Kvantinė fizika: nėra stebėtojo – nesvarbu. Elementariosios materijos dalelės Dėmesio! Dabar pereikime prie subtilesnio klausimo

Kaip ne kartą pabrėžiau, eksperimentas visiškai nieko nereiškia, kol jis nėra interpretuojamas teorija.

(Max Born)

Prisimenu diskusijas su Bohru... Baigęs vieną iš jų, išėjau pasivaikščioti į netoliese esantį parką ir vėl ir vėl uždaviau sau tą patį klausimą: „Ar gamta tikrai tokia absurdiška, kaip mums atrodo atliekant atominius eksperimentus?

(Werner Heisenberg)

Antrasis revoliucinis XX amžiaus fizikos įvykis. pagrįstai gali būti laikomas kvantinės teorijos sukūrimu. Šiai dienai negalime įvardyti nė vieno kito mokslinio atradimo, kuris taip ryžtingai pakeistų mūsų supratimą apie tai, kas yra tikra fiziniame pasaulyje ir kaip elgiasi gamta.

Kalbėdami apie kvantinę teoriją, nesilaikysime chronologinės įvykių sekos ir apsigyvensime ties tam tikrais matematiniais pasiekimais ar nuostabiais eksperimentais. Faktas yra tas, kad kvantinėje teorijoje naudojama matematika toli gražu nėra elementari; ji apima tokias dalis kaip diferencialinių lygčių teorija ir tikimybių teorija. Populiariai pristatyti tokius aukštus dalykus nėra lengva. Tačiau drįstu patikinti skaitytoją, kad kvantinėje teorijoje matematika atlieka tokį pat svarbų vaidmenį ir yra nepakeičiamas gamtos supratimo įrankis, kaip ir tose gamtos mokslų srityse, apie kurias kalbėjome anksčiau.

Kvantinė teorija nagrinėja materijos atominės sandaros tyrimą, tačiau vis dar nėra išspręstos visos problemos ir net akivaizdūs prieštaravimai joje. Mes vis dar esame gana ankstyvoje mokslo srityje, kuri dažnai vadinama mikrofizika, o ne makrofizika, kuri paprastai yra susijusi su didelio masto reiškinių tyrimu. Kvantinė teorija „kasi“ daug giliau nei lygis, apie kurį mūsų pojūčiai, tokie kaip regėjimas ar lytėjimas, gali mums pasakyti bet ką, nes net ir elektroniniu mikroskopu matomi tik labai dideli atomai. Kvantinė teorija tiria nematomą, tylų pasaulį. Ir nors pats šis pasaulis yra nepastebimas, jo sukeliami efektai yra tokie pat realūs kaip stalas, kėdė ir mūsų pačių kūnas. Galbūt arčiausiai šio pasaulio yra elektromagnetinė spinduliuotė. Mes to fiziškai nesuvokiame, bet jo poveikis žinomas visiems. Apsvarstykite, pavyzdžiui, radiją ar televiziją.

Kai kurių kvantinės teorijos atradimų prigimtis nėra visiškai suprantama, tačiau jie buvo praktiškai įgyvendinti. Atominė bomba yra tikrovė, ir mes turime su ja skaičiuoti daug daugiau nei su kai kuriais didžiausiais praeities matematinės minties kūriniais.

Nors mūsų pojūčiai mus įtikina, kad garsas, šviesa, vanduo ir materija apskritai yra tęstiniai, visų reiškinių (pavyzdžiui, šviesos) ir materijos elementarios sandaros klausimas slypi antikos laikais. Net Leukipas (V a. pr. Kr.) ir po jo Demokritas Abderietis (apie 460-370 m. pr. Kr.) mokė, kad materija susideda iš nedalomų atomų. (Pats žodis atomas kilęs iš graikų kalbos „atomos“ – nedalomas.) Demokritas tikėjo, kad yra daug atomų, kurie skiriasi dydžiu, forma, kietumu ir padėties tvarka. Dideli kūnai susideda iš daugybės atomų, kurių skaičius ir išdėstymas skiriasi, tačiau patys atomai yra nedalomi. Tiek Leukipas, tiek Demokritas pareiškė, kad visi jusliniai suvokimai yra tik pasirodymai, kuriuos sukuria įvairūs atomų išdėstymai. Nors senovės atomistai formą, dydį ir kitas aukščiau išvardytas savybes laikė tikrosiomis fizinėmis atomų savybėmis, kitos savybės, tokios kaip skonis, šiluma ir spalva, jų nuomone, nėra būdingos patiems atomams, o yra jų pasekmė. atomų įtaka žmogui. Juslinės žinios yra nepatikimos, nes jos priklauso nuo subjekto pojūčio.

Aristotelis laikėsi skirtingų pažiūrų. Pagal jo mokymą, kilusį iš Empedoklio (490–430 m. pr. Kr.), viskas remiasi keturiais elementas- žemė, ugnis, oras ir vanduo, kurių savybės vienu ar kitu laipsniu būdingos viskam. Šių esybių deriniai, atsirandantys veikiant traukai (meilė) ir atstūmimui (neapykanta), paaiškina visus pasaulio reiškinius. Tiesą sakant, senovės graikai (ir net jų pirmtakai) žinojo kitus elementus, tokius kaip varis, alavas ir gyvsidabris, tačiau nei Aristotelis, nei jo pasekėjai į juos neatsižvelgė. Aristotelis manė, kad atomai dalijasi (net be galo dalijasi), todėl materija, jo nuomone, yra ištisinė ir mažiausios struktūrinės dalelės neegzistuoja. Europoje vyravo Aristotelio pažiūros, nuslopinusios visas kitas pažiūras, iki XVI a.

Nuo XVII a ir iki XX amžiaus pradžios. Teorija, pagal kurią atomai yra nedalomi, sulaukė pripažinimo. Buvo manoma, kad įvairių cheminių elementų, tokių kaip vandenilis, deguonis, varis, auksas ir gyvsidabris, atomai yra skirtingi. Taip pat buvo manoma, kad to paties elemento atomai yra vienodo svorio, o skirtingų elementų atomai turi skirtingą svorį. Įprastos medžiagos, tarkime, vanduo, yra sudarytos iš molekulių, kurios yra skirtingų atomų deriniai. Būtent šios idėjos sudarė šiuolaikinės chemijos pagrindą. Pirmuosius žingsnius jo kūrimo link žengė Robertas Boyle'as (1627-1691) savo esė „Skeptinis chemikas“ (1661).

Išsamesnį chemijos pagrindų pristatymą (atitinkantį Boyle'o požiūrį) 1803 m. pasiūlė Johnas Daltonas (1766-1844). Pagrindinė Daltono mintis buvo ta, kad daugelį chemijos dėsnių galima lengvai paaiškinti, jei manysime, kad kiekvienas cheminis elementas turi tam tikrus atomus. Kiekviena medžiaga susideda iš tam tikrų skirtingų nedalomų atomų „klasių“ derinių.

Iki XIX amžiaus 60-ųjų. Buvo žinoma apie šešiasdešimt skirtingų atomų tipų. Tą patį dešimtmetį Dmitrijus Ivanovičius Mendelejevas (1834–1907) bandė klasifikuoti žinomus cheminius elementus, sudėliodamas juos didėjančio atominio svorio tvarka. Jis pastebėjo, kad tarp pirmųjų šešiolikos elementų cheminės savybės pasikartojo per septynis aštuntojo elementus. Mendelejevas taip pat atrado, kad jei jo pastebėtas modelis išplečiamas iki likusių elementų, išdėstytų didėjančios atominės masės tvarka, tada stebimas cheminių savybių pakartojamumas rodo, kad klasifikavimo sistemoje reikia palikti „tuščias ląsteles“. Mendelejevas manė, kad yra gana pagrįsta manyti, kad tokios „ląstelės“ priklauso dar nežinomiems elementams. Būtinybė ieškoti nežinomų elementų Mendelejevui nesukėlė nė menkiausios abejonės, ir netrukus iš tikrųjų buvo atrasti trys nauji elementai (dabar vadinami skandžiu, galiu ir germaniu), kurių savybes Mendelejevas numatė iš anksto, remdamasis periodiškumo sistema. jo nustatytas chemines savybes. Tolesni tyrimai padarė tam tikrų Mendelejevo periodinės sistemos pakeitimų, tačiau jo atrasta elementų seka vis dar sudaro šiuolaikinės periodinės sistemos pagrindą. Nors Mendelejevas suprato, kad neturi fizinio paaiškinimo, kodėl jis atrado cheminių elementų savybes, jis griežtai gynė periodiškumo dėsnio naudojimo svarbą ieškant naujų elementų, nustatyti jų atomines mases ir numatyti chemines savybes. ypač gebėjimas sudaryti junginius su kitais elementais.

Elementai, kurie anksčiau buvo žinomi ir numatyti Mendelejevo, o vėliau atrasti kitų tyrinėtojų, yra išdėstyti didėjančia jų atomų struktūros sudėtingumo tvarka ir atitinkamai pernumeruoti. Pavyzdžiui, vandenilis periodinėje lentelėje nurodytas skaičiumi 1. Helis yra 2 ir taip toliau, kol elemento numeris 103 yra Lawrencium. Elementų atominės masės parodo, kiek kartų tam tikro elemento atomas yra „sunkesnis“ už vandenilio atomą. Laikoma, kad vandenilio atominė masė yra 1, helio atominė masė yra 4 ir taip toliau, kol Lawencio atominė masė yra 257.

Nors diskusijos apie atomų nedalomumą tęsėsi iki XX amžiaus pradžios, dauguma gamtos mokslininkų buvo linkę manyti, kad atomai yra nedalomi ir yra mažiausios materijos sudedamosios dalys. 1907 m. Kelvinas paskelbė, kad atomas yra nesunaikinamas. Tačiau kai kurie nuostabūs atradimai sugriovė nusistovėjusią nuomonę apie atomo nedalomumą. XIX amžiaus 70-aisiais. Vis labiau aiškėjo, kad atomas gali būti sudarytas iš kai kurių mažesnių dalelių. 1897 m. Josephas Johnas Thomsonas (1856–1940) eksperimentiškai įrodė, kad atomas iš tikrųjų susideda iš dalelių, ir ypač tiksliai išmatavo labai lengvai įkrautų dalelių, vadinamų „elektronais“, elektros krūvį ir masę. 1900 metais Hendrikas Antonas Lorencas patvirtino tokių neigiamai įkrautų dalelių egzistavimą. Paaiškėjo, kad elektronų masė yra maždaug 10? 27 g (tiksliau 0,91 10 × 27 g), o tai beveik 2000 kartų mažesnė už lengviausio atomo – vandenilio – masę. Elektronų krūvis taip pat neįsivaizduojamai mažas: apie 4,80325 10 × 10 elektrostatinių vienetų. Apie 1903 m. Hantaro Nagaoka Tokijuje pasiūlė vadinamąjį „Saturno modelį“, pagal kurį centre esantis branduolys buvo apsuptas aplink jį skriejančių elektronų. Tai buvo pirmasis bandymas nutraukti tradicinį tikėjimą atomo nedalomumu.

Atominė teorija tais metais atrodė labai primityvi. Ji teigė, kad visi atomai susideda iš protonų (teigiamai įkrautų) ir elektronų. Manoma, kad protonai sudaro atomo branduolį. Netrukus paaiškėjo, kad atomo masė beveik visa sutelkta branduolyje. Mažiausias iš branduolių - vandenilio atomo branduolys - turi 1,6726 10?24 g masę.Aplink bet kurio atomo branduolį yra elektronų, kurių skaičius lygus atominiam skaičiui.

Kitas smūgis tradicinei teorijai buvo 1896 m., kai Antoine'as Henri Becquerel (1852-1908) visiškai atsitiktinai atrado radioaktyvumą. Pora Pierre'as Curie (1859-1906) ir Maria Sklodowska-Curie (1867-1934) pradėjo tyrinėti šį reiškinį. Tapo akivaizdu, kad atomo struktūra buvo daug sudėtingesnė, nei tikėtasi. Apie radioaktyvumo prigimtį pakalbėsime šiek tiek vėliau. Tačiau netrukus paaiškėjo, kad kai kurių atomų, ypač labai sunkiųjų atomų, branduoliai turi galimybę skleisti daleles ir elektromagnetinę spinduliuotę, atitinkamai vadinamą alfa ir beta dalelėmis bei gama spinduliuote. Alfa dalelės yra jonizuoti helio atomai, beta dalelės yra elektronai, o gama spinduliuotė yra labai aukšto dažnio elektromagnetinė spinduliuotė. Paaiškėjo, kad išspinduliavus alfa dalelę, atomas virsta lengvesnio elemento atomu. Ankstyvajame atominės struktūros darbe buvo naudojami radioaktyvieji skilimo produktai, siekiant ištirti daleles, sudarančias atomo branduolį.

Iki 1910 m. Ernestas Rutherfordas (1871–1937), eksperimentavęs su radioaktyviais atomais, suprato, kad atomas savo struktūra primena Saulės sistemą, kurioje planetos sukasi aplink centre esančią saulę. Rutherfordo atomo modelyje elektronai judėjo skirtingomis orbitomis aplink centre esantį branduolį. Rutherfordas buvo visiškai tikras, kad branduolio tūris neviršija „vienos milijoninės milijonosios dalies“ (t. y. 10–12) atomo tūrio. Pavyzdžiui, aukso atome (atominis skaičius 79) aplink branduolį juda 79 elektronai. Kaip jau minėjome, Rutherfordo modelio atomo branduolį daugiausia sudarė protonai. Tačiau norėdamas kompensuoti „trūkstamą“ branduolio masę, Rutherfordas pasiūlė, kad, be protonų, jame taip pat būtų elektriškai neutralių dalelių, kurias jis pavadino neutronais. Branduoliai, turintys vienodą protonų skaičių, bet skirtingą neutronų skaičių, vadinami izotopais.

Kol Rutherfordas ir kiti tyrinėtojai tyrinėjo atomą ir kūrė jo modelius, Maxas Planckas (1858–1947) 1900 m. padarė nepaprastai svarbų atradimą, kuris turėjo įtakos visai tolesniam atominės fizikos vystymuisi. Planckas tyrinėjo vadinamąją šiluminę spinduliuotę arba juodojo kūno spinduliuotę. Pavyzdžiui, žinoma, kad raudonai įkaitęs metalas skleidžia šviesą, kuri, kaip žinome, yra elektromagnetinės spinduliuotės rūšis. Daugiausia remdamasis intuityviomis fizinėmis idėjomis, Planckas 1900 metais iškėlė hipotezę (dar teoriškai nepagrindžiama), pagal kurią spinduliuotė skleidžiama ne nuolatiniu, nenutrūkstamu „tekėjimu“, o mažomis porcijomis arba kvantais, kurių energija priklauso. apie atomo skleidžiamos spinduliuotės dažnį . Spinduliuotės energija, anot Plancko, nustatoma pagal formulę

E = nhv,

Kur n- išspinduliuotų kvantų skaičius, kuris gali būti lygus 0, 1, 2, ...; h- konstanta, dabar vadinama Plancko konstanta ( h = 6,626 10,34 J s = 6,686 10,27 erg s ~ 10,26 erg s), v- spinduliavimo dažnis, susidedantis iš kvantų, kaip, pavyzdžiui, bangos ant vandens susideda iš vandens molekulių. Spinduliuotė, tarkime, šviesa, atrodo nuolatinė, nes ją sudarančių kvantų skaičius yra labai didelis. Taigi, naudojant įprastą 100 vatų elektros lempą, išspinduliuojamų kvantų skaičius yra apie 10 20.

Kritimas ant metalinio paviršiaus, šviesa su dažniu v išleidžia energiją. Iš Plancko formulės matyti, kad kiekvieno elektrono, išmesto iš metalo paviršiaus, energija yra proporcinga hv. Vėliau radiacijos kvantai pradėti vadinti fotonais. Plancko formulė buvo hipotezė, sėkmingas spėjimas, nepaprastos fizinės intuicijos vaisius. Tačiau Planckui reikėjo atlikti daug matematinių skaičiavimų, kad pateiktų savo samprotavimus ir bent kiek suteiktų jiems patikimumo.

Einšteinas savo darbe apie fotoelektrinį efektą (1905), kurio detalių sąmoningai nesigilinsime, nes tai mus nukeltų toli, ne tik patvirtino Plancko formulę, bet ir sugebėjo rasti jai pritaikymą. Šviesa, apšviesdama metalo paviršių, išmuša iš jo elektronus. Remiantis Plancko hipoteze, į metalo paviršių patenkanti radiacija susideda iš kvantų, kurių kiekvienas neša energiją. hv. Kiekvieno iš metalo išspinduliuoto elektrono energija yra proporcinga hv. Kvantinė hipotezė leido Einšteinui paaiškinti šviesos ir metalo paviršių sudarančių atomų sąveiką. Elektronų išmušimas įvyksta tik esant pakankamai didelei kvantinei energijai, t.y. aukštais dažniais, bet nepriklauso nuo šviesos intensyvumo. Kalbant apie išmuštų elektronų skaičių, tai tikrai lemia šviesos intensyvumas. Planko ir Einšteino darbai vėl iškėlė problemą: iš ko susideda elektromagnetinė spinduliuotė ir ypač šviesa? Iš bangų ar nuo dalelių? Šią problemą spręsime vėliau. Kol kas atkreipkime dėmesį tik į tai, kas jau aišku iš to, kas pasakyta: elektromagnetinė spinduliuotė elgiasi ir kaip bangos, ir kaip dalelės.

Bet grįžkime prie darbų, susijusių su atomo sandaros tyrimais. Rutherfordo modelis negalėjo paaiškinti, kodėl aplink branduolį skriejantys elektronai nespinduliuoja šviesos ar kitokios energijos, kaip reikalauja elektromagnetinio lauko teorija, arba spirale neįskrieja į branduolį. Nielsas Henrikas Davidas Bohras (1885-1962) „pažvelgė“ į atomo struktūrą atidžiau nei jo pirmtakai. Remdamasis Rutherfordo planetų modeliu kaip pradiniu, Bohras, remdamasis kai kuriais matematiniais samprotavimais, teigė, kad elektronai atome neišspinduliuoja, jei juda tiksliai apibrėžtomis („leistinomis“) orbitomis, panašiai kaip planetos. Aplink atomo branduolį skriejantis elektronas turi energiją, būtent mechaninę energiją, kurią turi bet kuris objektas, skriejantis aplink centrinį kūną. Bet kai tik elektronas pereina iš vienos orbitos į kitą, jis arba išskiria, arba sugeria spinduliuotę. Šuoliuose vyksta ir energijos išmetimas, ir įsisavinimas. Kiekvienas šuolis reiškia energijos kvantą, jo vertė yra kartotinė hv. Kai atomas sugeria spinduliuotę, elektronas juda iš vidinės orbitos, esančios arčiau branduolio, į išorinę orbitą, toliau nuo branduolio. Atvirkštinio perėjimo metu, atvirkščiai, atomas išskiria kvantus arba fotonus.

Bohro teorija nepaaiškino visų rezultatų, susijusių su atomų skleidžiamos spinduliuotės dažniais, todėl buvo tęsiamas darbas siekiant išsiaiškinti atomo struktūrą.

Iki šiol buvo kalbama apie kvantus, arba fotonus, t.y. apie elektromagnetinės spinduliuotės „daleles“. 1922 metais scenoje pasirodė Louisas Victoras de Broglie (1892-1987); jis išreiškė idėją, kuri tapo pagrindine fizikos šaka, vadinama „bangų mechanika“. Žinodamas apie šviesos bangų korpuskulines savybes (apie fotonus), de Broglie pagalvojo apie klausimą: jei šviesos bangos gali elgtis ir kaip dalelės, ir kaip bangos, tai kodėl dalelės nesielgia taip pat? Ar įmanoma susieti bangas su kokia nors medžiaga? Reikėjo bandyti nustatyti materijos bangų dažnį ir greitį.

Naudodamas dalinių diferencialinių lygčių matematinės teorijos metodus, de Broglie nustatė, kad bangos ilgis ? bet kurios dalelės k turi būti lygi Planko konstantai h, padalintas iš dalelių masės sandaugos m ir jo greitis v, t.y.

? = h/mv.

Darbas mv vadinamas dalelės impulsu ir paprastai žymimas p. 1 g masės dalelėms, judančioms 1 cm/s greičiu, de Broglie bangos ilgis ? = 10?26 cm, t.y. 10 milijonų kartų mažesnis už atomo branduolio dydį. Vadinasi, mus supančio makroskopinio pasaulio mastu visi objektai yra nepaprastai dideli, palyginti su atitinkamų materijos bangų ilgiais, todėl šių bangų mes ir nestebime.

Plėtodamas de Broglie idėją, kad visos mikrodalelės ir ypač elektronai atitinka bangas, Erwinas Schrödingeris (1887-1961) 1926 m. išvedė dalinę diferencialinę lygtį vadinamajai. ?- funkcija, apibūdinanti šių bangų formą. Išsprendę Šriodingerio lygtį, randame bangų parametrus. Jo sprendiniai vadinami savosiomis funkcijomis arba charakteristinėmis funkcijomis. Jei koeficientams, įtrauktiems į Schrödingerio lygtį, suteikiamos konkrečios skaitinės reikšmės, tada šios funkcijos skiriasi nuo identiško nulio tik tam tikroms tam tikros konstantos reikšmėms. Šios vertės vadinamos savosiomis reikšmėmis arba charakteristinėmis reikšmėmis. Atskiros elektronų energijos vertės atome pasirodo kaip Šriodingerio bangos lygties savosios vertės ir atitinka Boro teorijos pateiktas reikšmes.

Šis labai apytikslis vaizdas leis mums bent jau bendrais bruožais suprasti, kaip elektronų bangos elgiasi Schrödingerio vaizde. Fig. 38 parodyta bangos dalis su ilgiu 2?. Jei tokia banga sukuriama smuiko styga leidžiant lanką, ji vibruos aukštyn ir žemyn, užimdama pozicijas, kurias rodo vientisos ir brūkšninės kreivės. Taip pat galima sužadinti tam tikrą bangų seką, kurios ilgiai yra tik trupmeninės pagrindinio bangos ilgio dalys (pavyzdžiui, pusė ir trečdalis jo). Schrödingerio nuomone, bendra banga, atitinkanti bet kurį branduolį supantį elektroną, gali tęstis per du, tris ar net penkis pagrindinius bangos ilgius. Kiekvienu atveju pilnoje elektronų bangoje yra sveikasis skaičius pagrindinių bangų, o paskutinės bangos pabaiga sutampa su pirmosios bangos pradžia (taškas 38 pav. B turi sutapti su tašku A)

Pristatė Schrödingeris ?- funkcija nurodo materijos bangų, kurios kinta iš taško į tašką ir nuo vieno momento iki kito, amplitudę. Tai stovinčios bangos, daugiausia susitelkusios mažame erdvės regione šalia šerdies. Didėjant atstumui nuo branduolio, bangos palaipsniui silpsta, tačiau jų amplitudė lieka nulinė toje srityje, kurios matmenys sutampa su eksperimentiškai nustatytais atitinkamo atomo matmenimis. Pavyzdžiui, vandenilio atomo, kuris yra žemiausios (žemiausios) energijos būsenos, bangos amplitudė pastebimai skiriasi nuo nulio tik sferoje, kurios skersmuo yra apie 10 × 8 cm. Bet kuriam atomui, sprendžiant Šriodingerio bangos lygtį leidžia gauti atskirą atominių elektronų bangų rinkinį ir su kiekviena atomo būsena susieja tam tikrą energijos vertę.

Dar kartą pabrėšime, kad Šriodingerio banga, apibūdinanti elektroną atome, nėra paprasta banga su vienu dažniu, o susideda iš ištisos aibės skirtingų dažnių bangų. Šiuo požiūriu Schrödingerio banga yra panaši į sudėtingas muzikos instrumentų sukuriamas garso bangas.

Kalbant apie de Broglie-Schrödinger bangas, natūraliai kyla klausimas: iš ko jos „pagamintos“ arba, kitaip tariant, iš ko jos susideda? Panašus klausimas fizikams iškilo XIX amžiuje, kai buvo atrasta šviesa ir kitos elektromagnetinės spinduliuotės rūšys. Iš pradžių fizikai manė, kad elektromagnetinės bangos yra paslaptingos medžiagos, vadinamos eteriu, virpesiai, ir jie sugalvojo įvairius mechaninius modelius, paaiškinančius eterio veikimą. Tačiau laikui bėgant fizikai suprato tokio pobūdžio idėjų nenuoseklumą ir pradėjo vertinti elektromagnetines bangas kaip nepriklausomus subjektus. Kažkas panašaus atsitiko su elektronų bangomis. Iš pradžių Schrödingeris pasiūlė, kad šios bangos iš tikrųjų apibūdina elektrono krūvio pasiskirstymą, t.y. kad atome krūvis ir elektronų tankis fiziškai pasiskirsto toje erdvės srityje, kur bangos amplitudė yra nulis. Tačiau nieko panašaus nepastebėta. Atvirkščiai, atradus elektroną paaiškėjo, kad visas jo krūvis yra sutelktas nedidelėje erdvės srityje ir kad elektronas yra korpuskulinio pobūdžio.

Griežtai kalbant, kai kalbame apie galimus bangų tipus, atitinkančius skirtingas elektrono energijos būsenas, turime omenyje vieną elektroną, kurio neveikia kitos dalelės. Jei atome yra daug elektronų, jie praranda savo „individualumą“ ir juos atitinkančios bangos susilieja į bendrą bangą, „vieną visiems elektronams“.

Schrödingerio nuomone, elektronai yra tarsi įvairaus tankio debesys. Jie yra trimačiai. Elektronų debesys sudaro keletą „pakopų“ aplink branduolį. Kiekvieno debesies tankis didėja nuo nulio iki maksimumo ir vėl sumažėja iki nulio. Elektronų debesys tęsiasi už atomo, tačiau kiekvieno elektrono tankis yra didžiausias Bohro teorijos numatytu atstumu nuo branduolio. Elektronų debesis kaip abstrakčios matematinės sąvokos interpretacija yra neišvengiamai netikslus. Aiškiai vizualizuokite neprarandant tikslumo ?- Schrödingerio funkcija neįmanoma. Analitinių Schrödingerio lygties sprendimų paieška yra tokia sudėtinga užduotis, kad ją galima išspręsti tik tam tikrais išskirtiniais atvejais. Nepaisant to, gauti sprendimai puikiai sutampa su eksperimentiniais duomenimis, o kiti sprendiniai, nors ir apytiksliai, taip pat gana gerai atitinka eksperimento rezultatus. Visų pirma buvo įmanoma visiškai išspręsti Schrödingerio lygtį vandenilio atomo atveju. Gautas sprendimas leidžia mums atsakyti į bet kurį klausimą, kurį galima išbandyti eksperimentiškai.

Kad elektronai tam tikromis sąlygomis elgiasi kaip bangos, 1927 m. įrodė garsusis Clinton J. Davisson (1881-1958) ir Lesterio Germerio (1896-1971) eksperimentas ir nepriklausomai George P. Thomson (1892-1975). Visi šie tyrinėtojai atrado elektronų difrakciją (kristalas buvo naudojamas kaip difrakcijos gardelė).Difrakcija kaip reiškinys susideda iš to, kad bangos lenkiasi aplink pakeliui pasitaikančią kliūtį ir patenka į „šešėlio“ sritį už jos. Kažką panašaus matome, kai bangos ant vandens apeina laivo korpusą. Davissono ir Germerio, taip pat Thomsono eksperimentai parodė, kad kai kuriais atvejais dalelės elgiasi kaip bangos. Fizikai pagaliau įsitikino, kad visos subatominės dalelės turi savo bangas, kurių ilgis nustatomas pagal de Broglie formulę. Taigi de Broglie ir Schrödingerio darbuose į pirmą planą buvo iškelta bangos-dalelės dualizmo (banga – dalelė) samprata, sukėlusi daug rūpesčių tiek fizikams, tiek filosofams.

Nepaisant eksperimentinio patvirtinimo, kad tam tikromis sąlygomis elektronai elgiasi kaip bangos, ne visi fizikai susitaikė su elektronų „ištepimo“ aplink atomo branduolį idėja. Kai kurie įžvelgė visų pirma prieštaravimą: viena vertus, bet kurioje fiziškai be galo mažoje srityje elektrodo krūvio tankis turėtų būti be galo mažas, o kita vertus, elektrono elektrinis krūvis yra visiškai apibrėžtas dydis. Visi elektros krūviai yra elektronų krūvio kartotiniai. Vadovaudamasis šiais samprotavimais ir stengdamasis išvengti bangų-dalelių dualizmo, Maxas Bornas (1882-1970) 1926 metais pasiūlė visiškai kitokią Schrödingerio teorijos interpretaciją: pristatė tikimybinę jos interpretaciją.

Tikimybių teorija į matematiką pateko atsitiktinumo dėka, būtent dėl ​​azartinių lošimų problemų. Tačiau XIX amžiaus pabaigoje. Maxwellas ir Ludwigas Boltzmannas (1844-1906), savo tyrimuose pasitelkę tikimybinius svarstymus, priėjo prie dujų judėjimą apibūdinančių dėsnių – dujų kinetinės teorijos. Vienas iš garsių straipsnių, kuriuos Einšteinas paskelbė 1905 m., taip pat buvo skirtas tikimybinei vadinamojo Brauno judėjimo problemai. Užuot žiūrėjęs į elektroną kaip paskirstytą kokiame nors erdviniame debesyje, kurio tankis kinta įvairiuose taškuose, Bornas tankį aiškino kaip tikimybę rasti elektroną kaip dalelę viename ar kitame erdvės taške.

Kreipimasis ?- funkcija, įtraukta į Schrödingerio diferencialinę lygtį, Bornas pasiūlė interpretuoti kiekį ? kaip tikimybę, kad dalelė tam tikru metu yra tam tikrame erdvės elemente. Vadinasi, elektronų, kaip dalelių, vietą galima nurodyti tik su didesne ar mažesne tikimybe. Pavyzdžiui, jei kuriame nors erdvės regione |?| 2 = 0,8 , tada tikimybė joje aptikti dalelę (elektroną) yra 80 iš 100. Borno tikimybinis aiškinimas vis dar yra visuotinai priimtas ir šiandien.

Šis metodas leidžia tiksliai įvertinti tikimybę, su kuria elektroną galima rasti bet kuriame tūryje. Taikant šį aiškinimą, elektronas yra lokalizuotas, o ne „išteptas“, kaip Schrödingerio bangų mechanikoje. Tačiau lieka klausimas, ar tikimybinis aiškinimas yra geriausias įmanomas, ar jis tiesiog sukurtas dėl mūsų elektrono supratimo neišsamumo.

Tikimybių naudojimas gali atrodyti kaip beviltiškas bandymas išgelbėti dieną, tačiau statistinė mechanika įtikinamai įrodė tikimybinio metodo vertę. Bet kurios dujos yra daugybės atsitiktinai judančių molekulių rinkinys, tačiau pagal labiausiai tikėtinus dydžius galima apskaičiuoti dujų slėgį ir kitas jų savybes, o šie parametrai turi fizinę reikšmę.

Einšteinas, Planckas ir Schrödingeris priešinosi tikimybiniam kvantinės mechanikos aiškinimui. Visų pirma Einšteinas išdėstė savo prieštaravimus 1955 m., pateisindamas juos apytiksliu kvantinės teorijos pobūdžiu ir neišsamumu:

Aš atmetu pagrindinę šiuolaikinės statistinės kvantinės teorijos idėją... Nemanau, kad tokia esminė koncepcija gali suteikti tinkamą pagrindą visai fizikai... Esu tvirtai įsitikinęs, kad iš esmės statistinis šiuolaikinės kvantinės teorijos pobūdis turi būti sietina tik su tuo, kad ši teorija veikia su nepilnu fizinių sistemų aprašymu.

((, t. 4, p. 295.))

Nors tikimybinis kvantinės teorijos aiškinimas buvo plačiai priimtas, kai kurie fizikai nedrąsiai vylėsi, kad būsimi tyrimai vis dėlto atvers galimybę tiksliai ir patikimai nustatyti elektrono padėtį erdvėje. Tačiau vienas iš iš esmės naujų kvantinės teorijos bruožų yra būtent tam tikro indeterminizmo neišvengiamumas. Turime omenyje neapibrėžtumo principą, kurį 1927 m. atrado Werneris Heisenbergas (1901–1976). Grubiai tariant, neapibrėžtumo principas teigia, kad neįmanoma vienu metu gauti tikslios informacijos apie dalelės padėtį ir greitį (arba impulsą). Tiksliau, Heisenbergas parodė, kad neapibrėžčių sandauga įvertinant padėtį ir impulsą turi būti ne mažesnė už h/2? (?x ?p? h = h/2?). Heisenbergas buvo įsitikinęs jo suformuluoto principo teisingumu ir paaiškino jį tuo, kad dalelės turi ir banginių, ir korpuskulinių savybių. Tiek dalelės padėtį, tiek impulsą galima išmatuoti taip tiksliai, kaip norima, bet ne vienu metu, o atskirai – arba koordinatę, arba impulsą. Tuo pačiu metu Heisenbergas pasiūlė, kad atliekant tokius subtilius matavimus kaip kvantiniai mechaniniai, pats objektas, per kurį atliekamas matavimas, – bandomoji dalelė – tampa reikšmingas.

Šis neapibrėžtumo šaltinis atsiranda todėl, kad matuojant, pavyzdžiui, elektrono padėtį ar impulsą, kitus elektronus ar fotonus galite naudoti tik kaip bandomąją dalelę, tačiau abu jie turi stiprų poveikį tiriamai dalelei. Vadinasi, atomo pasaulyje mes negalime stebėti reiškinių nesukeldami trikdžių. Kadangi vienu metu negalima tiksliai išmatuoti mikrodalelių padėties ir greičio, negalime tiksliai numatyti jų elgesio. Ir mes neturime kito pasirinkimo, kaip tenkintis tikimybinėmis prognozėmis. Klasikinės fizikos stebėjimai ir eksperimentai čia nepadės.

Jei Planko konstanta būtų pakankamai didelė, kvantinis neapibrėžtumas apimtų makroskopinius reiškinius. Pavyzdžiui, mes negalėjome tiksliai pasakyti, ar snaiperis pataikys į taikinį, net ir atsargiai taikydamas. Tačiau dėl itin mažos Plancko konstantos vertės nėra tiesioginio atitikimo tarp kvantinio mechaninio pasaulio ir mūsų makroskopinės tikrovės. Neapibrėžtumas būdingas bangų mechanikai. Kalbant apie stebimus makroskopinius objektus, jų padėties ir impulso nustatymo neapibrėžtumas yra labai mažas, todėl praktiškai nepastebimas.

Kvantinio mechaninio neapibrėžtumo principas pakerta klasikinę objektyvumo sampratą, t.y. idėja, kad pasaulis yra labai apibrėžtoje būsenoje, nepaisant jo stebėjimo. Kvantinis mechaninis požiūris prieštarauja mūsų kasdienei patirčiai, kuri palaiko klasikinę objektyvumo sampratą, pagal kurią pasaulis ir toliau egzistuoja savaip, net jei mes jo nesuvokiame. Atsikėlę ryte pasaulį randame maždaug tokį patį, kokį palikome išvakarėse. Kalbant apie kvantinį mechaninį neapibrėžtumo principo aiškinimą, tai leidžia daryti kitokią išvadą: kai tik pažvelgsime į pasaulį atidžiau (atominiu lygmeniu), paaiškėja, kad jo būsena priklauso nuo to, kaip tiksliai mes jį stebime ir ką. pasirenkame kaip stebėjimo objektą. Klasikinis objektyvios tikrovės idealas turi būti peržiūrėtas, kad būtų atsižvelgta į stebėtojo sukurtą tikrovę.

Vėliau mokslininkų, dalyvaujančių atominės struktūros tyrimuose, pastangos daugiausia buvo nukreiptos į atomo branduolį. Radioaktyvumo reiškinys davė pagrindo manyti, kad atomo branduolys jokiu būdu nėra nedaloma dalelė. Radioaktyvieji atomai skleidžia alfa, beta ir gama spinduliuotę. Alfa spinduliuotė yra alfa dalelių srautas, turintis teigiamą elektrinį krūvį, absoliučia verte dvigubai didesnį už elektrono krūvį ir keturis kartus didesnę už vandenilio atomo masę. Beta spinduliuotė – tai beta dalelių srautas, t.y. elektronų. Galiausiai gama spinduliuotė yra ne kas kita, kaip „kieta“ elektromagnetinė spinduliuotė, t.y. pasižymi aukščiausiais žinomais dažniais. Visų trijų tipų spinduliuotę skleidžia sunkiųjų atomų branduoliai.

Vėlesni eksperimentiniai atomo branduolio struktūros tyrimai, daugiausia atlikti su greitintuvais – savotiškais „plaktukais“, galinčiais suskaidyti atomo branduolį, – parodė, kad branduolys iš tiesų nėra kietas, nedalomas darinys, o susideda iš daugybės skirtingų dalelių: protonai, neutronai, pionai, savo ruožtu susidedantys iš kvarkų. Pranešimų apie naujų dalelių atradimą pasigirsta iki šiol: analizuodami eksperimentų rezultatus fizikai daro išvadą apie vienos ar kitos dalelės egzistavimą. Daugelis dalelių, sudarančių atomo branduolį, yra tam tikru būdu tarpusavyje susijusios, tačiau mūsų tikslams pakanka, kad jos egzistuoja.

Nors atomo branduolį sudaro įvairios dalelės, bet kurios medžiagos pagrindiniai „statybiniai blokai“ yra protonai ir neutronai. 99,99% mūsų kūno yra sudaryti iš jų. Visų elementų, sunkesnių už vandenilį, branduoliuose, be protonų, yra ir neutronų.

Kai kurie atomų branduolių struktūriniai vienetai, kaip ir elektronai, turi bangines savybes. Visų pirma tai taikoma vandenilio ir helio atomų branduoliams. Tuo pačiu metu susidūrimų metu branduoliai elgiasi kaip dalelės.

Daugelis dalelių, tiek tų, kurios yra atomo branduolio dalis, tiek tų, kurios egzistuoja savarankiškai, turi dar vieną nuostabią savybę: jos gali transformuotis. Pavyzdžiui, protonas gali virsti neutronu, išskirdamas neutriną ir pozitroną, kurių masė tokia pati kaip elektrono, bet kurio teigiamas krūvis absoliučia reikšme prilygsta elektrono krūviui. (Pozitrono egzistavimą 1932 m. numatė Paul A.M. Dirac (1902-1984), vadovaudamasis grynai teoriniais samprotavimais.) Galima ir atvirkštinė transformacija: neutronas, išspinduliavęs elektroną ir neutriną, virsta protonu.

Elektromagnetinio lauko kvantas arba fotonas, jei turi pakankamai energijos, gali, sąveikaudamas su atomo branduolio elektriniu lauku, sukurti elektronų-pozitronų porą. Taip pat yra atvirkštinis procesas, kurio metu elektronas ir pozitronas susidūrus išnyksta (sunaikina), sudarydami du fotonus.

Taigi galime teigti, kad gebėjimas atlikti įvairias transformacijas yra pagrindinė elementariųjų dalelių savybė, kurių daugelis yra nestabilios ir gaunamos laboratorijoje arba susidaro kosminėje spinduliuotėje. Protonai ir elektronai, kiek šiuo metu žinoma, priklauso stabilioms dalelėms, t.y. nesuyra į kitas elementarias daleles. Tiesa, šiuolaikiniai hipotetiniai vadinamojo Didžiojo susivienijimo modeliai rodo, kad protonas skyla, bet, matyt, ne dažniau kaip kartą per 10–30 metų.

Mikropasaulio vaizdą dar labiau apsunkina antidalelių egzistavimas. Tai elementariųjų dalelių grupė, kurios masė ir daugelis kitų fizikinių savybių yra tokios pat kaip ir jų „dvynių“, o kai kurios jų charakteristikos (pavyzdžiui, elektros krūvis) yra priešingos. Kaip jau minėta, susidūrus elektronui ir pozitronui, susidaro du ar daugiau fotonų. Protono ir antiprotono susidūrimas sukuria mezonus. Kaip medžiaga yra sukurta iš dalelių, antimedžiaga gali būti sukurta iš antidalelių.

Iki šiol nė žodžio nesame pasakę apie jėgas, veikiančias tarp dalelių. Kas sulaiko protonus branduolyje? Galų gale, turėdami identiškus (teigiamus) krūvius, jie turėtų patirti elektrostatinį atstūmimą. Be mums jau žinomų sąveikų, gravitacinių ir elektromagnetinių, fizikai postulavo silpnų ir stiprių sąveikų egzistavimą; pastarasis branduolyje laiko protonus ir neutronus. 70-aisiais sukurta elektrosilpnos sąveikos teorija rodo vieningą elektromagnetinės ir silpnosios sąveikos pobūdį (gavo įtikinamą eksperimentinį patvirtinimą). Mokslininkai atlieka tyrimus, siekdami sukurti vadinamąją Didžiojo susijungimo teoriją, kuri suvienija stiprią, silpną ir elektromagnetinę sąveiką.

Prie ko priėjome po daugybės bandymų sukurti vientisą mikroskopinio pasaulio vaizdą? Kvantinės mechanikos koncepcijos ir išvados griauna visus įprastus pagrindus. Jie susiduria su mūsų „sveiku protu“ neišsprendžiamomis problemomis, tai neigia arba bent jau meta iššūkį. Prieš bandydami kažkaip „išlyginti“ savo pirmuosius įspūdžius, pastebime, kad į realybę, kurią nagrinėja kvantinė teorija, reikia žiūrėti labai rimtai. Žinome, kad visa atominių struktūrų teorija leidžia daug ką paaiškinti molekulių sandaroje ir net cheminiuose procesuose. Tačiau yra ir daugiau apčiuopiamų ir vaizdinių realijų: atominė bomba, kurios veikimo principas pagrįstas atomų branduolių dalijimusi, ir vandenilinė bomba, pagrįsta termobranduoline sinteze.

Urano atomui susidūrus su neutronu, įvyksta urano atomo skilimas, o dalis jo masės paverčiama didžiuliu energijos kiekiu. Tam tikromis sąlygomis dalijimosi procesas gali vykti kaip grandininė reakcija. Šiuo principu paremtas atominės bombos ir branduolinio reaktoriaus veikimas. Mes jau pastebėjome tokią tikrovę.

Termobranduolinės sintezės metu vyksta priešingas procesas, kurį dar reikia išmokti valdyti. Jei keturi paprastų vandenilio atomų branduoliai susilieja į vieną helio atomą, kurio masė yra šiek tiek mažesnė nei keturis kartus didesnė už vandenilio masę (lygu 3,97 vandenilio atominės masės), tada šviesos ir šilumos pavidalu išsiskiria didžiulis energijos kiekis. . Saulėje nuolat vyksta termobranduolinės sintezės procesas, kai vandenilis virsta heliu; tai saulės energijos šaltinis. Antžeminėmis sąlygomis termobranduolinės sintezės metu naudojami vandenilio izotopai - deuteris ir tritis, kurių atominės masės yra atitinkamai du ir tris kartus didesnės už įprasto, „lengvojo“ vandenilio masę. Sunkiojo vandenilio termobranduolinės sintezės vykdymas reikalauja neįtikėtinai aukštos temperatūros.

Įdomu tai, kad dar 1920 metais Oliveris Lodge išsakė išties pranašišką mintį: „Ateis laikas, kai atominė energija pakeis anglį... Tikiuosi, kad žmonija pradės naudoti šią energiją ne anksčiau, nei turės proto. naudokite jį tinkamai“. Tačiau Rutherfordas dar 1933 m. laikė idėją panaudoti atominę energiją absurdiška.

Būtinai paviršutiniškai apžvelgdami procesus mikropasaulyje, be kita ko, pažymėjome, kad dalelių pavidalo materija gali virsti spinduliuote (bangomis) ir atvirkščiai, o jų kvantinis mechaninis aprašymas išplaukia iš fakto. kad medžiaga dalelių pavidalu tam tikromis sąlygomis ji pasižymi bangomis panašiomis savybėmis, o spinduliuotė – į daleles. Bet kas tada yra „tikroji“ fizinė realybė?

Taigi fotonas nėra banga tradicine prasme. Tai bangos dalelė, vienas darinys, turintis dvejopą prigimtį: ir bangas, ir daleles. Taip pat elektronas nėra dalelė tradicine prasme, tai banginė dalelė. Kaip tiksliai elgiasi fotonas ar elektronas – kaip banga ar kaip dalelė – priklauso tik nuo to, kokį eksperimentą su jais atliekame. Nei elektronas, nei fotonas elgiasi ne kaip banga ar kaip dalelė. Jei atliksime šviesos difrakcijos eksperimentą, fotonas elgiasi kaip banga. Bet jei tiriame fotoelektrinį efektą su ta pačia šviesa, tada fotonas elgiasi kaip dalelė. Vakuuminiuose vamzdeliuose ar televizijos kineskopuose elektronai elgiasi kaip dalelės. Bet kai tik praleidžiame elektronų spindulį per kristalą, gauname trukdžių efektus – tokius pat, kaip ir šviesos bangų atveju. Savo knygoje „Physics and Philosophy“ Heisenbergas rašė: „Mes stebime ne pačią gamtą, o gamtą, kai ji atsiskleidžia mūsų gebėjimui kelti klausimus.

Natūralu klausti: ar šiuo atveju yra kokių nors reikšmingų skirtumų tarp dalelės bangos ir bangos dalelės? Tokių skirtumų yra, ir gana daug. Esminis skirtumas vėlgi susijęs su šviesos greičiu. Nors bangos dalelė niekada nepasiekia šviesos greičio (kitaip jos masė taptų begalinė), o dalelės bangos, būdamos šviesos banga, greitis yra tiksliai lygus šviesos greičiui. Dalelių bangos fotono ramybės masė negali būti kitokia nei nulis (ty turėti masę, jei fotonas nejuda), nes jei jis judėtų šviesos greičiu, fotono masė būtų begalinė. Kalbant apie bangos dalelę, jos ramybės masė nėra lygi nuliui. Galima paminėti ir kitus skirtumus.

Tačiau šiuo atveju mums svarbu pabrėžti pagrindinę išvadą, prie kurios mus glaudžiai veda šiuolaikinė elementariųjų dalelių fizikos raida simbiozėje su kosmologija, būtent, kad visa mūsų stebima materija Visatoje yra nestabili. Atomo branduoliai gali virsti leptonais, pavyzdžiui, elektronais, pozitronais, elektromagnetinės spinduliuotės kvantais (fotonais) ir kt. Savo ruožtu elementarios dalelės gali išnykti ir atsirasti, virsdamos viena kita. Prie to taip pat turėtume pridurti, kad gyvename besiplečiančioje Visatoje. Natūraliai kyla klausimas: ar šiame kintančiame įvairių virsmų paveiksle yra kas nors amžino, nekintančio ir stabilaus? Šiuo klausimu yra įvairių nuomonių.

Bet kuriuo atveju substancija, tradiciniu supratimu, nesunaikinama, dalijama, kūniška, vientisa ir išplėsta, dingo iš mūsų rankų ir nebeegzistuoja. Mes turime tik tam tikrą masės ir energijos kiekį. Bendra jų suma išsaugoma, tačiau bet kuri jos sąlyga gali virsti kita. Pavyzdžiui, kai kurių dalelių sąveikų metu (tarkime, jų susidūrimų greitintuvuose) gimsta naujos dalelės, tačiau kartu su jomis atsiranda ir dalelių, kurios buvo spindulyje nuo pat pradžių. Kaip tai įmanoma? Energija, perduota dalelei greitintuve, paverčiama mase. Kaip žinote, energija ir masė yra susietos pagal Einšteino formulę E = mc 2. Kur yra energijos, ten yra ir masė. Energija ir masė yra viena kitą papildančios tikrovės apraiškos, kurių negalima vizualiai interpretuoti. Ne kiekvienas makroskopinis aprašymas yra tinkamas mikroskopiniams reiškiniams, kaip ir ne kiekvienas Niutono fizikos rėmuose prasmingas klausimas turi pagrįstą atsakymą atominių reiškinių srityje.

Bet kadangi visa materija susideda iš kvantų ir dalelių, kodėl mes jų nepastebime kasdieniame gyvenime? Dėl tos paprastos priežasties, kad net ir dulkių dėmė bus kalnas, palyginti su bet kokia subatomine dalele. Jei tokios dalelės judėtų net labai mažu greičiu (kuriuo jos niekada nejuda), tada de Broglie bangos ilgis būtų per mažas, kad pastebėtų judesio kvantavimo poveikį. Yra pagrindo teigti, kad kai peržengiame atominių reiškinių pasaulį ir priartėjame prie įprastų makroskopinių reiškinių pasaulio, kvantinės sąvokos virsta klasikinėmis sąvokomis. Pastarosios veikia tarpinių mastelių, arba mezoskalių, pasaulyje, tačiau nėra taikomos nei atominiam, nei kosmologiniam pasauliui.

Kvantinė teorija labai tiksliai prognozuoja eksperimentų rezultatus. Tačiau jos rėmuose dar nepasiektas tinkamas fizinių procesų supratimas. Pavyzdžiui, kvantinė teorija elektroną aprašo matematiškai, naudodama bangų funkciją. Elektronas "išsisklaidęs" visoje erdvėje. Jo bangos funkcija nurodo tikimybę, su kuria elektronas gali būti aptiktas bet kuriame erdvės taške. Tačiau aptiktas elektronas nustoja „tepti“: jo padėtis tampa gana aiški. Ar toks vaizdas gali būti laikomas teisingu? Kvantinė teorija teisingai numato instrumentų adatų padėtis, tačiau pagrindiniai fizikiniai reiškiniai lieka neaiškūs. Matematinės taisyklės veikia, tačiau, deja, nėra pagrįsto kvantinio pasaulio aiškinimo. Matyt, tikrovei apibūdinti reikia ir bangų, ir dalelių.

Visatos tvarka gali būti ir mūsų proto tvarka. Mes nesame tik tikrovės stebėtojai, esame aktyvūs jos dalyviai. Gamta nėra atvira knyga, kurią galėtume skaityti kaip nepriklausomi stebėtojai. Šis įprastų fizinio paaiškinimo reikalavimų atmetimas privertė daugelį fizikų ir filosofų suabejoti, ar turime tinkamą atominių reiškinių aprašymą. Visų pirma, tikimybinis aprašymas, jų nuomone, turėtų būti laikomas laikina priemone, kurią pakeis deterministinis aprašymas.

Tačiau neturėtume pamiršti, kad kvantinė teorija atsirado palyginti neseniai. Visiškai įmanoma, kad po kokių penkiasdešimties metų gremėzdiškas korpuskuliarinių ir dalelių bangų teorijų hibridas virs paprasta ir aiškia teorija. Didžioji dalis to, ką žinome apie įvairias daleles, kyla iš „punktyrinių pėdsakų“, kuriuos jos palieka įvairių tipų įrašymo įrenginiuose. Tokie pėdsakai atsiranda, kai dalelės bombarduoja taikinius greitintuvuose. Kita vertus, greitintuvuose bombarduojančios dalelės įgauna milžinišką energiją, ir galima daryti išvadą, kad ši energija paverčiama mase. Ar tokiu būdu gimusią masę galima laikyti tikra tikrove, ar tai yra apgaulingas pojūtis, gimęs iš mūsų nepatikimų ir paviršutiniškų juslinių suvokimų? Nesileidžiant į smulkmenas, masė tikrai turėtų būti laikoma statistiniu efektu.

Kaip matome, atomo sandaros supratimas yra nepaprastai svarbus fizikoje, tačiau tai duoda tikrai neįkainojamos naudos tiek chemijai, tiek biologiniams tyrimams. Galbūt biochemija galės atskleisti gyvybės ir paveldimumo paslaptis ir taip pagerinti žmogaus sveikatą bei pratęsti jo gyvenimą. Kad ir kaip ten būtų, galima drąsiai teigti, kad atomo prigimties tyrimai pasirodė esą labai vaisingi.

Mums svarbiausia buvo suprasti, kad mūsų atominės struktūros modeliai nėra fiziniai. Jie yra matematiniai nuo pradžios iki pabaigos. Matematika leidžia mums atrasti ir nustatyti tvarką ten, kur viešpatavo chaosas. Pasak Dirako ir Heisenbergo, nuoseklus matematinis gamtos aprašymas yra kelias į fizikos tiesą. Vaizdinio vaizdavimo ar fizinio paaiškinimo poreikis yra ne kas kita, kaip klasikinės fizikos reliktas.

WikiHow veikia kaip wiki, o tai reiškia, kad daugelis mūsų straipsnių yra parašyti kelių autorių. Šį straipsnį parengė 11 žmonių, įskaitant anoniminius, norėdami jį redaguoti ir patobulinti.

Kvantinė fizika (taip pat žinoma kaip kvantinė teorija arba kvantinė mechanika) yra atskira fizikos šaka, nagrinėjanti medžiagos ir energijos elgsenos ir sąveikos aprašymą elementariųjų dalelių, fotonų ir kai kurių medžiagų lygmenyje esant labai žemai temperatūrai. Kvantinis laukas apibrėžiamas kaip dalelės „veiksmas“ (arba kai kuriais atvejais kampinis impulsas), kurio dydis neviršija mažytės fizinės konstantos, vadinamos Planko konstanta.

Žingsniai

Plancko konstanta

Pradėkite išmokdami fizinę Plancko konstantos sąvoką. Kvantinėje mechanikoje Planko konstanta yra veiksmo kvantas, žymimas kaip h. Panašiai sąveikaujančioms elementarioms dalelėms – kvantinė kampinis pagreitis- tai redukuota Planko konstanta (Planko konstanta, padalyta iš 2 π), žymima kaip ħ ir vadinamas „h su juosta“. Planko konstantos reikšmė itin maža, ji sujungia tuos impulso momentus ir veiksmų pavadinimus, kurie turi bendresnę matematinę sampratą. vardas Kvantinė mechanika reiškia, kad kai kurie fiziniai dydžiai, panašūs į kampinį momentą, gali tik keistis diskretiškai, ne nuolatinis ( cm. analoginis) būdas.

• Pavyzdžiui, elektrono, prijungto prie atomo ar molekulės, kampinis impulsas yra kvantuojamas ir gali turėti tik tokias vertes, kurios yra sumažintos Plancko konstantos kartotiniai. Šis kvantavimas padidina elektrono orbitą sveikojo pirminio kvantinio skaičiaus serija. Priešingai, šalia esančių nesurištų elektronų kampinis impulsas nėra kvantuojamas. Planko konstanta taip pat naudojama kvantinėje šviesos teorijoje, kur šviesos kvantas yra fotonas, o medžiaga sąveikauja su energija per elektronų perdavimą tarp atomų arba surišto elektrono „kvantinį šuolį“.
• Planko konstantos vienetai taip pat gali būti laikomi energijos momento laiku. Pavyzdžiui, dalelių fizikos srityje virtualios dalelės vaizduojamos kaip dalelių masė, kuri savaime atsiranda iš vakuumo labai mažame plote ir vaidina vaidmenį jų sąveikoje. Šių virtualių dalelių gyvenimo riba yra kiekvienos dalelės energija (masė). Kvantinė mechanika turi didelę dalykinę sritį, tačiau kiekvienoje matematinėje jos dalyje yra Planko konstanta.

1. Sužinokite apie sunkiąsias daleles. Sunkiosios dalelės pereina iš klasikinės į kvantinę energiją. Net jei laisvasis elektronas, turintis tam tikrų kvantinių savybių (pavyzdžiui, sukinį), kaip nesurištas elektronas, artėja prie atomo ir sulėtėja (galbūt dėl ​​fotonų emisijos), jis keičiasi iš klasikinio į kvantinį elgesį, kai jo energija nukrenta žemiau. jonizacijos energija. Elektronas jungiasi prie atomo, o jo kampinis impulsas atomo branduolio atžvilgiu yra ribojamas orbitos, kurią jis gali užimti, kvantinė vertė. Šis perėjimas yra staigus. Jis gali būti lyginamas su mechanine sistema, kuri keičia savo būseną iš nestabilios į stabilią, arba jos elgesys keičiasi iš paprastos į chaotišką, arba netgi su raketiniu laivu, kuris sulėtėja ir nukrenta žemiau pakilimo greičio ir įgauna greitį. skrieja aplink kokią nors žvaigždę ar kitą dangaus objektą. Priešingai, fotonai (kurie yra nesvarūs) tokio perėjimo nevykdo: jie tiesiog kerta erdvę nepakitę, kol sąveikauja su kitomis dalelėmis ir išnyksta. Jei pažvelgsite į naktinį dangų, kai kurių žvaigždžių fotonai nepakitę keliauja daugelį šviesmečių, tada sąveikauja su elektronu, esančiu jūsų tinklainėje esančioje molekulėje, išlaisvindami savo energiją ir išnykdami.

E. h.m viršija periodinių elementų skaičių. Mendelejevo sistema. E. ch.m. iš esmės yra kvantinė mechaninė. objektų (žr. Mikrodalelės), jų judėjimas (kuris gana dažnai vyksta artimu šviesos greičiui) gali būti tik reliatyvistinis, t.y. reliatyvumo reikalavimus tenkinanti teorija. 30-50-aisiais. Buvo tikima, kad bendroji elektroninės kvantinės mechanikos teorija bus kvantinė mechanika, o reliatyvumo teorija – reliatyvistinė. Tačiau nemažai bandymų šia kryptimi susidūrė su neįveikiamais sunkumais. Todėl fizikoje susiformavo, kad norint sukurti bendrą elementariosios kvantinės mechanikos teoriją, kvantinės teorijos ir reliatyvumo teorijos principus reikia papildyti iš esmės naujomis sąvokomis ir dėsniais, būdingais tik pasauliui. elementarioji kvantinė mechanika.

Iš šiuo atžvilgiu iškilusių filosofijų. Didžiausios problemos buvo susijusios su erdvės laiko prigimtimi labai mažais atstumais. Gausus bando tiesiogiai erdvių kvantavimas, santykiai E. h.m. lygyje su logiškai nuosekliai. Eksperimentų metu jie atrado jų nesuderinamumą su reliatyvumo teorijos reikalavimais ir eksperimentiniais duomenimis apie elektrocheminių dalelių sklaidą esant labai didelei energijai. Lindenbaum ir kt., 1966 m., įrodė, kad iki 10–17 cm atstumų mikrokosmosas turi ištisinę, nediskrečią struktūrą. Šiuo metu svarstomi įvairūs diskrečiojo erdvėlaikio modeliai. laiko kaip vieną iš tikrosios fizinės problemos tyrimo krypčių. labai mažų atstumų ir laikotarpių struktūra. Matematikos naudojimas elementarios matematikos fizikoje vis dar grindžiamas Eudokso-Archimedo aksioma, pagal kurią iš dviejų savavališkai pasirinktų atkarpų mažesnioji visada gali būti atidėta didesniu kartų skaičiumi, o po to pastarasis bus pranoko ilgiu. Tai, charakterizuojanti erdvės topologiją, kelia abejonių E. h.m. pasaulyje, ypač susijusi su įvairių virtualių jų transformacijų viena į kitą galimybe. Pagal vadinamąjį Nagrinėjami abstrakčiojo lauko teorijos taikymai kuriant bendrąją elementariosios matematikos teorijos teoriją. bendriausios topologinės erdvės. gamta, įskaitant. ir nemetrinis (t. y. tie, kuriuose neįmanoma įvesti tam tikro objektų „atstumo“ vienas nuo kito mato - „atstumo“ tarp jų analogas).

Dr. Filosofas problemos siejamos su elementaraus objekto identifikavimu, kuriuo galima remtis E. ch., su patirtimi susijusių subjektų teorijos pagrindu (pavyzdžiui, tam tikras universalus, savaime veikiantis netiesinis Heisenbergo spinoras), ir hipotetinių objektų. gamta (Gell-Mann ir Zweig kvarkai arba Chew, Frautschi ir jų pasekėjų regelijos). Daugelis šių bandymų yra tiesiogiai susiję su tam tikromis filosofijomis. idėjos. Taigi Sakata savo teoriją laiko paremta dialektikos idėjomis. materializmas, Heisenbergas remiasi Platono mokymu apie geometriškai tobulus idealius kūnus, Gell-Man susieja savo „aštuonkartę simetriją“ su aštuoniais būdais suvokti Budos tiesą ir su naujos atomizmo formos „Chew“ paieška. priešingai, mano, kad atomizmo idėja yra pasenusi ir siūlo vadovautis Leibnizo idėja apie geriausią iš pasaulių ir „demokratijos“ idėja - tokia pati visų žinomų E. h.m.

Visi iki šiol pasiūlyti bendrosios E. ch.m. teorijos variantai yra specifiniai gilios dialektikos metodai. E. ch.m., kaip mokslo objektų, savybių nenuoseklumas. tyrimai: viena vertus, akivaizdu, kad yra nuostabi šio tipo E. h.m. masių, krūvių, sukimų ir kitų charakteristikų pastovumas; kita vertus, E. Ch. M. abipusis konvertuojamumas iš esmės yra jų egzistavimo forma – dėl virtualių procesų kiekvienas žinomas E. Ch. M. gali transformuotis į beveik bet kurį kitą (be to, kūneliai – elektriniams, barioniniams ir leptoniniams krūviams išsaugoti).

Nemažai filosofijų E. ch.m fizikos problemos susijusios su naujų sąvokų formavimu, kurių pagalba bus galima suformuluoti naujus E. ch.m judesius kaip kokybiškai unikalius objektus. Pastaraisiais metais, atrandant naujas elementariosios kvantinės mechanikos simetrijos savybes, atsirado įsitikinimas, kad tiek kvantinės teorijos dėsniai, tiek reliatyvumo teorijos dėsniai yra tik tam tikras ribinis ateities generolo dėsnių atvejis. elementariosios kvantinės mechanikos teorija (pavyzdžiui, esant pakankamai mažoms energijoms – iki vieno milijono elektronų voltų viename korpuse – ir apsiribojus objektais, kurie turi trivialią, metrinę topologiją). Kitaip tariant, į E. ch. m teorijos konstravimą žiūrima iš principo atitikimo pozicijų. Didelės viltys dedamos į intensyviai tyrinėtas E. h.m sąveikų simetrijos savybes Akivaizdu, kad tik šiuo požiūriu. Vieninga E. Ch. M. teorija galės paaiškinti tiek šio konkretaus E. Ch.M. rinkinio egzistavimo faktą, tiek būtent tokio pobūdžio sąveikos tarp jų buvimą, ir visiškai paslaptingą šių dienų. laiko, tačiau empiriškai labai aiškiai sąveikos stiprumas priklauso nuo jos simetrijos laipsnio (šios jėgos mažėjimas mažėjant sąveikos simetrijos laipsniui).

Lit.: Markovas M. A., Apie naujus laikus. atomizmo forma (Apie elementariosios dalelės sampratą), „VF“, 1960 m.; Nr.3, 4; Mapshak R. ir Sudershan E., Įvadas į fiziką E. sk., vert. iš anglų k., M., 1962; Filosofija fizikos problemos E. Ch., M., 1863; Heisenbergas V., Fizika ir, vert. iš vokiečių kalbos, M., 1963 m. Materijos prigimtis, „Fizikinių mokslų pažanga“, 1965 m.; t. 86, Nr. 4; Chew J., analitikas. S-matricos teorija, vert. iš anglų kalbos, M., 1968 m.

I. Akčurinas. Maskva.

Filosofinė enciklopedija. 5 tomuose - M.: Tarybinė enciklopedija. Redagavo F. V. Konstantinovas. 1960-1970 .

Pažiūrėkite, kas yra „ELEMENTINĖS MEDŽIAGOS DALELĖS“ kituose žodynuose:

Įvadas. E. dalelės tikslia šio termino reikšme yra pirminės, toliau neskaidomos dalelės, iš kurių, manyti, susideda visa materija. Šiuolaikinėje fizikos terminas „E. h." paprastai vartojamas ne tikslia reikšme, o ne taip griežtai pavadinimui... ... Fizinė enciklopedija

Didysis enciklopedinis žodynas

Elementariosios dalelės yra mažiausios fizikinės medžiagos dalelės. Idėjos apie elementariąsias daleles atspindi žinių apie materijos struktūrą stadiją, kurią pasiekė šiuolaikinis mokslas. Kartu su antidalelėmis apie 300 elementarių... ... Branduolinės energijos terminai

elementariosios dalelės- Mažiausios fizikinės materijos dalelės. Idėjos apie elementariąsias daleles atspindi žinių apie materijos struktūrą stadiją, kurią pasiekė šiuolaikinis mokslas. Kartu su antidalelėmis buvo atrasta apie 300 elementariųjų dalelių. Terminas... ... Techninis vertėjo vadovas

Šiuolaikinė enciklopedija

Elementariosios dalelės- ELEMENTINĖS DALELĖS, bendras mažiausių medžiagos dalelių pavadinimas kitame (po branduolių) medžiagos struktūros lygyje (subbranduolinės dalelės). Elementariosios dalelės apima protoną (p), neutroną (n), elektroną (e), fotoną (g), neutriną (n) ir tt ir jų... ... Iliustruotas enciklopedinis žodynas

Įvadas. E. dalelės tikslia šio termino prasme yra pirminės, toliau neskaidomos dalelės, iš kurių, darant prielaidą, susideda visa materija. Koncepcijoje „E. h." šiuolaikinėje fizikoje pirminių esybių idėja išreiškiama... ... Didžioji sovietinė enciklopedija

Mažiausios žinomos fizikinės medžiagos dalelės. Idėjos apie elementariąsias daleles atspindi šiuolaikinio mokslo pasiektą žinių apie materijos struktūrą laipsnį. Būdinga elementariųjų dalelių savybė yra gebėjimas tarpusavyje... ... enciklopedinis žodynas

Siaurąja prasme – dalelės, kurių negalima laikyti susidedančiomis iš kitų dalelių. Šiuolaikinėje Fizikoje E. Ch terminas vartojamas platesne prasme: vadinamasis. mažiausios medžiagos dalelės, su sąlyga, kad jos nėra atomų branduoliai ir atomai... ... Chemijos enciklopedija

Mažiausios fizinės dalelės reikalas. Idėjos apie E. h. atspindi žinių apie materijos struktūrą laipsnį, kuris buvo pasiektas šiais laikais. mokslas. Būdingas E. h. bruožas yra gebėjimas patirti abipuses transformacijas; tai neleidžia E. h. laikyti... ... Gamtos mokslai. enciklopedinis žodynas

Knygos

• Eterinė materijos sandaros teorija Visatoje, Anatolijus Bedritskis. Knygoje „Eterinė materijos sandaros teorija visatoje“ apibrėžiamos tikrosios pradinės elementarios materijos dalelės – kilimėliai, kurie turi absoliutų tankį ir chaotiškai juda visomis kryptimis,...

Mokslas

Kvantinė fizika tiria mažiausių mūsų visatos dalykų – subatominių dalelių – elgesį. Tai palyginti naujas mokslas, juo tapo tik XX amžiaus pradžioje, kai fizikai susidomėjo klausimu, kodėl jie negalėjo paaiškinti kai kurių radiacijos padarinių. Vienas iš to meto novatorių Maxas Planckas, tyrinėdamas mažas daleles su energija, vartojo terminą „kvantai“, iš čia ir kilo pavadinimas „kvantinė fizika“. Planckas pažymėjo, kad elektronuose esantis energijos kiekis nėra savavališkas, bet atitinka „kvantinės“ energijos standartus. Vienas iš pirmųjų praktinio šių žinių taikymo rezultatų buvo tranzistoriaus išradimas.

Skirtingai nuo standžių standartinės fizikos dėsnių, kvantinės fizikos taisyklės gali būti pažeistos. Kai tik mokslininkai mano, kad jie susiduria su materijos ir energijos tyrimo aspektu, atsiranda naujas įvykių posūkis, primenantis, koks nenuspėjamas gali būti darbas šioje srityje. Tačiau net ir visiškai nesupranta, kas vyksta, savo darbo rezultatus gali panaudoti tobulėjimui naujų technologijų, kurias kartais galima pavadinti ne mažiau kaip fantastiškomis.

Ateityje kvantinė mechanika galėtų padėti išsaugoti karines paslaptis, taip pat užtikrinti saugumą ir apsaugoti jūsų banko sąskaitą nuo kibernetinių vagių. Dabar mokslininkai dirba su kvantiniais kompiuteriais, kurių galimybės gerokai pranoksta įprasto kompiuterio galimybes. Padalinta į subatomines daleles, objektus galima lengvai perkelti iš vienos vietos į kitą akies mirksniu. Ir galbūt kvantinė fizika galės atsakyti į labiausiai intriguojantį klausimą, iš ko sudaryta visata ir kaip prasidėjo gyvybė.

Žemiau pateikiami faktai apie tai, kaip kvantinė fizika gali pakeisti pasaulį. Kaip sakė Nielsas Bohras: „Kiekvienas, kuris nėra sukrėstas kvantinės mechanikos, tiesiog dar nesuprato, kaip ji veikia“.

Turbulencijos valdymas

Netrukus, galbūt kvantinės fizikos dėka, bus galima panaikinti neramias zonas, dėl kurių lėktuve išsilieja sultys. Laboratorijoje sukūrę kvantinę turbulenciją itin šaltuose dujų atomuose, Brazilijos mokslininkai gali suprasti turbulenciją, kurią patiria lėktuvai ir laivai. Šimtmečius turbulencija glumino mokslininkus, nes buvo sunku ją atkurti laboratorijoje.

Turbulenciją sukelia dujų ar skysčio gumulėliai, tačiau gamtoje ji susidaro atsitiktinai ir susidaro netikėtai. Nors turbulentinės zonos gali susidaryti vandenyje ir ore, mokslininkai išsiaiškino, kad jos gali susidaryti ir itin šaltuose dujų atomuose arba superskystame heliuje. Tyrinėdami šį reiškinį kontroliuojamomis laboratorinėmis sąlygomis, mokslininkai vieną dieną galės tiksliai numatyti, kur atsiras neramios zonos, o galbūt ir kontroliuoti jas gamtoje.

Spintronika

MIT sukurtas naujas magnetinis puslaidininkis ateityje galėtų sukurti dar greitesnius, energiją taupančius elektroninius prietaisus. Ši technologija, vadinama „spintronika“, naudoja elektronų sukimosi būseną informacijai perduoti ir saugoti. Nors įprastos elektroninės grandinės išnaudoja tik elektrono įkrovos būseną, spintronika pasinaudoja elektrono sukimosi kryptimi.

Informacijos apdorojimas naudojant spintronines grandines leis duomenis kaupti iš dviejų krypčių vienu metu, o tai taip pat sumažins elektroninių grandinių dydį. Ši nauja medžiaga įveda elektroną į puslaidininkį pagal jo sukimosi orientaciją. Elektronai praeina per puslaidininkį ir tampa pasiruošę būti sukimosi detektoriais išėjimo pusėje. Mokslininkai teigia, kad naujieji puslaidininkiai gali veikti kambario temperatūroje ir yra optiškai skaidrūs, vadinasi, gali dirbti su jutikliniais ekranais ir saulės baterijomis. Jie taip pat mano, kad tai padės išradėjams sukurti dar daugiau funkcijų turinčių įrenginių.

Lygiagretūs pasauliai

Ar kada susimąstėte, koks būtų mūsų gyvenimas, jei turėtume galimybę keliauti laiku? Ar nužudytumėte Hitlerį? O gal prisijungtumėte prie romėnų legionų ir pamatytumėte senovės pasaulį? Tačiau, nors visi fantazuojame, ką darytume, jei galėtume grįžti į praeitį, Kalifornijos universiteto Santa Barbaros mokslininkai jau renkasi kelią, kaip atkurti praėjusių metų nuoskaudas.

2010 m. eksperimento metu mokslininkai sugebėjo įrodyti, kad objektas vienu metu gali egzistuoti dviejuose skirtinguose pasauliuose. Jie išskyrė nedidelį metalo gabalėlį ir, esant ypatingoms sąlygoms, atrado, kad jis juda ir stovėjo tuo pačiu metu. Tačiau kažkas gali manyti, kad šis stebėjimas yra pervargimo sukeltas kliedesys, tačiau fizikai teigia, kad objekto stebėjimai tikrai rodo, kad jis Visatoje skyla į dvi dalis – vieną iš kurių matome, o kitos – ne. Paralelinių pasaulių teorijos vieningai teigia, kad absoliučiai bet koks objektas suyra.

Dabar mokslininkai bando išsiaiškinti, kaip „peršokti“ žlugimo akimirką ir patekti į pasaulį, kurio nematome. Ši kelionė į lygiagrečias visatas laike teoriškai turėtų veikti, nes kvantinės dalelės laike juda ir pirmyn, ir atgal. Dabar mokslininkams belieka sukurti laiko mašiną naudojant kvantines daleles.

Kvantiniai taškai

Netrukus kvantiniai fizikai galės padėti gydytojams aptikti vėžines ląsteles organizme ir tiksliai nustatyti, kur jos išplito. Mokslininkai išsiaiškino, kad kai kurie maži puslaidininkiniai kristalai, vadinami kvantiniais taškais, gali švytėti veikiami ultravioletinių spindulių, be to, jie buvo nufotografuoti naudojant specialų mikroskopą. Tada jie buvo sujungti su specialia medžiaga, kuri buvo "patraukli" vėžinėms ląstelėms. Kai jie pateko į kūną, švytintys kvantiniai taškai patraukė vėžines ląsteles, todėl gydytojai tiksliai parodė, kur ieškoti. Švytėjimas tęsiasi gana ilgai, o mokslininkams taškelių pritaikymas prie konkretaus vėžio tipo savybių yra gana paprastas.

Nors aukštųjų technologijų mokslas neabejotinai yra atsakingas už daugelį medicinos pažangos, žmonės šimtmečius buvo priklausomi nuo daugelio kitų kovos su ligomis priemonių.

Malda

Sunku įsivaizduoti, ką bendro gali turėti indėnas, gydytojas šamanas ir kvantinės fizikos pradininkai. Tačiau tarp jų vis tiek yra kažkas bendro. Nielsas Bohras, vienas iš ankstyvųjų šios keistos mokslo srities tyrinėtojų, manė, kad didžioji dalis to, ką vadiname tikrove, priklauso nuo „stebėtojo efekto“, tai yra, santykio tarp to, kas vyksta, ir to, kaip mes tai matome. Ši tema sukėlė rimtų diskusijų tarp kvantinių fizikų, tačiau daugiau nei prieš pusę amžiaus Bohro atliktas eksperimentas patvirtino jo prielaidą.

Visa tai reiškia, kad mūsų sąmonė daro įtaką tikrovei ir gali ją pakeisti. Šamano gydytojo ceremonijos kartojami maldos žodžiai ir ritualai gali būti bandymai pakeisti tikrovę kuriančios „bangos“ kryptį. Dauguma ceremonijų taip pat atliekamos dalyvaujant daugybei stebėtojų, o tai rodo, kad kuo daugiau „gydomųjų bangų“ sklinda iš stebėtojų, tuo stipresnis jų poveikis tikrovei.

Objektinis ryšys

Objektų sujungimas ateityje gali turėti didžiulį poveikį saulės energijai. Objektų tarpusavio ryšys reiškia kvantinę atomų, atskirtų realioje fizinėje erdvėje, tarpusavio priklausomybę. Fizikai mano, kad ryšys gali susiformuoti augalų dalyje, atsakingoje už fotosintezę arba šviesos pavertimą energija. Už fotosintezę atsakingos struktūros, chromoforai, 95 procentus gaunamos šviesos gali paversti energija.

Mokslininkai dabar tiria, kaip ši kvantinio lygmens jungtis galėtų paveikti saulės energijos kūrimą, tikėdamiesi sukurti efektyvius natūralius saulės elementus. Ekspertai taip pat išsiaiškino, kad dumbliai gali panaudoti tam tikrą kvantinę mechaniką, kad galėtų perkelti iš šviesos gaunamą energiją ir vienu metu ją saugoti dviejose vietose.

Kvantinė kompiuterija

Kitas ne mažiau svarbus kvantinės fizikos aspektas gali būti pritaikytas kompiuterių srityje, kur specialus superlaidžio elemento tipas suteikia kompiuteriui precedento neturintį greitį ir galią. Tyrėjai aiškina, kad elementas elgiasi kaip dirbtiniai atomai, nes jie gali gauti arba prarasti energiją tik judėdami tarp atskirų energijos lygių. Sudėtingiausias atomas turi penkis energijos lygius. Ši sudėtinga sistema („qudit“) turi didelių pranašumų, palyginti su ankstesnių atomų veikimu, kurie turėjo tik du energijos lygius („qubit“). Qudits ir qubits yra standartiniuose kompiuteriuose naudojamų bitų dalis. Kvantiniai kompiuteriai savo darbe naudos kvantinės mechanikos principus, kurie leis atlikti skaičiavimus daug greičiau ir tiksliau nei tradiciniai kompiuteriai.

Tačiau yra problema, kuri gali iškilti, jei kvantinė kompiuterija taptų realybe – kriptografija arba informacijos kodavimas.

Kvantinė kriptografija

Internete galima rasti viską – nuo ​​jūsų kredito kortelės numerio iki itin slaptų karinių strategijų, o kvalifikuotas įsilaužėlis, turintis pakankamai žinių ir galingą kompiuterį, gali nusausinti jūsų banko sąskaitą arba kelti pavojų pasaulio saugumui. Specialus kodavimas išlaiko šią informaciją paslaptyje, o kompiuterių mokslininkai nuolat kuria naujus, saugesnius kodavimo metodus.

Informacijos kodavimas vienoje šviesos dalelėje (fotone) jau seniai buvo kvantinės kriptografijos tikslas. Atrodė, kad Toronto universiteto mokslininkai jau buvo labai arti šio metodo sukūrimo, nes sugebėjo užkoduoti vaizdo įrašą. Šifravimas apima nulių ir vienetų eilutes, kurios yra „raktas“. Vieną kartą pridėjus raktą informacija užkoduojama, o pridėjus dar kartą, ji iškoduojama. Jei pašaliniui asmeniui pavyks gauti raktą, informacija gali būti nulaužta. Bet net jei raktai naudojami kvantiniu lygiu, pats jų naudojimo faktas tikrai reikš, kad įsilaužėlis yra.

Teleportacija

Tai mokslinė fantastika, nieko daugiau. Tačiau tai buvo atlikta, bet ne dalyvaujant žmogui, o dalyvaujant didelėms molekulėms. Tačiau čia ir slypi problema. Kiekviena žmogaus kūno molekulė turi būti nuskaityta iš abiejų pusių. Tačiau vargu ar tai įvyks artimiausiu metu. Yra ir kita problema: vieną kartą nuskaitę dalelę, pagal kvantinės fizikos dėsnius, ją pakeičiate, tai yra, neturite galimybės padaryti tikslios jos kopijos.

Čia atsiranda objektų tarpusavio ryšys. Jis sujungia du objektus, tarsi jie būtų vienas. Mes nuskaitome vieną dalelės pusę, o kita pusė padarys teleportuotą kopiją. Tai bus tiksli kopija, nes mes matavome ne pačią dalelę, matavome jos dvigubą. Tai reiškia, kad dalelė, kurią išmatavome, bus sunaikinta, tačiau tiksli jos kopija bus atgaivinta dviguba.

Dievo dalelės

Mokslininkai naudoja savo labai didelį kūrinį – Didįjį hadronų greitintuvą – norėdami ištirti kažką itin mažo, bet labai svarbaus – pagrindines daleles, kurios, kaip manoma, yra mūsų Visatos kilmės pagrindas.

Pasak mokslininkų, Dievo dalelės suteikia masę elementarioms dalelėms (elektronams, kvarkams ir gliuonams). Ekspertai mano, kad Dievo dalelės turi persmelkti visą erdvę, tačiau šių dalelių egzistavimas dar neįrodytas.

Šių dalelių radimas padėtų fizikai suprasti, kaip Visata atsigavo po Didžiojo sprogimo ir tapo tokia, kokią žinome šiandien. Tai taip pat padėtų paaiškinti, kaip materija balansuoja su antimedžiaga. Trumpai tariant, šių dalelių išskyrimas padės viską paaiškinti.

Tikriausiai ne kartą girdėjote apie nepaaiškinamas kvantinės fizikos ir kvantinės mechanikos paslaptis. Jos dėsniai žavi mistika, net patys fizikai prisipažįsta, kad iki galo jų nesupranta. Viena vertus, įdomu suprasti šiuos dėsnius, bet, kita vertus, nėra laiko skaityti daugiatomes ir sudėtingas fizikos knygas. Aš tave labai suprantu, nes man taip pat patinka žinios ir tiesos ieškojimas, bet visoms knygoms laiko labai neužtenka. Jūs nesate vieni, daug smalsuolių įveda paieškos juostoje: „kvantinė fizika manekenams, kvantinė mechanika manekenams, kvantinė fizika pradedantiesiems, kvantinė mechanika pradedantiesiems, kvantinės fizikos pagrindai, kvantinės mechanikos pagrindai, kvantinė fizika vaikams, kas yra kvantinė mechanika“. Šis leidinys kaip tik jums.

Suprasite pagrindines kvantinės fizikos sąvokas ir paradoksus. Iš straipsnio sužinosite:

• Kas yra kvantinė fizika ir kvantinė mechanika?
• Kas yra trukdžiai?
• Kas yra kvantinis įsipainiojimas (arba kvantinė teleportacija manekenams)? (žr. straipsnį)
• Kas yra Šriodingerio katės minties eksperimentas? (žr. straipsnį)

Kvantinė mechanika yra kvantinės fizikos dalis.

Kodėl taip sunku suprasti šiuos mokslus? Atsakymas paprastas: kvantinė fizika ir kvantinė mechanika (kvantinės fizikos dalis) tiria mikropasaulio dėsnius. Ir šie dėsniai visiškai skiriasi nuo mūsų makrokosmoso dėsnių. Todėl mums sunku įsivaizduoti, kas vyksta su elektronais ir fotonais mikrokosmose.

Makro- ir mikropasaulio dėsnių skirtumo pavyzdys: mūsų makropasaulyje įdėjus kamuolį į vieną iš 2 dėžių, viena iš jų bus tuščia, o kita turės kamuolį. Tačiau mikrokosmose (jei vietoje rutulio yra atomas) atomas vienu metu gali būti dviejose dėžėse. Tai daug kartų buvo patvirtinta eksperimentiškai. Ar nesunku tai apsukti galvą? Bet jūs negalite ginčytis su faktais.

Dar vienas pavyzdys. Nufotografavote greitą lenktyninį raudoną sportinį automobilį ir nuotraukoje matėte neryškią horizontalią juostelę, tarsi automobilis nuotraukos darymo metu būtų stovėjęs keliuose erdvės taškuose. Nepaisant to, ką matote nuotraukoje, vis tiek esate tikri, kad automobilis buvo vienoje konkrečioje erdvės vietoje. Mikropasaulyje viskas yra kitaip. Aplink atomo branduolį besisukantis elektronas iš tikrųjų nesisuka, o yra vienu metu visuose sferos taškuose aplink atomo branduolį. Kaip laisvai suvyniotas pūkuotos vilnos kamuolys. Ši sąvoka fizikoje vadinama "elektroninis debesis" .

Trumpa ekskursija į istoriją. Mokslininkai pirmą kartą pagalvojo apie kvantinį pasaulį, kai 1900 m. vokiečių fizikas Maxas Planckas bandė išsiaiškinti, kodėl kaitinant metalai keičia spalvą. Būtent jis pristatė kvanto sąvoką. Iki tol mokslininkai manė, kad šviesa keliauja nuolat. Pirmasis žmogus, rimtai įvertinęs Plancko atradimą, buvo tuomet dar nežinomas Albertas Einšteinas. Jis suprato, kad šviesa nėra tik banga. Kartais jis elgiasi kaip dalelė. Einšteinas gavo Nobelio premiją už atradimą, kad šviesa sklinda dalimis, kvantais. Šviesos kvantas vadinamas fotonu ( fotonas, Vikipedija) .

Kad būtų lengviau suprasti kvantinius dėsnius fizikai Ir mechanika (Wikipedia), tam tikra prasme turime abstrahuotis nuo mums žinomų klasikinės fizikos dėsnių. Ir įsivaizduokite, kad jūs, kaip Alisa, nėrėte į triušio duobę, į Stebuklų šalį.

O štai animacinis filmas vaikams ir suaugusiems. Aprašomas pagrindinis kvantinės mechanikos eksperimentas su 2 plyšiais ir stebėtoju. Trunka tik 5 minutes. Pažiūrėkite jį prieš pasinerdami į pagrindinius kvantinės fizikos klausimus ir sąvokas.

Kvantinė fizika manekenams vaizdo įrašas. Animaciniame filme atkreipkite dėmesį į stebėtojo „akį“. Fizikams tai tapo rimta paslaptimi.

Kas yra trukdžiai?

Animacinio filmo pradžioje, naudojant skysčio pavyzdį, buvo parodyta, kaip elgiasi bangos – ekrane už lėkštės su plyšiais atsiranda pakaitomis tamsios ir šviesios vertikalios juostos. O tuo atveju, kai į plokštelę „šaunamos“ atskiros dalelės (pavyzdžiui, akmenukai), jos praskrenda per 2 plyšius ir patenka į ekraną tiesiai priešais plyšius. Ir jie ekrane „nupiešia“ tik 2 vertikalias juosteles.

Šviesos trukdžiai- Tai yra šviesos „bangos“ elgesys, kai ekrane rodoma daug ryškių ir tamsių vertikalių juostelių. Taip pat šios vertikalios juostelės vadinamas trukdžių modeliu.

Savo makrokosme dažnai pastebime, kad šviesa elgiasi kaip banga. Jei padėsite ranką prieš žvakę, ant sienos bus ne aiškus šešėlis nuo jūsų rankos, o su neryškiais kontūrais.

Taigi, viskas nėra taip sudėtinga! Dabar mums visiškai aišku, kad šviesa turi banginį pobūdį ir jei šviesa apšviečiami 2 plyšiai, tai už jų esančiame ekrane matysime interferencijos modelį. Dabar pažvelkime į antrąjį eksperimentą. Tai garsusis Stern-Gerlach eksperimentas (kuris buvo atliktas praėjusio amžiaus 20-aisiais).

Animaciniame filme aprašyta instaliacija buvo ne apšviesta šviesa, o „iššauta“ elektronais (kaip atskiromis dalelėmis). Tada, praėjusio amžiaus pradžioje, viso pasaulio fizikai manė, kad elektronai yra elementarios medžiagos dalelės ir turi būti ne banginės, o tokios pat kaip akmenukai. Juk elektronai yra elementarios materijos dalelės, tiesa? Tai yra, jei juos „išmesite“ į 2 plyšius, kaip akmenukus, tada ekrane už plyšių turėtume matyti 2 vertikalias juosteles.

Bet... Rezultatas buvo stulbinantis. Mokslininkai pamatė trukdžių modelį – daug vertikalių juostelių. Tai yra, elektronai, kaip ir šviesa, taip pat gali turėti banginį pobūdį ir gali trukdyti. Kita vertus, paaiškėjo, kad šviesa yra ne tik banga, bet ir dalelė – fotonas (iš istorinio fono straipsnio pradžioje sužinojome, kad už šį atradimą Einšteinas gavo Nobelio premiją) .

Gal pamenate, mokykloje mums fizikoje buvo pasakojama apie "bangų ir dalelių dvilypumas"? Tai reiškia, kad kai kalbame apie labai mažas mikrokosmoso daleles (atomus, elektronus), tada Jie yra ir bangos, ir dalelės

Šiandien jūs ir aš esame tokie protingi ir suprantame, kad 2 aukščiau aprašyti eksperimentai – šaudymas elektronais ir plyšių apšvietimas šviesa – yra tas pats dalykas. Nes į plyšius šaudome kvantines daleles. Dabar žinome, kad tiek šviesa, tiek elektronai yra kvantinės prigimties, kad jie yra ir bangos, ir dalelės tuo pačiu metu. O XX amžiaus pradžioje šio eksperimento rezultatai buvo sensacija.

Dėmesio! Dabar pereikime prie subtilesnio klausimo.

Mes apšviečiame fotonų (elektronų) srautą ant savo plyšių ir ekrane matome trukdžių modelį (vertikalias juosteles) už plyšių. Aišku. Tačiau mums įdomu pamatyti, kaip kiekvienas elektronas skrenda per plyšį.

Tikėtina, kad vienas elektronas skrenda į kairįjį plyšį, kitas į dešinę. Bet tada ekrane turėtų atsirasti 2 vertikalios juostelės, esančios tiesiai priešais lizdus. Kodėl atsiranda trukdžių modelis? Galbūt elektronai kažkaip sąveikauja tarpusavyje jau ekrane, praskrieję pro plyšius. Ir rezultatas yra toks bangų modelis. Kaip galime tai sekti?

Elektronus messime ne į spindulį, o po vieną. Mesti, palaukti, mesti kitą. Dabar, kai elektronas skraido vienas, jis nebegalės sąveikauti su kitais elektronais ekrane. Kiekvieną elektroną užregistruosime ekrane po metimo. Vienas ar du, aišku, mums aiškaus paveikslo „nepieš“. Bet kai po vieną jų į plyšius siunčiame daug, pastebėsime... o siaube - jie vėl „nupiešė“ interferencinės bangos raštą!

Mes pamažu pradedame išprotėti. Juk tikėjomės, kad priešais lizdus bus 2 vertikalios juostos! Pasirodo, kai mes mėtėme fotonus po vieną, kiekvienas iš jų vienu metu tarsi per 2 plyšius praėjo ir trukdė sau. Fantastinis! Grįžkime prie šio reiškinio paaiškinimo kitame skyriuje.

Kas yra sukimasis ir superpozicija?

Dabar mes žinome, kas yra trukdžiai. Tai yra mikrodalelių – fotonų, elektronų, kitų mikrodalelių (paprastumo dėlei nuo šiol pavadinkime jas fotonais) banginis elgesys.

Eksperimento rezultate, kai įmetėme 1 fotoną į 2 plyšius, supratome, kad jis tarsi skrenda per du plyšius vienu metu. Priešingu atveju, kaip galėtume paaiškinti trikdžių modelį ekrane?

Bet kaip galime įsivaizduoti fotoną, skrendantį per du plyšius vienu metu? Yra 2 variantai.

• 1 variantas: fotonas, kaip banga (kaip vanduo) "plaukia" per 2 plyšius vienu metu
• 2 variantas: fotonas, kaip dalelė, vienu metu skrenda 2 trajektorijomis (net ne dviem, o visomis iš karto)

Iš esmės šie teiginiai yra lygiaverčiai. Priėjome „kelio integralą“. Tai Richardo Feynmano kvantinės mechanikos formuluotė.

Beje, tiksliai Richardas Feynmanas yra gerai žinomas posakis Galime drąsiai teigti, kad niekas nesupranta kvantinės mechanikos

Tačiau ši jo išraiška veikė amžiaus pradžioje. Tačiau dabar esame protingi ir žinome, kad fotonas gali elgtis ir kaip dalelė, ir kaip banga. Kad jis gali kažkokiu mums nesuprantamu būdu vienu metu praskristi per 2 plyšius. Todėl mums bus lengva suprasti šį svarbų kvantinės mechanikos teiginį:

Griežtai kalbant, kvantinė mechanika mums sako, kad toks fotonų elgesys yra taisyklė, o ne išimtis. Bet kuri kvantinė dalelė, kaip taisyklė, yra keliose būsenose arba keliuose erdvės taškuose vienu metu.

Makropasaulio objektai gali būti tik vienoje konkrečioje vietoje ir vienoje konkrečioje būsenoje. Tačiau kvantinė dalelė egzistuoja pagal savo dėsnius. Ir jai net nerūpi, kad mes jų nesuprantame. Tai yra esmė.

Tiesiog turime pripažinti, kaip aksioma, kad kvantinio objekto „superpozicija“ reiškia, kad jis gali būti 2 ar daugiau trajektorijų vienu metu, 2 ar daugiau taškų vienu metu.

Tas pats pasakytina ir apie kitą fotono parametrą – sukimąsi (savo kampinį momentą). Sukas yra vektorius. Kvantinis objektas gali būti laikomas mikroskopiniu magnetu. Esame pripratę prie to, kad magneto vektorius (sukimas) yra nukreiptas aukštyn arba žemyn. Bet elektronas arba fotonas vėl mums sako: „Vaikinai, mums nerūpi, prie ko esate įpratę, mes galime būti abiejose sukimosi būsenose vienu metu (vektorius aukštyn, vektorius žemyn), lygiai taip pat, kaip galime eiti 2 trajektorijomis tuo pačiu metu arba 2 taškais tuo pačiu metu!

Kas yra „matavimas“ arba „bangos funkcijos žlugimas“?

Mums liko nedaug, kad suprastume, kas yra „matavimas“, o kas yra „bangų funkcijos žlugimas“.

Bangos funkcija yra kvantinio objekto (mūsų fotono arba elektrono) būsenos aprašymas.

Tarkime, kad turime elektroną, jis skrenda į save neapibrėžtoje būsenoje jo sukimasis yra nukreiptas ir aukštyn, ir žemyn tuo pačiu metu. Turime išmatuoti jo būklę.

Matuokime naudodami magnetinį lauką: elektronai, kurių sukinys buvo nukreiptas lauko kryptimi, nukryps į vieną pusę, o elektronai, kurių sukinys nukreiptas prieš lauką – į kitą. Į poliarizacinį filtrą galima nukreipti daugiau fotonų. Jei fotono sukinys (poliarizacija) yra +1, jis praeina pro filtrą, o jei -1, tai ne.

Sustabdyti! Čia jums neišvengiamai kils klausimas: Prieš matavimą elektronas neturėjo jokios konkrečios sukimosi krypties, tiesa? Jis buvo visose valstijose vienu metu, ar ne?

Tai yra kvantinės mechanikos triukas ir pojūtis. Kol nematuojate kvantinio objekto būsenos, jis gali suktis bet kuria kryptimi (turėti bet kurią savo kampinio impulso vektoriaus kryptį – sukimąsi). Tačiau tuo metu, kai išmatavote jo būseną, atrodo, kad jis priima sprendimą, kurį sukimosi vektorių priimti.

Šis kvantinis objektas yra toks šaunus – jis priima sprendimus dėl savo būsenos. Ir negalime iš anksto numatyti, kokį sprendimą jis priims, kai įskris į magnetinį lauką, kuriame mes jį matuojame. Tikimybė, kad jis nuspręs turėti sukimosi vektorių „aukštyn“ arba „žemyn“, yra 50–50%. Bet kai tik jis nusprendžia, jis yra tam tikroje būsenoje su konkrečia sukimosi kryptimi. Jo sprendimo priežastis yra mūsų „matmenys“!

Tai vadinama " bangos funkcijos žlugimas“. Bangos funkcija prieš matavimą buvo neapibrėžta, t.y. elektronų sukimosi vektorius buvo vienu metu visomis kryptimis, po matavimo elektronas užfiksavo tam tikrą savo sukimosi vektoriaus kryptį.

Dėmesio! Puikus supratimo pavyzdys yra asociacija iš mūsų makrokosmoso:

Sukite monetą ant stalo kaip suktuką. Kol moneta sukasi, ji neturi konkrečios reikšmės – galvos ar uodegos. Tačiau kai tik nusprendžiate „išmatuoti“ šią vertę ir trenkiate moneta ranka, tada ir matote konkrečią monetos būseną – galvutes ar uodegas. Dabar įsivaizduokite, kad ši moneta nusprendžia, kurią vertę jums „rodyti“ – galvas ar uodegas. Elektronas elgiasi maždaug taip pat.

Dabar prisiminkite eksperimentą, parodytą animacinio filmo pabaigoje. Kai fotonai buvo praleisti pro plyšius, jie elgėsi kaip banga ir ekrane rodė trukdžių modelį. O kai mokslininkai norėjo užfiksuoti (išmatuoti) pro plyšį praskriejančių fotonų momentą ir už ekrano pastatė „stebėtoją“, fotonai pradėjo elgtis ne kaip bangos, o kaip dalelės. Ir jie ekrane „nupiešė“ 2 vertikalias juosteles. Tie. matavimo ar stebėjimo momentu kvantiniai objektai patys pasirenka, kokioje būsenoje jie turi būti.

Fantastinis! Ar ne taip?

Bet tai dar ne viskas. Pagaliau mes Priėjome įdomiausią dalį.

Bet... man atrodo, kad bus informacijos perteklius, todėl šias 2 sąvokas panagrinėsime atskiruose įrašuose:

• Kas nutiko ?
• Kas yra minties eksperimentas?

Dabar ar norite, kad informacija būtų sutvarkyta? Žiūrėkite Kanados teorinės fizikos instituto sukurtą dokumentinį filmą. Jame per 20 minučių labai trumpai ir chronologine tvarka bus pasakojama apie visus kvantinės fizikos atradimus, pradedant Plancko atradimu 1900 m. Ir tada jie jums pasakys, kokie praktiniai pokyčiai šiuo metu vykdomi remiantis kvantinės fizikos žiniomis: nuo tiksliausių atominių laikrodžių iki ypač greitų kvantinio kompiuterio skaičiavimų. Labai rekomenduoju pažiūrėti šį filmą.

Iki!

Linkiu visiems įkvėpimo visiems jų planams ir projektams!

P.S.2 Savo klausimus ir mintis rašykite komentaruose. Parašyk, kokie dar kvantinės fizikos klausimai tave domina?

P.S.3 Prenumeruokite tinklaraštį – prenumeratos forma yra po straipsniu.