Quantenphysik: kein Beobachter – egal. Elementarteilchen der Materie Achtung! Kommen wir nun zu einem subtileren Thema

Wie ich immer wieder betont habe, bedeutet ein Experiment überhaupt nichts, bis es theoretisch interpretiert wird.

(Max Born)

Ich erinnere mich an Gespräche mit Bohr ... Nachdem ich eines davon beendet hatte, ging ich in einem nahegelegenen Park spazieren und stellte mir immer wieder die gleiche Frage: „Ist die Natur wirklich so absurd, wie sie uns in unseren Atomexperimenten vorkommt?“

(Werner Heisenberg)

Das zweite revolutionäre Ereignis in der Physik des 20. Jahrhunderts. kann zu Recht als die Schöpfung der Quantentheorie angesehen werden. Bis heute können wir keine einzige andere wissenschaftliche Entdeckung nennen, die unser Verständnis davon, was in der physischen Welt real ist und wie sich die Natur verhält, so entscheidend verändern würde.

Bei der Diskussion der Quantentheorie werden wir uns nicht an die chronologische Abfolge der Ereignisse halten und uns auf bestimmte mathematische Errungenschaften oder brillante Experimente konzentrieren. Tatsache ist, dass die in der Quantentheorie verwendete Mathematik alles andere als elementar ist; Es umfasst Abschnitte wie die Theorie der Differentialgleichungen und die Wahrscheinlichkeitstheorie. Es ist nicht einfach, solch hochtrabende Dinge allgemein darzustellen. Aber ich wage dem Leser zu versichern, dass die Mathematik in der Quantentheorie eine ebenso wichtige Rolle spielt und als unverzichtbares Werkzeug zum Verständnis der Natur dient, wie in den Bereichen der Naturwissenschaften, über die wir zuvor gesprochen haben.

Die Quantentheorie befasst sich mit der Untersuchung der atomaren Struktur der Materie, und noch immer sind nicht alle Probleme und sogar offensichtlichen Widersprüche darin gelöst. Auf dem Gebiet der Wissenschaft, das oft als Mikrophysik bezeichnet wird, befinden wir uns noch in einem recht frühen Stadium, im Gegensatz zur Makrophysik, die sich im Allgemeinen mit der Untersuchung großräumiger Phänomene befasst. Die Quantentheorie „gräbt“ viel tiefer als die Ebene, über die uns unsere Sinne wie Sehen oder Tasten etwas sagen können, da selbst mit einem Elektronenmikroskop nur sehr große Atome sichtbar sind. Die Quantentheorie untersucht die unsichtbare, stille Welt. Und obwohl diese Welt selbst nicht wahrnehmbar ist, sind die Wirkungen, die sie hervorruft, so real wie ein Tisch, ein Stuhl und unser eigener Körper. Das, was dieser Welt vielleicht am nächsten kommt, ist elektromagnetische Strahlung. Wir nehmen es nicht körperlich wahr, aber seine Auswirkungen sind jedem bekannt. Denken Sie zum Beispiel an Radio oder Fernsehen.

Die Natur einiger Entdeckungen der Quantentheorie ist noch nicht vollständig geklärt, sie haben jedoch eine praktische Umsetzung gefunden. Die Atombombe ist eine Realität, und wir müssen viel mehr mit ihr rechnen als mit einigen der größten Schöpfungen des mathematischen Denkens der Vergangenheit.

Obwohl unsere Sinne uns davon überzeugen, dass Schall, Licht, Wasser und Materie im Allgemeinen kontinuierlich sind, hat die Frage nach der elementaren Struktur aller Phänomene (zum Beispiel Licht) und Materie ihre Wurzeln in der Antike. Schon Leukipp (5. Jahrhundert v. Chr.) und nach ihm Demokrit von Abdera (ca. 460–370 v. Chr.) lehrten, dass Materie aus unteilbaren Atomen bestehe. (Das Wort Atom selbst kommt vom griechischen „atomos“ – unteilbar.) Demokrit glaubte, dass es viele Arten von Atomen gibt, die sich in Größe, Form, Härte und Reihenfolge ihrer Position unterscheiden. Große Körper bestehen aus vielen Atomen unterschiedlicher Anzahl und Anordnung, die Atome selbst sind jedoch unteilbar. Sowohl Leukipp als auch Demokrit erklärten, dass alle Sinneswahrnehmungen nur Erscheinungen seien, die durch verschiedene Anordnungen von Atomen erzeugt würden. Während die antiken Atomisten Form, Größe und andere oben aufgeführte Eigenschaften als die tatsächlichen physikalischen Eigenschaften von Atomen betrachteten, sind andere Eigenschaften wie Geschmack, Wärme und Farbe ihrer Meinung nach nicht den Atomen selbst innewohnend, sondern das Ergebnis von der Einfluss von Atomen auf den Menschen. Sinneswissen ist unzuverlässig, da es von der Empfindung des Subjekts abhängt.

Aristoteles vertrat unterschiedliche Ansichten. Nach seiner Lehre, die auf Empedokles (490-430 v. Chr.) zurückgeht, basiert alles auf vier Element- Erde, Feuer, Luft und Wasser, deren Eigenschaften bis zu einem gewissen Grad allen Dingen innewohnen. Kombinationen dieser Entitäten, die unter dem Einfluss von Anziehung (Liebe) und Abstoßung (Hass) entstehen, erklären alle Phänomene in der Welt. Tatsächlich kannten die alten Griechen (und sogar ihre Vorgänger) andere Elemente wie Kupfer, Zinn und Quecksilber, aber weder Aristoteles noch seine Anhänger berücksichtigten sie. Aristoteles glaubte, dass Atome teilbar (sogar unendlich teilbar) seien, daher sei die Materie seiner Meinung nach kontinuierlich und es gebe keine kleinsten Strukturteilchen. Bis zum 16. Jahrhundert dominierten die Ansichten des Aristoteles in Europa und verdrängten alle anderen Ansichten.

Seit dem 17. Jahrhundert und bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts. Die Theorie, dass Atome unteilbar sind, fand Anerkennung. Man ging davon aus, dass die Atome verschiedener chemischer Elemente wie Wasserstoff, Sauerstoff, Kupfer, Gold und Quecksilber unterschiedlich seien. Es wurde auch angenommen, dass Atome desselben Elements das gleiche Gewicht haben und Atome verschiedener Elemente unterschiedliche Gewichte haben. Gewöhnliche Substanzen, beispielsweise Wasser, bestehen aus Molekülen, die Kombinationen verschiedener Atome sind. Es waren diese Ideen, die die Grundlage der modernen Chemie bildeten. Die ersten Schritte zu seiner Entstehung wurden von Robert Boyle (1627-1691) in seinem Aufsatz „The Skeptical Chemist“ (1661) unternommen.

Eine ausführlichere Darstellung der Grundlagen der Chemie (im Einklang mit Boyles Ansichten) wurde 1803 von John Dalton (1766-1844) vorgeschlagen. Daltons Hauptgedanke war, dass viele Gesetze der Chemie leicht erklärt werden können, wenn wir davon ausgehen, dass jedes chemische Element bestimmte Atome hat. Jede Substanz besteht aus bestimmten Kombinationen verschiedener „Klassen“ unteilbarer Atome.

In den 60er Jahren des 19. Jahrhunderts. Es waren etwa sechzig verschiedene Atomarten bekannt. Im selben Jahrzehnt versuchte Dmitri Iwanowitsch Mendelejew (1834–1907), die bekannten chemischen Elemente zu klassifizieren und sie nach zunehmendem Atomgewicht zu ordnen. Er bemerkte, dass sich die chemischen Eigenschaften der ersten sechzehn Elemente bei sieben Elementen des achten Elements wiederholten. Mendelejew entdeckte außerdem, dass, wenn das von ihm beobachtete Muster auf die übrigen Elemente ausgedehnt wird, die in der Reihenfolge zunehmender Atommassen angeordnet sind, die beobachtete Wiederholbarkeit der chemischen Eigenschaften darauf hindeutet, dass es notwendig ist, hier und da „leere Zellen“ im Klassifizierungssystem zu belassen. Mendeleev hielt es für durchaus vernünftig anzunehmen, dass solche „Zellen“ zu noch unbekannten Elementen gehörten. Die Notwendigkeit, nach unbekannten Elementen zu suchen, ließ bei Mendelejew nicht den geringsten Zweifel aufkommen, und bald wurden tatsächlich drei neue Elemente entdeckt (heute Scandium, Gallium und Germanium genannt), deren Eigenschaften Mendelejew im Voraus auf der Grundlage des Periodizitätssystems vorhersagte chemische Eigenschaften, die er feststellte. Weitere Forschungen führten zu einigen Änderungen am Periodensystem von Mendelejew, aber die von ihm entdeckte Abfolge der Elemente bildet immer noch die Grundlage des modernen Periodensystems. Obwohl Mendeleev verstand, dass er keine physikalische Erklärung für das von ihm entdeckte Muster in den Eigenschaften chemischer Elemente hatte, vertrat er nachdrücklich die Bedeutung der Verwendung des Periodizitätsgesetzes für die Suche nach neuen Elementen, die Bestimmung ihrer Atommassen und die Vorhersage chemischer Eigenschaften insbesondere die Fähigkeit, Verbindungen mit anderen Elementen einzugehen.

Elemente, die bereits von Mendelejew bekannt waren und vorhergesagt und später von anderen Forschern entdeckt wurden, werden in der Reihenfolge zunehmender Komplexität der Struktur ihrer Atome angeordnet und entsprechend neu nummeriert. Im Periodensystem ist beispielsweise Wasserstoff als Nummer 1 aufgeführt, Helium als Nummer 2 und so weiter, bis Element Nummer 103 Lawrencium ist. Atommassen von Elementen geben an, wie oft ein Atom eines bestimmten Elements „schwerer“ ist als ein Wasserstoffatom. Die Atommasse von Wasserstoff wird mit 1 angenommen, die Atommasse von Helium mit 4 usw., bis die Atommasse von Lawrencium 257 beträgt.

Obwohl die Debatte über die Unteilbarkeit der Atome bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts andauerte, neigten die meisten Naturwissenschaftler zu der Annahme, dass Atome unteilbar und die kleinsten Bestandteile der Materie seien. Im Jahr 1907 erklärte Kelvin, dass das Atom unzerstörbar sei. Einige bemerkenswerte Entdeckungen stellten jedoch die etablierte Meinung über die Unteilbarkeit des Atoms zunichte. In den 70er Jahren des 19. Jahrhunderts. Es wurde immer klarer, dass das Atom aus einigen kleineren Teilchen bestehen könnte. Im Jahr 1897 bewies Joseph John Thomson (1856-1940) experimentell, dass das Atom tatsächlich aus Teilchen besteht, und maß insbesondere die elektrische Ladung und Masse sehr leichter geladener Teilchen, sogenannter „Elektronen“, genau. Im Jahr 1900 bestätigte Hendrik Anton Lorenz die Existenz solcher negativ geladenen Teilchen. Es stellte sich heraus, dass die Elektronenmasse etwa 10? 27 g (genauer 0,91 10 × 27 g), was fast 2000-mal weniger ist als die Masse des leichtesten Atoms – Wasserstoff. Auch die Elektronenladung ist unvorstellbar klein: etwa 4,80325 10 × 10 elektrostatische Einheiten. Um 1903 schlug Hantaro Nagaoka in Tokio das sogenannte „Saturn-Modell“ vor, nach dem ein zentral gelegener Kern von ihn umkreisenden Elektronen umgeben war. Dies war der erste Versuch, mit dem traditionellen Glauben an die Unteilbarkeit des Atoms zu brechen.

Die Atomtheorie sah damals sehr primitiv aus. Sie argumentierte, dass alle Atome aus Protonen (positiv geladenen) und Elektronen bestehen. Es wurde angenommen, dass Protonen den Kern eines Atoms bilden. Es wurde schnell klar, dass die Masse des Atoms fast vollständig im Kern konzentriert war. Der kleinste der Kerne – der Kern des Wasserstoffatoms – hat eine Masse von 1,6726 · 10?24 g. Um den Kern jedes Atoms befinden sich Elektronen, deren Anzahl der Ordnungszahl entspricht.

Ein weiterer Schlag gegen die traditionelle Theorie kam 1896, als Antoine Henri Becquerel (1852-1908) ganz zufällig die Radioaktivität entdeckte. Das Ehepaar Pierre Curie (1859–1906) und Maria Sklodowska-Curie (1867–1934) begann mit der Erforschung dieses Phänomens. Es zeigte sich, dass das Atom eine viel komplexere Struktur hatte als erwartet. Wir werden etwas später über die Natur der Radioaktivität sprechen. Es wurde jedoch bald klar, dass die Kerne einiger Atome, insbesondere sehr schwerer Atome, die Fähigkeit besitzen, Teilchen und elektromagnetische Strahlung, sogenannte Alpha- und Betateilchen bzw. Gammastrahlung, auszusenden. Alphateilchen sind ionisierte Heliumatome, Betateilchen sind Elektronen und Gammastrahlung ist elektromagnetische Strahlung mit sehr hoher Frequenz. Es stellte sich heraus, dass sich ein Atom bei der Emission eines Alphateilchens in ein Atom eines leichteren Elements verwandelt. Frühe Arbeiten zur Atomstruktur nutzten radioaktive Zerfallsprodukte, um die Teilchen zu untersuchen, aus denen der Atomkern besteht.

Im Jahr 1910 kam Ernest Rutherford (1871-1937), der mit radioaktiven Atomen experimentierte, zu der Idee, dass das Atom in seiner Struktur dem Sonnensystem ähnelt, in dem die Planeten um die Sonne im Zentrum kreisen. In Rutherfords Atommodell bewegten sich Elektronen auf verschiedenen Bahnen um einen zentral gelegenen Kern. Rutherford war sich absolut sicher, dass das Volumen des Kerns „ein Millionstel eines Millionstels“ (d. h. 10?12) des Atomvolumens nicht überschritt. Beispielsweise bewegen sich in einem Goldatom (Ordnungszahl 79) 79 Elektronen um den Kern. Der Atomkern in Rutherfords Modell bestand, wie bereits erwähnt, hauptsächlich aus Protonen. Doch um die „fehlende“ Masse des Kerns auszugleichen, vermutete Rutherford, dass dieser neben Protonen auch elektrisch neutrale Teilchen enthielt, die er Neutronen nannte. Kerne mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl werden Isotope genannt.

Während Rutherford und andere Forscher das Atom untersuchten und seine Modelle bauten, machte Max Planck (1858-1947) im Jahr 1900 eine äußerst wichtige Entdeckung, die alle weiteren Entwicklungen der Atomphysik beeinflusste. Planck untersuchte die sogenannte Wärmestrahlung oder Schwarzkörperstrahlung. Es ist beispielsweise bekannt, dass glühendes Metall Licht aussendet, bei dem es sich bekanntlich um eine Art elektromagnetischer Strahlung handelt. Basierend auf intuitiven physikalischen Ideen stellte Planck im Jahr 1900 eine Hypothese auf (noch nicht theoretisch begründet), wonach Strahlung nicht in einem kontinuierlichen, kontinuierlichen „Fluss“, sondern in kleinen Portionen oder Quanten emittiert wird, deren Energie abhängt von der Frequenz der vom Atom emittierten Strahlung. Die Strahlungsenergie wird nach Planck durch die Formel bestimmt

E = nhv,

Wo N- die Anzahl der emittierten Quanten, die gleich 0, 1, 2, ... sein kann; H- Konstante, jetzt Plancksche Konstante genannt ( h = 6,626 10?34 J s = 6,686 10?27 erg s ~ 10?26 erg s), v- die Frequenz der Strahlung, die aus Quanten besteht, so wie beispielsweise Wellen auf Wasser aus Wassermolekülen bestehen. Strahlung, sagen wir Licht, scheint kontinuierlich zu sein, da die Anzahl der Quanten, aus denen sie besteht, sehr groß ist. Somit beträgt die Anzahl der emittierten Quanten pro 1 mit einer gewöhnlichen 100-Watt-Elektrolampe etwa 10 20.

Auf eine Metalloberfläche fallendes Licht mit einer Frequenz v setzt Energie frei. Aus Plancks Formel folgt, dass die Energie jedes von der Oberfläche eines Metalls ausgestoßenen Elektrons proportional zu ist hv. Später wurden Strahlungsquanten Photonen genannt. Plancks Formel war eine Hypothese, eine glückliche Vermutung, das Ergebnis einer bemerkenswerten physikalischen Intuition. Allerdings musste Planck viele mathematische Berechnungen anstellen, um seine Argumentation darzustellen und ihr zumindest einigermaßen Glaubwürdigkeit zu verleihen.

Einstein bestätigte in seinem Werk über den photoelektrischen Effekt (1905), auf dessen Einzelheiten wir bewusst nicht näher eingehen, weil es uns in die Ferne führen würde, nicht nur die Plancksche Formel, sondern schaffte es auch, eine Anwendung dafür zu finden. Licht, das die Oberfläche des Metalls beleuchtet, schlägt Elektronen aus ihm heraus. Aus Plancks Hypothese folgte, dass auf eine Metalloberfläche einfallende Strahlung aus Quanten besteht, von denen jedes Energie trägt hv. Die Energie jedes vom Metall emittierten Elektrons ist proportional zu hv. Mithilfe der Quantenhypothese konnte Einstein die Wechselwirkung von Licht und den Atomen erklären, die die Oberfläche eines Metalls bilden. Der Elektronen-Knockout erfolgt nur bei ausreichend hoher Quantenenergie, d.h. bei hohen Frequenzen, hängt jedoch nicht von der Lichtintensität ab. Die Anzahl der herausgeschlagenen Elektronen wird in Wirklichkeit von der Intensität des Lichts bestimmt. Die Arbeit von Planck und Einstein warf erneut die Frage auf: Woraus besteht elektromagnetische Strahlung und insbesondere Licht? Aus Wellen oder aus Teilchen? Wir werden dieses Problem später ansprechen. Beachten wir vorerst nur, was aus dem Gesagten bereits klar hervorgeht: Elektromagnetische Strahlung verhält sich sowohl als Welle als auch als Teilchen.

Aber kehren wir zu der Arbeit zurück, die sich auf die Untersuchung der Struktur des Atoms bezieht. Rutherfords Modell konnte nicht erklären, warum die den Kern umkreisenden Elektronen kein Licht oder eine andere Art von Energie aussendeten, wie es die Theorie des elektromagnetischen Feldes erfordert, oder spiralförmig in den Kern eindrangen. Niels Henrik David Bohr (1885-1962) „betrachtete“ die Struktur des Atoms genauer als seine Vorgänger. Bohr nahm Rutherfords Planetenmodell als Ausgangspunkt und postulierte auf der Grundlage einiger mathematischer Überlegungen, dass Elektronen in einem Atom keine Emission aussenden, wenn sie sich auf genau definierten („erlaubten“) Umlaufbahnen bewegen, ähnlich wie sich Planeten bewegen. Ein Elektron, das einen Atomkern umkreist, hat Energie, nämlich mechanische Energie, die jedes Objekt hat, das einen Zentralkörper umkreist. Doch sobald sich ein Elektron von einer Umlaufbahn in eine andere bewegt, emittiert oder absorbiert es Strahlung. Sowohl die Abgabe als auch die Aufnahme von Energie erfolgen sprunghaft. Jeder Sprung stellt ein Energiequantum dar, sein Wert ist ein Vielfaches hv. Wenn ein Atom Strahlung absorbiert, bewegt sich ein Elektron von einer inneren Umlaufbahn, die näher am Kern liegt, zu einer äußeren Umlaufbahn, die weiter vom Kern entfernt ist. Beim umgekehrten Übergang hingegen sendet das Atom Quanten oder Photonen aus.

Bohrs Theorie konnte nicht alle Ergebnisse bezüglich der von Atomen emittierten Strahlungsfrequenzen erklären, daher wurde die Arbeit zur Aufklärung der Struktur des Atoms fortgesetzt.

Bisher redeten wir von Quanten bzw. Photonen, d.h. über „Teilchen“ elektromagnetischer Strahlung. Im Jahr 1922 erschien Louis Victor de Broglie (1892-1987); Er brachte eine Idee zum Ausdruck, die für einen Zweig der Physik namens „Wellenmechanik“ von zentraler Bedeutung wurde. De Broglie wusste um die korpuskulären Eigenschaften von Lichtwellen (über Photonen) und dachte über die Frage nach: Wenn sich Lichtwellen sowohl als Teilchen als auch als Wellen verhalten können, warum verhalten sich Teilchen dann nicht genauso? Ist es möglich, Wellen mit irgendeiner Substanz in Verbindung zu bringen? Man musste versuchen, die Frequenz und Geschwindigkeit von Materiewellen zu bestimmen.

Mit den Methoden der mathematischen Theorie partieller Differentialgleichungen stellte de Broglie fest, dass die Wellenlänge ? k eines beliebigen Teilchens muss gleich dem Planckschen Wirkungsquantum sein H, dividiert durch das Produkt der Partikelmasse M und seine Geschwindigkeit v, d.h.

? = H/mv.

Arbeiten mv wird der Impuls des Teilchens genannt und üblicherweise mit angegeben P. Für Teilchen mit einer Masse von 1 g, die sich mit einer Geschwindigkeit von 1 cm/s bewegen, ist dies die De-Broglie-Wellenlänge ? = 10?26 cm, d.h. 10 Millionen Mal kleiner als die Größe eines Atomkerns. Folglich sind im Maßstab der makroskopischen Welt um uns herum alle Objekte im Vergleich zur Länge der entsprechenden Wellen der Materie ungeheuer groß, weshalb wir diese Wellen nicht beobachten.

Erwin Schrödinger (1887-1961) entwickelte de Broglies Idee, dass alle Mikroteilchen und insbesondere Elektronen Wellen entsprechen, und leitete 1926 eine partielle Differentialgleichung für die sogenannten Wellen ab ?- Funktion, die die Form dieser Wellen beschreibt. Durch Lösen der Schrödinger-Gleichung finden wir die Parameter der Wellen. Seine Lösungen werden Eigenfunktionen oder charakteristische Funktionen genannt. Wenn den in der Schrödinger-Gleichung enthaltenen Koeffizienten bestimmte numerische Werte zugewiesen werden, unterscheiden sich diese Funktionen nur für bestimmte Werte einer bestimmten Konstante vom identischen Nullpunkt. Diese Werte werden Eigenwerte oder charakteristische Werte genannt. Die diskreten Werte der Energie der Elektronen in einem Atom erweisen sich als Eigenwerte der Schrödinger-Wellengleichung und stimmen mit den durch Bohrs Theorie angegebenen Werten überein.

Das folgende sehr grobe Bild wird es uns ermöglichen, zumindest allgemein zu verstehen, wie sich Elektronenwellen in Schrödingers Darstellung verhalten. In Abb. 38 zeigt einen Teil der Welle mit einer Länge 2?. Wenn eine solche Welle erzeugt wird, indem man einen Bogen entlang einer Geigensaite führt, schwingt sie auf und ab und nimmt die durch die durchgezogenen und gestrichelten Kurven dargestellten Positionen ein. Es ist auch möglich, eine bestimmte Wellenfolge anzuregen, deren Länge nur Bruchteile der Hauptwellenlänge beträgt (zum Beispiel die Hälfte und ein Drittel davon). Nach Schrödingers Ansicht kann sich die Gesamtwelle, die jedem den Kern umgebenden Elektron entspricht, über zwei, drei oder sogar fünf Grundwellenlängen erstrecken. In jedem Fall enthält eine vollständige Elektronenwelle eine ganze Zahl von Grundwellen und das Ende der letzten Welle fällt mit dem Beginn der ersten zusammen (Punkt in Abb. 38). B muss mit dem Punkt übereinstimmen A)

Eingeführt von Schrödinger ?- Die Funktion gibt die Amplitude von Materiewellen an, die sich von Punkt zu Punkt und von einem Zeitpunkt zum anderen ändern. Dabei handelt es sich um stehende Wellen, die sich hauptsächlich auf einen kleinen Raumbereich in der Nähe des Kerns konzentrieren. Mit zunehmender Entfernung vom Kern werden die Wellen allmählich schwächer, aber ihre Amplitude bleibt in dem Bereich ungleich Null, dessen Abmessungen mit den experimentell bestimmten Abmessungen des entsprechenden Atoms übereinstimmen. Beispielsweise unterscheidet sich die Wellenamplitude eines Wasserstoffatoms, das sich im Grundzustand (niedrigster Energiezustand) befindet, nur innerhalb einer Kugel mit einem Durchmesser von etwa 10 × 8 cm merklich von Null. Für jedes Atom ist die Lösung der Schrödinger-Wellengleichung erforderlich ermöglicht es, einen diskreten Satz von Wellen atomarer Elektronen zu erhalten, und ordnet damit jedem Zustand des Atoms einen bestimmten Energiewert zu.

Wir betonen noch einmal, dass die Schrödinger-Welle, die ein Elektron in einem Atom beschreibt, keine einfache Welle mit einer einzigen Frequenz ist, sondern aus einer ganzen Reihe von Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen besteht. In dieser Hinsicht ähnelt die Schrödinger-Welle den komplexen Schallwellen, die von Musikinstrumenten erzeugt werden.

Im Zusammenhang mit de Broglie-Schrödinger-Wellen stellt sich natürlich die Frage: Woraus sind sie „gemacht“, oder anders gesagt, woraus bestehen sie? Eine ähnliche Frage stellte sich den Physikern im 19. Jahrhundert, als Licht und andere Arten elektromagnetischer Strahlung entdeckt wurden. Zunächst glaubten die Physiker, dass elektromagnetische Wellen Schwingungen einer mysteriösen Substanz namens Äther seien, und entwickelten verschiedene mechanische Modelle, um die Wirkung des Äthers zu erklären. Doch im Laufe der Zeit erkannten die Physiker die Widersprüchlichkeit dieser Art von Ideen und begannen, elektromagnetische Wellen als unabhängige Einheiten zu betrachten. Ähnliches geschah mit Elektronenwellen. Schrödinger vermutete zunächst, dass diese Wellen tatsächlich die Ladungsverteilung des Elektrons beschreiben, d. h. dass in einem Atom die Ladung und die Elektronendichte physikalisch in dem Raumbereich verteilt sind, in dem die Wellenamplitude ungleich Null ist. Es wurde jedoch nichts dergleichen beobachtet. Im Gegenteil, nach der Entdeckung des Elektrons wurde klar, dass seine gesamte Ladung in einem kleinen Raumbereich konzentriert ist und dass das Elektron korpuskularer Natur ist.

Wenn wir über mögliche Wellentypen sprechen, die verschiedenen Energiezuständen eines Elektrons entsprechen, meinen wir streng genommen ein Elektron, das nicht von anderen Teilchen beeinflusst wird. Wenn ein Atom viele Elektronen enthält, verlieren sie ihre „Individualität“ und die ihnen entsprechenden Wellen verschmelzen zu einer gemeinsamen Welle, „einer für alle Elektronen“.

Nach Schrödingers Ansicht sind Elektronen wie Wolken mit unterschiedlicher Dichte. Sie sind dreidimensional. Elektronenwolken bilden mehrere „Stufen“ um den Kern. Die Dichte jeder Wolke steigt von Null auf ein Maximum und sinkt wieder auf Null. Elektronenwolken erstrecken sich über das Atom hinaus, aber für jedes Elektron ist ihre Dichte in der von Bohrs Theorie vorhergesagten Entfernung vom Kern maximal. Die Elektronenwolke als Interpretation eines abstrakten mathematischen Konzepts ist zwangsläufig ungenau. Visualisieren Sie klar und deutlich, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen ?- Die Schrödinger-Funktion ist unmöglich. Die analytische Lösung der Schrödinger-Gleichung ist eine so schwierige Aufgabe, dass sie nur in bestimmten Ausnahmefällen gelöst werden kann. Dennoch stimmen die erhaltenen Lösungen hervorragend mit den experimentellen Daten überein, und auch andere Lösungen stimmen, obwohl näherungsweise, recht gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Insbesondere gelang es, die Schrödinger-Gleichung für den Fall des Wasserstoffatoms vollständig zu lösen. Die resultierende Lösung ermöglicht es uns, jede Frage zu beantworten, die experimentell überprüft werden kann.

Dass sich Elektronen unter bestimmten Bedingungen wie Wellen verhalten, wurde 1927 durch das berühmte Experiment von Clinton J. Davisson (1881–1958) und Lester Germer (1896–1971) sowie unabhängig davon von George P. Thomson (1892–1975) nachgewiesen. Alle diese Forscher entdeckten die Elektronenbeugung (ein Kristall wurde als Beugungsgitter verwendet). Die Beugung als Phänomen besteht darin, dass sich Wellen um ein Hindernis, auf das sie unterwegs stoßen, biegen und in den „Schatten“-Bereich dahinter eindringen. Ähnliches sehen wir, wenn Wellen auf dem Wasser um den Rumpf eines Schiffes gehen. Experimente von Davisson und Germer sowie Thomson zeigten, dass sich Teilchen in manchen Fällen wie Wellen verhalten. Die Physiker sind endlich davon überzeugt, dass alle subatomaren Teilchen ihre eigenen Wellen haben, deren Länge durch die Formel von de Broglie bestimmt wird. So rückten die Arbeiten von de Broglie und Schrödinger das Konzept des Welle-Teilchen-Dualismus (Welle – Teilchen) in den Vordergrund, was sowohl Physikern als auch Philosophen große Probleme bereitete.

Trotz experimenteller Bestätigung, dass sich Elektronen unter bestimmten Bedingungen wie Wellen verhalten, haben sich nicht alle Physiker mit der Idee abgefunden, dass Elektronen um den Atomkern „verschmiert“ sind. Einige sahen insbesondere darin einen Widerspruch: Einerseits müsse in jedem physikalisch unendlich kleinen Bereich die Ladungsdichte der Elektrode unendlich klein sein, andererseits sei die elektrische Ladung des Elektrons eine völlig bestimmte Größe. Alle elektrischen Ladungen sind Vielfache der Elektronenladung. Von diesen Überlegungen geleitet und unter Vermeidung des Welle-Teilchen-Dualismus schlug Max Born (1882-1970) 1926 eine völlig andere Interpretation von Schrödingers Theorie vor: Er führte deren probabilistische Interpretation ein.

Die Wahrscheinlichkeitstheorie gelangte dank des Zufalls in die Mathematik, und zwar im Zusammenhang mit Glücksspielproblemen. Aber am Ende des 19. Jahrhunderts. Maxwell und Ludwig Boltzmann (1844-1906) kamen in ihrer Forschung mithilfe probabilistischer Überlegungen zu den Gesetzen, die die Bewegung von Gasen beschreiben – der kinetischen Gastheorie. Eine der berühmten Arbeiten Einsteins aus dem Jahr 1905 widmete sich ebenfalls dem Wahrscheinlichkeitsproblem der sogenannten Brownschen Bewegung. Anstatt das Elektron als in einer Art räumlicher Wolke verteilt zu betrachten, deren Dichte von Punkt zu Punkt variiert, interpretierte Born die Dichte als die Wahrscheinlichkeit, das Elektron als Teilchen an dem einen oder anderen Punkt im Raum zu finden.

Adressierung ?- Funktion, die in der Schrödinger-Differentialgleichung enthalten ist, schlug Born vor, die Größe zu interpretieren ? als Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Teilchen zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem bestimmten Raumelement befindet. Folglich kann der Aufenthaltsort von Elektronen als Teilchen nur mit mehr oder weniger Wahrscheinlichkeit angegeben werden. Zum Beispiel, wenn es sich in einer bestimmten Region des Weltraums befindet |?| 2 = 0,8 , dann beträgt die Wahrscheinlichkeit, darin ein Teilchen (Elektron) zu entdecken, 80 von 100. Borns probabilistische Interpretation ist auch heute noch allgemein anerkannt.

Dieser Ansatz ermöglicht es uns, die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Elektron in einem bestimmten Volumen gefunden werden kann, genau abzuschätzen. Bei dieser Interpretation ist das Elektron lokalisiert und nicht „verschmiert“, wie in der Schrödinger-Wellenmechanik. Es bleibt jedoch die Frage, ob die probabilistische Interpretation die bestmögliche ist oder ob sie einfach durch die Unvollständigkeit unseres Verständnisses des Elektrons entsteht.

Die Verwendung der Wahrscheinlichkeit mag wie ein verzweifelter Versuch erscheinen, die Situation zu retten, aber die statistische Mechanik hat den Wert des probabilistischen Ansatzes überzeugend demonstriert. Jedes Gas ist eine Ansammlung vieler sich zufällig bewegender Moleküle, aber der Druck des Gases und seine anderen Eigenschaften können auf der Grundlage der wahrscheinlichsten Werte berechnet werden, und diese Parameter haben eine physikalische Bedeutung.

Einstein, Planck und Schrödinger widersetzten sich der probabilistischen Interpretation der Quantenmechanik. Insbesondere Einstein formulierte 1955 seine Einwände und begründete sie mit der Annäherungsfähigkeit und Unvollständigkeit der Quantentheorie:

Ich lehne die Grundidee der modernen statistischen Quantentheorie ab ... Ich glaube nicht, dass ein solch grundlegendes Konzept eine angemessene Grundlage für die gesamte Physik bieten kann ... Ich bin fest davon überzeugt, dass der im Wesentlichen statistische Charakter der modernen Quantentheorie dies tun muss allein darauf zurückzuführen, dass diese Theorie mit einer unvollständigen Beschreibung physikalischer Systeme arbeitet.

((, Bd. 4, S. 295.))

Obwohl die probabilistische Interpretation der Quantentheorie weithin akzeptiert wurde, hofften einige Physiker zaghaft, dass zukünftige Forschungen dennoch die Möglichkeit eröffnen würden, die Position eines Elektrons im Raum genau und zuverlässig zu bestimmen. Aber eines der grundlegend neuen Merkmale der Quantentheorie ist gerade die Unvermeidlichkeit eines gewissen Indeterminismus. Wir beziehen uns auf das Unschärfeprinzip, das 1927 von Werner Heisenberg (1901-1976) entdeckt wurde. Grob gesagt besagt das Unschärfeprinzip, dass es unmöglich ist, gleichzeitig präzise Informationen über die Position und die Geschwindigkeit (oder den Impuls) eines Teilchens zu erhalten. Genauer gesagt zeigte Heisenberg, dass das Produkt der Unsicherheiten bei der Schätzung von Position und Impuls nicht kleiner sein darf als h/2? (?x ?p ? h = h/2?). Heisenberg war von der Richtigkeit des von ihm formulierten Prinzips überzeugt und erklärte es damit, dass Teilchen sowohl Wellen- als auch Korpuskulareigenschaften hätten. Sowohl die Position als auch der Impuls eines Teilchens können beliebig genau gemessen werden, jedoch nicht gleichzeitig, sondern getrennt – entweder die Koordinate oder der Impuls. Gleichzeitig wies Heisenberg darauf hin, dass bei so subtilen Messungen wie den quantenmechanischen Messungen das eigentliche Objekt, durch das die Messung durchgeführt wird – das Testteilchen – von Bedeutung ist.

Diese Unsicherheitsquelle kommt ins Spiel, weil man bei der Messung der Position oder des Impulses beispielsweise eines Elektrons nur andere Elektronen oder Photonen als Testteilchen verwenden kann, aber beide haben einen starken Einfluss auf das untersuchte Teilchen. Folglich können wir in der Welt des Atoms keine Phänomene beobachten, ohne eine Störung zu verursachen. Da Position und Geschwindigkeit von Mikropartikeln nicht gleichzeitig genau gemessen werden können, können wir ihr Verhalten nicht genau vorhersagen. Und wir haben keine andere Wahl, als uns mit probabilistischen Vorhersagen zufrieden zu geben. Beobachtungen und Experimente der klassischen Physik helfen hier nicht weiter.

Wenn das Plancksche Wirkungsquantum groß genug wäre, würde sich die Quantenunsicherheit auf makroskopische Phänomene erstrecken. Wir konnten beispielsweise nicht mit Sicherheit sagen, ob ein Scharfschütze das Ziel treffen würde, selbst wenn er sorgfältig zielte. Aufgrund des extrem kleinen Wertes des Planckschen Wirkungsquantums gibt es jedoch keine direkte Entsprechung zwischen der quantenmechanischen Welt und unserer makroskopischen Realität. Unsicherheit ist der Wellenmechanik inhärent. Bei beobachteten makroskopischen Objekten ist die Unsicherheit bei der Bestimmung ihrer Position und ihres Impulses sehr gering und daher praktisch nicht wahrnehmbar.

Das quantenmechanische Unschärfeprinzip untergräbt das klassische Konzept der Objektivität, d. h. die Vorstellung, dass sich die Welt unabhängig von ihrer Beobachtung in einem ganz bestimmten Zustand befindet. Der quantenmechanische Ansatz widerspricht unserer Alltagserfahrung, die das klassische Konzept der Objektivität stützt, wonach die Welt auf ihre Weise weiter existiert, auch wenn wir sie nicht wahrnehmen. Wenn wir morgens aufwachen, finden wir die Welt ungefähr so ​​vor, wie wir sie in der Nacht zuvor verlassen haben. Was die quantenmechanische Interpretation der Unschärferelation angeht, führt sie zu einem anderen Schluss: Sobald wir die Welt genauer betrachten (auf atomarer Ebene), stellt sich heraus, dass ihr Zustand davon abhängt, wie und was genau wir sie beobachten wir wählen als Objekt der Beobachtung. Das klassische Ideal der objektiven Realität muss überarbeitet werden, um die vom Beobachter geschaffene Realität zu berücksichtigen.

Anschließend konzentrierten sich die Bemühungen der Wissenschaftler, die sich mit der Erforschung der Atomstruktur befassten, hauptsächlich auf den Atomkern. Das Phänomen der Radioaktivität gab Anlass zu der Annahme, dass der Atomkern keineswegs ein unteilbares Teilchen ist. Radioaktive Atome emittieren Alpha-, Beta- und Gammastrahlung. Alphastrahlung ist ein Strom von Alphateilchen mit einer positiven elektrischen Ladung, deren Absolutwert doppelt so hoch ist wie die Ladung eines Elektrons und deren Masse viermal größer ist als die Masse eines Wasserstoffatoms. Betastrahlung ist ein Strom von Betateilchen, d.h. Elektronen. Schließlich ist Gammastrahlung nichts anderes als „harte“ elektromagnetische Strahlung, also gekennzeichnet durch die höchsten bekannten Frequenzen. Alle drei Arten von Strahlung werden von den Kernen schwerer Atome emittiert.

Nachfolgende experimentelle Untersuchungen der Struktur des Atomkerns, die hauptsächlich an Beschleunigern – einer Art „Hämmern“, die den Atomkern spalten können – durchgeführt wurden, zeigten, dass der Kern tatsächlich kein festes, unteilbares Gebilde ist, sondern aus vielen verschiedenen Teilchen besteht: Protonen, Neutronen, Pionen, die wiederum aus Quarks bestehen. Bis heute gibt es Berichte über die Entdeckung neuer Teilchen: Durch die Analyse der Ergebnisse von Experimenten kommen Physiker zu dem Schluss, dass das eine oder andere Teilchen existiert. Viele der Teilchen, aus denen der Atomkern besteht, sind auf irgendeine Weise miteinander verbunden, aber für unsere Zwecke reicht es aus, dass sie existieren.

Obwohl der Atomkern aus einer Vielzahl von Teilchen besteht, sind die grundlegenden „Bausteine“ jeder Substanz Protonen und Neutronen. 99,99 % unseres Körpers bestehen aus ihnen. Die Kerne aller Elemente, die schwerer als Wasserstoff sind, enthalten neben Protonen auch Neutronen.

Einige Struktureinheiten von Atomkernen, wie zum Beispiel Elektronen, haben Welleneigenschaften. Dies gilt insbesondere für die Kerne von Wasserstoff- und Heliumatomen. Gleichzeitig verhalten sich Kerne bei Kollisionen wie Teilchen.

Viele Teilchen, sowohl solche, die Teil des Atomkerns sind, als auch solche, die unabhängig voneinander existieren, haben eine weitere erstaunliche Eigenschaft: Sie sind in der Lage, Transformationen zu durchlaufen. Beispielsweise kann sich ein Proton in ein Neutron umwandeln, indem es ein Neutrino und ein Positron aussendet, das die gleiche Masse wie ein Elektron, aber eine positive Ladung hat, deren Absolutwert der Ladung des Elektrons entspricht. (Die Existenz des Positrons wurde 1932 von Paul A.M. Dirac (1902-1984) anhand rein theoretischer Überlegungen vorhergesagt.) Auch die umgekehrte Transformation ist möglich: Ein Neutron, das ein Elektron und ein Neutrino aussendet, wandelt sich in ein Proton um.

Ein elektromagnetisches Feldquant oder Photon kann, wenn es über ausreichend Energie verfügt, durch Wechselwirkung mit dem elektrischen Feld des Atomkerns ein Elektron-Positron-Paar erzeugen. Es gibt auch einen umgekehrten Prozess, bei dem ein Elektron und ein Positron bei der Kollision verschwinden (vernichten) und zwei Photonen bilden.

Wir können also sagen, dass die Fähigkeit zu verschiedenen Transformationen die Haupteigenschaft von Elementarteilchen ist, von denen viele instabil sind und im Labor gewonnen oder in kosmischer Strahlung gebildet werden. Protonen und Elektronen gehören nach heutigem Kenntnisstand zu stabilen Teilchen, d. h. zerfallen nicht in andere Elementarteilchen. Moderne hypothetische Modelle der sogenannten Großen Vereinigung legen zwar nahe, dass das Proton zerfällt, aber offenbar nicht öfter als etwa alle 10 bis 30 Jahre.

Das Bild der Mikrowelt wird durch die Existenz von Antiteilchen noch komplizierter. Hierbei handelt es sich um eine Gruppe von Elementarteilchen, deren Massen und eine Reihe anderer physikalischer Eigenschaften mit denen ihrer „Zwillinge“ übereinstimmen, während einige ihrer Eigenschaften (z. B. elektrische Ladung) gleichzeitig ein entgegengesetztes Vorzeichen haben. Wie bereits erwähnt, entstehen beim Zusammenstoß eines Elektrons und eines Positrons zwei oder mehr Photonen. Durch die Kollision eines Protons und eines Antiprotons entstehen Mesonen. So wie Materie aus Teilchen aufgebaut ist, kann Antimaterie aus Antiteilchen aufgebaut werden.

Bisher haben wir noch kein Wort über die Kräfte verloren, die zwischen den Teilchen wirken. Was hält Protonen im Kern? Schließlich sollten sie bei identischer (positiver) Ladung eine elektrostatische Abstoßung erfahren. Zusätzlich zu den uns bereits bekannten Wechselwirkungen der Gravitation und der Elektromagnetik postulierten Physiker die Existenz schwacher und starker Wechselwirkungen; Letzterer hält Protonen und Neutronen im Kern. Die in den 70er Jahren entwickelte Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung weist auf die einheitliche Natur elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkungen hin (sie hat eine überzeugende experimentelle Bestätigung erhalten). Wissenschaftler forschen an der sogenannten Großen Vereinigungstheorie, die starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkungen vereint.

Zu welchem ​​Ergebnis sind wir nach zahlreichen Versuchen gekommen, ein zusammenhängendes Bild der mikroskopischen Welt zu schaffen? Die Konzepte und Schlussfolgerungen der Quantenmechanik stellen alle herkömmlichen Grundlagen zunichte. Sie konfrontieren unseren „gesunden Menschenverstand“ mit unlösbaren Problemen, leugnen ihn oder stellen ihn zumindest in Frage. Bevor wir versuchen, unsere ersten Eindrücke irgendwie zu „glätten“, stellen wir fest, dass die Realität, mit der sich die Quantentheorie befasst, sehr ernst genommen werden sollte. Wir wissen, dass die Theorie der Atomstrukturen in ihrer Gesamtheit es ermöglicht, viel in der Struktur von Molekülen und sogar in chemischen Prozessen zu erklären. Es gibt jedoch noch greifbarere und sichtbarere Realitäten: die Atombombe, deren Funktionsprinzip auf der Spaltung von Atomkernen basiert, und die Wasserstoffbombe, die auf der Kernfusion basiert.

Wenn ein Uranatom mit einem Neutron kollidiert, kommt es zur Spaltung des Uranatoms und ein Teil seiner Masse wird in eine große Energiemenge umgewandelt. Unter bestimmten Bedingungen kann der Spaltungsprozess als Kettenreaktion ablaufen. Der Betrieb einer Atombombe und eines Kernreaktors basiert auf diesem Prinzip. Wir haben eine solche Realität bereits beobachtet.

Der gegenteilige Prozess findet bei der Kernfusion statt, deren Beherrschung noch erlernt werden muss. Wenn vier Kerne gewöhnlicher Wasserstoffatome zu einem Heliumatom verschmelzen, dessen Masse etwas weniger als das Vierfache der Wasserstoffmasse beträgt (entspricht 3,97 Atommassen Wasserstoff), wird eine enorme Energiemenge in Form von Licht und Wärme freigesetzt . Der Prozess der Kernfusion mit der Umwandlung von Wasserstoff in Helium findet auf der Sonne kontinuierlich statt; es ist die Quelle der Sonnenenergie. Unter terrestrischen Bedingungen werden bei der Kernfusion Wasserstoffisotope verwendet – Deuterium und Tritium, deren Atommassen zwei- bzw. dreimal größer sind als die Masse von gewöhnlichem, „leichtem“ Wasserstoff. Für die thermonukleare Fusion von schwerem Wasserstoff sind unglaublich hohe Temperaturen erforderlich.

Es ist interessant, dass Oliver Lodge bereits 1920 einen wahrhaft prophetischen Gedanken äußerte: „Die Zeit wird kommen, in der die Atomenergie die Kohle ersetzen wird ... Ich hoffe, dass die Menschheit diese Energie frühestens dann nutzen wird, wenn sie über die nötige Intelligenz verfügt.“ Verwenden Sie es richtig.“ . Doch schon 1933 hielt Rutherford die Idee, Atomenergie zu nutzen, für absurd.

In unserem notwendigerweise oberflächlichen Überblick über Prozesse in der Mikrowelt haben wir unter anderem festgestellt, dass sich Materie in Form von Teilchen in Strahlung (Wellen) umwandeln kann und umgekehrt, während gleichzeitig ihre quantenmechanische Beschreibung davon ausgeht Materie in Form von Teilchen weist unter bestimmten Bedingungen wellenartige Eigenschaften auf, und Strahlung weist teilchenartige Eigenschaften auf. Aber was ist dann die „wahre“ physische Realität?

Ein Photon ist also keine Welle im herkömmlichen Sinne. Dies ist ein Wellenteilchen, eine einzelne Formation mit doppelter Natur: sowohl Wellen als auch Teilchen. Ebenso ist ein Elektron kein Teilchen im herkömmlichen Sinne, sondern ein Wellenteilchen. Wie sich ein Photon oder Elektron genau verhält – als Welle oder als Teilchen –, hängt allein davon ab, welche Art von Experiment wir mit ihnen durchführen. Weder ein Elektron noch ein Photon verhalten sich wie eine Welle oder wie ein Teilchen. Wenn wir ein Experiment zur Lichtbeugung durchführen, verhält sich das Photon wie eine Welle. Wenn wir jedoch den photoelektrischen Effekt mit demselben Licht untersuchen, verhält sich das Photon wie ein Teilchen. In Vakuumröhren oder Fernsehbildröhren verhalten sich Elektronen wie Teilchen. Doch sobald wir einen Elektronenstrahl durch den Kristall schicken, kommt es zu Interferenzeffekten – genau wie bei Lichtwellen. In seinem Buch „Physik und Philosophie“ schrieb Heisenberg: „Wir beobachten nicht die Natur an sich, sondern die Natur, wie sie sich unserer Fähigkeit offenbart, Fragen zu stellen.“

Es liegt nahe, sich zu fragen: Gibt es in diesem Fall signifikante Unterschiede zwischen einer Teilchenwelle und einem Wellenteilchen? Es gibt solche Unterschiede, und zwar ziemlich viele. Der grundlegendste Unterschied hat wiederum mit der Lichtgeschwindigkeit zu tun. Während ein Wellenteilchen niemals die Lichtgeschwindigkeit erreicht (sonst würde seine Masse unendlich werden), hat eine Teilchenwelle als Lichtwelle eine Geschwindigkeit, die genau der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Ein Teilchenwellenphoton kann keine andere Ruhemasse als Null haben (d. h. keine Masse haben, wenn sich das Photon nicht bewegt), denn wenn es sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen würde, wäre die Masse des Photons unendlich. Was das Wellenteilchen betrifft, so ist seine Ruhemasse nicht Null. Weitere Unterschiede können erwähnt werden.

In diesem Fall ist es für uns jedoch wichtig, die wichtigste Schlussfolgerung hervorzuheben, zu der uns die moderne Entwicklung der Elementarteilchenphysik in Symbiose mit der Kosmologie unmittelbar führt, nämlich dass alle Materie im Universum, die wir beobachten, instabil ist. Atomkerne können sich in Leptonen verwandeln, beispielsweise in Elektronen, Positronen, Quanten elektromagnetischer Strahlung (Photonen) usw. Elementarteilchen können wiederum verschwinden und erscheinen und sich ineinander verwandeln. Hinzu kommt, dass wir in einem expandierenden Universum leben. Es stellt sich natürlich die Frage: Gibt es in diesem sich verändernden Bild verschiedener Transformationen etwas Ewiges, Unveränderliches und Stabiles? Hierzu gibt es unterschiedliche Meinungen.

Auf jeden Fall ist die Substanz, in ihrem traditionellen Verständnis unzerstörbar, teilbar, körperlich, fest und ausgedehnt, aus unseren Händen verschwunden und existiert nicht mehr. Wir haben nur eine bestimmte Menge an Masse und Energie. Ihre Gesamtsumme bleibt erhalten, aber jeder ihrer Begriffe kann sich in einen anderen verwandeln. Beispielsweise entstehen bei manchen Wechselwirkungen von Teilchen (z. B. deren Kollisionen in Beschleunigern) neue Teilchen, aber mit ihnen gibt es auch Teilchen, die von Anfang an im Strahl waren. Wie ist das möglich? Die einem Teilchen in einem Beschleuniger verliehene Energie wird in Masse umgewandelt. Wie Sie wissen, hängen Energie und Masse durch Einsteins Formel zusammen E = mc 2. Wo Energie ist, ist auch Masse. Energie und Masse sind komplementäre Erscheinungsformen der Realität, die nicht visuell interpretiert werden können. Nicht jede makroskopische Beschreibung ist auf mikroskopische Phänomene anwendbar, ebenso wie nicht jede Frage, die im Rahmen der Newtonschen Physik sinnvoll ist, im Bereich atomarer Phänomene eine vernünftige Antwort hat.

Aber da alle Materie aus Quanten und Teilchen besteht, warum bemerken wir sie dann nicht im Alltag? Aus dem einfachen Grund, dass selbst ein Staubkorn im Vergleich zu jedem subatomaren Teilchen ein Berg ist. Wenn sich solche Teilchen auch nur mit einer sehr geringen Geschwindigkeit bewegen würden (mit der sie sich nie bewegen), wäre die De-Broglie-Wellenlänge zu klein, um die Auswirkungen der Quantisierung der Bewegung zu bemerken. Es gibt allen Grund zu der Annahme, dass Quantenkonzepte zu klassischen Konzepten werden, wenn wir über die Welt der atomaren Phänomene hinausgehen und uns der Welt der gewöhnlichen makroskopischen Phänomene nähern. Letztere operieren in der Welt der Zwischenskalen oder Mesoskalen, sind jedoch weder auf die atomare noch die kosmologische Welt anwendbar.

Die Quantentheorie sagt die Ergebnisse von Experimenten mit großer Genauigkeit voraus. Ein ausreichendes Verständnis physikalischer Prozesse ist in diesem Rahmen jedoch noch nicht erreicht. Beispielsweise beschreibt die Quantentheorie das Elektron mathematisch mithilfe einer Wellenfunktion. Das Elektron ist im Raum „ausgebreitet“. Seine Wellenfunktion gibt die Wahrscheinlichkeit an, mit der ein Elektron an einem beliebigen Punkt im Raum nachgewiesen werden kann. Aber nachdem das Elektron entdeckt wurde, hört es auf, „verschmiert“ zu werden: Seine Position wird ganz eindeutig. Kann ein solches Bild als richtig angesehen werden? Die Quantentheorie sagt die Positionen der Instrumentennadeln korrekt voraus, die zugrunde liegenden physikalischen Phänomene bleiben jedoch unklar. Mathematische Regeln funktionieren, aber leider fehlt eine vernünftige Interpretation der Quantenwelt. Offenbar werden sowohl Wellen als auch Teilchen benötigt, um die Realität zu beschreiben.

Die Ordnung des Universums kann auch die Ordnung unseres Geistes sein. Wir sind nicht nur Beobachter der Realität, wir sind ihre aktiven Teilnehmer. Die Natur ist kein offenes Buch, das wir als unabhängige Beobachter lesen können. Diese Ablehnung der üblichen Forderungen nach einer physikalischen Erklärung hat viele Physiker und Philosophen dazu veranlasst, daran zu zweifeln, dass wir über eine angemessene Beschreibung atomarer Phänomene verfügen. Insbesondere eine probabilistische Beschreibung sollte ihrer Meinung nach als vorübergehende Maßnahme betrachtet werden, die durch eine deterministische Beschreibung ersetzt wird.

Wir sollten jedoch nicht vergessen, dass die Quantentheorie erst vor relativ kurzer Zeit entstand. Es ist durchaus möglich, dass sich in etwa fünfzig Jahren die plumpe Mischung aus Korpuskular- und Teilchenwellentheorie in eine einfache und klare Theorie verwandelt. Vieles, was wir über verschiedene Partikel wissen, stammt von den „punktierten Spuren“, die sie in verschiedenen Arten von Aufzeichnungsgeräten hinterlassen. Solche Spuren entstehen, wenn Teilchen Ziele in Beschleunigern bombardieren. Andererseits gewinnen die bombardierenden Teilchen in Beschleunigern enorme Energie, und man könnte daraus schließen, dass diese Energie in Masse umgewandelt wird. Kann die auf diese Weise entstandene Masse als wahre Realität betrachtet werden oder ist sie eine trügerische Empfindung, die aus unseren unzuverlässigen und oberflächlichen Sinneswahrnehmungen entsteht? Ohne auf Einzelheiten einzugehen, sollte die Masse sicherlich als statistischer Effekt betrachtet werden.

Wie wir sehen, ist das Verständnis der Struktur des Atoms für die Physik von größter Bedeutung, bringt jedoch sowohl für die Chemie als auch für die biologische Forschung wirklich unschätzbare Vorteile mit sich. Vielleicht kann die Biochemie die Geheimnisse des Lebens und der Vererbung enthüllen und dadurch die Gesundheit des Menschen verbessern und sein Leben verlängern. Wie dem auch sei, man kann mit Sicherheit sagen, dass sich die Erforschung der Natur des Atoms als sehr fruchtbar erwiesen hat.

Das Wichtigste für uns war zu verstehen, dass unsere Modelle der Atomstruktur nicht physikalisch sind. Sie sind von Anfang bis Ende mathematisch. Die Mathematik ermöglicht es uns, Ordnung zu entdecken und herzustellen, wo Chaos herrschte. Laut Dirac und Heisenberg ist eine konsequente mathematische Beschreibung der Natur der Weg zur Wahrheit in der Physik. Das Bedürfnis nach visueller Darstellung oder physikalischer Erklärung ist nichts anderes als ein Relikt der klassischen Physik.

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Die Quantenphysik (auch Quantentheorie oder Quantenmechanik genannt) ist ein eigenständiger Zweig der Physik, der sich mit der Beschreibung des Verhaltens und der Wechselwirkung von Materie und Energie auf der Ebene von Elementarteilchen, Photonen und einigen Materialien bei sehr niedrigen Temperaturen befasst. Ein Quantenfeld ist definiert als die „Aktion“ (oder in manchen Fällen der Drehimpuls) eines Teilchens, die innerhalb der Größe einer winzigen physikalischen Konstante namens Plancks Konstante liegt.

Schritte

Plancksche Konstante

Beginnen Sie mit dem Erlernen des physikalischen Konzepts der Planckschen Wirkungskonstante. In der Quantenmechanik ist das Plancksche Wirkungsquantum ein Wirkungsquantum, das als bezeichnet wird H. Ebenso für wechselwirkende Elementarteilchen, Quanten Drehimpuls- Dies ist die reduzierte Plancksche Konstante (Plancksche Konstante dividiert durch 2 π), bezeichnet als ħ und heißt „h mit Balken“. Der Wert des Planckschen Wirkungsquantums ist äußerst gering; es vereint jene Impulsmomente und Handlungsbezeichnungen, die ein allgemeineres mathematisches Konzept haben. Name Quantenmechanik impliziert, dass sich einige physikalische Größen, ähnlich dem Drehimpuls, nur ändern können diskret, nicht kontinuierlich ( cm. analog) Weg.

• Beispielsweise ist der Drehimpuls eines an ein Atom oder Molekül gebundenen Elektrons quantisiert und kann nur Werte annehmen, die ein Vielfaches der reduzierten Planck-Konstante sind. Diese Quantisierung erhöht das Orbital des Elektrons um eine Reihe ganzzahliger Primärquantenzahlen. Im Gegensatz dazu wird der Drehimpuls ungebundener Elektronen in der Nähe nicht quantisiert. Das Plancksche Wirkungsquantum wird auch in der Quantentheorie des Lichts verwendet, in der das Lichtquant ein Photon ist und Materie durch die Übertragung von Elektronen zwischen Atomen oder den „Quantensprung“ eines gebundenen Elektrons mit Energie interagiert.
• Die Einheiten des Planckschen Wirkungsquantums können auch als die Zeit des Energiemoments betrachtet werden. Beispielsweise werden im Fachgebiet der Teilchenphysik virtuelle Teilchen als eine Masse von Teilchen dargestellt, die spontan aus einem Vakuum in einem sehr kleinen Bereich entstehen und an deren Wechselwirkung beteiligt sind. Die Lebensgrenze dieser virtuellen Teilchen ist die Energie (Masse) jedes Teilchens. Die Quantenmechanik hat ein großes Fachgebiet, aber jeder mathematische Teil davon enthält das Plancksche Wirkungsquantum.

1. Erfahren Sie mehr über schwere Partikel. Schwere Teilchen durchlaufen einen klassischen Energieübergang zur Quantenenergie. Selbst wenn sich ein freies Elektron, das einige Quanteneigenschaften (z. B. Spin) hat, als ungebundenes Elektron einem Atom nähert und langsamer wird (vielleicht aufgrund seiner Photonenemission), ändert es sich vom klassischen zum Quantenverhalten, wenn seine Energie darunter sinkt Ionisationsenergie. Ein Elektron bindet an ein Atom und sein Drehimpuls relativ zum Atomkern wird durch den Quantenwert des Orbitals begrenzt, das es einnehmen kann. Dieser Übergang erfolgt plötzlich. Es kann mit einem mechanischen System verglichen werden, das seinen Zustand von instabil zu stabil ändert, oder dessen Verhalten sich von einfach zu chaotisch ändert, oder es kann sogar mit einer Rakete verglichen werden, die langsamer wird, unter die Abhebegeschwindigkeit fällt und einen Flug aufnimmt Umlaufbahn um einen Stern oder ein anderes Himmelsobjekt. Im Gegensatz dazu vollziehen Photonen (die schwerelos sind) diesen Übergang nicht: Sie durchqueren einfach unverändert den Raum, bis sie mit anderen Teilchen interagieren und verschwinden. Wenn Sie in den Nachthimmel schauen, wandern die Photonen einiger Sterne viele Lichtjahre lang unverändert, interagieren dann mit einem Elektron in einem Molekül in Ihrer Netzhaut, geben ihre Energie ab und verschwinden dann.

E. h.m. übersteigt die Anzahl der periodischen Elemente. Mendelejews System. E. ch.m. ist im Wesentlichen quantenmechanisch. Objekte (siehe Mikropartikel), ihre Bewegung (die häufig mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit auftritt) kann nur relativistisch sein, d. h. eine Theorie, die die Anforderungen der Relativitätstheorie erfüllt. In den 30er–50er Jahren. Man glaubte, dass die allgemeine Theorie der elektronischen Quantenmechanik die Quantenmechanik und die Relativitätstheorie die relativistische sein würde. Allerdings stießen einige Versuche in dieser Richtung auf unüberwindbare Schwierigkeiten. Daher hat sich in der Physik herausgestellt, dass es zur Erstellung einer allgemeinen Theorie der elementaren Quantenmechanik notwendig ist, die Prinzipien der Quantentheorie und der Relativitätstheorie durch wesentlich neue Konzepte und Gesetze zu ergänzen, die nur für die Welt der Quantenmechanik charakteristisch sind Elementare Quantenmechanik.

Von den Philosophien, die diesbezüglich entstanden sind. Die größten Probleme betrafen die Beschaffenheit der Raumzeit in sehr kurzen Entfernungen. Zahlreiche Versuche direkt Quantisierung von Räumen, Beziehungen auf der Ebene von E. h.m. mit logisch konsistent. Im Verlauf ihrer Experimente entdeckten sie deren Unvereinbarkeit mit den Anforderungen der Relativitätstheorie und experimentellen Daten zur Streuung elektrochemischer Teilchen bei sehr hohen Energien. Lindenbaum et al. wiesen 1966 nach, dass der Mikrokosmos bis zu Entfernungen von 10–17 cm eine kontinuierliche, nicht-diskrete Struktur aufweist. Derzeit werden verschiedene Modelle der diskreten Raumzeit betrachtet. Zeit als eine der Forschungsrichtungen zum Thema reale Physik. Struktur sehr kleiner Entfernungen und Zeiträume. Die Verwendung der Mathematik in der Physik der Elementarmathematik basiert noch immer auf dem Eudoxus-Archimedes-Axiom, wonach von zwei willkürlich gewählten Segmenten immer das kleinere um eine größere Anzahl von Malen verschoben werden kann, woraufhin das letztere verschoben wird an Länge übertroffen. Dies, was die Topologie des Raumes charakterisiert, lässt in der Welt von E. h.m. Zweifel aufkommen, insbesondere im Zusammenhang mit der Möglichkeit verschiedener virtueller Transformationen derselben ineinander. Im Rahmen des sogenannten Es werden Anwendungen der abstrakten Feldtheorie zur Konstruktion einer allgemeinen Theorie der Elementartheorie der Mathematik untersucht. Räume der allgemeinsten Topologie. Natur, inkl. und nichtmetrisch (d. h. solche, bei denen es unmöglich ist, ein bestimmtes Maß für den „Abstand“ von Objekten voneinander einzuführen – ein Analogon des „Abstands“ zwischen ihnen).

DR. Philosoph Probleme sind mit der Identifizierung eines elementaren Objekts verbunden, das als Grundlage für die Theorie von E. ch. mit Erfahrung verbundenen Entitäten (zum Beispiel ein bestimmter universeller, selbsttätiger nichtlinearer Heisenberg-Spinor) und hypothetischen Objekten verwendet werden kann. Natur (Quarks von Gell-Mann und Zweig oder Regelionen von Chew, Frautschi und ihren Anhängern). Viele dieser Versuche stehen in direktem Zusammenhang mit bestimmten Philosophien. Ideen. Daher betrachtet Sakata seine Theorie als Grundlage der Ideen der Dialektik. Materialismus geht Heisenberg von Platons Lehre über geometrisch perfekte Idealkörper aus, Gell-Man verbindet seine „achtzählige Symmetrie“ mit den acht Arten, die Wahrheit Buddhas zu verstehen, und mit der Suche nach einer neuen Form des Atomismus, Chew, auf der im Gegenteil, hält die Idee des Atomismus für veraltet und schlägt vor, sich von Leibniz‘ Idee des Besten aus Welten und der Idee der „Demokratie“ leiten zu lassen – dem gleichen Status aller bekannten E. h.m.

Alle bisher vorgeschlagenen Varianten der allgemeinen Theorie von E. ch. m. stellen spezifische, zutiefst dialektische Methoden dar. die Widersprüchlichkeit der Eigenschaften von E. ch. m. als wissenschaftliche Objekte. Forschung: Einerseits gibt es offensichtlich eine erstaunliche Konstanz von Massen, Ladungen, Spins und anderen Eigenschaften von E. h.m. dieses Typs; Andererseits ist die gegenseitige Konvertierbarkeit von E. Ch. M. im Wesentlichen eine Form ihrer Existenz – dank der Anwesenheit virtueller Prozesse kann sich jedes der bekannten E. Ch. M. in fast jedes andere (plus zusätzliche) verwandeln Körperchen - zur Erhaltung der elektrischen, baryonischen und leptonischen Ladungen).

Eine Reihe von Philosophien Die Probleme der Physik von E. ch. m. betreffen die Bildung neuer Konzepte, mit deren Hilfe es möglich sein wird, neue Bewegungen von E. ch. m. als qualitativ einzigartige Objekte zu formulieren. In den letzten Jahren hat sich im Zusammenhang mit der Entdeckung neuer Eigenschaften der Symmetrie der elementaren Quantenmechanik die Überzeugung herausgebildet, dass sowohl die Gesetze der Quantentheorie als auch die Gesetze der Relativitätstheorie nur einen bestimmten Grenzfall der Gesetze des zukünftigen Allgemeinen darstellen Theorie der elementaren Quantenmechanik (zum Beispiel im Grenzfall hinreichend niedriger Energien – bis zu einer Million Elektronenvolt pro Korpuskel – und wenn sie auf Objekte beschränkt ist, die eine triviale, metrische Topologie haben). Mit anderen Worten, die Konstruktion der Theorie von E. ch. m. wird vom Standpunkt der Übereinstimmung des Prinzips aus angegangen. Große Hoffnungen werden auf die intensiv untersuchten Eigenschaften der Symmetrie der Wechselwirkungen von E. h.m. gesetzt. Das ist nur unter diesem Gesichtspunkt offensichtlich. Eine einheitliche Theorie von E. Ch.M. wird in der Lage sein, sowohl die Tatsache der Existenz dieser besonderen Gruppe von E. Ch.M. als auch das Vorhandensein genau dieser Arten von Interaktionen zwischen ihnen und das völlig Geheimnisvolle darin zu erklären der heutige Tag. Zeit, aber empirisch hängt die Stärke der Wechselwirkung sehr eindeutig vom Grad ihrer Symmetrie ab (eine Abnahme dieser Kraft, wenn der Grad der Symmetrie der Wechselwirkung abnimmt).

Zündete.: Markov M. A., Über die Neuzeit. Form des Atomismus (Über den Begriff eines Elementarteilchens), „VF“, 1960; Nr. 3, 4; Mapshak R. und Sudershan E., Einführung in die Physik E. ch., trans. aus Englisch, M., 1962; Philosophie Probleme der Physik E. Ch., M., 1863; Heisenberg V., Physik und, trans. aus Deutsch, M., 1963; Die Natur der Materie, „Advances in Physical Sciences“, 1965; Bd. 86, Nr. 4; Chew J., Analyst. S-Matrix-Theorie, trans. aus dem Englischen, M., 1968.

I. Akchurin. Moskau.

Philosophische Enzyklopädie. In 5 Bänden - M.: Sowjetische Enzyklopädie. Herausgegeben von F. V. Konstantinov. 1960-1970 .

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Die kleinsten physikalischen Teilchen Gegenstand. Vorstellungen über E. h. spiegeln den in der Neuzeit erreichten Kenntnisstand über die Struktur der Materie wider. Wissenschaft. Ein charakteristisches Merkmal von E. h. ist die Fähigkeit, sich gegenseitig zu verändern; Dies erlaubt uns nicht, E. h. als... ... zu betrachten. Naturwissenschaft. Enzyklopädisches Wörterbuch

Bücher

• Ätherische Theorie der Struktur der Materie im Universum, Anatoly Bedritsky. Das Buch „The Ethereal Theory of the Structure of Matter in the Universe“ definiert die wahren ursprünglichen Elementarteilchen der Materie – Matten, die absolute Dichte haben und sich chaotisch in alle Richtungen bewegen,...

Die Wissenschaft

Die Quantenphysik befasst sich mit der Untersuchung des Verhaltens der kleinsten Dinge in unserem Universum: subatomarer Teilchen. Dies ist eine relativ neue Wissenschaft, die erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts zu einer solchen wurde, als sich Physiker für die Frage interessierten, warum sie einige der Auswirkungen der Strahlung nicht erklären konnten. Einer der Erfinder dieser Zeit, Max Planck, verwendete den Begriff „Quanten“, wenn er winzige Teilchen mit Energie untersuchte, daher der Name „Quantenphysik“. Planck stellte fest, dass die in Elektronen enthaltene Energiemenge nicht willkürlich ist, sondern den Standards der „Quantenenergie“ entspricht. Eines der ersten Ergebnisse der praktischen Anwendung dieses Wissens war die Erfindung des Transistors.

Im Gegensatz zu den starren Gesetzen der Standardphysik können die Regeln der Quantenphysik gebrochen werden. Gerade als Wissenschaftler glauben, dass sie sich mit einem Aspekt der Erforschung von Materie und Energie befassen, zeichnet sich eine neue Wendung der Ereignisse ab, die sie daran erinnert, wie unvorhersehbar die Arbeit auf diesem Gebiet sein kann. Doch auch wenn sie nicht vollständig verstehen, was passiert, können sie die Ergebnisse ihrer Arbeit für die Weiterentwicklung nutzen neue Technologien, die man manchmal geradezu als fantastisch bezeichnen kann.

In Zukunft könnte die Quantenmechanik dazu beitragen, militärische Geheimnisse zu bewahren, für Sicherheit zu sorgen und Ihr Bankkonto vor Cyberdieben zu schützen. Wissenschaftler arbeiten derzeit an Quantencomputern, deren Fähigkeiten weit über die Fähigkeiten eines herkömmlichen PCs hinausgehen. In subatomare Teilchen unterteilt, Objekte können im Handumdrehen von einem Ort zum anderen bewegt werden. Und vielleicht kann die Quantenphysik die faszinierendste Frage beantworten, woraus das Universum besteht und wie das Leben begann.

Nachfolgend finden Sie Fakten darüber, wie die Quantenphysik die Welt verändern kann. Wie Niels Bohr sagte: „Wer von der Quantenmechanik nicht schockiert ist, hat einfach noch nicht verstanden, wie sie funktioniert.“

Turbulenzkontrolle

Vielleicht dank der Quantenphysik wird es bald möglich sein, die turbulenten Zonen zu beseitigen, die dazu führen, dass man im Flugzeug Saft verschüttet. Durch die Erzeugung von Quantenturbulenzen in ultrakalten Gasatomen in einem Labor können brasilianische Wissenschaftler möglicherweise die Turbulenzen verstehen, denen Flugzeuge und Boote ausgesetzt sind. Seit Jahrhunderten stellen Turbulenzen Wissenschaftler vor ein Rätsel, da es schwierig ist, sie im Labor zu reproduzieren.

Turbulenzen werden durch Gas- oder Flüssigkeitsklumpen verursacht, in der Natur scheinen sie sich jedoch zufällig und unerwartet zu bilden. Obwohl sich turbulente Zonen in Wasser und Luft bilden können, haben Wissenschaftler herausgefunden, dass sie sich auch in ultrakalten Gasatomen oder in superflüssigem Helium bilden können. Durch die Untersuchung dieses Phänomens unter kontrollierten Laborbedingungen werden Wissenschaftler eines Tages in der Lage sein, genau vorherzusagen, wo turbulente Zonen auftreten werden, und sie möglicherweise in der Natur zu kontrollieren.

Spintronik

Ein am MIT entwickelter neuer magnetischer Halbleiter könnte in Zukunft zu noch schnelleren, energieeffizienten elektronischen Geräten führen. Diese als „Spintronik“ bezeichnete Technologie nutzt den Spinzustand von Elektronen zur Übertragung und Speicherung von Informationen. Während herkömmliche elektronische Schaltkreise lediglich den Ladungszustand des Elektrons ausnutzen, macht sich die Spintronik die Spinrichtung des Elektrons zunutze.

Durch die Verarbeitung von Informationen mithilfe spintronischer Schaltkreise können Daten aus zwei Richtungen gleichzeitig gesammelt werden, wodurch auch die Größe elektronischer Schaltkreise verringert wird. Dieses neue Material führt aufgrund seiner Spinorientierung ein Elektron in einen Halbleiter ein. Die Elektronen passieren den Halbleiter und werden auf der Ausgangsseite bereit, als Spindetektoren zu dienen. Wissenschaftler sagen, dass die neuen Halbleiter bei Raumtemperatur funktionieren können und optisch transparent sind, was bedeutet, dass sie mit Touchscreens und Solarpaneelen funktionieren können. Sie glauben auch, dass es Erfindern helfen wird, noch funktionsreichere Geräte zu entwickeln.

Parallelwelten

Haben Sie sich jemals gefragt, wie unser Leben aussehen würde, wenn wir die Möglichkeit hätten, durch die Zeit zu reisen? Würden Sie Hitler töten? Oder würden Sie sich den römischen Legionen anschließen, um die antike Welt zu erkunden? Doch während wir alle darüber phantasieren, was wir tun würden, wenn wir in die Vergangenheit reisen könnten, ebnen Wissenschaftler der University of California Santa Barbara bereits den Weg zur Wiederherstellung der Missstände vergangener Zeiten.

In einem Experiment aus dem Jahr 2010 konnten Wissenschaftler nachweisen, dass ein Objekt gleichzeitig in zwei verschiedenen Welten existieren kann. Sie isolierten ein winziges Stück Metall und stellten unter besonderen Bedingungen fest, dass es sich gleichzeitig bewegte und stillstand. Allerdings mag jemand diese Beobachtung für ein durch Überarbeitung verursachtes Delirium halten, doch Physiker sagen, dass Beobachtungen des Objekts tatsächlich zeigen, dass es im Universum in zwei Teile zerfällt – von denen wir einen sehen und den anderen nicht. Die Theorien der Parallelwelten besagen einhellig, dass absolut jedes Objekt zerfällt.

Jetzt versuchen Wissenschaftler herauszufinden, wie sie den Moment des Zusammenbruchs „überspringen“ und in die Welt eintreten können, die wir nicht sehen können. Diese zeitliche Reise in Paralleluniversen sollte theoretisch funktionieren, da sich Quantenteilchen zeitlich sowohl vorwärts als auch rückwärts bewegen. Jetzt müssen Wissenschaftler nur noch eine Zeitmaschine aus Quantenteilchen bauen.

Quantenpunkte

Bald können Quantenphysiker Ärzten dabei helfen, Krebszellen im Körper aufzuspüren und festzustellen, wo sie sich ausgebreitet haben. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass einige kleine Halbleiterkristalle, sogenannte Quantenpunkte, leuchten können, wenn sie ultraviolettem Licht ausgesetzt werden, und sie wurden auch mit einem speziellen Mikroskop fotografiert. Anschließend wurden sie mit einem speziellen Material kombiniert, das für Krebszellen „attraktiv“ war. Beim Eindringen in den Körper wurden die leuchtenden Quantenpunkte von Krebszellen angezogen und zeigten Ärzten so genau an, wo sie suchen müssen. Das Leuchten hält ziemlich lange an und für Wissenschaftler ist die Anpassung der Punkte an die Merkmale einer bestimmten Krebsart relativ einfach.

Während die Hightech-Wissenschaft sicherlich für viele medizinische Fortschritte verantwortlich ist, ist der Mensch seit Jahrhunderten auf viele andere Mittel zur Krankheitsbekämpfung angewiesen.

Gebet

Es ist schwer vorstellbar, was ein amerikanischer Ureinwohner, ein schamanischen Heiler und die Pioniere der Quantenphysik gemeinsam haben könnten. Dennoch gibt es zwischen ihnen etwas gemeinsam. Niels Bohr, einer der ersten Forscher auf diesem seltsamen Gebiet der Wissenschaft, glaubte, dass ein Großteil dessen, was wir Realität nennen, vom „Beobachtereffekt“ abhängt, also von der Beziehung zwischen dem, was passiert, und der Art und Weise, wie wir es sehen. Dieses Thema löste unter Quantenphysikern ernsthafte Debatten aus, doch ein vor mehr als einem halben Jahrhundert von Bohr durchgeführtes Experiment bestätigte seine Annahme.

All dies bedeutet, dass unser Bewusstsein die Realität beeinflusst und sie verändern kann. Die wiederholten Gebete und Rituale der Schamanen-Heiler-Zeremonie können Versuche sein, die Richtung der „Welle“ zu ändern, die die Realität erschafft. Die meisten Zeremonien werden auch in Anwesenheit zahlreicher Beobachter durchgeführt, was darauf hindeutet, dass ihre Wirkung auf die Realität umso stärker ist, je mehr „Heilungswellen“ von den Beobachtern ausgehen.

Objektbeziehung

Die Vernetzung von Objekten könnte in Zukunft große Auswirkungen auf die Solarenergie haben. Die Verbindung von Objekten impliziert die Quanteninterdependenz der im realen physischen Raum getrennten Atome. Physiker gehen davon aus, dass dieser Zusammenhang in dem Teil der Pflanzen entsteht, der für die Photosynthese, also die Umwandlung von Licht in Energie, verantwortlich ist. Die für die Photosynthese verantwortlichen Strukturen, Chromophore, können 95 Prozent des empfangenen Lichts in Energie umwandeln.

Wissenschaftler untersuchen nun, wie sich diese Kopplung auf Quantenebene auf die Erzeugung von Sonnenenergie auswirken könnte, in der Hoffnung, effiziente natürliche Solarzellen zu schaffen. Experten fanden außerdem heraus, dass Algen mithilfe einiger Quantenmechanik die vom Licht empfangene Energie bewegen und gleichzeitig an zwei Orten speichern können.

Quanten-Computing

Ein weiterer ebenso wichtiger Aspekt der Quantenphysik kann im Computerbereich angewendet werden, wo ein spezieller Typ supraleitender Elemente dem Computer eine beispiellose Geschwindigkeit und Leistung verleiht. Die Forscher erklären, dass sich das Element wie künstliche Atome verhält, indem es nur durch die Bewegung zwischen diskreten Energieniveaus Energie gewinnen oder verlieren kann. Das komplexeste Atom in seiner Struktur hat fünf Energieniveaus. Dieses komplexe System („Qudit“) bietet erhebliche Vorteile gegenüber der Funktionsweise früherer Atome, die nur zwei Energieniveaus („Qubit“) hatten. Qudits und Qubits gehören zu den Bits, die in Standardcomputern verwendet werden. Quantencomputer werden bei ihrer Arbeit die Prinzipien der Quantenmechanik nutzen, wodurch sie Berechnungen viel schneller und genauer durchführen können als herkömmliche Computer.

Es gibt jedoch ein Problem, das entstehen könnte, wenn Quantencomputing Realität wird: Kryptographie oder die Verschlüsselung von Informationen.

Quantenkryptographie

Alles, von Ihrer Kreditkartennummer bis hin zu streng geheimen Militärstrategien, ist im Internet verfügbar, und ein geschickter Hacker mit ausreichend Wissen und einem leistungsstarken Computer kann Ihr Bankkonto belasten oder die Sicherheit der Welt gefährden. Eine spezielle Verschlüsselung hält diese Informationen geheim und Informatiker arbeiten ständig daran, neue, sicherere Verschlüsselungsverfahren zu entwickeln.

Die Kodierung von Informationen innerhalb eines einzelnen Lichtteilchens (Photons) ist seit langem ein Ziel der Quantenkryptographie. Es schien, dass Wissenschaftler der Universität Toronto der Entwicklung dieser Methode bereits sehr nahe standen, da sie das Video kodieren konnten. Die Verschlüsselung umfasst Zeichenfolgen aus Nullen und Einsen, die den „Schlüssel“ darstellen. Durch einmaliges Hinzufügen eines Schlüssels werden Informationen kodiert, durch erneutes Hinzufügen werden sie dekodiert. Wenn es einem Außenstehenden gelingt, an den Schlüssel zu gelangen, können die Informationen gehackt werden. Aber selbst wenn die Schlüssel auf Quantenebene verwendet werden, lässt die bloße Tatsache ihrer Verwendung mit Sicherheit auf die Anwesenheit eines Hackers schließen.

Teleportation

Das ist Science-Fiction, mehr nicht. Es wurde jedoch durchgeführt, allerdings nicht unter Beteiligung des Menschen, sondern unter Beteiligung großer Moleküle. Aber hier liegt das Problem. Jedes Molekül im menschlichen Körper muss von beiden Seiten gescannt werden. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass dies in naher Zukunft geschieht. Es gibt noch ein weiteres Problem: Sobald Sie ein Teilchen scannen, verändern Sie es gemäß den Gesetzen der Quantenphysik, das heißt, Sie haben keine Möglichkeit, eine exakte Kopie davon zu erstellen.

Hier kommt die Verbindung von Objekten ins Spiel. Es verbindet zwei Objekte, als wären sie eins. Wir scannen eine Hälfte des Teilchens und die teleportierte Kopie wird von der anderen Hälfte erstellt. Es wird eine exakte Kopie sein, da wir nicht das Teilchen selbst gemessen haben, sondern sein Doppeltes. Das heißt, das von uns gemessene Teilchen wird zerstört, aber seine exakte Kopie wird durch sein Doppelgänger wiederbelebt.

Gottesteilchen

Wissenschaftler nutzen ihre sehr große Schöpfung – den Large Hadron Collider –, um etwas extrem Kleines, aber sehr Wichtiges zu untersuchen – die fundamentalen Teilchen, von denen man annimmt, dass sie dem Ursprung unseres Universums zugrunde liegen.

Gott-Teilchen sind das, was Wissenschaftlern zufolge Elementarteilchen (Elektronen, Quarks und Gluonen) Masse verleihen. Experten glauben, dass Teilchen Gottes den gesamten Weltraum durchdringen müssen, die Existenz dieser Teilchen ist jedoch noch nicht bewiesen.

Die Entdeckung dieser Teilchen würde den Physikern helfen zu verstehen, wie sich das Universum nach dem Urknall erholte und zu dem wurde, was wir heute davon kennen. Es würde auch helfen zu erklären, wie Materie und Antimaterie im Gleichgewicht sind. Kurz gesagt: Die Isolierung dieser Teilchen hilft, alles zu erklären.

Sie haben es wahrscheinlich schon oft gehört über die unerklärlichen Geheimnisse der Quantenphysik und Quantenmechanik. Seine Gesetze faszinieren die Mystik, und sogar die Physiker selbst geben zu, dass sie sie nicht vollständig verstehen. Einerseits ist es interessant, diese Gesetze zu verstehen, andererseits bleibt keine Zeit, mehrbändige und komplexe Bücher über Physik zu lesen. Ich verstehe dich sehr, denn ich liebe auch Wissen und die Suche nach der Wahrheit, aber für alle Bücher reicht die Zeit leider nicht. Sie sind nicht allein, viele Neugierige geben in die Suchleiste ein: „Quantenphysik für Dummies, Quantenmechanik für Dummies, Quantenphysik für Anfänger, Quantenmechanik für Anfänger, Grundlagen der Quantenphysik, Grundlagen der Quantenmechanik, Quantenphysik für Kinder, Was ist Quantenmechanik? Diese Publikation ist genau das Richtige für Sie.

Sie werden die Grundkonzepte und Paradoxien der Quantenphysik verstehen. Aus dem Artikel erfahren Sie:

• Was ist Quantenphysik und Quantenmechanik?
• Was ist Interferenz?
• Was ist Quantenverschränkung (oder Quantenteleportation für Dummies)? (siehe Artikel)
• Was ist das Gedankenexperiment „Schrödingers Katze“? (siehe Artikel)

Die Quantenmechanik ist ein Teilbereich der Quantenphysik.

Warum ist es so schwierig, diese Wissenschaften zu verstehen? Die Antwort ist einfach: Quantenphysik und Quantenmechanik (Teil der Quantenphysik) untersuchen die Gesetze der Mikrowelt. Und diese Gesetze unterscheiden sich absolut von den Gesetzen unseres Makrokosmos. Daher ist es für uns schwierig, uns vorzustellen, was mit Elektronen und Photonen im Mikrokosmos passiert.

Ein Beispiel für den Unterschied zwischen den Gesetzen der Makro- und Mikrowelt: Wenn Sie in unserer Makrowelt eine Kugel in eine von zwei Kisten legen, ist eine davon leer und die andere enthält eine Kugel. Aber im Mikrokosmos (wenn es ein Atom statt einer Kugel gibt) kann sich ein Atom gleichzeitig in zwei Kisten befinden. Dies wurde mehrfach experimentell bestätigt. Ist es nicht schwer, sich das klarzumachen? Aber mit den Fakten kann man nicht streiten.

Noch ein Beispiel. Sie haben ein Foto eines schnell fahrenden roten Sportwagens gemacht und auf dem Foto einen verschwommenen horizontalen Streifen gesehen, als ob sich das Auto zum Zeitpunkt der Aufnahme an mehreren Punkten im Raum befunden hätte. Trotz allem, was Sie auf dem Foto sehen, sind Sie immer noch sicher, dass das Auto war an einem bestimmten Ort im Raum. In der Mikrowelt ist alles anders. Ein Elektron, das um den Kern eines Atoms rotiert, dreht sich nicht wirklich, sondern befindet sich gleichzeitig an allen Punkten der Kugel um den Kern eines Atoms. Wie ein locker gewickelter Ball aus flauschiger Wolle. Dieses Konzept in der Physik heißt „elektronische Cloud“ .

Ein kleiner Ausflug in die Geschichte. Wissenschaftler dachten erstmals über die Quantenwelt nach, als der deutsche Physiker Max Planck im Jahr 1900 herauszufinden versuchte, warum Metalle beim Erhitzen ihre Farbe ändern. Er war es, der das Quantenkonzept einführte. Bis dahin dachten Wissenschaftler, dass sich Licht kontinuierlich ausbreitet. Der erste Mensch, der Plancks Entdeckung ernst nahm, war der damals unbekannte Albert Einstein. Er erkannte, dass Licht nicht nur eine Welle ist. Manchmal verhält er sich wie ein Teilchen. Einstein erhielt den Nobelpreis für seine Entdeckung, dass Licht in Portionen, Quanten, emittiert wird. Ein Lichtquant wird Photon genannt ( Photon, Wikipedia) .

Um das Verständnis der Quantengesetze zu erleichtern Physiker Und Mechanik (Wikipedia), müssen wir gewissermaßen von den uns vertrauten Gesetzen der klassischen Physik abstrahieren. Und stellen Sie sich vor, Sie wären wie Alice in den Kaninchenbau, ins Wunderland, abgetaucht.

Und hier ist ein Cartoon für Kinder und Erwachsene. Beschreibt das grundlegende Experiment der Quantenmechanik mit 2 Spalten und einem Beobachter. Dauert nur 5 Minuten. Schauen Sie es sich an, bevor wir uns mit den grundlegenden Fragen und Konzepten der Quantenphysik befassen.

Quantenphysik für Dummies-Video. Achten Sie im Cartoon auf das „Auge“ des Betrachters. Für Physiker ist es zu einem ernsten Rätsel geworden.

Was ist Interferenz?

Zu Beginn des Zeichentrickfilms wurde am Beispiel einer Flüssigkeit gezeigt, wie sich Wellen verhalten – hinter einer Platte mit Schlitzen erscheinen auf dem Bildschirm abwechselnd dunkle und helle vertikale Streifen. Und wenn einzelne Partikel (z. B. Kieselsteine) auf die Platte „geschossen“ werden, fliegen sie durch zwei Schlitze und landen auf dem Bildschirm direkt gegenüber den Schlitzen. Und sie „zeichnen“ nur 2 vertikale Streifen auf dem Bildschirm.

Interferenz von Licht- Dies ist das „Wellenverhalten“ von Licht, wenn auf dem Bildschirm viele abwechselnd helle und dunkle vertikale Streifen angezeigt werden. Auch diese vertikalen Streifen sogenanntes Interferenzmuster.

In unserem Makrokosmos beobachten wir oft, dass sich Licht wie eine Welle verhält. Wenn Sie Ihre Hand vor eine Kerze legen, erscheint an der Wand kein klarer Schatten Ihrer Hand, sondern verschwommene Konturen.

Es ist also gar nicht so kompliziert! Uns ist jetzt ganz klar, dass Licht eine Wellennatur hat und wenn 2 Schlitze mit Licht beleuchtet werden, dann sehen wir auf dem Bildschirm dahinter ein Interferenzmuster. Schauen wir uns nun das 2. Experiment an. Dies ist das berühmte Stern-Gerlach-Experiment (das in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts durchgeführt wurde).

Die im Cartoon beschriebene Installation wurde nicht mit Licht angestrahlt, sondern mit Elektronen (als einzelne Teilchen) „beschossen“. Dann, zu Beginn des letzten Jahrhunderts, glaubten Physiker auf der ganzen Welt, dass Elektronen Elementarteilchen der Materie seien und keine Wellennatur haben sollten, sondern die gleiche wie Kieselsteine. Schließlich sind Elektronen doch Elementarteilchen der Materie, oder? Das heißt, wenn Sie sie wie Kieselsteine ​​in zwei Schlitze „werfen“, sollten wir auf dem Bildschirm hinter den Schlitzen zwei vertikale Streifen sehen.

Aber... Das Ergebnis war atemberaubend. Wissenschaftler sahen ein Interferenzmuster – viele vertikale Streifen. Das heißt, Elektronen können ebenso wie Licht Wellennatur haben und interferieren. Andererseits wurde klar, dass Licht nicht nur eine Welle ist, sondern auch ein Teil eines Teilchens – ein Photon (aus dem historischen Hintergrund am Anfang des Artikels erfuhren wir, dass Einstein für diese Entdeckung den Nobelpreis erhielt). .

Vielleicht erinnerst du dich, in der Schule wurde uns in Physik davon erzählt „Welle-Teilchen-Dualität“? Das heißt, wenn wir über sehr kleine Teilchen (Atome, Elektronen) des Mikrokosmos sprechen, dann Sie sind sowohl Wellen als auch Teilchen

Heute sind Sie und ich so schlau und wir verstehen, dass die beiden oben beschriebenen Experimente – Schießen mit Elektronen und Beleuchten von Schlitzen mit Licht – dasselbe sind. Weil wir Quantenteilchen auf die Schlitze schießen. Wir wissen jetzt, dass sowohl Licht als auch Elektronen Quantennatur haben, dass sie gleichzeitig Wellen und Teilchen sind. Und zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren die Ergebnisse dieses Experiments eine Sensation.

Aufmerksamkeit! Kommen wir nun zu einem subtileren Thema.

Wir strahlen einen Strom von Photonen (Elektronen) auf unsere Schlitze und sehen auf dem Bildschirm ein Interferenzmuster (vertikale Streifen) hinter den Schlitzen. Alles klar. Uns interessiert aber, wie jedes einzelne Elektron durch den Schlitz fliegt.

Vermutlich fliegt ein Elektron in den linken Schlitz, das andere in den rechten. Dann sollten aber direkt gegenüber den Schlitzen 2 vertikale Streifen auf dem Bildschirm erscheinen. Warum entsteht ein Interferenzmuster? Möglicherweise interagieren die Elektronen bereits auf dem Bildschirm, nachdem sie durch die Schlitze geflogen sind, irgendwie miteinander. Und das Ergebnis ist ein Wellenmuster wie dieses. Wie können wir den Überblick behalten?

Wir werden Elektronen nicht in einem Strahl werfen, sondern einzeln. Lass es uns werfen, warte, lass uns das nächste werfen. Da das Elektron nun alleine fliegt, kann es nicht mehr mit anderen Elektronen auf dem Bildschirm interagieren. Wir werden jedes Elektron nach dem Wurf auf dem Bildschirm registrieren. Ein oder zwei davon werden uns natürlich kein klares Bild vermitteln. Aber wenn wir viele von ihnen nacheinander in die Schlitze schicken, werden wir bemerken ... oh Schrecken – sie haben wieder ein Interferenzwellenmuster „gezeichnet“!

Wir fangen langsam an, verrückt zu werden. Schließlich hatten wir erwartet, dass es gegenüber den Schlitzen zwei vertikale Streifen geben würde! Es stellte sich heraus, dass, als wir Photonen einzeln abschleuderten, jedes von ihnen sozusagen gleichzeitig durch zwei Schlitze ging und sich selbst störte. Fantastisch! Kehren wir im nächsten Abschnitt zur Erklärung dieses Phänomens zurück.

Was ist Spin und Superposition?

Wir wissen jetzt, was Interferenz ist. Dies ist das Wellenverhalten von Mikroteilchen – Photonen, Elektronen und anderen Mikroteilchen (der Einfachheit halber nennen wir sie von nun an Photonen).

Als Ergebnis des Experiments stellten wir fest, dass es, als wir ein Photon in zwei Schlitze warfen, gleichzeitig durch zwei Schlitze zu fliegen schien. Wie können wir sonst das Interferenzmuster auf dem Bildschirm erklären?

Aber wie können wir uns vorstellen, dass ein Photon gleichzeitig durch zwei Schlitze fliegt? Es gibt 2 Möglichkeiten.

• 1. Möglichkeit: Ein Photon „schwebt“ wie eine Welle (wie Wasser) gleichzeitig durch zwei Schlitze
• 2. Möglichkeit: Ein Photon fliegt wie ein Teilchen gleichzeitig auf zwei Flugbahnen (nicht einmal zwei, sondern alle gleichzeitig).

Im Prinzip sind diese Aussagen gleichwertig. Wir sind beim „Wegintegral“ angekommen. Dies ist Richard Feynmans Formulierung der Quantenmechanik.

Übrigens genau Richard Feynman Es gibt einen bekannten Ausdruck dafür Wir können mit Sicherheit sagen, dass niemand die Quantenmechanik versteht

Aber dieser Ausdruck von ihm funktionierte zu Beginn des Jahrhunderts. Aber jetzt sind wir schlau und wissen, dass sich ein Photon sowohl als Teilchen als auch als Welle verhalten kann. Dass er, für uns irgendwie unverständlich, durch zwei Schlitze gleichzeitig fliegen kann. Daher wird es uns leicht fallen, die folgende wichtige Aussage der Quantenmechanik zu verstehen:

Streng genommen sagt uns die Quantenmechanik, dass dieses Photonenverhalten die Regel und nicht die Ausnahme ist. Jedes Quantenteilchen befindet sich in der Regel in mehreren Zuständen oder an mehreren Punkten im Raum gleichzeitig.

Objekte der Makrowelt können sich nur an einem bestimmten Ort und in einem bestimmten Zustand befinden. Aber ein Quantenteilchen existiert nach seinen eigenen Gesetzen. Und es kümmert sie nicht einmal, dass wir sie nicht verstehen. Das ist der Punkt.

Wir müssen nur als Axiom zugeben, dass die „Überlagerung“ eines Quantenobjekts bedeutet, dass es sich gleichzeitig auf zwei oder mehr Trajektorien in zwei oder mehr Punkten gleichzeitig befinden kann

Gleiches gilt für einen anderen Photonenparameter – den Spin (seinen eigenen Drehimpuls). Spin ist ein Vektor. Ein Quantenobjekt kann man sich als mikroskopisch kleinen Magneten vorstellen. Wir sind daran gewöhnt, dass der Magnetvektor (Spin) entweder nach oben oder nach unten gerichtet ist. Aber das Elektron oder Photon sagt uns wiederum: „Leute, es ist uns egal, was ihr gewohnt seid, wir können in beiden Spinzuständen gleichzeitig sein (Vektor nach oben, Vektor nach unten), genauso wie wir uns auf zwei Flugbahnen gleichzeitig befinden können.“ gleichzeitig oder an 2 Punkten gleichzeitig!

Was ist „Messung“ oder „Wellenfunktionskollaps“?

Wir wissen nur noch wenig darüber, was „Messung“ und „Wellenfunktionskollaps“ ist.

Wellenfunktion ist eine Beschreibung des Zustands eines Quantenobjekts (unseres Photons oder Elektrons).

Angenommen, wir haben ein Elektron, es fliegt zu sich selbst In einem unbestimmten Zustand ist sein Spin gleichzeitig nach oben und unten gerichtet. Wir müssen seinen Zustand messen.

Messen wir mit einem Magnetfeld: Elektronen, deren Spin in Richtung des Feldes gerichtet war, weichen in die eine Richtung aus, Elektronen, deren Spin entgegen dem Feld gerichtet war, in die andere. Mehr Photonen können in einen Polarisationsfilter geleitet werden. Wenn der Spin (Polarisation) des Photons +1 beträgt, passiert es den Filter, wenn er jedoch -1 beträgt, passiert dies nicht.

Stoppen! Hier werden Sie unweigerlich eine Frage haben: Vor der Messung hatte das Elektron keine bestimmte Spinrichtung, oder? Er war gleichzeitig in allen Bundesstaaten, nicht wahr?

Das ist der Trick und die Sensation der Quantenmechanik. Solange man den Zustand eines Quantenobjekts nicht misst, kann es sich in jede Richtung drehen (eine beliebige Richtung des Vektors seines eigenen Drehimpulses – Spins) haben. Aber in dem Moment, in dem Sie seinen Zustand gemessen haben, scheint er eine Entscheidung zu treffen, welchen Spinvektor er akzeptieren soll.

Dieses Quantenobjekt ist so cool – es trifft Entscheidungen über seinen Zustand. Und wir können nicht im Voraus vorhersagen, welche Entscheidung es treffen wird, wenn es in das Magnetfeld fliegt, in dem wir es messen. Die Wahrscheinlichkeit, dass er sich für einen Spinvektor „oben“ oder „unten“ entscheidet, liegt bei 50 bis 50 %. Aber sobald er sich entscheidet, befindet er sich in einem bestimmten Zustand mit einer bestimmten Drehrichtung. Der Grund für seine Entscheidung ist unsere „Dimension“!

Das nennt man " Zusammenbruch der Wellenfunktion“. Die Wellenfunktion vor der Messung war unsicher, d.h. der Spinvektor des Elektrons war gleichzeitig in alle Richtungen; nach der Messung zeichnete das Elektron eine bestimmte Richtung seines Spinvektors auf.

Aufmerksamkeit! Ein hervorragendes Beispiel zum Verständnis ist eine Assoziation aus unserem Makrokosmos:

Drehen Sie eine Münze wie einen Kreisel auf dem Tisch. Während sich die Münze dreht, hat sie keine bestimmte Bedeutung – Kopf oder Zahl. Aber sobald Sie sich entscheiden, diesen Wert zu „messen“ und mit der Hand auf die Münze zu schlagen, erhalten Sie den genauen Zustand der Münze – Kopf oder Zahl. Stellen Sie sich nun vor, dass diese Münze darüber entscheidet, welchen Wert sie Ihnen „zeigt“ – Kopf oder Zahl. Das Elektron verhält sich ungefähr gleich.

Erinnern Sie sich nun an das Experiment, das am Ende des Cartoons gezeigt wird. Wenn Photonen durch die Schlitze geleitet wurden, verhielten sie sich wie eine Welle und zeigten ein Interferenzmuster auf dem Bildschirm. Und als Wissenschaftler den Moment der durch den Spalt fliegenden Photonen aufzeichnen (messen) wollten und einen „Beobachter“ hinter dem Bildschirm platzierten, begannen sich die Photonen nicht wie Wellen, sondern wie Teilchen zu verhalten. Und sie haben zwei vertikale Streifen auf den Bildschirm „gezeichnet“. Diese. Im Moment der Messung oder Beobachtung entscheiden Quantenobjekte selbst, in welchem ​​Zustand sie sich befinden sollen.

Fantastisch! Oder?

Aber das ist noch nicht alles. Endlich haben wir Wir sind zum interessantesten Teil gekommen.

Aber ... es scheint mir, dass es eine Überflutung mit Informationen geben wird, daher werden wir diese beiden Konzepte in separaten Beiträgen betrachten:

• Was ?
• Was ist ein Gedankenexperiment?

Möchten Sie nun, dass die Informationen geklärt werden? Sehen Sie sich den vom Canadian Institute of Theoretical Physics produzierten Dokumentarfilm an. Darin werden Ihnen in 20 Minuten ganz kurz und chronologisch alle Entdeckungen der Quantenphysik erzählt, beginnend mit Plancks Entdeckung im Jahr 1900. Und dann erfahren Sie, welche praktischen Entwicklungen derzeit auf Basis der Erkenntnisse der Quantenphysik durchgeführt werden: von der genauesten Atomuhr bis hin zu superschnellen Berechnungen eines Quantencomputers. Ich kann das Ansehen dieses Films nur wärmstens empfehlen.

Auf Wiedersehen!

Ich wünsche allen Inspiration für all ihre Pläne und Projekte!

P.S.2 Schreiben Sie Ihre Fragen und Gedanken in die Kommentare. Schreiben Sie: Welche weiteren Fragen zur Quantenphysik interessieren Sie?

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