V šoli smo se navajeni učiti fiziko. Vendar pa obstaja vrsta fizike, ki je morda niste vajeni in bi jo morali vsi poznati. To je kvantna fizika. Mnogi ne vedo, kaj je kvantna fizika. To je zelo razpravljana in fascinantna tema, ki lahko revolucionira našo predstavo o vesolju okoli nas. To je teorija fizike, ki opisuje obnašanje snovi in ima tudi več uporab v vsakdanjem življenju.
Zato vam bomo v tem članku povedali, kaj je kvantna fizika in kakšne so njene značilnosti.
Kaj je kvantna fizika
Kvantno fiziko imenujemo tudi kvantna ali mehanska teorija. Ker temelji na mehanski teoriji, ki se osredotoča na lestvico dolžin in fenomene atomske in subatomske energije, s čimer daje novo življenje prejšnjim teorijam, ki danes veljajo za zastarele.
Kakšna je razlika med klasično fiziko in kvantno fiziko? Slednji opisuje sevanje in snov kot dvojna pojava: valovi in delci. Zato lahko dvojnost valov in delcev štejemo za eno od značilnosti te mehanike. Razmerje med valovi in delci je preučeno in potrjeno z dvema načeloma:
- Načelo komplementarnosti
- Heisenbergovo načelo negotovosti (slednji formalizira prvo).
Vsekakor smo lahko prepričani, da je po odkritju teorije relativnosti in rojstvu klasične fizike, ta spoznanja so uvedla novo dobo, sodobno fiziko. Za študij kvantne mehanike na integralen način je potrebna integracija med različnimi sektorji fizike:
- Atomska fizika
- Fizični delci
- Fizika snovi
- Jedrska fizika
Poreklo
Klasična fizika v poznem XNUMX. stoletju niso mogli preučevati materije na mikro ravni, za katerega lahko rečemo, da presega obseg atomskega merjenja. Zato je nemogoče preučevati eksperimentalno realnost, zlasti pojave, povezane s svetlobo in elektroni. Toda ljudje vedno želijo iti dlje in njegova prirojena radovednost ga žene, da razišče več.
V začetku XNUMX. stoletja so odkritja, ki so se pojavila na atomskem merilu, izpodbijala stare domneve. Kvantna teorija se je rodila po zaslugi izraza, ki ga je skoval akademik Max Planck na začetku XNUMX. stoletja. Osnovni koncept je, da se lahko mikroskopska velikost in količina nekaterih fizičnih sistemov spreminjata celo diskontinuirano, a diskretno.
To so študije in raziskave, ki so omogočile doseganje teh zaključkov:
- 1803: prepoznavanje atomov kot sestavnega elementa molekul
- 1860: periodični sistem razvršča atome po kemijskih lastnostih
- 1874: odkritje elektrona in jedra
- 1887: študije o ultravijoličnem sevanju
Zadnji datum lahko pomeni glavno ločnico. Za frekvence sevanja pod pragom izgine interakcijski pojav (fotoelektrični učinek) med elektromagnetnim sevanjem in snovjo. Zaradi fotoelektričnega učinka je energija elektronov sorazmerna s frekvenco elektromagnetnega sevanja. Maxwellova teorija valov ne zadostuje več za razlago določenih pojavov. Več o zgodbi lahko izveste v našem članku o kaj je svetloba.
Kvantna teorija
Če povzamemo dejavnike, ki so prispevali k rojstvu kvantne fizike, lahko naštejemo pomembnejše datume, ki so povezani z odkritji in znanjem, uporabljenim za sledenje zgodovine kvantne mehanike:
- 1900: Planck predstavi idejo, da je energija kvantizirana, absorbirana in oddana.
- 1905: Einstein prikazuje fotoelektrični učinek (energija elektromagnetnega polja se prenaša s kvanti svetlobe (fotoni)
- 1913: Bohr kvantificira orbitalno gibanje elektrona.
- 1915: Summerfeld uvaja nova pravila, ki posplošujejo metode kvantifikacije.
Toda od leta 1924 naprej je kvantna teorija, kot jo poznamo danes, postavila temelje. Na ta dan je Louise de Broggie razvila teorijo valovanja snovi. Naslednje leto je prevzel Heinsburg, oblikoval matrično mehaniko, nato pa je Dirac leta 1927 predlagal posebno teorijo relativnosti. Do leta 1982, ko je Orsayjev inštitut za optiko zaključil preiskavo kršitve Bellove neenakosti, so se ta odkritja nadaljevala eno za drugim. Zanimivo je, da je biografija Max Planck vam lahko ponudi več podrobnosti o svojem prispevku.
Načela kvantne fizike
Med najbolj fascinantnimi odkritji najdemo:
- Dvojnost val-delec
- Načelo komplementarnosti
- Začetek negotovosti
Dualizem valov-delcev
Prej je obstajala le klasična fizika. To je bilo razdeljeno v dve skupini zakonov:
- Newtonovi zakoni
- Maxwellovi zakoni
Prvi niz zakonov opisuje gibanje in dinamiko mehanskih predmetov, drugi sklop zakonov pa težnje in povezave med subjekti, ki so del elektromagnetnih polj: svetlobnih in radijskih valov, Na primer.
Nekateri poskusi kažejo, da si svetlobo lahko predstavljamo kot val. Vendar niso bili potrjeni. Po drugi strani ima svetloba naravo delcev (od Einsteina in Plancka) in zato je ideja, da je sestavljena iz fotonov, vedno bolj uveljavljena. Zahvaljujoč Bohru je bilo razumljeno, da sta narava snovi in sevanja:
- Naj bo val
- Naj bo telo
Ni bilo več mogoče razmišljati iz ene ali druge perspektive, ampak iz komplementarne perspektive. Bohrovo komplementarno načelo samo poudarja to točko, tj. pojavi, ki se pojavljajo na atomskem merilu, imajo dvojne lastnosti valov in delcev. Za nadaljnje razumevanje tega pojava si lahko ogledate članek o kvantna superpozicija.
Heinsenbergovo načelo negotovosti
Kot smo že omenili leta 1927, je Heinsenberg pokazal, da so nekateri pari fizikalnih veličin, kot sta hitrost in položaj, ne more istočasno registrirati brez napake. Natančnost lahko vpliva na eno od obeh meritev, ne pa na obe hkrati, ker bodo pojavi, kot je hitrost, vplivali na drugi rezultat meritve in razveljavili meritev.
Za lociranje elektrona je potrebno osvetliti foton. Čim krajša je valovna dolžina fotona, tem natančnejša je meritev položaja elektrona. V kvantni fiziki nizka valovna dolžina fotonov prenaša več energije in hitrosti, kot jo elektroni absorbirajo. Hkrati teh ukrepov ni mogoče določiti. Več o tem principu si lahko preberete v članku o Heisenbergova biografija.
Upam, da boste s temi informacijami izvedeli več o tem, kaj je kvantna fizika in kakšne so njene značilnosti.
