Înțelegeți esența fizicii cuantice de la zero
Fizica modernă este împărțită în două ramuri mari - clasice și cuantice. Primul istoric merge înapoi la Galileo și Newton, al doilea - la Max Planck și Albert Einstein. Ideologia cuantică a dobândit inițial un loc în noua teorie a radiației electromagnetice, dar fără o întârziere foarte mare la descrierea proprietăților materiei la nivelul atomilor și moleculelor. În această calitate, a devenit baza unei noi științe numită mecanică cuantică. Să încercăm să înțelegem esența ei de la zero, fără cunoștințe anterioare.
Mecanica cuantică a depășit mult cadrul original. Până la sfârșitul primei treimi a secolului al XX-lea, a devenit un instrument indispensabil pentru studiul teoretic al proprietăților electrice și magnetice ale diferitelor materiale. Este necesar să descriem nucleele atomice și particulele de la care sunt compuse - protoni și neutroni. Mecanica cuantică subliniază, de asemenea, cunoștințele noastre despre cele mai fundamentale proprietăți ale materiei care umple universul. Fără ea, este imposibil să aflăm unde au elementele chimice, de ce lumina, strălucirea și stelele moarte ca razele cosmice se nasc, iar ceea ce se întâmplă în ciocnirile de particule elementare. În general, aceasta este o știință largă.
Dar asta nu e tot. Mecanica cuantică a arătat că în microcosmos există legi care contrazic puternic experiența noastră de zi cu zi. Ele nu sunt ușor de înțeles, ele nu sunt ușor de obișnuit, ele sunt uimitoare și paradoxale - și totuși ele sunt corecte!
Cuvântul "mecanică" are multe sensuri, dar din punct de vedere al fizicii este știința mișcării, a mișcării în spațiu. minge de tenis care zboară pe net, vitezele de tren de-a lungul șinelor, vânturile pot transporta curenți de aer, pământul se învârte în jurul soarelui, și la rândul său, o dată la două sute de milioane de ani pentru a face o rotație completă în jurul centrului galaxiei noastre. Aceste mișcări se desfășoară sub influența diferitelor forțe, uneori foarte complexe. Cu toate acestea, toate sunt descrise de aceleași legi, care în secolul al XVII-lea au descoperit marele fizician și matematician englez Isaac Newton. Mai târziu, ele au fost rescrise de mai multe ori folosind toate noile formule matematice, dar esența acestui lucru nu sa schimbat. Și, de mai bine de două sute de ani, fizicienii au fost convinși că marea creație a lui Newton nu cunoaște excepții.
Să luăm cel mai simplu dintre toate corpurile imaginabile - o minge mică. Dacă ați pus în ecuația detalii mecanica a ceea ce este masa sa, ce acționează forțe pe ea, în cazul în care acesta este în momentul inițial și care, în acest caz, este viteza, va fi posibil să se calculeze poziția (așa cum spun fizicienii, coordonatele) și viteza de minge, la toate ulterioare . Pentru a descrie miscarea formei complexe a corpului, trebuie să știți mai multe, și, în practică, aceste calcule pot fi foarte consumatoare de timp, nu numai pentru oameni, ci și pentru supercomputer, dar este o chestiune de tehnologie.
Tehnica newtoniană se ocupă numai de acele mișcări care sunt date de coordonatele corpurilor și de vitezele lor. În plus, acceptă fără dovadă că toate aceste cantități pot fi măsurate simultan cu orice precizie - în orice caz, în principiu. Această ipoteză ne permite să presupunem că corpul este în orice moment într-un anumit loc în spațiu și în același timp are o anumită viteză. Dacă o abandonăm, ecuațiile mecanicii newtoniene nu numai că își vor pierde forța, ci vor deveni, de asemenea, lipsite de sens. Acest lucru este ușor de înțeles - deoarece coordonatele și vitezele apar în ele pe picior de egalitate și în combinație între ele.
Acum ne vom gândi cum să efectuăm astfel de măsurători în practică. Să presupunem că urmăm aeronava cu un radar. Impulsurile undelor radio sunt reflectate din corpul mașinii, iar instrumentul afișează coordonatele și viteza pe afișaj. Când se reflectă, fiecare impuls transmite o parte din energia sa aeronavei și, prin urmare, își schimbă puțin viteza. Cu toate acestea, energia cinetică a aeronavei este cu mult mai mare decât energia de iradiere că aceste modificări nu au niciun efect și pot fi considerate zero. Acest lucru oferă motive să afirmăm că dispozitivul nostru urmărește simultan atât calea, cât și viteza aeronavei. Același lucru se întâmplă și cu orice măsurare a mișcării marilor (așa cum spun fizicii, corpuri macroscopice) de unde radio, lumină sau altceva. Chiar și doar "cu ochii" pentru a estima distanța față de mașina vecină pe autostradă este posibilă doar pentru că reflectă lumina - altfel nu l-am vedea. Același lucru este valabil și pentru evaluarea vitezei sale.
Dar este posibil să măsuram simultan coordonatele și viteza unei microparticule - să spunem, un electron în același mod? Electronii poartă sarcini electrice și, prin urmare, disipează undele electromagnetice, inclusiv lumina. În consecință, un electron poate fi în principiu capturat prin prinderea pulsului electromagnetic reflectat de el. Cu toate acestea, vom putea determina poziția sa în spațiu doar cu o eroare a cărei magnitudine este aproximativ egală cu lungimea de undă a radiației pe care am folosit-o în locatorul nostru. Pentru a crește precizia, această lungime trebuie redusă, trecând de la lumina vizibilă la ultravioletă, apoi la raze X, apoi la radiația gamma. Pentru a măsura viteza unui electron, o astfel de locație trebuie efectuată cel puțin de două ori și într-un timp scurt.
Acum ajungem la lucrul principal - în momentul adevărului. Așa cum am menționat deja, pulsul electromagnetic transferă o parte din energia sa către obiectul pe care se disipează. După reflectarea momentului, energia cinetică a electronului se schimbă și, prin urmare, și viteza sa se schimbă. Un electron poate accelera, decelera sau întoarce, dar în orice caz mișcarea nu va fi aceeași. Acest lucru nu se va întâmpla numai dacă vom continua să bombardăm electronul cu numai impulsuri, a căror energie este practic zero în comparație cu cea proprie. Așa cum am menționat deja, pentru a obține o precizie sporită în măsurarea coordonatelor, trebuie să reducem în mod repetat lungimea de undă la care operează locatorul imaginar (adică crește frecvențele). Acest lucru poate fi realizat prin menținerea energiei pulsurilor la un nivel arbitrar mic?
Dacă cineva avea ideea de a pune o astfel de întrebare imediat după descoperirea electronului în 1897, răspunsul ar fi putut fi doar pozitiv. Apoi sa presupus că energia undei electromagnetice poate fi arbitrar de mică pentru orice lungime de undă. Dar trei ani mai târziu sa dovedit că natura nu permite o astfel de libertate.
Aceasta este cea mai importantă descoperire științifică datorată fizicianului teoretic german Max Planck. În acel moment, fizicienii erau foarte interesați de radiația termică a corpurilor încălzite (de exemplu, un fier sau filament fierbinte de un bec electric). În acest sens, s-au efectuat numeroase experimente, dar rezultatele lor nu au putut fi reduse la o singură formulă. În 1900, Planck a arătat că o astfel de formulă poate fi obținută dacă presupunem că radiația termică este emisă și absorbită de pachete separate și nu deloc în mod continuu. Energia fiecărui pachet este egală cu frecvența radiațiilor înmulțită cu noua constantă fizică, numită constanta Planck.
Noua teorie nu a fost de acord cu ideile de atunci despre natura undelor electromagnetice (și radiația termică este doar un fel de ea). Toate procesele de undă au fost presupuse a fi absolut continue. Potrivit lui Planck, sa dovedit că această proprietate se aplică numai valurilor deja născute, care s-au răspândit în spațiu. Procesele de emisie și de absorbție a undelor, spre deosebire de acestea, pot fi efectuate doar parțial (așa cum spun fizicienii, discret). În general, dacă radiația electromagnetică este marea, atunci puteți să extrageți din ea (sau să o adăugați) apă numai prin cercuri de o anumită capacitate.
Următorul pas în cinci ani a fost făcut de Albert Einstein în teoria sa asupra efectului fotoelectric. Acesta este numele procesului în care lumina lovește electroni de pe suprafața diferitelor substanțe. Acest fenomen în 1887 a fost descoperit de Henry Hertz - el este, de asemenea, descoperitorul undelor electromagnetice. La începutul secolului al XX-lea sa constatat că energia electronilor emise crește cu frecvența radiației incidente. Pentru a explica acest rezultat, Einstein a presupus că pachetele de energie Planck sunt păstrate chiar și atunci când lumina este propagată. Fluxul de lumină nu a fost deloc continuu, se dezintegrează în "granule" separate, pe care Einstein le-a numit quanta ușoară (cuvântul latin "cuant" înseamnă "cantitate"). Deci, în limba fizică a existat un termen care, în viitor, a dat numele noului mecanic.
Să ne întoarcem la experimentul mental cu măsurarea mișcării unui electron. Așa cum am arătat, putem clarifica poziția sa prin arderea electronului cu impulsuri luminoase cu lungimi de undă tot mai scurte. Aceasta înseamnă că pentru localizarea electronului este necesar să se folosească quanta cu o frecvență tot mai mare și, în consecință, de energie. Întâlnirea cu fiecare astfel de cuantum își va schimba din ce în ce mai mult viteza. Și pentru orice măsurare precisă a vitezei, trebuie să folosim lumină cu frecvențe foarte joase, constând din quanta de aproape zero energie. O scădere a frecvenței înseamnă o creștere a lungimii de undă, astfel încât să măsuram poziția electronului cu o eroare crescătoare.
La ce am ajuns? Am presupus că un electron în orice moment poate fi atribuit unei anumite poziții în spațiu și unei anumite viteze. Cu toate acestea, experimentul nostru de gândire a arătat că structura cuantică a luminii nu permite măsurarea simultană a ambelor. Aceasta este o interdicție fundamentală, nu depinde de dispozitiv și de calitatea instrumentelor de măsurare. Cu cât determinăm mai precis poziția unui electron, cu atât schimbăm mai mult viteza, în timp ce măsurarea exactă a vitezei face imposibilă măsurarea poziției. Cu toate acestea, fizica nu se ocupă de lucruri imaginare, este o știință experimentată. Prin urmare, ipoteza noastră inițială conform căreia electronul are coordonate spațiale și viteza nu are nici un înțeles fizic și ar trebui să fie aruncat. Cu alte cuvinte, un electron nu poate avea simultan o anumită viteză și o anumită poziție în spațiu. Rezultă că teoria Newtoniană nu se potrivește pentru a descrie mișcarea unui electron. Aici avem nevoie de o mecanică complet diferită, ținând cont de natura cuantică a luminii.
Aceste argumente ar putea veni în mintea unui fizician imediat după apariția teoriei Einstein a efectului fotoelectric. Inainte de a putea gândi la Einstein însuși, care a fost foarte pasionat de experimente de gândire și remarcabil capabil să-l folosească (este cu ajutorul lor, el a creat propria teorie a relativității). Cu toate acestea, acest lucru nu sa întâmplat, iar nașterea noii mecanici a trebuit să aștepte încă douăzeci de ani.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: