneysel olarak bulmak için serbest hareket halinde olması gerekir; bu iki gereksinim mantıksal olarak uyumsuzdur.

Başlangıçta, klasik kinematik, fenomeninin deneysel bir tanımını gerektirmez. Bu, sistemin anlık durumunu, faz uzayındaki bir konum (nokta) ile - konfigürasyon ve momentum uzaylarının Kartezyen ürünü - tamamen doğru bir şekilde tanımlamayı mümkün kılar. Bu açıklama, deneysel ölçülebilirliği hakkında endişe duymadan durumu fiziksel bir varlık olarak varsayar veya hayal eder. Başlangıç ​​durumunun böyle bir tanımı, Newton'un hareket yasalarıyla birlikte, sistemin evriminin belirli bir yörüngesi ile birlikte nihai durumun deterministik ve nedensel bir tahminini doğru bir şekilde yapmayı mümkün kılar. Bunun için Hamilton dinamikleri kullanılabilir. Klasik kinematik, kuantum mekaniği tarafından kullanılan ilk ve son durumların tanımına benzer şekilde, süreci tanımlamayı da mümkün kılar. Lagrangian mekaniği bunu yapmanızı sağlar. Birkaç Planck sabitinin sırasının eyleminin büyüklüğünü hesaba katmanın gerekli olduğu süreçler için klasik kinematik uygun değildir; burada kuantum mekaniğini kullanmak gerekiyor.

Genel görelilik teorisi

Genel göreliliğin tanımlayıcı varsayımları ve Einstein'ın kuantum kuramı, titiz ve tekrarlanan ampirik kanıtlarla açık bir şekilde desteklense ve teorik olarak birbirleriyle çelişmeseler de (en azından birincil iddiaları açısından), bunların tutarlı, birleşik bir modele entegre edilmesinin son derece zor olduğu kanıtlanmıştır.

Parçacık fiziğinin birçok alanında yerçekimi ihmal edilebilir, bu nedenle genel görelilik ile kuantum mekaniği arasındaki birleşme bu özel uygulamalarda acil bir sorun değildir. Bununla birlikte, doğru bir kuantum yerçekimi teorisinin olmaması, fiziksel kozmolojide ve fizikçilerin zarif bir "Her Şeyin Teorisi" (TV) arayışında önemli bir sorundur. Bu nedenle, her iki teori arasındaki tüm tutarsızlıkları çözmek, 20. ve 21. yüzyıl fiziğinin ana hedeflerinden biridir. Stephen Hawking de dahil olmak üzere pek çok önde gelen fizikçi, her şeyin arkasındaki teoriyi keşfetmek için yıllarca çalıştı. Bu TV, yalnızca farklı atom altı fizik modellerini birleştirmekle kalmayacak, aynı zamanda doğanın dört temel kuvvetini - güçlü etkileşim, elektromanyetizma, zayıf etkileşim ve yerçekimi - tek bir kuvvet veya olgudan türetecektir. Stephen Hawking başlangıçta televizyona inanırken, Gödel'in eksiklik teoremini değerlendirdikten sonra böyle bir teorinin mümkün olmadığı sonucuna vardı ve bunu Gödel ve Fiziğin Sonu (2002) adlı dersinde kamuoyuna açıkladı.

Kuantum mekaniğinin temel teorileri

Kuantum mekaniği aracılığıyla temel güçleri birleştirme arayışı halen devam etmektedir. Şu anda (en azından pertürbatif modda) genel görelilik ile rekabet halinde en doğru kanıtlanmış fiziksel teori olan kuantum elektrodinamiği (veya "kuantum elektromanyetizması"), zayıf nükleer kuvvetleri elektrozayıf kuvvette başarıyla birleştirir ve elektrozayıf ve güçlü kuvvetleri elektrokuvvetli kuvvette birleştirmek için çalışmalar devam etmektedir. Mevcut tahminler, 1014 GeV civarında, yukarıdaki üç kuvvetin tek bir birleşik alanda birleştiğini belirtmektedir. Bu "büyük birleşmeye" ek olarak, yerçekiminin yaklaşık 1019 GeV'de gerçekleşmesi beklenen diğer üç ayar simetrisiyle birleştirilebileceği varsayılmaktadır. Bununla birlikte - ve özel görelilik dikkatli bir şekilde kuantum elektrodinamiğine dahil edilmiş olsa da - şu anda yerçekimi kuvvetlerini açıklamak için en iyi teori olan genişletilmiş genel görelilik, kuantum teorisine tam olarak dahil edilmemiştir. Her şeyin tutarlı bir teorisini geliştirenlerden biri olan teorik fizikçi Edward Witten, süpersimetriyi süper sicim teorisi temelinde açıklama girişimi olan M teorisini formüle etti. M-teorisi, görünürdeki 4 boyutlu uzayımızın aslında on uzay boyutu ve bir zaman boyutu içeren 11 boyutlu bir uzay-zaman sürekliliği olduğunu öne sürüyor, ancak düşük enerjilerdeki 7 uzay boyutu tamamen "yoğun" (veya sonsuz derecede kavisli) ve kolayca ölçülemez veya incelenemez.

Diğer bir popüler teori, Carlo Rovelli'nin öncülüğünü yaptığı ve yerçekiminin kuantum özelliklerini açıklayan bir teori olan Loop kuantum yerçekimidir (LQG). Aynı zamanda bir kuantum uzayı ve kuantum zamanı teorisidir, çünkü genel görelilikte uzay-zamanın geometrik özellikleri yerçekiminin bir tezahürüdür. LQG, standart kuantum mekaniğini ve standart genel göreliliği birleştirme ve uyarlama girişimidir. Teorinin ana sonucu, uzayın tanecikli olduğu fiziksel bir resimdir. Taneciklik, nicelemenin doğrudan bir sonucudur. Elektromanyetizmanın kuantum teorisinde veya atomların ayrık enerji seviyelerinde aynı foton grenliliğine sahiptir. Ancak burada uzayın kendisi ayrıktır. Daha kesin olarak, uzay, sonlu döngülerden "dokunmuş" son derece ince bir kumaş veya ağ olarak görülebilir. Bu döngü ağlarına spin ağları denir. Döndürme ağının zaman içindeki evrimine döndürme köpüğü denir. Bu yapının tahmin edilen boyutu Planck uzunluğu yani yaklaşık 1.616×10-35 m'dir.Teoriye göre bundan daha kısa bir uzunlukta nokta yoktur. Bu nedenle LQG, yalnızca maddenin değil, uzayın kendisinin de atomik bir yapıya sahip olduğunu öngörür.

Kuantum mekaniğinin felsefi yönleri

Başlangıcından bu yana, kuantum mekaniğinin birçok paradoksal yönü ve sonucu hararetli felsefi tartışmalara ve birçok yoruma yol açtı. Max Born'un olasılık genliği ve olasılık dağılımı hakkındaki temel kuralları gibi temel soruların bile halk ve birçok önde gelen bilim adamı tarafından takdir edilmesi on yıllar aldı. Richard Feynman bir keresinde şöyle demişti: "Sanırım kimsenin kuantum mekaniğini anlamadığını güvenle söyleyebilirim. Steven Weinberg'in sözleriyle, "Şu anda bence, kuantum mekaniğinin kesinlikle tatmin edici bir yorumu yok.

Kopenhag yorumu - büyük ölçüde Niels Bohr ve Werner Heisenberg sayesinde - duyurulmasından sonra 75 yıl boyunca fizikçiler arasında en çok kabul gören yorum olmaya devam etti. Bu yoruma göre, kuantum mekaniğinin olasılıksal doğası, sonunda deterministik bir teori ile değiştirilecek geçici bir özellik değil, klasik "nedensellik" fikrinin nihai reddi olarak görülmelidir. Ek olarak, farklı deneysel durumlarda elde edilen kanıtların eşlenik doğası nedeniyle, kuantum mekaniği biçimciliğinin iyi tanımlanmış herhangi bir uygulamasının, her zaman deneyin tasarımına atıfta bulunması gerektiğine inanılmaktadır.

Kuantum teorisinin kurucularından biri olan Albert Einstein, determinizm ve nedenselliğin reddi gibi kuantum mekaniğinin bazı daha felsefi veya metafizik yorumlarını kendisi kabul etmedi. Bu yaklaşıma en çok alıntılanan ünlü yanıtı şudur: "Tanrı zar atmaz." Fiziksel bir sistemin durumunun deneysel bir ölçüm düzenine bağlı olduğu kavramını reddetti. Doğal fenomenlerin, gözlemlenip gözlemlenmediklerine ve nasıl gözlendiklerine bakılmaksızın kendi yasalarına göre gerçekleştiğine inanıyordu. Bu bağlamda, şu anda kabul edilen ve temsili için konfigürasyon uzayının keyfi seçimi, yani gözlem yöntemi için değişmez kalan bir kuantum durumunun tanımı tarafından desteklenmektedir. Ayrıca kuantum mekaniğinin, uzun menzilli eylem ilkesini reddeden kuralı dikkatlice ve doğrudan ifade eden bir teoriye dayanması gerektiğine de inanıyordu; başka bir deyişle, yerellik ilkesinde ısrar etti. Kuantum mekanik ölçümlerinde belirsizliği veya nedensellik eksikliğini önlemek için gizli değişkenlerin özel kavramını düşündü, ancak teorik olarak haklı olarak reddetti. O zamanlar kuantum mekaniğinin geçerli olduğuna, ancak kuantum fenomeninin nihai ve sarsılmaz teorisi olmadığına inanıyordu. Gelecekteki değişiminin derin kavramsal ilerlemeler gerektireceğine ve bunun o kadar hızlı ve kolay olmayacağına inanıyordu. Bohr-Einstein tartışmaları, epistemolojik bir bakış açısından Kopenhag yorumunun canlı bir eleştirisini sunar.

John Bell, bu "EPR" paradoksunun kuantum mekaniği ile gizli değişkenlerin eklenmesine dayanan teoriler arasında deneysel olarak doğrulanabilir farklılıklara yol açtığını gösterdi. Kuantum mekaniğinin doğruluğunu teyit eden deneyler yapıldı, böylece kuantum mekaniğinin gizli değişkenler eklenerek iyileştirilemeyeceği gösterildi. Alain Aspect'in 1982'deki ilk deneyleri ve o zamandan beri devam eden birçok deney, kuantum dolaşıklığı kesin olarak doğruladı.

Dolaşma, Bell'in deneylerinin gösterdiği gibi, hiçbir bilgi iletilmediği için nedenselliği ihlal etmez. Kuantum dolaşıklığı, bankacılık ve devlet sektörlerindeki yüksek güvenlikli ticari uygulamalarda kullanılması önerilen kuantum kriptografinin temelini oluşturur.

Everett'in 1956'da formüle ettiği birçok dünya yorumu, kuantum teorisi tarafından tanımlanan tüm olasılıkların, esas olarak bağımsız paralel evrenlerden oluşan bir çoklu evrende aynı anda gerçekleştiğini varsayar. Bu, kuantum mekaniğine bazı "yeni aksiyomlar" getirerek elde edilmez, aksine, dalga paketi bozunması aksiyomunun kaldırılmasıyla elde edilir. Ölçülen sistemin ve ölçüm cihazının (gözlemci dahil) tüm olası ardışık durumları, gerçek bir fiziksel - ve diğer yorumlarda olduğu gibi sadece resmi bir matematiksel değil - kuantum süperpozisyonunda mevcuttur. Farklı sistemlerin durumlarının ardışık kombinasyonlarının böyle bir süperpozisyonuna dolaşık durum denir. Çoklu evren deterministik olsa da, yalnızca gözlemciler olarak içinde yaşadığımız evreni (yani uyumlu durumun yukarıda bahsedilen süperpozisyona katkısını) gözlemleyebildiğimiz için, doğası gereği rasgele olan deterministik olmayan davranışları algılarız. Everett'in yorumu, John Bell'in deneylerine mükemmel bir şekilde uyuyor ve onları sezgisel hale getiriyor. Ancak kuantum uyumsuzluk teorisine göre, bu "paralel evrenler" bizim için hiçbir zaman mevcut olmayacak. Erişilemezlik şu şekilde anlaşılabilir: Bir ölçüm yapıldığında, ölçülen sistem hem onu ​​ölçen fizikçiyle hem de çok sayıda başka parçacıkla karışır; bunların bir kısmı ışık hızıyla evrenin diğer ucuna uçup giden fotonlardır. Dalga fonksiyonunun bozulmadığını kanıtlamak için, tüm bu parçacıkları geri döndürmek ve başlangıçta ölçülen sistemle birlikte yeniden ölçmek gerekir. Bu sadece tamamen pratik değil, aynı zamanda teorik olarak yapılabilse bile, orijinal ölçümün yapıldığına dair herhangi bir kanıtın (fizikçinin hafızası dahil) yok edilmesi gerekecekti. Bu Bell deneylerinin ışığında, Cramer işlemsel yorumunu 1986'da formüle etti. 1990'ların sonlarında, ilişkisel kuantum mekaniği, Kopenhag yorumunun modern bir türevi olarak ortaya çıktı.

Kuantum mekaniği, evrenimizin birçok özelliğini açıklamada büyük bir başarı elde etti. Kuantum mekaniği çoğu zaman maddenin tüm biçimlerini (elektronlar, protonlar, nötronlar, fotonlar, vb.) oluşturan atom altı parçacıkların bireysel davranışlarını ortaya çıkarabilen mevcut tek araçtır. Kuantum mekaniği, her şeyin teorisinin (bir Her Şeyin Teorisi) yarışmacısı olan sicim teorisini güçlü bir şekilde etkilemiştir.

Kuantum mekaniği, bireysel atomların molekülleri oluşturmak için nasıl kovalent bağlar oluşturduğunu anlamak için de kritik öneme sahiptir. Kuantum mekaniğinin kimyaya uygulanmasına kuantum kimyası denir. Göreli kuantum mekaniği, ilke olarak, kimyanın çoğunu matematiksel olarak tanımlayabilir. Kuantum mekaniği ayrıca, hangi moleküllerin diğer moleküller için ve hangi enerjilerde enerjik olarak uygun olduğunu açıkça göstererek, iyonik ve kovalent bağlanma süreçleri hakkında nicel bir fikir verebilir. Ek olarak, modern hesaplamalı kimyadaki çoğu hesaplama kuantum mekaniğine dayanır.

Birçok endüstride, modern teknolojiler, kuantum etkilerinin önemli olduğu ölçeklerde çalışır.

Elektronikte kuantum fiziği

Birçok modern elektronik cihaz, kuantum mekaniği kullanılarak tasarlanmıştır. Örneğin, lazer, transistör (ve dolayısıyla mikroçip), elektron mikroskobu ve manyetik rezonans görüntüleme (MRI). Yarı iletkenlerin incelenmesi, modern elektronik sistemlerin, bilgisayarın ve telekomünikasyon cihazlarının vazgeçilmez bileşenleri olan diyot ve transistörün icadına yol açtı. Diğer bir uygulama ise oldukça verimli bir ışık kaynağı olan ışık yayan diyottur.

Birçok elektronik cihaz, kuantum tünellemenin etkisi altında çalışır. Basit bir anahtarda bile bulunur. Elektronlar metal temas yüzeylerindeki oksit tabakasından kuantum tüneli geçemezse anahtar çalışmaz. USB sürücülerin kalbi olan flash bellek yongaları, hücrelerindeki bilgileri silmek için kuantum tünellemeyi kullanır. Rezonans tünel diyodu gibi bazı negatif diferansiyel direnç cihazları da kuantum tünel etkisini kullanır. Klasik diyotlardan farklı olarak, içindeki akım, rezonans tünelleme etkisi altında iki potansiyel bariyerden akar. Negatif dirençli çalışma modu yalnızca kuantum mekaniği ile açıklanabilir: bağlı taşıyıcı durumun enerjisi Fermi seviyesine yaklaştıkça tünel açma akımı artar. Fermi seviyesinden uzaklaştıkça akım azalır. Kuantum mekaniği, bu tür elektronik cihazları anlamak ve tasarlamak için hayati önem taşır.

kuantum şifreleme

Araştırmacılar şu anda kuantum durumlarını doğrudan manipüle etmek için güvenilir yöntemler arıyorlar. Teorik olarak bilgilerin güvenli iletimini garanti edecek olan kuantum kriptografisini tam olarak geliştirmek için çaba gösteriliyor.

kuantum hesaplama

Daha uzak bir hedef, belirli hesaplama görevlerini klasik bilgisayarlardan katlanarak daha hızlı gerçekleştirmesi beklenen kuantum bilgisayarları geliştirmektir. Klasik bitler yerine, kuantum bilgisayarlar, durumların üst üste binmesinde olabilen kübitleri kullanır. Bir başka aktif araştırma konusu, kuantum bilgisini gelişigüzel mesafeler üzerinden iletme yöntemleriyle ilgilenen kuantum ışınlanmadır.

kuantum etkileri

Kuantum mekaniği öncelikle daha az madde ve enerjiye sahip atomik sistemlere uygulanırken, bazı sistemler büyük ölçekte kuantum mekaniği etkileri sergiler. Sıvıyı mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda sürtünme olmadan hareket ettirebilme yeteneği olan süper akışkanlık, bu tür etkilerin iyi bilinen bir örneğidir. Bu fenomenle yakından ilgili olan, süperiletkenlik fenomenidir - yeterince düşük sıcaklıklarda iletken bir malzemede direnç olmadan hareket eden bir elektron gazı akışı (elektrik akımı). Kesirli kuantum Hall etkisi, uzun menzilli kuantum dolaşıklık modellerine karşılık gelen topolojik olarak sıralanmış bir durumdur. Farklı bir topolojik düzene (veya farklı bir uzak menzilli dolaşıklık konfigürasyonuna) sahip durumlar, faz dönüşümleri olmadan durumları birbirine değiştiremez.

Kuantum teorisi

Kuantum teorisi ayrıca, kara cisim radyasyonu ve atomlardaki yörünge elektronlarının kararlılığı gibi daha önce açıklanamayan birçok fenomenin doğru tanımlarını içerir. Ayrıca koku alma reseptörleri ve protein yapıları da dahil olmak üzere kaç farklı biyolojik sistemin çalıştığına dair fikir verdi. Yakın zamanda yapılan bir fotosentez çalışması, kuantum korelasyonlarının bitkilerde ve diğer birçok organizmada bu temel süreçte önemli bir rol oynadığını göstermiştir. Bununla birlikte, klasik fizik, genellikle çok sayıda parçacık veya büyük kuantum sayıları koşulları altında, kuantum fiziği tarafından elde edilen sonuçlara iyi yaklaşımlar sağlayabilir. Klasik formüller kuantum formüllerinden çok daha basit ve hesaplanmaları daha kolay olduğundan, sistem kuantum mekaniğinin etkilerini önemsiz kılacak kadar büyük olduğunda klasik yaklaşımların kullanılması tercih edilir.

Serbest parçacık hareketi

Örneğin, serbest bir parçacığı ele alalım. Kuantum mekaniğinde dalga-parçacık ikiliği gözlemlenir, öyle ki bir parçacığın özellikleri bir dalganın özellikleri olarak tanımlanabilir. Bu nedenle, bir kuantum durumu, gelişigüzel şekilli bir dalga olarak temsil edilebilir ve bir dalga fonksiyonu olarak uzayda uzanır. Bir parçacığın konumu ve momentumu fiziksel niceliklerdir. Belirsizlik ilkesi, konum ve momentumun aynı anda tam olarak ölçülemeyeceğini belirtir. Bununla birlikte, belirli bir x konumunda çok büyük ve diğer konumlarda sıfır olan bir dalga fonksiyonu (Dirac delta fonksiyonu) ile konumun özdurumunu oluşturarak hareket eden serbest bir parçacığın konumunu (momentumu ölçmeden) ölçmek mümkündür. Böyle bir dalga fonksiyonuyla bir konum ölçümü yaparsanız, x sonucu %100 olasılıkla (yani tam güvenle veya tam doğrulukla) elde edilecektir. Buna konumun özdeğeri (durum) veya matematiksel terimlerle genelleştirilmiş koordinatın özdeğeri (eigendistribution) denir. Eğer bir parçacık konumun özdurumundaysa, momentumu kesinlikle belirlenemez. Öte yandan, eğer parçacık momentumun özdurumundaysa, konumu tamamen bilinmemektedir. Özfonksiyonu düzlem dalga biçiminde olan bir impulsun özdurumunda, dalga boyunun h/p olduğu gösterilebilir, burada h Planck sabiti ve p özdurum momentumudur.

Dikdörtgen potansiyel bariyer

Bu, flash bellek ve taramalı tünelleme mikroskobu gibi modern teknolojik cihazların üretiminde önemli rol oynayan kuantum tünelleme etkisinin bir modelidir. Kuantum tünelleme, üst örgülerde meydana gelen merkezi fiziksel süreçtir.

Tek boyutlu bir potansiyel kutusundaki parçacık

Tek boyutlu bir potansiyel kutusundaki bir parçacık, uzaysal kısıtlamaların enerji seviyelerinin nicelleştirilmesine yol açtığı en basit matematiksel örnektir. Bir kutu, belirli bir alan içinde her yerde sıfır potansiyel enerjiye ve bu alanın dışında her yerde sonsuz potansiyel enerjiye sahip olarak tanımlanır.

Nihai potansiyel kuyusu

Sonlu bir potansiyel kuyusu, sonlu derinliğe sahip sonsuz bir potansiyel kuyusu probleminin genelleştirilmesidir.

Dalga fonksiyonu kuyunun duvarlarında kaybolmadığından, sonlu bir potansiyel kuyusu problemi, sonsuz bir potansiyel kutusu içindeki bir parçacık probleminden matematiksel olarak daha karmaşıktır. Bunun yerine dalga fonksiyonu, potansiyel kuyunun dışındaki bölgede sıfır olmadığı için daha karmaşık matematiksel sınır koşullarını sağlamalıdır.