Reč "kvant" dolazi od latinskog kvantna(“koliko, koliko”) i engleski kvantna("količina, porcija, kvant"). "Mehanika" se dugo nazivala naukom o kretanju materije. Prema tome, izraz "kvantna mehanika" označava nauku o kretanju materije u delovima (ili, modernim terminima, naučni jezik nauka o kretanju kvantizirano stvar). Termin "kvant" uveo je njemački fizičar Max Planck ( cm. Planckova konstanta) za opisivanje interakcije svjetlosti s atomima.

Kvantna mehanika često je u suprotnosti s našim pojmovima zdravog razuma. A sve zato što nam zdrav razum govori stvari koje su preuzete iz svakodnevnog iskustva, a u našem svakodnevnom iskustvu imamo posla samo sa velikim objektima i pojavama makrokosmosa, a na atomskom i subatomskom nivou materijalne čestice se ponašaju sasvim drugačije. Heisenbergov princip nesigurnosti je upravo značenje ovih razlika. U makrokosmosu možemo pouzdano i nedvosmisleno odrediti lokaciju (prostorne koordinate) bilo kojeg objekta (na primjer, ove knjige). Nije bitno da li koristimo ravnalo, radar, sonar, fotometriju ili bilo koju drugu metodu mjerenja, rezultati mjerenja će biti objektivni i neovisni o položaju knjige (naravno, pod uvjetom da ste pažljivi u procesu mjerenja) . Odnosno, moguće su neke nesigurnosti i nepreciznosti - ali samo zbog invalidnosti mjerni instrumenti i greške posmatranja. Da bismo dobili preciznije i pouzdanije rezultate, potrebno je samo uzeti precizniji mjerni uređaj i pokušati ga koristiti bez grešaka.

Sada, ako umjesto koordinata knjige, trebamo izmjeriti koordinate mikročestice, kao što je elektron, onda više ne možemo zanemariti interakcije između mjernog uređaja i objekta mjerenja. Sila djelovanja ravnala ili drugog mjernog uređaja na knjigu je zanemarljiva i ne utječe na rezultate mjerenja, ali da bismo izmjerili prostorne koordinate elektrona, moramo pokrenuti foton, drugi elektron ili drugu elementarnu česticu. energije uporedivih sa izmjerenim elektronom u njegovom smjeru i izmjeriti njegovo odstupanje. Ali u isto vrijeme, sam elektron, koji je predmet mjerenja, promijenit će svoj položaj u prostoru kao rezultat interakcije s ovom česticom. Dakle, sam čin mjerenja dovodi do promjene položaja objekta koji se mjeri, a netačnost mjerenja je posljedica same činjenice mjerenja, a ne stepena tačnosti mjernog uređaja koji se koristi. Ovo je situacija sa kojom se moramo suočiti u mikrosvijetu. Mjerenje je nemoguće bez interakcije, a interakcija bez utjecaja na mjerni objekt i, kao rezultat, izobličenja rezultata mjerenja.

O rezultatima ove interakcije može se reći samo jedno:

prostorna koordinatna nesigurnost × nesigurnost brzine čestice > h/m,

ili, matematički rečeno:

Δ x × Δ v > h/m

gdje je ∆ x i Δ v - nesigurnost prostornog položaja i brzine čestice, respektivno, h- Plankova konstanta i m - masa čestica.

U skladu s tim, neizvjesnost nastaje kada se određuju prostorne koordinate ne samo elektrona, već i bilo koje subatomske čestice, i ne samo koordinata, već i drugih svojstava čestica, poput brzine. Greška mjerenja bilo kojeg takvog para međusobno povezanih karakteristika čestice određuje se na sličan način (primjer drugog para je energija koju emituje elektron i dužina vremena tokom kojeg se emituje). Odnosno, ako smo, na primjer, uspjeli izmjeriti prostorni položaj elektrona sa velikom preciznošću, onda smo u istom trenutku imamo samo najnejasniju predstavu o njegovoj brzini, i obrnuto. Naravno, kod stvarnih mjerenja ova dva ekstrema ne dosežu, a situacija je uvijek negdje na sredini. Odnosno, ako smo uspjeli, na primjer, izmjeriti položaj elektrona s tačnošću od 10 -6 m, onda možemo istovremeno mjeriti njegovu brzinu, u najboljem slučaju, s tačnošću od 650 m/s.

Zbog principa nesigurnosti, opis objekata kvantnog mikrosvijeta je drugačije prirode od uobičajenog opisa objekata njutnovskog makrokosmosa. Umjesto prostornih koordinata i brzine, kojima smo opisali mehaničko kretanje, na primjer, lopte na bilijarskom stolu, u kvantnoj mehanici objekti se opisuju tzv. valna funkcija. Vrh "talasa" odgovara maksimalnoj vjerovatnoći pronalaska čestice u prostoru u trenutku mjerenja. Kretanje takvog talasa opisano je Schrödingerovom jednačinom, koja nam govori kako se stanje kvantnog sistema mijenja tokom vremena.

Slikarstvo kvantni događaji u mikrokosmosu, nacrtan Schrödingerovom jednačinom, je takav da se čestice porede sa pojedinačnim plimnim talasima koji se šire po površini okeanskog prostora. Vremenom se talasni vrh (koji odgovara vrhuncu verovatnoće pronalaska čestice, kao što je elektron, u svemiru) pomera u prostoru u skladu sa talasnom funkcijom, što je rešenje za ovu diferencijalna jednadžba. Shodno tome, ono što nam se tradicionalno predstavlja kao čestica, na kvantnom nivou, pokazuje niz karakteristika svojstvenih talasima.

Koordinacija valnih i korpuskularnih svojstava objekata mikrosvijeta ( cm. De Broglieova relacija) postala je moguća nakon što su se fizičari složili da objekte kvantnog svijeta razmatraju ne kao čestice ili valove, već kao nešto srednje i što ima i valna i korpuskularna svojstva; ne postoje analogi takvim objektima u Njutnovoj mehanici. Iako čak i uz takvo rješenje, još uvijek postoji dovoljno paradoksa u kvantnoj mehanici ( cm. Bellov teorem), još niko nije predložio najbolji model za opisivanje procesa koji se dešavaju u mikrosvijetu.

OSNOVNI PRINCIPI KVANTNE MEHANIKE.

Naziv parametra	Značenje
Tema članka:	OSNOVNI PRINCIPI KVANTNE MEHANIKE.
Rubrika (tematska kategorija)	Mehanika

Godine 1900. ᴦ. Njemački fizičar Max Planck sugerirao je da se emisija i apsorpcija svjetlosti materijom događa u konačnim dijelovima - kvantima, a energija svakog kvanta je proporcionalna frekvenciji emitiranog zračenja:

gdje je frekvencija emitiranog (ili apsorbiranog) zračenja, a h je univerzalna konstanta koja se naziva Planckova konstanta. Prema savremenim podacima

h \u003d (6,62618 0,00004) ∙ 10 -34 J ∙ s.

Planckova hipoteza bila je polazna tačka za nastanak kvantnih koncepata, koji su činili osnovu fundamentalno nove fizike - fizike mikrosvijeta, nazvane kvantna fizika. Duboke ideje danskog fizičara Nielsa Bohra i njegove škole odigrale su veliku ulogu u njegovom razvoju. U osnovi kvantne mehanike leži konzistentna sinteza korpuskularnih i valnih svojstava materije. Talas je veoma proširen proces u svemiru (sjetite se valova na vodi), a čestica je mnogo lokalniji objekt od vala. Svetlost se pod određenim uslovima ne ponaša kao talas, već kao tok čestica. Istovremeno, elementarne čestice ponekad pokazuju valna svojstva. U okviru klasične teorije nemoguće je kombinovati valna i korpuskularna svojstva. Iz tog razloga, stvaranje nove teorije koja opisuje obrasce mikrokosmosa dovelo je do odbacivanja konvencionalnih ideja koje vrijede za makroskopske objekte.

Sa kvantne tačke gledišta, i svetlost i čestice su složeni objekti koji pokazuju i talasna i čestična svojstva (tzv. dualnost talasa i čestice). Stvaranje kvantne fizike potaknuto je pokušajima da se sagleda struktura atoma i pravilnosti emisionih spektra atoma.

Krajem 19. stoljeća otkriveno je da kada svjetlost padne na površinu metala, iz potonjeg se emituju elektroni. Ovaj fenomen je nazvan fotoelektrični efekat.

Godine 1905. ᴦ. Ajnštajn je objasnio fotoelektrični efekat na osnovu kvantne teorije. Uveo je pretpostavku da se energija u snopu monokromatske svjetlosti sastoji od dijelova čija je veličina jednaka h. Fizička dimenzija h je vrijeme∙energija=dužina∙momentum= moment impulsa. Ovu dimenziju posjeduje veličina koja se zove akcija, a u vezi s tim, h se naziva elementarni kvant akcije. Prema Ajnštajnu, elektron u metalu, apsorbujući takav deo energije, obavlja rad izlaza iz metala i dobija kinetičku energiju

E k \u003d h − A out.

Ovo je Einsteinova jednadžba za fotoelektrični efekat.

Diskretni dijelovi svjetlosti su kasnije (1927. ᴦ.) nazvani fotoni.

U nauci pri određivanju matematičkog aparata uvijek treba polaziti od prirode posmatranih eksperimentalnih pojava. Njemački fizičar Schrödinger postigao je velika dostignuća isprobavši drugačiju strategiju naučnog istraživanja: prvo matematiku, a zatim razumijevanje njenog fizičkog značenja i, kao rezultat, tumačenje prirode kvantnih fenomena.

Bilo je jasno da jednačine kvantne mehanike moraju biti valovite (na kraju krajeva, kvantni objekti imaju valna svojstva). Ove jednačine moraju imati diskretna rješenja (elementi diskretnosti su svojstveni kvantnim fenomenima). Jednačine ove vrste bile su poznate u matematici. Fokusirajući se na njih, Schrödinger je predložio korištenje koncepta valne funkcije ʼʼψʼʼ. Za česticu koja se slobodno kreće duž X ose, talasna funkcija ψ=e - i|h(Et-px) , gde je p impuls, x je koordinata, E-energija, h-Plankova konstanta. Funkcija ʼʼψʼʼ se obično naziva valna funkcija jer se za njeno opisivanje koristi eksponencijalna funkcija.

Stanje čestice u kvantnoj mehanici opisuje se talasnom funkcijom, što omogućava da se odredi samo verovatnoća pronalaska čestice u datoj tački prostora. Talasna funkcija ne opisuje sam objekt, pa čak ni njegove mogućnosti. Operacije sa talasnom funkcijom omogućavaju izračunavanje verovatnoće kvantnomehaničkih događaja.

Osnovni principi kvantne fizike su principi superpozicije, neodređenosti, komplementarnosti i identiteta.

Princip superpozicije u klasičnoj fizici vam omogućava da dobijete rezultujući efekat od superponiranja (superpozicije) nekoliko nezavisnih uticaja kao zbir efekata izazvanih svakim uticajem posebno. Vrijedi za sisteme ili polja opisana linearnim jednadžbama. Ovaj princip je veoma važan u mehanici, teoriji oscilacija i talasnoj teoriji fizičkih polja. U kvantnoj mehanici, princip superpozicije se odnosi na valne funkcije: ako fizički sistem može biti u stanjima opisanim sa dvije ili više valnih funkcija ψ 1, ψ 2,…ψ ń, onda može biti u stanju opisanom bilo kojom linearnom kombinacijom od ovih funkcija:

Ψ=c 1 ψ 1 +c 2 ψ 2 +….+s n ψ n ,

gdje su s 1 , s 2 ,…s n proizvoljni kompleksni brojevi.

Princip superpozicije je usavršavanje odgovarajućih koncepata klasične fizike. Prema ovom poslednjem, u mediju koji ne menja svoja svojstva pod uticajem perturbacija, talasi se šire nezavisno jedan od drugog. Posljedično, rezultirajuća perturbacija u bilo kojoj tački medija kada se u njoj širi nekoliko valova jednaka je zbroju perturbacija koje odgovaraju svakom od ovih valova:

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

gdje su S 1 , S 2,….. S n perturbacije uzrokovane talasom. U slučaju neharmoničnog talasa, on se može predstaviti kao zbir harmonijskih talasa.

Princip neizvjesnosti je da je nemoguće istovremeno odrediti dvije karakteristike mikročestice, na primjer, brzinu i koordinate. On odražava dualnu korpuskularno-valnu prirodu elementarnih čestica. Greške, nepreciznosti, greške u istovremenom određivanju dodatnih veličina u eksperimentu povezane su relacijom nesigurnosti uspostavljenom 1925ᴦ. Werner Heisenberg. Relacija nesigurnosti je da je proizvod netačnosti bilo kojeg para dodatnih veličina (na primjer, koordinata i projekcija momenta na nju, energija i vrijeme) određen Planckovom konstantom h. Relacije nesigurnosti ukazuju na to da što je specifičnija vrijednost jednog od parametara uključenih u odnos, to je nesigurnija vrijednost drugog parametra i obrnuto. To znači da se parametri mjere istovremeno.

Klasična fizika nas je naučila da se svi parametri objekata i procesi koji se s njima odvijaju mogu mjeriti istovremeno sa bilo kojom tačnošću. Ovu poziciju opovrgava kvantna mehanika.

Danski fizičar Niels Bohr došao je do zaključka da su kvantni objekti relativni u odnosu na sredstva posmatranja. O parametrima kvantnih fenomena može se suditi tek nakon njihove interakcije sa sredstvom za posmatranje, ᴛ.ᴇ. sa aparatima. Ponašanje atomskih objekata ne može se oštro razlikovati od njihove interakcije sa merni instrumenti, fiksirajući uslove pod kojima se ovi fenomeni javljaju. Istovremeno, potrebno je uzeti u obzir da su instrumenti koji se koriste za mjerenje parametara različitih tipova. Podaci dobijeni od različitim uslovima iskustvo͵ treba smatrati dodatnim u smislu da samo skup različitih mjerenja može dati potpunu sliku svojstava objekta. Ovo je sadržaj principa komplementarnosti.

U klasičnoj fizici se smatralo da mjerenje ne ometa predmet proučavanja. Mjerenje ostavlja objekt nepromijenjen. Prema kvantnoj mehanici, svako pojedinačno mjerenje uništava mikro-objekt. Za izvođenje novog mjerenja potrebno je ponovo pripremiti mikroobjekt. Ovo komplikuje proces sinteze mjerenja. U tom smislu, Bohr tvrdi komplementarnost kvantnih mjerenja. Podaci klasičnih mjerenja nisu komplementarni, imaju nezavisno značenje nezavisno jedan od drugog. Komplementacija se odvija tamo gde se predmeti koji se proučavaju ne razlikuju jedan od drugog i međusobno povezani.

Bohr je načelo komplementarnosti povezao ne samo s fizičkim znanostima: ʼʼcjelinost živih organizama i karakteristike ljudi sa svijesti, kao i ljudske kulture, predstavljaju obilježja cjeline za čije prikazivanje je potreban tipično komplementaran način opisaʼʼ. Prema Boru, mogućnosti živih bića su toliko raznolike i tako usko povezane da se prilikom njihovog proučavanja opet treba obratiti na proceduru dopunjavanja podataka opservacije. Istovremeno, ova Bohrova ideja nije dobila odgovarajući razvoj.

Osobine i specifičnosti interakcija između komponenti složenih mikro- i makrosistema. kao i vanjske interakcije između njih dovodi do njihove ogromne raznolikosti. Individualnost je karakteristična za mikro- i makrosisteme, svaki sistem je opisan skupom svih mogućih svojstava svojstvenih samo njemu. Možete imenovati razlike između jezgra vodonika i uranijuma, iako se oba odnose na mikrosisteme. Nema manje razlike između Zemlje i Marsa, iako ove planete pripadaju istom Sunčevom sistemu.

Tako je moguće govoriti o identitetu elementarnih čestica. Identične čestice imaju isto fizička svojstva: masa, električni naboj i druge unutrašnje karakteristike. Na primjer, svi elektroni Univerzuma se smatraju identičnima. Identične čestice se pokoravaju principu identičnosti – temeljnom principu kvantne mehanike, prema kojem: stanja sistema čestica dobijenih jedno od drugog preraspoređivanjem identičnih čestica na mjestima ne mogu se razlikovati ni u jednom eksperimentu.

Ovaj princip je glavna razlika između klasične i kvantne mehanike. U kvantnoj mehanici, identične čestice su lišene individualnosti.

STRUKTURA ATOMA I NUKLEARA. ELEMENTARNE ČESTICE.

Prve ideje o strukturi materije nastale su u Ancient Greece u 6.-4. veku BC. Aristotel je smatrao da je materija kontinuirana, ᴛ.ᴇ. može se podijeliti na proizvoljno male dijelove, ali nikada ne doseći najmanju česticu koja se dalje ne bi podijelila. Demokrit je vjerovao da se sve na svijetu sastoji od atoma i praznine. Atomi su najmanje čestice materije, što znači "nedjeljive", a u Demokritovom prikazu atomi su sfere sa nazubljenom površinom.

Takav pogled na svet postojao je do kraja 19. veka. Godine 1897ᴦ. Joseph John Thomson (1856-1940ᴦ.ᴦ.), sin W. Thomsona, dva puta dobitnika Nobelove nagrade, otkrio je elementarnu česticu, koja se zvala elektron. Utvrđeno je da elektron izleti iz atoma i ima negativan električni naboj. Veličina naboja elektrona e\u003d 1.6.10 -19 C (Coulomb), masa elektrona m\u003d 9.11.10 -31 kᴦ.

Nakon otkrića elektrona, Thomson je 1903. iznio hipotezu da je atom sfera na kojoj je razmazan pozitivni naboj, a elektroni s negativnim nabojem isprepleteni u obliku grožđica. Pozitivan naboj je jednak negativnom, generalno, atom je električno neutralan (ukupni naboj je 0).

1911. godine, provodeći eksperiment, Ernst Rutherford je otkrio da se pozitivni naboj ne širi po volumenu atoma, već zauzima samo mali dio njega. Nakon toga je iznio model atoma, koji je kasnije postao poznat kao planetarni. Prema ovom modelu, atom je zaista sfera, u čijem se središtu nalazi pozitivan naboj, koji zauzima mali dio ove sfere - oko 10 -13 cm.Negativni naboj se nalazi na vanjskom, tzv. školjka.

Savršeniji kvantni model atoma predložio je danski fizičar N. Bohr 1913. godine, koji je radio u Rutherfordovoj laboratoriji. Uzeo je Rutherfordov model atoma kao osnovu i dopunio ga novim hipotezama koje su u suprotnosti s klasičnim idejama. Ove hipoteze su poznate kao Borovi postulati. Οʜᴎ se svode na sljedeće.

1. Svaki elektron u atomu može izvršiti stabilno orbitalno kretanje duž određene orbite, sa određenom vrijednošću energije, bez emitiranja ili apsorpcije elektromagnetnog zračenja. U ovim stanjima atomski sistemi imaju energije koje formiraju diskretni niz: E 1 , E 2 ,…E n . Svaka promjena energije kao rezultat emisije ili apsorpcije elektromagnetnog zračenja može se dogoditi u skoku iz jednog stanja u drugo.

2. Kada se elektron kreće iz jedne stacionarne orbite u drugu, energija se emituje ili apsorbuje. Ako se tokom prelaska elektrona iz jedne orbite u drugu, energija atoma promijeni iz E m u E n, tada h v= E m - E n , gdje je v je frekvencija zračenja.

Bohr je koristio ove postulate da izračuna najjednostavniji atom vodika,

Područje u kojem je koncentriran pozitivni naboj naziva se jezgro. Postojala je pretpostavka da se jezgro sastoji od pozitivnih elementarnih čestica. Ove čestice, nazvane protoni (na grčkom proton znači prvi), otkrio je Rutherford 1919. godine. Njihov modulo naboj je jednak naboju elektrona (ali pozitivan), masa protona je 1,6724,10 -27 kᴦ. Postojanje protona potvrđeno je umjetnom nuklearnom reakcijom koja pretvara dušik u kisik. Atomi dušika su ozračeni jezgrima helijuma. Rezultat je bio kisik i proton. Proton je stabilna čestica.

Godine 1932. James Chadwick je otkrio česticu koja nije imala električni naboj i imala je masu skoro jednaku masi protona. Ova čestica se zvala neutron. Masa neutrona je 1.675.10 -27 kᴦ. Neutron je otkriven zračenjem berilijumske ploče alfa česticama. Neutron je nestabilna čestica. Nedostatak naboja objašnjava njegovu laku sposobnost da prodre u jezgra atoma.

Otkriće protona i neutrona dovelo je do stvaranja proton-neutronskog modela atoma. Predložili su ga 1932. sovjetski fizičari Ivanenko, Gapon i njemački fizičar Heisenberg. Prema ovom modelu, jezgro atoma se sastoji od protona i neutrona, sa izuzetkom jezgra vodika, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ se sastoji od jednog protona.

Naboj jezgra određen je brojem protona u njemu i označen je simbolom Z . Čitava masa atoma sadržana je u masi njegovog jezgra i određena je masom protona i neutrona koji ulaze u njega, budući da je masa elektrona zanemariva u odnosu na mase protona i neutrona. Serijski broj u periodni sistem Mendeljejev odgovara naboju jezgra datog hemijskog elementa. Maseni broj atoma A jednaka je masi neutrona i protona: A=Z+N, Gdje Z je broj protona, N je broj neutrona. Konvencionalno, bilo koji element se označava simbolom: A X z .

Postoje kerneli koji sadrže isti broj protona, ali različit broj neutrona, ᴛ.ᴇ. različite masene brojeve. Takva jezgra se nazivaju izotopi. npr. 1 H 1 - obični vodonik 2 N 1 - deuterijum, 3 N 1 - tricijum. Najstabilnija jezgra su ona u kojima je broj protona jednak broju neutrona ili oba u isto vrijeme = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 - magični brojevi.

Dimenzije atoma su otprilike 10-8 cm.Atom se sastoji od jezgra veličine 10-13cm.Između jezgra atoma i granice atoma postoji ogroman prostor u smislu razmjera u mikrosvijetu. Gustina u jezgru atoma je ogromna, otprilike 1,5·108 t/cm 3 . Hemijski elementi mase A<50 называются легкими, а с А>50 - težak. u jezgri teški elementi gužva, ᴛ.ᴇ. stvara se energetski preduslov za njihov radioaktivni raspad.

Energija potrebna za razdvajanje jezgra na nukleone koji su mu sastavni naziva se energija vezivanja. (Nukloni su generalizovani naziv za protone i neutrone, a prevedeno na ruski znači ʼʼnuklearne česticeʼʼ):

E sv \u003d Δm∙s 2,

Gdje ∆m je defekt nuklearne mase (razlika između masa nukleona koji formiraju jezgro i mase jezgra).

Godine 1928ᴦ. Teorijski fizičar Dirac predložio je teoriju elektrona. Elementarne čestice mogu se ponašati kao talas - imaju dualnost talas-čestica. Diracova teorija je omogućila da se odredi kada se elektron ponaša kao talas, a kada kao čestica. Zaključio je da mora postojati elementarna čestica koja ima ista svojstva kao elektron, ali sa pozitivnim nabojem. Takva čestica je kasnije otkrivena 1932. i nazvana pozitron. Američki fizičar Andersen otkrio je na fotografiji kosmičkih zraka trag čestice slične elektronu, ali s pozitivnim nabojem.

Iz teorije je slijedilo da elektron i pozitron, u interakciji jedan s drugim (reakcija anihilacije), formiraju par fotona, ᴛ.ᴇ. kvanti elektromagnetnog zračenja. Moguć je i obrnuti proces, kada se foton, u interakciji sa jezgrom, pretvara u par elektron-pozitron. Svaka čestica je povezana s valnom funkcijom, čiji je kvadrat amplitude jednak vjerovatnoći pronalaska čestice u određenom volumenu.

Pedesetih godina prošlog veka dokazano je postojanje antiprotona i antineutrona.

Još prije 30 godina vjerovalo se da su neutroni i protoni elementarne čestice, ali eksperimenti o interakciji protona i elektrona koji se kreću velikom brzinom pokazali su da se protoni sastoje od još manjih čestica. Ove čestice je prvi proučavao Gell Mann i nazvao ih kvarkovi. Poznato je nekoliko varijanti kvarkova. Pretpostavlja se da postoji 6 ukusa: U - kvark (gore), d-kvark (dole), čudan kvark (čudan), šarm kvark (čar), b - kvark (ljepota), t-kvark (istina) ..

Svaki ukus kvarka ima jednu od tri boje: crvenu, zelenu, plavu. Ovo je samo oznaka, jer Kvarkovi su mnogo manji od talasne dužine vidljive svetlosti i stoga nemaju boju.

Razmotrimo neke karakteristike elementarnih čestica. U kvantnoj mehanici svakoj čestici pripisuje se poseban mehanički moment, koji nije povezan ni s njenim kretanjem u prostoru ni s rotacijom. Ovaj sopstveni mehanički moment se zove. nazad. Dakle, ako rotirate elektron za 360 o, očekivali biste da će se vratiti u prvobitno stanje. U ovom slučaju, početno stanje će se postići samo sa još jednom rotacijom od 360°. Odnosno, da bi se elektron vratio u prvobitno stanje, mora se zarotirati za 720 o, u poređenju sa spinom, svijet percipiramo samo napola. Na primjer, na dvostrukoj žičanoj petlji, perla će se vratiti u prvobitni položaj kada se okrene za 720 stupnjeva. Takve čestice imaju polucijeli spin ½. Spin nam govori kako čestica izgleda kada se posmatra iz različitih uglova. Na primjer, čestica sa spinom ʼʼ0ʼʼ izgleda kao tačka: izgleda isto sa svih strana. Čestica sa okretom od ʼʼ1ʼʼ može se uporediti sa strelicom: izgleda drugačije s različitih strana i vraća se u svoj prijašnji oblik kada se rotira za 360 o. Čestica sa okretom od ʼʼ2ʼʼ može se uporediti sa strelicom izoštrenom na obje strane: bilo koji njen položaj se ponavlja od pola okreta (180 o). Čestice većeg okreta se vraćaju u prvobitno stanje kada se rotiraju za još manji dio pune revolucije.

Čestice sa polucijelim spinom nazivaju se fermioni, a čestice sa cjelobrojnim spinom nazivaju se bozoni. Donedavno se vjerovalo da su bozoni i fermioni jedini mogući tipovi nerazlučive čestice. U stvari, postoji niz međumogućnosti, a fermioni i bozoni su samo dva ograničavajuća slučaja. Takva klasa čestica naziva se anjoni.

Čestice materije se pokoravaju Paulijevom principu isključenja, koji je 1923. otkrio austrijski fizičar Wolfgang Pauli. Paulijev princip kaže da u sistemu od dvije identične čestice sa polucijelim spinovima više od jedne čestice ne može biti u istom kvantnom stanju. Nema ograničenja za čestice sa cjelobrojnim spinom. To znači da dvije identične čestice ne mogu imati iste koordinate i brzine s točnošću određenom principom nesigurnosti. Ako čestice materije imaju vrlo bliske koordinate, onda njihove brzine moraju biti različite, pa stoga ne mogu dugo ostati u tačkama sa ovim koordinatama.

U kvantnoj mehanici, pretpostavlja se da sve sile i interakcije između čestica nose čestice sa cjelobrojnim spinovima od 0,1,2. To se događa na sljedeći način: na primjer, čestica materije emituje česticu koja je nosilac interakcije (na primjer, foton). Kao rezultat trzaja, brzina čestice se mijenja. Zatim, čestica nosača ʼʼudariʼʼ na drugu česticu supstance i ona se apsorbuje. Ovaj sudar mijenja brzinu druge čestice, kao da između ove dvije čestice materije djeluje sila. Čestice nosača koje se razmenjuju između čestica materije nazivaju se virtuelnim, jer se, za razliku od stvarnih, ne mogu registrovati pomoću detektora čestica. Međutim, oni postoje jer stvaraju učinak koji se može izmjeriti.

Čestice nosača mogu se klasifikovati u 4 tipa na osnovu količine interakcije koju nose i na osnovu kojih čestica stupaju u interakciju i sa kojim česticama su u interakciji:

1) Gravitaciona sila. Svaka čestica je pod dejstvom gravitacione sile, čija veličina zavisi od mase i energije čestice. Ovo je slaba sila. Gravitacijske sile djeluju na velikim udaljenostima i uvijek su privlačne sile. Tako, na primjer, gravitacijska interakcija drži planete u njihovim orbitama i nas na Zemlji.

U kvantnom mehaničkom pristupu gravitacionom polju, vjeruje se da se sila koja djeluje između čestica materije prenosi česticama sa spinom od ʼʼ2ʼʼ, što se obično naziva graviton. Graviton nema vlastitu masu, a u vezi s tim, sila koju prenosi je dalekosežna. Gravitaciona interakcija između Sunca i Zemlje objašnjava se činjenicom da čestice koje čine Sunce i Zemlju razmjenjuju gravitone. Efekat razmene ovih virtuelnih čestica je merljiv, jer je taj efekat rotacija Zemlje oko Sunca.

2) Kreira se sljedeća vrsta interakcije elektromagnetne sile koji djeluju između električno nabijenih čestica. Elektromagnetska sila je mnogo jača od sile gravitacije: elektromagnetna sila koja djeluje između dva elektrona je oko 1040 puta veća od gravitacijske sile. Elektromagnetna interakcija određuje postojanje stabilnih atoma i molekula (interakcija između elektrona i protona). Nositelj elektromagnetne interakcije je foton.

3) Slaba interakcija. Odgovoran je za radioaktivnost i postoji između svih čestica materije sa spinom ½. Slaba interakcija obezbeđuje dugo i ravnomerno sagorevanje našeg Sunca, koje obezbeđuje energiju za tok svih bioloških procesa na Zemlji. Nosioci slabe interakcije su tri čestice - W ± i Z 0 -bozon. Οʜᴎ su otkriveni tek 1983.ᴦ. Radijus slabe interakcije je izuzetno mali, u vezi s tim, njegovi nosioci moraju imati velike mase. U skladu sa principom nesigurnosti, životni vijek čestica tako velike mase trebao bi biti izuzetno kratak - 10 -26 s.

4) Jaka interakcija je interakcija, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ drži kvarkove unutar protona i neutrona, a protone i neutrone unutar atomsko jezgro. Nosilac jake interakcije smatra se čestica sa spinom od ʼʼ1ʼʼ, koja se obično naziva gluonom. Gluoni stupaju u interakciju samo s kvarkovima i drugim gluonima. Kvarkovi su, zahvaljujući gluonima, povezani u parove ili trojke. Jaka sila pri visokim energijama slabi i kvarkovi i gluoni počinju da se ponašaju kao slobodne čestice. Ovo svojstvo se naziva asimptotska sloboda. Kao rezultat eksperimenata na moćnim akceleratorima, dobijene su fotografije tragova (tragova) slobodnih kvarkova, nastalih kao rezultat sudara visokoenergetskih protona i antiprotona. Snažna interakcija osigurava relativnu stabilnost i postojanje atomskih jezgara. Jake i slabe interakcije karakteristične su za procese mikrokosmosa koji dovode do međusobnih transformacija čestica.

Jake i slabe interakcije postale su poznate čovjeku tek u prvoj trećini 20. stoljeća u vezi sa proučavanjem radioaktivnosti i razumijevanjem rezultata bombardiranja atoma različitih elemenata α-česticama. alfa čestice uništavaju i protone i neutrone. Svrha rasuđivanja navela je fizičare da vjeruju da protoni i neutroni sjede u jezgrama atoma, čvrsto vezani jedni za druge. Postoje jake interakcije. S druge strane, radioaktivne supstance emituju α-, β- i γ-zrake. Kada je 1934. godine Fermi stvorio prvu teoriju dovoljno adekvatnu eksperimentalnim podacima, morao je pretpostaviti prisustvo u jezgrima atoma zanemarivih intenziteta interakcija, koje se počelo nazivati ​​slabim.

Sada se ulažu napori da se kombinuju elektromagnetne, slabe i jake sile kako bi se formirala tzv. TEORIJA VELIKOG UJEDINJENJA. Ova teorija baca svjetlo na samo naše postojanje. Moguće je da je naše postojanje posljedica formiranja protona. Čini se da je takva slika početka Univerzuma najprirodnija. Zemaljska materija se uglavnom sastoji od protona, ali u njoj nema ni antiprotona ni antineutrona. Eksperimenti sa kosmičkim zracima pokazali su da isto važi za svu materiju u našoj galaksiji.

Karakteristike jakih, slabih, elektromagnetnih i gravitacionih interakcija date su u tabeli.

Redoslijed intenziteta svake interakcije, naznačen u tabeli, određen je u odnosu na intenzitet jake interakcije, uzet kao 1.

Dajemo klasifikaciju trenutno najpoznatijih elementarnih čestica.

PHOTON. Masa mirovanja i njegov električni naboj jednaki su 0. Foton ima cjelobrojni spin i bozon je.

LEPTONS. Ova klasa čestica ne učestvuje u jakoj interakciji, ali ima elektromagnetne, slabe i gravitacione interakcije. Leptoni imaju polucijeli spin i fermioni su. Elementarnim česticama uključenim u ovu grupu pripisuje se određena karakteristika koja se zove leptonski naboj. Leptonski naboj, za razliku od električnog, nije izvor bilo kakve interakcije, njegova uloga još nije u potpunosti razjašnjena. Vrijednost leptonskog naboja za leptone je L=1, za antileptone L= -1, za sve ostale elementarne čestice L=0.

MESONS. To su nestabilne čestice koje karakteriše jaka interakcija. Naziv ʼʼmezonʼʼ znači ʼʼsrednjiʼʼ i nastaje zbog činjenice da su prvobitno otkriveni mezoni imali masu veću od mase elektrona, ali manju od mase protona. Danas su poznati mezoni, čije su mase veće od mase protona. Svi mezoni imaju cjelobrojni spin i stoga su bozoni.

BARYONS. Ova klasa uključuje grupu teških elementarnih čestica sa polucijelim spinom (fermioni) i masom ne manjom od protona. Jedini stabilan barion je proton, neutron je stabilan samo unutar jezgra. Barione karakteriziraju 4 tipa interakcije. U svim nuklearnim reakcijama i interakcijama njihov ukupan broj ostaje nepromijenjen.

OSNOVNI PRINCIPI KVANTNE MEHANIKE. - koncept i vrste. Klasifikacija i karakteristike kategorije "OSNOVNI PRINCIPI KVANTNE MEHANIKE." 2017, 2018.

Kvantna mehanika je fundamentalna fizička teorija koja proširuje, usavršava i kombinuje rezultate klasične mehanike i klasične elektrodinamike u opisu mikroskopskih objekata. Ova teorija je osnova za mnoge oblasti fizike i hemije, uključujući fiziku čvrsto telo, kvantna hemija i fizika elementarnih čestica. Izraz "kvant" (od latinskog Quantum - "koliko") povezan je s diskretnim dijelovima koje teorija pripisuje određenim fizičkim veličinama, na primjer, energijom atoma.

Mehanika je nauka koja opisuje kretanje tijela i sa njim su povezane fizičke veličine, poput energije ili momenta. Daje tačne i pouzdane rezultate za mnoge fenomene. Ovo se odnosi i na mikroskopske fenomene (ovde klasična mehanika nije u stanju da objasni čak ni postojanje stabilnog atoma), i na neke makroskopske fenomene, kao što su supravodljivost, superfluidnost ili zračenje crnog tela. Za više od jednog veka postojanja kvantne mehanike, njena predviđanja nikada nisu bila osporena eksperimentom. Kvantna mehanika objašnjava najmanje tri vrste fenomena koje klasična mehanika i klasična elektrodinamika ne mogu opisati:

1) kvantizacija nekih fizičkih veličina;

2) korpuskularno-talasni dualizam;

3) postojanje mješovitih kvantnih stanja.

Kvantna mehanika se može formulisati kao relativistička ili nerelativistička teorija. Iako je relativistička kvantna mehanika jedna od najosnovnijih teorija, nerelativistička kvantna mehanika se također često koristi za praktičnost.

Teorijska osnova kvantne mehanike

Različite formulacije kvantne mehanike

Jedna od prvih formulacija kvantne mehanike je "valna mehanika" koju je predložio Erwin Schrödinger. U ovom konceptu, stanje sistema koji se proučava je određeno "talasnom funkcijom", koja odražava distribuciju vjerovatnoće svih mjerenih fizičkih veličina sistema. Kao što su energija, koordinate, impuls ili ugaoni moment. Talasna funkcija (sa matematičke tačke gledišta) je kompleksna kvadratno integrabilna funkcija koordinata i vremena sistema.

U kvantnoj mehanici, fizičke veličine nisu povezane sa određenim numeričkim vrijednostima. S druge strane, daju se pretpostavke o distribuciji vjerovatnoće vrijednosti mjerenog parametra. Ove vjerovatnoće će po pravilu zavisiti od oblika vektora stanja u vrijeme mjerenja. Iako, da budemo precizniji, svaka specifična vrijednost mjerene veličine odgovara određenom vektoru stanja, poznatom kao "svojstveno stanje" mjerene veličine.

Uzmimo konkretan primjer. Zamislite slobodnu česticu. Njegov vektor stanja je proizvoljan. Naš zadatak je odrediti koordinate čestice. Vlastito stanje koordinate čestice u prostoru je vektor stanja, a norma u određenoj tački x je dovoljno velika, dok je u bilo kojoj drugoj tački prostora nula. Ako sada izvršimo mjerenja, onda ćemo sa stopostotnom vjerovatnoćom dobiti vrijednost samog x.

Ponekad sistem koji nas zanima nije ni u svom stanju ni u fizičkoj veličini koju mjerimo. Međutim, ako pokušamo da izvršimo merenja, talasna funkcija će trenutno postati sopstveno stanje veličine koja se meri. Ovaj proces se naziva kolaps valne funkcije. Ako znamo valnu funkciju u trenutku prije mjerenja, onda možemo izračunati vjerovatnoću kolapsa u svako od mogućih svojstvenih stanja. Na primjer, slobodna čestica u našem prethodnom primjeru mjerenja imat će valnu funkciju, talasni je paket centriran u nekoj tački x0, nije vlastito stanje koordinate. Kada počnemo da merimo koordinate čestice, nemoguće je predvideti rezultat koji ćemo dobiti. Vjerovatno je, ali nije sigurno, da će biti blizu x0, gdje je amplituda valne funkcije velika. Nakon mjerenja, kada dobijemo neki rezultat x, valna funkcija kolabira u poziciju s vlastitim stanjem koncentrisanim tačno u x.

Vektori stanja su funkcije vremena. ψ = ψ (t) Schrödingerova jednačina određuje promjenu vektora stanja s vremenom.

Neki vektori stanja rezultiraju distribucijama vjerovatnoće koje su konstantne tokom vremena. Mnogi sistemi koji se u klasičnoj mehanici smatraju dinamičkim zapravo su opisani takvim "statičkim" funkcijama. Na primjer, elektron u nepobuđenom atomu u klasičnoj fizici se prikazuje kao čestica koja se kreće kružnom putanjom oko jezgra atoma, dok je u kvantnoj mehanici statičan, sferno simetričan oblak vjerovatnoće oko jezgra.

Evolucija vektora stanja tokom vremena je deterministička u smislu da se, s obzirom na određeni vektor stanja u početnom trenutku vremena, može precizno predvideti šta će biti u bilo kom drugom trenutku. Tokom procesa mjerenja, promjena konfiguracije vektora stanja je vjerovatnoća, a ne deterministička. Vjerovatna priroda kvantne mehanike se, dakle, očituje upravo u procesu mjerenja.

Postoji nekoliko interpretacija kvantne mehanike koje uvode novi koncept u sam čin mjerenja u kvantnoj mehanici. Glavno tumačenje kvantne mehanike, koje je danas opšte prihvaćeno, jeste probabilistička interpretacija.

Fizičke osnove kvantne mehanike

Princip nesigurnosti, koji kaže da postoje fundamentalne prepreke za precizno mjerenje dva ili više parametara sistema u isto vrijeme sa proizvoljnom greškom. U primjeru slobodne čestice, to znači da je fundamentalno nemoguće pronaći valnu funkciju koja bi bila vlastito stanje i momenta i koordinate. Iz ovoga slijedi da se koordinata i impuls ne mogu istovremeno odrediti sa proizvoljnom greškom. Sa povećanjem tačnosti mjerenja koordinate, smanjuje se i maksimalna tačnost mjerenja impulsa i obrnuto. Oni parametri za koje je takva tvrdnja tačna nazivaju se kanonski konjugiranim u klasičnoj fizici.

Eksperimentalna baza kvantne mehanike

Postoje neki eksperimenti koji se ne mogu objasniti bez uključivanja kvantne mehanike. Prva vrsta kvantnih efekata je kvantizacija određenih fizičkih veličina. Ako je slobodna čestica iz prethodnog primjera lokalizirana u pravokutnoj potencijalnoj bušotini - protoru području veličine L, ograničenom s obje strane beskonačno visokom potencijalnom barijerom, onda se ispostavlja da impuls čestice može imati samo određene diskretne vrijednosti, gdje je h Plankova konstanta, a n proizvoljan prirodan broj. Kaže se da su parametri koji mogu dobiti samo diskretne vrijednosti kvantizirani. Primeri kvantizovanih parametara su i ugaoni moment, ukupna energija sistema ograničenog u prostoru i energija elektromagnetnog zračenja određene frekvencije.

Drugi kvantni efekat je dualnost talas-čestica. Može se pokazati da pod određenim uvjetima eksperimenta mikroskopski objekti poput atoma ili elektrona poprimaju svojstva čestica (odnosno, mogu se lokalizirati u određenom području prostora). Pod drugim uslovima, isti objekti dobijaju svojstva talasa i ispoljavaju efekte poput interferencije.

Sljedeći kvantni efekat je efekat isprepletenih kvantnih stanja. U nekim slučajevima, vektor stanja sistema mnogih čestica ne može se predstaviti kao zbir pojedinačnih valnih funkcija koje odgovaraju svakoj od čestica. U ovom slučaju se kaže da su stanja čestica isprepletena. A onda će mjerenje, koje je obavljeno samo za jednu česticu, rezultirati kolapsom ukupne valne funkcije sistema, tj. takvo merenje će imati trenutni efekat na talasnu funkciju drugih čestica u sistemu, čak i ako su neke od njih na znatnoj udaljenosti. (Ovo nije u suprotnosti sa specijalnom teorijom relativnosti, jer je na ovaj način nemoguće prenijeti informacije na daljinu.)

Matematički aparat kvantne mehanike

U rigoroznom matematičkom aparatu kvantne mehanike, koji su razvili Paul Dirac i John von Neumann, moguća stanja kvantnomehaničkog sistema su predstavljeni vektorima stanja u kompleksnom odvojivom Hilbertovom prostoru. Evolucija kvantnog stanja opisana je Schrödingerovom jednačinom, u kojoj Hamiltonov operator, ili Hamiltonijan koji odgovara ukupnoj energiji sistema, određuje njegovu evoluciju u vremenu.

Svaki simulacioni parametar sistema predstavljen je hermitskim operatorima u prostoru stanja. Svako svojstveno stanje mjerenog parametra odgovara svojstvenom vektoru operatora, a odgovarajuća svojstvena vrijednost jednaka je vrijednosti mjerenog parametra u datom svojstvenom stanju. Tokom procesa merenja, verovatnoća prelaska sistema u jedno od sopstvenih stanja određuje se kao kvadrat skalarnog proizvoda vektora sopstvenog stanja i vektora stanja pre merenja. Mogući rezultati dimenzije su svojstvene vrijednosti operatora objašnjava izbor hermitskih operatora za koje su sve svojstvene vrijednosti realni brojevi. Distribucija vjerovatnoće mjerenog parametra može se dobiti izračunavanjem spektralne dekompozicije odgovarajućeg operatora (ovdje je spektar operatora zbir svih mogućih vrijednosti odgovarajuće fizičke veličine). Heisenbergov princip nesigurnosti odgovara činjenici da operatori odgovarajućih fizičkih veličina ne komutiraju jedan s drugim. Detalji o matematičkom aparatu izloženi su u posebnom članku Matematički aparat kvantne mehanike.

Analitičko rješenje Schrödingerove jednadžbe postoji za mali broj Hamiltonijana, na primjer, za harmonijski oscilator, model atoma vodika. Čak ni atom helija, koji se od atoma vodika razlikuje za jedan elektron, nema potpuno analitičko rješenje Schrödingerove jednadžbe. Međutim, postoje određene metode za približno rješenje ovih jednačina. Na primjer, metode teorije perturbacija, gdje se analitički rezultat rješavanja jednostavnog kvantnomehaničkog modela koristi za dobivanje rješenja za složenije sisteme, dodavanjem određene "perturbacije" u obliku, na primjer, potencijalne energije. Druga metoda, "Poluklasična jednačina kretanja" primjenjuje se na sisteme za koje kvantna mehanika proizvodi samo neznatna odstupanja od klasičnog ponašanja. Takva odstupanja mogu se izračunati metodama klasične fizike. Ovaj pristup je važan u teoriji kvantnog haosa, koja se ubrzano razvija posljednjih godina.

Interakcija sa drugim teorijama

Osnovni principi kvantne mehanike su prilično apstraktni. Oni tvrde da je prostor stanja sistema Hilbert i da fizičke veličine odgovaraju hermitskim operatorima koji deluju u ovom prostoru, ali ne navode konkretno o kakvoj se vrsti Hilbertovog prostora radi i kakvi su to operatori. Moraju biti odabrani na odgovarajući način kako bi se dobio kvantitativni opis kvantnog sistema. Važan vodič ovde je princip korespondencije, koji kaže da kvantnomehanički efekti prestaju da budu značajni, a sistem dobija karakteristike klasičnog kako se povećava njegova veličina. Ovo ograničenje "velikog sistema" naziva se i klasično ili podudarno ograničenje. Osim toga, može se započeti gledanjem klasičnog modela sistema, a zatim pokušati razumjeti koji kvantni model odgovara klasičnom koji je izvan granice podudaranja.

Kada je kvantna mehanika prvi put formulisana, primenjena je na modele koji su odgovarali klasičnim modelima. nerelativistička mehanika. Na primjer, dobro poznati model harmonijskog oscilatora koristi iskreno nerelativistički opis kinetičke energije oscilatora, kao i odgovarajući kvantni model.

Prvi pokušaji povezivanja kvantne mehanike sa specijalna teorija relativnost je dovela do zamjene Schrödingerove jednačine Diracovom jednačinom. Ove teorije su bile uspješne u objašnjavanju mnogih eksperimentalnih rezultata, ali su ignorirale činjenice kao što su relativističko stvaranje i anihilacija elementarnih čestica. Potpuno relativistička kvantna teorija zahtijeva razvoj kvantne teorije polja koja će primijeniti pojam kvantizacije na polje, a ne na fiksnu listu čestica. Prva završena kvantna teorija polja, kvantna elektrodinamika, daje u potpunosti kvantni opis procesa elektromagnetne interakcije.

Kompletan aparat kvantne teorije polja često je preteran za opis elektromagnetnih sistema. Jednostavan pristup preuzet iz kvantne mehanike predlaže razmatranje nabijenih čestica kao kvantnomehaničkih objekata u klasičnom elektromagnetnom polju. Na primjer, elementarni kvantni model atoma vodika opisuje elektromagnetno polje atoma koristeći klasični Coulomb potencijal (tj. obrnuto proporcionalan udaljenosti). Takav "pseudoklasični" pristup ne funkcionira ako kvantne fluktuacije elektromagnetnog polja, kao što je emisija fotona od strane nabijenih čestica, počnu igrati značajnu ulogu.

Razvijene su i kvantne teorije polja za jake i slabe nuklearne sile. Kvantna teorija polja za jake interakcije naziva se kvantna hromodinamika i opisuje interakciju subnuklearnih čestica – kvarkova i gluona. Slabe nuklearne i elektromagnetne sile su kombinovane u svom kvantnom obliku, u jednu kvantnu teoriju polja koja se naziva elektroslaba teorija.

Do sada nije bilo moguće izgraditi kvantni model gravitacije, posljednje od fundamentalnih sila. Pseudo-klasične aproksimacije rade, pa čak i omogućavaju neke efekte, kao što je Hawkingovo zračenje. Ali formulacija potpune teorije kvantne gravitacije je komplikovana postojećim kontradikcijama između opšte teorije relativnosti, najtačnije teorije gravitacije poznate danas i nekih fundamentalnih odredbi kvantne teorije. Presjek ovih kontradikcija je područje aktivnog znanstvenog istraživanja, a teorije poput teorije struna mogući su kandidati za naslov buduće teorije kvantne gravitacije.

Primjena kvantne mehanike

Kvantna mehanika je imala veliki uspeh u objašnjavanju mnogih fenomena životne sredine. Ponašanje mikroskopskih čestica koje formiraju sve oblike materije - elektrone, protone, neutrone itd. - često se može na zadovoljavajući način objasniti samo metodama kvantne mehanike.

Kvantna mehanika je važna u razumijevanju kako se pojedinačni atomi međusobno kombinuju da bi formirali hemijske elemente i jedinjenja. Primjena kvantne mehanike na hemijski procesi poznata kao kvantna hemija. Kvantna mehanika može unaprijediti kvalitativno novo razumijevanje procesa formiranja hemijska jedinjenja, pokazujući koji su molekuli energetski povoljniji od drugih i koliko. Većina proračuna u računarskoj hemiji zasnovana je na kvantnomehaničkim principima.

Moderna tehnologija je već dostigla tačku u kojoj kvantni efekti postaju važni. Primjeri su laseri, tranzistori, elektronski mikroskopi, magnetna rezonanca. Razvoj poluprovodnika doveo je do izuma diode i tranzistora, koji su nezamjenjivi u modernoj elektronici.

Istraživači su danas u potrazi za pouzdanim metodama za direktnu manipulaciju kvantnim stanjima. Učinjeni su uspješni pokušaji da se stvore temelji kvantne kriptografije, koja će omogućiti garantovani tajni prijenos informacija. Dalji cilj je razvoj kvantnih računara od kojih se očekuje da će moći implementirati određene algoritme sa mnogo većom efikasnošću od klasičnih računara. Druga tema aktivnog istraživanja je kvantna teleportacija, koja se bavi tehnologijama za prenošenje kvantnih stanja na značajne udaljenosti.

Filozofski aspekt kvantne mehanike

Od samog trenutka nastanka kvantne mehanike, njeni zaključci bili su u suprotnosti s tradicionalnom idejom svjetskog poretka, što je rezultiralo aktivnom filozofskom raspravom i pojavom mnogih interpretacija. Čak i takve fundamentalne odredbe kao što su pravila amplituda vjerovatnoće i distribucije vjerovatnoće koje je formulirao Max Born čekale su decenijama da ih naučna zajednica prihvati.

Drugi problem kvantne mehanike je taj što je priroda objekta koji istražuje nepoznata. U smislu da se koordinate objekta, odnosno prostorna distribucija vjerovatnoće njegovog prisustva, mogu odrediti samo ako ima određena svojstva (naboj, na primjer) i uslove okoline (prisustvo električnog potencijala).

Kopenhaška interpretacija, zahvaljujući prvenstveno Nielsu Bohru, osnovno je tumačenje kvantne mehanike od njenog nastanka do danas. Tvrdila je da se probabilistička priroda kvantnomehaničkih predviđanja ne može objasniti u terminima drugih determinističkih teorija i postavila ograničenja na naše znanje o okruženje. Kvantna mehanika stoga daje samo probabilističke rezultate, a sama priroda univerzuma je probabilistička, iako deterministička u novom kvantnom smislu.

Albert Einstein, i sam jedan od osnivača kvantne teorije, bio je neugodan zbog činjenice da u ovoj teoriji postoji odmak od klasičnog determinizma u određivanju vrijednosti fizičkih veličina objekata. Smatrao je da je postojeća teorija nepotpuna i da je trebalo postojati neka dodatna teorija. Stoga je iznio niz primjedbi o kvantnoj teoriji, od kojih je najpoznatiji bio takozvani EPR paradoks. John Bell je pokazao da ovaj paradoks može dovesti do neslaganja u kvantnoj teoriji koja se može izmjeriti. Ali eksperimenti su pokazali da je kvantna mehanika ispravna. Međutim, neke "nedosljednosti" ovih eksperimenata ostavljaju pitanja na koja još uvijek nije odgovoreno.

Everettova interpretacija više svjetova, formulirana 1956., predlaže model svijeta u kojem se sve mogućnosti da fizičke veličine poprime određene vrijednosti u kvantnoj teoriji istovremeno javljaju u stvarnosti, u "više sesija" sastavljenih od pretežno nezavisnih paralela. univerzuma. Multiverzum je deterministički, ali dobijamo vjerovatnoća ponašanja univerzuma samo zato što ne možemo promatrati sve svemire u isto vrijeme.

Priča

Osnove kvantne mehanike postavili su u prvoj polovini 20. veka Maks Plank, Albert Ajnštajn, Verner Hajzenberg, Ervin Šredinger, Maks Born, Pol Dirak, Ričard Fejnman i drugi. Neke fundamentalne aspekte teorije još treba proučiti. Max Planck je 1900. godine predložio koncept kvantizacije energije kako bi dobio ispravnu formulu za energiju zračenja crnog tijela. Godine 1905. Ajnštajn je objasnio prirodu fotoelektričnog efekta postulirajući da se energija svetlosti apsorbuje ne neprekidno, već u delovima, koje je nazvao kvanti. Godine 1913. Bohr je objasnio konfiguraciju spektralnih linija atoma vodika, opet koristeći kvantizaciju. Godine 1924. Louis de Broglie je predložio hipotezu o dualnosti talas-čestica.

Ove teorije, iako uspješne, bile su previše fragmentarne i zajedno čine takozvanu staru kvantnu teoriju.

Moderna kvantna mehanika rođena je 1925. godine kada je Heisenberg razvio matričnu mehaniku, a Schrödinger predložio valna mehanika i svoju jednačinu. Nakon toga, Janos von Neumann je dokazao da su oba pristupa ekvivalentna.

Sljedeći korak je uslijedio kada je Heisenberg formulirao princip nesigurnosti 1927. godine i otprilike u to vrijeme počela je da se oblikuje probabilistička interpretacija. Godine 1927. Paul Dirac je spojio kvantnu mehaniku sa specijalnom relativnošću. On je također bio prvi koji je primijenio teoriju operatora, uključujući popularnu notaciju zagrada. John von Neumann je 1932. godine formulisao matematičku osnovu kvantne mehanike zasnovanu na teoriji operatora.

Eru kvantne hemije započeli su Walter Heitler i Fritz London, koji su 1927. objavili teoriju o formiranju kovalentnih veza u molekulu vodonika. Nakon toga, kvantnu hemiju razvila je velika zajednica naučnika širom svijeta.

Počevši od 1927. godine, počeli su pokušaji primjene kvantne mehanike na sisteme bogatih čestica, što je rezultiralo pojavom kvantne teorije polja. Radove u ovom pravcu izveli su Dirac, Pauli, Weisskopf, Jordan. Ova linija istraživanja kulminirala je kvantnom elektrodinamikom, koju su formulirali Feynman, Dyson, Schwinger i Tomonaga tokom 1940-ih. Kvantna elektrodinamika je kvantna teorija elektrona, pozitrona i elektromagnetnog polja.

Teorija kvantne hromodinamike formulisana je ranih 1960-ih. Ovu teoriju, kakvu sada poznajemo, predložili su Polister, Gross i Vilcek 1975. Nadovezujući se na radove Schwingera, Higgsa, Goldstona i drugih, Glashow, Weinberg i Salam su nezavisno pokazali da slaba nuklearna sila i kvantna elektrodinamika se može kombinovati i posmatrati kao jedna elektroslaba sila.

kvantizacija

U kvantnoj mehanici, termin kvantizacije se koristi u nekoliko bliskih, ali različitih značenja.

Kvantizacija je diskterizacija vrijednosti fizičke veličine, koja je u klasičnoj fizici kontinuirana. Na primjer, elektroni u atomima mogu biti samo na određenim orbitalama s određenim vrijednostima energije. Drugi primjer je orbitalni moment kvantno mehaničke čestice koji može imati samo sasvim određene vrijednosti. Diskretizacija energetskih nivoa fizičkog sistema sa smanjenjem veličine naziva se kvantizacija veličine.
Kvantizacija se takođe naziva tranzicijom sa klasičnog opisa fizičkog sistema na kvantni. Konkretno, postupak za razlaganje klasičnih polja (na primjer, elektromagnetsko polje) u normalne modove i njihovo predstavljanje u obliku kvanta polja (za elektromagnetno polje, to su fotoni) naziva se druga kvantizacija.

Kvantna mehanika se shvata kao fizička teorija dinamičkog ponašanja oblika zračenja i materije. Na njoj je izgrađena moderna teorija fizičkih tijela, molekula i elementarnih čestica. Uopšte, kvantna mehanika stvoren od strane naučnika koji su nastojali da razumeju strukturu atoma. Dugi niz godina legendarni fizičari proučavali su karakteristike i pravce hemije i pratili istorijsko vreme događaja.

Takav koncept kao kvantna mehanika, razvijao dugi niz godina. Godine 1911. naučnici N. Bohr su predložili nuklearni model atoma, koji je ličio na model Kopernika sa njegovim solarnim sistemom. Na kraju krajeva, Sunčev sistem je imao jezgro u svom centru, oko kojeg su se vrteli elementi. Na osnovu ove teorije, proračuni fizičkih i hemijska svojstva neke supstance koje su izgrađene od jednostavnih atoma.

Jedno od važnih pitanja u takvoj teoriji kao što je kvantna mehanika je priroda sila koje vezuju atom. Zahvaljujući Coulombovom zakonu, E. Rutherford je pokazao da ovaj zakon vrijedi u ogromnim razmjerima. Tada je bilo potrebno utvrditi kako se elektroni kreću po svojoj orbiti. Pomogao u ovom trenutku

Zapravo, kvantna mehanikačesto u suprotnosti sa konceptima kao što je zdrav razum. Uz to da naš zdrav razum djeluje i pokazuje samo one stvari koje se mogu uzeti iz svakodnevnog iskustva. A, zauzvrat, svakodnevno iskustvo se bavi samo fenomenima makrokosmosa i velikih objekata, dok se materijalne čestice na subatomskom i atomskom nivou ponašaju sasvim drugačije. Na primjer, u makrokosmosu možemo lako odrediti lokaciju bilo kojeg objekta pomoću mjernih instrumenata i metoda. A ako mjerimo koordinate elektronske mikročestice, onda je jednostavno neprihvatljivo zanemariti interakciju objekta mjerenja i mjernog uređaja.

Drugim riječima, to se može reći kvantna mehanika je fizička teorija koja uspostavlja zakone kretanja različitih mikročestica. Iz klasične mehanike, koja opisuje kretanje mikročestica, kvantna mehanika razlikuje se na dva načina:

Vjerovatna priroda nekih fizičkih veličina, na primjer, brzina i položaj mikročestice ne može se precizno odrediti, samo se može izračunati vjerovatnoća njihovih vrijednosti;

Diskretna promjena, na primjer, energija mikročestice ima samo određene vrijednosti.

Kvantna mehanika je takođe povezan sa pojmom kvantna kriptografija, što je brzo rastuća tehnologija koja može promijeniti svijet. Kvantna kriptografija ima za cilj da zaštiti komunikaciju i tajnost informacija. Ova kriptografija se temelji na određenim fenomenima i razmatra slučajeve kada se informacije mogu prenijeti korištenjem predmeta kvantne mehanike. Tu se uz pomoć elektrona, fotona i ostalog fizičkim sredstvima određen je proces prijema i slanja informacija. Zahvaljujući kvantnoj kriptografiji, moguće je kreirati i dizajnirati komunikacijski sistem koji može otkriti prisluškivanje.

Do danas postoji dosta materijala u kojima se predlaže proučavanje takvog koncepta kao osnove kvantne mehanike i pravci, kao i aktivnosti kvantne kriptografije. Da biste stekli znanje u ovoj teškoj teoriji, potrebno je temeljno proučiti i uroniti u ovu oblast. Na kraju krajeva, kvantna mehanika je daleko od lakog koncepta koji su godinama proučavali i dokazivali najveći naučnici.

“Ako bismo u jednoj rečenici okarakterizirali glavne ideje kvantne teorije, mogli bismo reći: moramo pretpostaviti da neke fizičke veličine do sada smatrane kontinuiranim , sastoje se od elementarnih kvanta ". (A. Einstein)

Krajem 19. vijeka, J. Thomson je otkrio elektron kao elementarni kvant (čestica) negativnog elektriciteta. Tako su u nauku uvedene i atomske i električne teorije fizičke veličine, što se može promijeniti samo u skokovima . Thomson je pokazao da je elektron također jedan od sastavnih elemenata atoma, jedna od elementarnih cigli od kojih se gradi materija. Thomson kreirao prvi model atom, prema kojem je atom amorfna sfera punjena elektronima, poput "zemičke sa suvim grožđem". Izdvajanje elektrona iz atoma je relativno lako. To se može postići zagrijavanjem ili bombardiranjem atoma drugim elektronima.

Međutim, mnogo večina atomska masa predstavljeno ne elektroni, nego preostale čestice, mnogo teže - jezgro atoma . Ovo otkriće je napravio E. Rutherford, koji je bombardovao zlatnu foliju alfa česticama i otkrio da postoje mjesta na kojima se čestice odbijaju kao od nečeg masivnog, a postoje mjesta kroz koja čestice slobodno lete. Rutherford na osnovu ovog otkrića stvara svoj planetarni model atoma. Prema ovom modelu, jezgro se nalazi u centru atoma, koji koncentriše glavnu masu atoma, a elektroni rotiraju oko jezgra po kružnim orbitama.

fotoelektrični efekat

U 1888-1890, fotoelektrični efekat proučavao je ruski fizičar A.P. Stoletov. Teoriju fotoelektričnog efekta razvio je 1905. A. Einstein. Pustite svjetlost da izbaci elektrone iz metala. Elektroni izbijaju iz metala i jure naprijed određenom brzinom. U stanju smo izbrojati broj ovih elektrona, odrediti njihovu brzinu i energiju. Ako ponovo osvetlimo metal svetlošću iste talasne dužine, ali moćnijeg izvora, očekivalo bi se da energija više elektrona će biti emitovano . Međutim, ni brzina ni energija elektrona se ne menja sa povećanjem intenziteta svetlosti. Ovo je ostao problem sve do otkrića kvanta energije od strane M. Plancka.

Otkriće kvanta energije od strane M. Plancka

Krajem 19. stoljeća pojavila se poteškoća u fizici, koja je nazvana „ultraljubičasta katastrofa“. Eksperimentalno proučavanje spektra toplotnog zračenja apsolutno crnog tijela dalo je određenu ovisnost intenziteta zračenja o njegovoj frekvenciji. S druge strane, proračuni napravljeni u okviru klasične elektrodinamike dali su sasvim drugu ovisnost. Pokazalo se da bi na ultraljubičastom kraju spektra, intenzitet zračenja trebao rasti bez ograničenja, što je jasno u suprotnosti s eksperimentom.

Pokušavajući da reši ovaj problem, Maks Plank je bio primoran da prizna da kontradikcija proizilazi iz pogrešnog razumevanja mehanizma zračenja od strane klasične fizike.

Godine 1900. iznio je hipotezu da se emisija i apsorpcija energije ne dešava kontinuirano, već diskretno - porcije (kvanta) sa vrijednošću E= h × n , Gdje E je intenzitet zračenja, n je frekvencija zračenja, h- nova fundamentalna konstanta (Plankova konstanta jednaka 6,6×10 -34 J×sec). Na osnovu toga je prevaziđena "ultraljubičasta katastrofa".

M. Planck je predložio da ono što vidimo bijela svjetlost se sastoji od malih dijelova energije koji jure kroz prazno prostor brzinom svetlosti. Planck je ove dijelove energije nazvao kvantima, ili fotoni .

Odmah je postalo jasno da kvantna teorija svjetlosti daje objašnjenje za fotoelektrični efekat. Dakle, tok fotona pada na metalnu ploču. Foton udari u atom i izbaci elektron iz njega. Izbačeni elektron će u svakom slučaju imati istu energiju. Onda je to jasno povećanje intenziteta svetlosti znači povećanje broja upadnih fotona . U ovom slučaju, od metala ploče, više elektrona bi bilo istrgnuto, ali energija svakog od njih pojedinačni elektron se ne bi promenio .

Energija svjetlosnih kvanta je različita za zrake različitih boja, valove različita frekvencija . Dakle, energija fotona crvenog svjetla je upola manja od energije fotona ljubičaste svjetlosti. S druge strane, X-zrake se sastoje od fotona mnogo veće energije od fotona bijele svjetlosti, odnosno talasna dužina rendgenskih zraka je mnogo kraća.

Emisija svjetlosnog kvanta povezana je s prijelazom atoma s jednog energetskog nivoa na drugi. Energetski nivoi atoma su po pravilu diskretni, odnosno u nepobuđenom stanju atom ne zrači, stabilan je. Na osnovu ove odredbe N. Bor stvara svoj model atoma 1913. godine . Prema ovom modelu, masivno jezgro se nalazi u centru atoma, oko kojeg se elektroni rotiraju u stacionarnim orbitama. Atom zrači energiju ne stalno, već u porcijama (kvantima) i samo u pobuđenom stanju. U ovom slučaju promatramo prijelaz elektrona iz vanjske orbite u unutrašnju. U slučaju apsorpcije energije atomom, odvija se prijelaz elektrona iz unutrašnje orbite u vanjsku.

Osnove kvantne teorije

Gore navedena otkrića, kao i mnoga druga, nisu se mogla razumjeti i objasniti sa stanovišta klasične mehanike. Trebao sam nova teorija, koji je bio nastala 1925-1927 Ime kvantna mehanika .

Nakon što su fizičari ustanovili da atom nije posljednja cigla svemira, već se i sam sastoji od jednostavnijih čestica, počela je potraga za elementarnom česticom. elementarna čestica naziva se čestica koja je manja od atomskog jezgra (počevši od protona, elektrona, neutrona). Do danas je poznato više od 400 elementarnih čestica.

Kao što već znamo, prva elementarna čestica otkrivena 1891. godine bila je elektron. 1919. otvara se E. Rutherford proton, pozitivno nabijena teška čestica koja je dio atomskog jezgra. Godine 1932. otkrio je engleski fizičar John Chadwick neutron , teška čestica koja nema električni naboj i također je dio atomskog jezgra. Godine 1932. Paul Dirac je predvidio prvu antičestica – pozitron , koji je po masi jednak elektronu, ali ima suprotan (pozitivan) električni naboj.

Od 1950-ih, super-moćni akceleratori - sinhrofazotroni - postali su glavno sredstvo otkrivanja i proučavanja elementarnih čestica. U Rusiji je prvi takav akcelerator stvoren 1957. godine u gradu Dubni. Uz pomoć akceleratora otkrivene su antičestice: pozitron, a kasnije antiproton i antineutron (antičestica koja nema električni naboj, ali ima barionski naboj suprotan barionskom naboju neutrona). Od tada su se postavljale hipoteze o mogućem postojanju antimaterije, antimaterije, pa čak i antisvjetova. Međutim, eksperimentalna potvrda ove hipoteze još nije dobivena.

Jedna od bitnih karakteristika elementarnih čestica je da one imaju izuzetno male mase i dimenzije . Masa većine njih je 1,6 × 10 -24 grama, a veličina je oko 10 -16 cm u prečniku.

Još jedno svojstvo elementarnih čestica je sposobnost da se rađa i uništava, odnosno da se emituje i apsorbuje u interakciji sa drugim česticama . Na primjer, tijekom interakcije (anihilacije) dvije suprotne čestice elektrona i pozitrona, oslobađaju se dva fotona (kvanta energije): e - + e + \u003d 2g

Sljedeći važna imovina je transmutacija, odnosno spajanje čestica jedna s drugom tokom interakcije, i sa povećanjem mase nastale čestice. Nova masa čestice veća je od zbira dvije kombinovane čestice, jer dio energije oslobođene tokom spajanja prelazi u masu.

Čestice se razlikuju po 1. vrstama interakcije; 2. vrste interakcija; 3. masa; 4. životni vijek; 5. leđa; 6. punjenje.

Vrste i vrste interakcija

Vrste interakcije

Jaka interakcija određuje vezu između protona i neutrona u atomskim jezgrama.

Elektromagnetna interakcija - manje intenzivna nego jaka, određuje vezu između elektrona i jezgra u atomu, kao i vezu između atoma u molekulu.

Slaba interakcija uzrokuje spore procese, posebno proces raspadanja čestica.

Gravitaciona interakcija je interakcija između pojedinačnih čestica; jačina ove interakcije u kvantnoj mehanici je izuzetno mala zbog male mase, ali njena snaga značajno raste sa interakcijom velikih masa.

Tipovi interakcija

U kvantnoj mehanici, sve elementarne čestice mogu komunicirati samo u dvije vrste: hadron i lepton .

Težina .

Čestice se dijele prema njihovoj masi na težak (proton, neutron, graviton, itd.), srednji i lagani (elektron, foton, neutrino, itd.)

Životni vijek.

Prema vremenu postojanja, čestice se dijele na stabilan, s dovoljno dugim životnim vijekom (na primjer, protoni, neutroni, elektroni, fotoni, neutrini, itd.), kvazi-stabilan , odnosno imati dovoljno kratko vrijemeživot (na primjer, antičestice) i nestabilno imaju izuzetno kratak životni vijek (na primjer, mezoni, pioni, barioni, itd.)

Spin

Spin (od engleskog - vrtjeti, rotirati) karakterizira pravi moment impulsa elementarne čestice, koji ima kvantnu prirodu i nije povezan s kretanjem čestice kao cjeline. Mjeri se kao cijeli ili polucijeli umnožak Planckove konstante (6,6 × 10 -34 J × s). Za većinu elementarnih čestica, spin indeks je 1/2;, (za elektron, proton, neutrino) 1 (za foton), 0 (za P-mezone, K-mezone).

Koncept spina su u fiziku uveli 1925. godine američki naučnici J. Uhlenbeck i S. Goudsmit, koji su predložili da se elektron može smatrati „rotirajućim vrhom“.

Električno punjenje

Elementarne čestice karakterizira prisustvo pozitivnog ili negativnog električnog naboja, odnosno odsustvo električnog naboja uopće. Osim električnog naboja, elementarne čestice barionske grupe imaju barionski naboj.

Tokom 1950-ih, fizičari M. Gell-Man i G. Zweig su sugerirali da unutar hadrona mora biti još više elementarnih čestica. Zweig ih je nazvao asovima, a Gell-Mann ih je nazvao kvarkovima. Riječ "kvark" je preuzeta iz romana J. Joycea Finnegans Wake. Kasnije se zadržao naziv kvark.

Prema Gell-Mann hipotezi, postoje tri vrste kvarkova (aroma): u – d – s. Svaki od njih ima spin = 1/2; i naelektrisanje = 1/3 ili 2/3 naelektrisanja elektrona. Svi barioni se sastoje od tri kvarka. Na primjer, proton je iz uud, a neutron je iz ddu. Svaki od tri okusa kvarkova podijeljen je u tri boje. Ovo nije obična boja, već analog naboja. Dakle, proton se može smatrati vrećom koja sadrži dva u - i jedan d - kvark. Svaki od kvarkova u vrećici je okružen svojim sopstveni oblak. Interakcija proton-proton može se predstaviti kao približavanje dvije vreće kvarkova, koji počinju razmjenjivati ​​gluone na dovoljno maloj udaljenosti. Gluon je čestica nosača (od engleske riječi glue, što znači ljepilo). Gluoni spajaju protone i neutrone u jezgru atoma i ne dozvoljavaju im da se raspadnu. Hajde da povučemo neku analogiju.

Kvantna elektrodinamika: elektron, naboj, foton. U kvantnoj hromodinamici odgovaraju: kvarku, boji, gluonu. Kvarkovi su teorijski objekti neophodni za objašnjenje brojnih procesa i interakcija između elementarnih čestica grupe hadrona. Sa stanovišta filozofskog pristupa problemu, možemo reći da su kvarkovi jedan od načina da se mikrokosmos objasni u terminima makrokosmosa.

Fizički vakuum i virtuelne čestice

U prvoj polovini 20. stoljeća, Paul Dirac je sastavio jednačinu koja je opisala kretanje elektrona, uzimajući u obzir zakone kvantne mehanike i teoriju relativnosti. Dobio je neočekivani rezultat. Formula za energiju elektrona dala je 2 rješenja: jedno rješenje odgovara već poznatom elektronu, čestica sa pozitivna energija, drugi - na česticu čija je energija negativna. U kvantnoj mehanici, stanje čestice sa negativnom energijom se tumači kao antičestica . Dirac je primijetio da antičestice nastaju iz čestica.

Naučnik je došao do zaključka da postoji “fizički vakuum”, koji je ispunjen elektronima negativne energije. Fizički vakuum se često naziva "Dirakovo more". Elektrone s negativnom energijom ne promatramo upravo zato što oni čine neprekidnu nevidljivu pozadinu („more“) na kojoj se odvijaju svi svjetski događaji. Međutim, ovo "more" nije vidljivo samo dok se na njega ne djeluje na određeni način. Kada, recimo, foton uđe u "Dirakovo more", on prisiljava "more" (vakuum) da se odaje, izbijajući iz njega jedan od brojnih elektrona sa negativnom energijom. I u ovom slučaju, prema teoriji, 2 čestice će se roditi odjednom: elektron s pozitivnom energijom i negativnim električnim nabojem i antielektron, također sa pozitivnom energijom, ali i sa pozitivnim nabojem.

Godine 1932. američki fizičar K.D. Anderson eksperimentalno je otkrio antielektron u kosmičkim zracima i nazvao ga pozitron.

Danas je već precizno utvrđeno da za svaku elementarnu česticu u našem svijetu postoji antičestica (za elektron - pozitron, za proton - antiproton, za foton - antifoton, pa čak i za neutron - antineutron) .

Nekadašnje shvaćanje vakuuma kao čistog "ništa" pretvorilo se u skladu s teorijom P. Diraca u skup generiranih parova: čestica-antičestica.

Jedan od karakteristike fizičkog vakuuma je prisustvo u njemu polja sa energijom jednakom “0” i bez realne čestice. Ali pošto postoji polje, ono mora fluktuirati. Takve fluktuacije u vakuumu nazivaju se nula, jer nema čestica. nevjerovatna stvar: oscilacije polja su nemoguće bez kretanja čestica, ali u ovom slučaju ima oscilacija, ali nema čestica! A onda je fizika uspjela pronaći takav kompromis: čestice se rađaju pri nultim oscilacijama polja, žive vrlo kratko i nestaju. Međutim, ispostavilo se da čestice, rađajući se iz "ničega" i stičući masu i energiju, na taj način krše zakon održanja mase i energije. Ovdje je cijela stvar u “životnom vijeku” čestice: ono je toliko kratko da se kršenje zakona može izračunati samo teoretski, ali se to ne može promatrati eksperimentalno. Čestica je rođena iz "ničega" i odmah umrla. Na primjer, životni vijek promptnog elektrona je 10-21 sekundu, a promptnog neutrona 10-24 sekunde. Običan slobodni neutron živi nekoliko minuta, a u sastavu atomskog jezgra neograničeno dugo. Čestice koje žive tako malo nazivaju se drugačije od običnih, pravih - virtuelno (u traci sa latinskog - moguće).

Ako fizika ne može otkriti zasebnu virtualnu česticu, onda je njihov ukupni učinak na obične čestice savršeno fiksiran. Na primjer, dvije ploče postavljene u fizički vakuum i blizu jedna drugoj pod udarom virtualnih čestica počinju da se privlače. Ovu činjenicu je 1965. godine otkrio holandski eksperimentalni fizičar Hendrik Casimir.

Zapravo, sve interakcije između elementarnih čestica odvijaju se uz neizostavno učešće vakuumske virtuelne pozadine, na koju, zauzvrat, takođe utiču elementarne čestice.

Kasnije se pokazalo da virtuelne čestice ne nastaju samo u vakuumu; mogu se generirati i od običnih čestica. Elektroni, na primjer, neprestano emituju i odmah apsorbuju virtuelne fotone.

Na kraju predavanja to napominjemo atomistički koncept, kao i ranije, oslanja se na ideju da svojstva fizičko tijelo se konačno može svesti na svojstva njegovih sastavnih čestica , koji u ovom istorijskom trenutku smatra nedjeljivim . Istorijski gledano, takve su čestice smatrane atomima, zatim - elementarnim česticama, a danas - kvarkovima. Sa filozofske tačke gledišta, oni koji najviše obećavaju novi pristupi , zasnovano ne na potrazi za nedjeljivim fundamentalnim česticama, već na identifikaciji njihovih unutrašnjih veza kako bi se objasnilo holističko svojstva materijalnih formacija . Ova tačka gledišta je takođe izražena W. Heisenberg , ali do sada, nažalost, nije dobio razvoj.

Osnovni principi kvantne mehanike

Kao što pokazuje istorija prirodnih nauka, svojstva elementarnih čestica sa kojima su se fizičari susreli proučavajući mikrosvijet ne uklapaju se u okvire tradicionalnih fizičkih teorija. Pokušaji da se objasni mikrokosmos koristeći koncepte i principe klasične fizike su propali. Potraga za novim konceptima i objašnjenjima dovela je do pojave nove fizičke teorije – kvantne mehanike, u čijem su počecima bili tako istaknuti fizičari kao što su W. Heisenberg, N. Bohr, M. Planck, E. Schrödinger i drugi.

Proučavanje specifičnih svojstava mikro-objekata počelo je eksperimentima, tokom kojih je utvrđeno da da mikro-objekti u nekima eksperimenti se otkrivaju kao čestice (korpuskule) iu drugima – poput talasa . Međutim, prisjetimo se povijesti proučavanja prirode svjetlosti, odnosno nepomirljivih razlika između Newtona i Huygensa. Njutn je posmatrao svetlost kao tok tjelešce, i Hajgens kao valovito kretanje koje nastaje u posebnom mediju - etru.

Godine 1900. M. Planck, koji je otkrio diskretne dijelove energije (kvanta), dopunio je ideju o svjetlost kao tok kvanta ili fotona . Međutim, zajedno s kvantnim konceptom svjetlosti, valna mehanika svjetlosti nastavila se razvijati u radovima Louisa de Brogliea i E. Schrödingera. Louis de Broglie je otkrio sličnost između vibracije žice i atoma koji emituje zračenje. Atom svakog elementa sastoji se od elementarnih čestica: teškog jezgra i lakih elektrona. Ovaj sistem čestica se ponaša kao akustični instrument koji proizvodi stajaće talase. Louis de Broglie je to hrabro predložio elektron koji se kreće jednoliko i pravolinijski je talas određene dužine. Prije toga smo se već navikli na činjenicu da svjetlost u nekim slučajevima djeluje kao čestica, a u drugim kao val. Što se tiče elektrona, prepoznali smo ga kao česticu (određeni su mu masa i naboj). I zaista, elektron se ponaša kao čestica kada se kreće u električnom ili magnetskom polju. Takođe se ponaša kao talas kada se difraktuje, prolazeći kroz kristal ili difrakcionu rešetku.

Iskustvo sa difrakcionom rešetkom

Da iznesem suštinu ovaj fenomen obično radi misaoni eksperiment sa dva proreza. U ovom eksperimentu, snop elektrona koji emituje izvor S, prolazi kroz ploču sa dvije rupe, a zatim udara u ekran.

Da su elektroni klasične čestice poput sačmarica, broj elektrona koji prolaze kroz prvi prorez u ekran bio bi predstavljen krivuljom IN, a kroz drugi prorez - krivulja WITH. Ukupan broj pogodaka bio bi izražen ukupnom krivom D.

U stvari, dešava se nešto sasvim drugo. Curves IN I WITH dobijamo samo u slučajevima kada je jedna od rupa zatvorena. Ako su obje rupe otvorene u isto vrijeme, na ekranu će se pojaviti sistem maksimuma i minimuma, sličan onom koji se dešava za svjetlosne valove (kriva A).

Karakteristike novonastale epistemološke situacije mogu se definirati na sljedeći način. S jedne strane, pokazalo se da je fizička stvarnost jedna, odnosno da ne postoji jaz između polja i materije: polje, kao i materija, ima korpuskularna svojstva, a čestice materije, kao i polje, imaju talasne svojstva. S druge strane, pokazalo se da je pojedinačna fizička realnost dvojna. Naravno, pojavio se problem: kako riješiti antinomiju korpuskularno-valnih svojstava mikro-objekata. Ne samo različite, već i suprotne karakteristike se pripisuju istom mikro-objektu.

Godine 1925 Louis de Broglie (1875-1960) iznio princip , Pri čemu svaka materijalna čestica, bez obzira na njenu prirodu, treba odgovara talasu čija je dužina inverzna proporcionalan je impulsu čestice: l = h / str , Gdje l je talasna dužina, h- Plankova konstanta, jednaka 6,63 × 10 -34 J × s, R je impuls čestice, jednak proizvodu mase čestice i njene brzine ( R = m× v). Tako je ustanovljeno da ne samo fotone (čestice svjetlosti), već i druge materijalne čestice kao što su elektron, proton, neutron, itd dvojna svojstva . Ovaj fenomen je imenovan dualnost talasa i čestica . Dakle, u nekim eksperimentima, elementarna čestica može se ponašati kao korpuskula, au drugim - kao val. Iz toga proizilazi da je svako posmatranje mikro-objekata nemoguće bez uzimanja u obzir uticaja instrumenata i mjernih instrumenata. U našem makrokosmosu ne uočavamo uticaj uređaja za posmatranje i merenje na makroobjekte koje proučavamo, jer je taj uticaj izuzetno mali i može se zanemariti. Makro-uređaji unose perturbacije u mikrokosmos i ne mogu a da ne unose promjene na mikro-objekte.

Kao posledica nekonzistentnosti korpuskularnih i talasnih svojstava čestica, danski fizičar N. Bor (1885-1962) nominovan 1925 princip komplementarnosti . Suština ovog principa bila je sljedeća: izuzetno karakteristika atomska fizika predstavlja novi odnos između pojava uočenih u različitim eksperimentalnim uslovima. Eksperimentalne podatke dobijene u takvim uslovima treba smatrati dodatnim, jer predstavljaju podjednako značajne informacije o atomskim objektima i, zajedno ih iscrpljuju. Interakcija između mjernih instrumenata i proučavanih fizičkih objekata je sastavni dio kvantnih fenomena . Dolazimo do zaključka da nam princip komplementarnosti daje temeljnu karakteristiku razmatranja objekata mikrosvijeta.

Sledeći najosnovniji princip kvantne mehanike je princip nesigurnosti , formulisan 1927 Werner Heisenberg (1901 - 1976). Njegova suština je sljedeća. Nemoguće je istovremeno i sa istom tačnošću odrediti koordinatu mikročestice i njen zamah . Točnost mjerenja položaja ovisi o točnosti mjerenja momenta i obrnuto; nemoguće oboje ove se količine mogu izmjeriti s bilo kojom preciznošću; što je tačnost koordinatnog mjerenja veća ( X), što je zamah nesigurniji ( R), i obrnuto. Proizvod nesigurnosti u mjerenju položaja i nesigurnosti u mjerenju momenta mora biti “veći ili jednak” Planckovoj konstanti ( h), .

Granice definisane ovim principom ne mogu se suštinski prevazići nikakvim poboljšanjem mjernih instrumenata i mjernih postupaka. Princip nesigurnosti je to pokazao predviđanja kvantne mehanike su samo probabilistička i ne daju tačna predviđanja na koja smo navikli u klasičnoj mehanici. Neizvjesnost predviđanja kvantne mehanike je izazvala i izaziva kontroverze među naučnicima. Čak se pričalo o tome totalno odsustvo sigurnost u kvantnu mehaniku, odnosno o njenoj indeterminizam. Predstavnici klasične fizike bili su uvjereni da će, kako se nauka i mjerna tehnologija budu usavršavali, zakoni kvantne mehanike postati tačni i pouzdani. Ovi učenjaci su vjerovali da nema ograničenja za tačnost mjerenja i predviđanja.

Princip determinizma i indeterminizma

Klasični determinizam započeo je izjavom Laplasa (18. vek): „Daj mi početne podatke o česticama celog sveta, i ja ću za tebe predvideti budućnost celog sveta“. Ovaj ekstremni oblik sigurnosti i predodređenosti svega što postoji naziva se Laplasov determinizam.

Čovječanstvo je dugo vjerovalo u Božje predodređenje, kasnije u kauzalnu "gvozdenu" vezu. Međutim, nemojte zanemariti Njegovo Veličanstvo dešava, koji nam dogovara neočekivane i nevjerovatne stvari. U atomskoj fizici, slučajnost je posebno izražena. Trebali bismo se naviknuti na ideju da svijet nije tako direktan i jednostavan koliko bismo željeli.

Princip determinizma posebno vidljivo u klasičnoj mehanici. Dakle, potonji to uči prema početnim podacima moguće je odrediti kompletno stanje mehaničkog sistema u bilo kojem proizvoljno daleka budućnost . U stvari, ovo je samo prividna jednostavnost. dakle, početni podaci, čak ni u klasičnoj mehanici, ne mogu se beskonačno tačno odrediti . Prvo, prava vrijednost početnih podataka poznata nam je samo kod nekih stepen verovatnoće . U procesu kretanja, mehanički sistem će biti pod uticajem slučajne sile, koje nismo u stanju da predvidimo . Drugo, čak i ako su ove sile dovoljno male, njihov efekat može biti veoma značajan tokom dužeg vremenskog perioda. A takođe nemamo garancije da će tokom vremena za koje nameravamo da predvidimo budućnost sistema, ovo sistem će ostati izolovan . Treće, ove tri okolnosti se obično zanemaruju u klasičnoj mehanici. Ne treba zanemariti uticaj slučajnosti, jer se vremenom povećava nesigurnost početnih uslova i predviđanje postaje savršeno besmisleno .

Kao što iskustvo pokazuje, u sistemima u kojima djeluju nasumični faktori, uz ponovljeno ponavljanje posmatranja, mogu se otkriti određeni obrasci, obično tzv. statistički (vjerovatni)) . Ako sistem ima mnogo nasumičnih uticaja, onda deterministička (dinamička) pravilnost sama po sebi postaje sluga slučajnosti; I ti slučajnost stvara novu vrstu pravilnosti – statistički . Nemoguće je izvesti statističku pravilnost iz dinamičke pravilnosti. U sistemima u kojima slučajnost počinje da igra značajnu ulogu, potrebno je napraviti pretpostavke statističke (verovatne) prirode. Dakle, moramo prihvatiti “de facto” da šansa može stvoriti obrazac koji nije gori od determinizma.

Kvantna mehanika u suštini teorija na osnovu statističkih pravilnosti . Dakle, sudbina pojedinačne mikročestice, njena istorija može se pratiti samo u vrlo uopšteno govoreći. Čestica se može lokalizovati u prostoru samo sa određenim stepenom verovatnoće, a ova lokalizacija će se vremenom pogoršavati što je pre bila tačnija početna lokalizacija - to je direktna posledica relacije neizvesnosti. To, međutim, ni najmanje ne umanjuje vrijednost kvantne mehanike. Statističku prirodu zakona kvantne mehanike ne treba smatrati njenom inferiornošću ili potrebom da se traži deterministička teorija - takva, najvjerovatnije, ne postoji.

Statistička priroda kvantne mehanike ne znači da joj nedostaje uzročnost . Uzročnost u kvantnoj mehanici definisano kao određeni oblik uređenja događaja u prostoru i u vremenu, a ta urednost nameće svoje ograničenja čak i na naizgled najhaotičnije događaje .

U statističkim teorijama, kauzalnost se izražava na dva načina:

• same statističke pravilnosti su strogo uređene;
• pojedinačne elementarne čestice (događaji) su poredane tako da jedna od njih može uticati na drugu samo ako njihov međusobni raspored u prostoru i vremenu dozvoljava da se to učini bez narušavanja kauzalnosti, odnosno pravila kojim se čestice uređuju.

Uzročnost u kvantnoj teoriji izražena je poznatom jednačinom E. Schrödinger . Ova jednadžba opisuje kretanje atoma vodika (kvantni ansambl) i, osim toga, na način da prethodno stanje u vremenu određuje njegova naredna stanja (stanje elektrona u atomu vodika - njegova koordinata i zamah).

(psi) je valna funkcija; t- vrijeme; je povećanje funkcije tokom vremena, h je Plankova konstanta ( h\u003d 6,63 × 10 -34 J × s); i je proizvoljan realan broj.

U svakodnevnom životu zovemo uzrok fenomen koji dovodi do drugog fenomena. Ovo posljednje je rezultat djelovanja uzroka, tj. posljedica . Takve definicije proizašle su iz direktne praktične aktivnosti ljudi da transformiraju svijet oko sebe i naglasile su uzročnu prirodu njihove aktivnosti. Trend u savremenoj nauci definicija uzročne zavisnosti kroz zakone. Na primjer, poznati metodolog i filozof nauke i R. Carnap smatrali su da bi „bilo plodonosnije zamijeniti raspravu o značenju pojma kauzalnosti proučavanjem različitih vrsta zakona koji se nalaze u nauci. ”

Što se tiče determinizma i indeterminizma, onda moderna nauka organski kombinuje nužnost i slučajnost. Dakle, ispostavlja se da svijet i događaji u njemu nisu ni jednoznačno unaprijed određeni, ni čisto slučajni, ničim uslovljeni. Klasični laplasovski determinizam prenaglašavao je ulogu nužnosti na račun poricanja slučajnosti u prirodi i stoga je dao iskrivljen pogled na svijet. Brojni moderni naučnici, proširivši princip nesigurnosti u kvantnoj mehanici na druga područja, proglasili su dominaciju slučajnosti, poričući nužnost. Međutim, najadekvatnija pozicija bi bila da se nužnost i slučajnost posmatraju kao međusobno povezani i komplementarni aspekti stvarnosti.

Pitanja za samokontrolu

1. Koji su osnovni koncepti opisivanja prirode?
2. Koji su fizički principi opisivanja prirode.
3. Kakva je fizička slika svijeta? Daj joj opšti koncept i imenujte njegove glavne istorijske tipove.
4. Šta je univerzalnost fizičkih zakona?
5. Koja je razlika između kvantne i klasične mehanike?
6. Koji su glavni zaključci specijalne i opšte teorije relativnosti?
7. Navedite osnovne principe moderne fizike i ukratko ih proširite.

1. Andreev E.P. Prostor mikrokosmosa. M., Nauka, 1969.
2. Gardner M. Teorija relativnosti za milione. M., Atomizdat, 1967.
3. Heisenberg V. Fizički principi kvantne teorije. L.-M., 1932.
4. Jammer M. Evolucija koncepata kvantne mehanike. M., Mir, 1985.
5. Dirac P. Principi kvantne mehanike. M., 1960.
6. Dubnishcheva T.Ya. Koncepti moderne prirodne nauke. Novosibirsk, 1997. Naziv radionice anotacija

   Prezentacije

   Naslov prezentacije	anotacija

   Tutori

   Ime nastavnika	anotacija