Kuantum Mekaniği Nedir?
Kuantum mekaniği çok küçük ile ilgili fiziğin dalıdır.
Fiziksel dünya hakkında çok tuhaf sonuçlar çıkacak gibi görünebilir. Atom ve elektronların ölçeğinde, klasik mekaniğin denklemlerinin çoğu , günlük boyutlarda ve hızlarda işlerin nasıl yürüdüğünü açıklayan, yararlı olmaktan çıkar. Klasik mekanikte, nesneler belirli bir zamanda belirli bir yerde bulunur. Bununla birlikte, kuantum mekaniğinde, nesneler bunun yerine bir olasılık bulanıklığında bulunur; A noktasında olma şansı, B noktasında olma şansı ve benzeri bir başka şansları var.
Üç devrimci ilke
Kuantum mekaniği (KM), onlarca yıl boyunca gelişti ve klasik mekanik matematiğinin açıklayamadığı deneylerin tartışmalı matematiksel açıklamaları olarak başladı. 20. yüzyılın başlarında, Albert Einstein'ın görelilik teorisini yayınladı; aynı zamanda fizikteki şeylerin hareketini yüksek hızlarda tanımlayan ayrı bir matematiksel devrim. Ancak göreliliğin aksine, QM'nin kökenleri hiçbir bilim insanına atfedilemez. Daha ziyade, birçok bilim adamı, 1900 ve 1930 arasında kademeli olarak kabul ve deneysel doğrulama kazanan üç devrimci ilkenin temeline katkıda bulundu. Bunlar:
Kantitatif özellikler : Konum, hız ve renk gibi bazı özellikler bazen numaradan sayıya "tıklayan" bir kadran gibi, yalnızca belirli, belirli miktarlarda oluşabilir. Bu, klasik mekaniğin temel varsayımına meydan okudu; bu özelliklerin yumuşak ve sürekli bir spektrumda bulunması gerektiğini söyledi. Bazı özelliklerin belirli ayarlara sahip bir kadran gibi "tıklandığı" fikrini açıklamak için, bilim adamları "niceliklendirilmiş" kelimesini kullandılar.
Işık parçacıkları : Işık bazen bir parçacık gibi davranabilir. Bu, başlangıçta sert bir eleştiriyle karşılandı, çünkü ışığın bir dalga gibi davrandığını gösteren 200 yıllık deneylerin aksine; sakin bir gölün yüzeyinde dalgalanmalar gibi. Işık, duvarlardan sarktığı ve köşelerde kıvrıldığı ve dalganın tepelerinin ve çukurlarının birikebileceği veya iptal edebileceği şekilde benzer şekilde davranır. Eklenen dalga tepeleri daha parlak ışığa neden olurken, iptal eden dalgalar karanlık üretir. Bir ışık kaynağı, gölün ortasına ritmik olarak batırılmış bir çubuktaki top olarak düşünülebilir . Yayılan renk, topun ritminin hızı ile belirlenen tepeler arasındaki mesafeye karşılık gelir.
Maddenin dalgaları : Madde bir dalga gibi de davranabilir. Bu, maddenin (elektronlar gibi) partikül olarak bulunduğunu gösteren yaklaşık 30 yıllık deneyime karşı koştu.
Sayısal özellikler?
1900 yılında Alman fizikçi Max Planck, ampul filamanları gibi kırmızı-sıcak ve beyaz-sıcak cisimlerin ışığında, spektrumda yayılan renklerin dağılımını açıklamaya çalıştı. Bu dağıtımı tanımlamak için elde ettiği denklemi fiziksel olarak algılarken, Planck, yalnızca belirli renklerin (çok sayıda da olsa) kombinasyonlarının , özellikle de bazı temel değerlerin tam katları olanların yayıldığını ima etti . Her nasılsa, renkler ölçüldü! Bu beklenmedik bir durumdu çünkü ışığın bir dalga gibi davrandığı anlaşılıyordu, bu da renk değerlerinin sürekli bir spektrum olması gerektiği anlamına geliyordu. Atomları yasaklayan ne olabilir bu tam sayı katları arasında renkleri üretmekten mi? Bu o kadar garip görünüyordu ki Planck nicelleştirmeyi matematiksel bir numaradan başka bir şey olarak görmüyordu. Helge Kragh'ın 2000 yılında Physics World dergisinde yayınlanan makalesinde, " Max Planck, İsteksiz Devrimci ", "Aralık 1900'de fizikte bir devrim meydana gelmişse kimse bunu fark etmedi. Planck istisna değildi ..."
Planck denklemi, daha sonra QM'nin gelecekteki gelişimi için çok önemli olacak bir sayı içeriyordu; Bugün, "Planck's Constant" olarak bilinir.
Niceleme, fiziğin diğer gizemlerini açıklamaya yardımcı oldu. 1907'de Einstein, aynı miktarda ısıyı malzemeye koyarsanız, ancak başlangıç sıcaklığını değiştirdiyseniz, katı maddenin sıcaklığının neden farklı miktarlarda değiştiğini açıklamak için Planck'ın nicelleştirme hipotezini kullandı.
1800'lerin başından beri, spektroskopi bilimi, farklı elementlerin "spektral çizgiler" adı verilen belirli ışık renkleri yaydığını ve emdiğini göstermiştir. Spektroskopi uzak yıldızlar gibi nesnelerde bulunan elementleri belirlemek için güvenilir bir yöntem olmasına rağmen, bilim adamları her bir elementin neden bu belirli çizgileri ilk etapta verdikleri konusunda şaşkına döndüler . 1888'de Johannes Rydberg, hidrojen tarafından yayılan spektral çizgileri tanımlayan bir denklem elde etti, ancak kimse denklemin neden çalıştığını açıklayamadı. Bu, 1913'te Niels Bohr, Planck'ın Ernest Rutherford'un 1911 atomunun "gezegensel" modeline kuantize etme hipotezini uyguladığı zaman , elektronların çekirdeği güneşin yörüngesinde döndürdüğü şekilde yörüngede bulunduğunu varsaydığı zaman değişti . Physics 2000 (Colorado Üniversitesi'nden bir bölge), Bohr elektronların bir atomun çekirdeği etrafındaki "özel" yörüngelerle sınırlı olduğunu öne sürdü. Özel yörüngeler arasında "sıçrama" yapabilirler ve atlamanın ürettiği enerji, spektral çizgiler olarak gözlenen belirli ışık renklerine neden olur. Kantitatif özellikler sadece matematiksel bir hile olarak icat edilmiş olsa da, QM'nin kurucu ilkesi olduklarını o kadar açıkladılar.
Işık parçacıkları?
1905 yılında Einstein "bir yazı yayınlamıştır Işık Emisyon ve Dönüşümün doğru View bir Sezgisel Noktası Dair ancak bazı biçimde olarak, o bir dalga olarak değil yolculuk ışık öngörülen ettiği," "enerji miktarı." Einstein'ın önerdiği bu enerji paketi, özellikle bir atom ölçülen titreşim hızları arasında “sıçradığında” “yalnızca bir bütün olarak emilebilir veya üretilebilir”. Bu, birkaç yıl sonra gösterileceği gibi, bir elektronun ölçülen yörüngeler arasında "sıçraması" durumunda da geçerli olacaktır. Bu model altında, Einstein'ın "enerji kantini", sıçramanın enerji farkını içeriyordu; Planck'ın sabitine bölündüğü zaman, bu enerji farkı o kuantların taşıdığı ışığın rengini belirledi.
Einstein, ışığı öngörmenin bu yeni yoluyla, Planck'ın bir ampul filamanından yayıldığını tanımladığı belirli renkler de dahil olmak üzere dokuz farklı fenomenin davranışına dair içgörü sunmuştur. Ayrıca, belirli ışık renklerinin, "fotoelektrik etki" olarak bilinen bir fenomen olan metal yüzeylerden elektronları nasıl çıkarabildiğini de açıkladı. Bununla birlikte, Einstein, bu sıçramayı tamamen haklı çıkarmadı, dedi Winnipeg Üniversitesi'nde fizik doçenti olan Stephen Klassen. 2008 tarihli bir makalede, "Fotoelektrik Etki: Fizik Sınıfı için Hikayeyi Yeniden Düzenleme", Klassen, Einstein'ın enerji kantininin bu dokuz olguyu açıklamak için gerekli olmadığını belirtti. Bir dalga olarak ışığın bazı matematiksel işlemleri, hem Planck'ın bir ampul filamanından yayıldığını tarif ettiği spesifik renkleri ve fotoelektrik etkiyi tarif edebilir. Gerçekten de, Einstein’ın 1921’de tartışmalı kazanması Nobel Ödülü , Nobel komitesi sadece enerji katarı kavramına dayanmayan “fotoelektrik etki yasasını keşfettiğini” kabul etti.
Einstein'ın gazetesinden yaklaşık yirmi yıl sonra, " foton " terimi , bir elektron ışınıyla saçılan ışığın renkte değiştiğini gösteren 1923 tarihli Arthur Compton çalışması sayesinde enerji kantini tanımlamak için popüler hale geldi. Bu, ışık parçacıklarının (fotonlar) gerçekten maddenin parçacıklarıyla (elektronlar) çarpıştığını, dolayısıyla Einstein'ın hipotezini doğruladığını gösterdi. Şimdiye dek ışığın hem dalga hem de parçacık olarak davranabileceği ve ışığın “dalga-parçacık ikiliğini” QM'nin temeline yerleştirebileceği açıktı.
Maddenin dalgaları?
Elektronun 1896'da keşfedilmesinden bu yana, tüm maddelerin parçacıklar halinde var olduğuna dair kanıtlar yavaş yavaş inşa ediyordu. Yine de, ışığın dalga-parçacık dualitesinin gösterilmesi, bilim insanlarına maddenin sadece parçacıklar gibi davranıp davranmadığının sınırlı olup olmadığını sorgular . Belki de dalga-parçacık ikiliği, madde için de gerçek olabilir. Bu akıl yürütmeyle büyük ilerleme kaydeden ilk bilim adamı, Louis de Broglie adlı bir Fransız fizikçiydi. 1924'te de Broglie, Einstein'ın özel görelilik teorisinin denklemlerini kullandı. parçacıkların dalga benzeri özellikler gösterebileceğini ve dalgaların parçacık benzeri özellikler gösterebileceğini göstermek için. Daha sonra, 1925'te bağımsız çalışan ve ayrı matematiksel düşünme çizgileri kullanan iki bilim adamı, de Broglie'nin elektronların atomlarda nasıl çevrildiğini ( klasik mekaniğindenklemlerini kullanarak açıklanamayan bir fenomen) açıklamasını açıkladı . Almanya'da fizikçi Werner Heisenberg (Max Born ve Pascual Jordan ile birlikte çalışıyor) bunu "matris mekaniği" geliştirerek başardı. Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger "dalga mekaniği" adı verilen benzer bir teori geliştirdi. Schrödinger, 1926'da bu iki yaklaşımın eşdeğer olduğunu gösterdi (ancak İsviçre fizikçi Wolfgang Pauli yayınlanmamış bir sonuç gönderdi. Ürdün'e matris mekaniğinin daha eksiksiz olduğunu göstererek).
Her elektronun bir atomun çekirdeği etrafındaki bir dalga (bazen "bulut" olarak adlandırılır) olarak hareket ettiği atomun Heisenberg-Schrödinger modeli Rutherford-Bohr modelinin yerini aldı. Yeni modelin bir şartı, bir elektron oluşturan dalganın uçlarının buluşması gerektiği idi. "Kimyada Kuantum Mekaniği " , 3. Baskı."(WA Benjamin, 1981), Melvin Hanna,“ Sınır koşullarının dayatılması, enerjiyi ayrık değerlerle sınırlandırdı. ”Bu şartın bir sonucu olarak, bazı özelliklerin neden bazı özelliklerini açıkladığını açıklayan, sadece tam sayıdaki tepe ve basamak sayısına izin verilmesidir. Atomun Heisenberg-Schrödinger modelinde, elektronlar "dalga fonksiyonuna" uyarlar ve yörüngeler yerine "yörüngeleri" tutarlar.Rutherford-Bohr modelinin dairesel yörüngelerinin aksine, atomik yörüngeler kürelerden çeşitli şekillerdedir papatyalara dambıl.
1927'de Walter Heitler ve Fritz London, atomik orbitallerin moleküler orbitaller oluşturmak için nasıl bir araya getirilebileceğini göstermek için atomların moleküller oluşturmak için neden birbirlerine bağlandıklarını göstermek için dalga mekaniği geliştirdiler . Bu, klasik mekaniğin matematiğini kullanarak çözülemeyen bir başka problemdi. Bu görüşler "kuantum kimyası" alanına yol açtı.
Belirsizlik ilkesi
Ayrıca 1927'de Heisenberg, kuantum fiziğine önemli bir katkı yaptı. Maddenin dalgalar gibi hareket ettiğinden, elektronun konumu ve hızı gibi bazı özelliklerin "tamamlayıcı" olduğunu, yani her bir özelliğin kesinliğinin ne kadar iyi bilinebileceğinin bir sınırı olduğu (Planck'ın sabiti ile ilgili) anlamına geldiğini belirtti. “Heisenberg'in belirsizlik ilkesi olarak adlandırılacak şeyin altında , bir elektronun pozisyonunun ne kadar kesin olarak bilindiği, hızının ne kadar kesin olarak bilindiği ve bunun tam tersi olabilirdi. Bu belirsizlik ilkesi, günlük boyuttaki nesneler için de geçerlidir, ancak hassasiyet eksikliği olağanüstü derecede küçük olduğu için farkedilmez. Morningside Koleji'nden Dave Slaven'e (Sioux City, IA) göre, eğer bir beyzbol. Topun pozisyonunu bilmenin mümkün olduğu maksimum hassasiyet 0.000000000000000000000000000008 milimetredir.
ileriye
Niceleme, dalga-parçacık ikiliği ve belirsizlik ilkesi, QM için yeni bir çağda yol açtı. 1927'de Paul Dirac, parçacıkların (fotonlar ve elektronlar gibi) altta yatan fiziksel alanın heyecanlı halleri olarak işlenen “kuantum alan teorisi” (QFT) çalışmasına yol açmak için elektrik ve manyetik alanların kuantum anlayışını uyguladı. QFT'deki çalışma on yıl boyunca bilim adamları bir barikatı tıkayana kadar devam etti: QFT'deki birçok denklem fiziksel anlamayı bıraktı, çünkü sonsuzluk sonucu ürettiler. 10 yıl süren durgunluktan sonra, Hans Bethe 1947'de "yeniden normalleştirme" adı verilen bir teknik kullanarak bir atılım yaptı. Burada Bethe, iki fenomen (özellikle "elektron öz-enerji" ve "vakum polarizasyonu" ile ilgili tüm sonsuz sonuçların olduğunu fark etti.
Renormalizasyonun başlangıcından bu yana, QFT doğanın dört temel kuvveti hakkında kuantum teorileri geliştirmenin temeli olmuştur: 1) elektromanyetizma, 2) zayıf nükleer kuvvet, 3) güçlü nükleer kuvvet ve 4) yerçekimi. QFT tarafından sağlanan ilk içgörü, 1940'ların sonlarında ve 1950'lerin başlarında adım attığını belirten "kuantum elektrodinamiği" (QED) aracılığıyla elektromanyetizmanın kuantum tanımıydı. Daha sonra, 1960'larda "elektroweak teorisi" (EWT) oluşturmak için elektromanyetizma ile birleştirilmiş zayıf nükleer kuvvetin kuantum tanımı yapıldı. Sonunda, 1960'larda ve 1970'lerde "kuantum kromodinamiği" (QCD) kullanarak güçlü nükleer kuvvetin kuantum muamelesi geldi. QED, EWT ve QCD teorileri birlikte Standart Modelin temelini oluşturur. Parçacık fiziğinin. Ne yazık ki, QFT henüz kuantum bir yerçekimi teorisi üretmedi. Bu arayış, sicim teorisi ve döngü kuantum kütleçekimi çalışmalarında bugün devam ediyor.
Kaynaklar:
Robert Coolman tarafından livescience.com web sitesinde What Is Quantum Mechanics? isimli yazının çevirisidir.
- Robert Coolman kimdir merak ediyor ve makalenin orjinalini okumak isterseniz What Is Quantum Mechanics?
- Robert Coolman, Wisconsin-Madison Üniversitesi'nde yüksek lisans araştırmacısı olarak doktorasını tamamladı. kimya mühendisliğinde. Matematik, fen bilimleri ve tarihle nasıl etkileşimde bulundukları hakkında yazıyor.
- Robert Coolman'ı sosyal medya hesaplarından takip edebilirsiniz: @PrimeViridian. @LiveScience, Facebook & Google+.
Ek kaynaklar
- Bu TED-Ed videosu Heisenberg Belirsizlik İlkesini açıklıyor.
- Bir atın Kuantum Fiziği I çevrimiçi ders Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden.
- Atomun kuantum mekaniği modeli ve Rutherford-Bohrs modelinden nasıl farklı olduğu hakkında daha fazla bilgi edinin.
Bu blogta dünyada yayımlanmış en güzel makalelerin çevirileri yer almaktadır. Çevirisi yapılan makaleler makalenin yayınlandığı web sitesi ve yayınlayan yazar belirtilerek paylaşılmaktadır. Kaynak gösterilmeden paylaşım yapılmamaktadır. Herhangi bir şekilde telif hakkının çiğnenmiş olduğu düşünüyorsa bana eposta hesabımdan ulaşabilirsiniz. Eğer yazar veya web sitesi isterse bahsi geçen yazı Matrix Portal X bloğundan silinecektir.
