Fizika je teorija svega. Kvantna zapetljanost: teorija, princip, efekat. Kvantna fizika nije lokalna

Zlatno lišće drveća je blistalo. Zraci večernjeg sunca dodirnuli su istanjene vrhove. Svjetlost se probijala kroz granje i priredila spektakl bizarnih figura koje su treperile na zidu univerzitetske "kapterke".

Sir Hamiltonov zamišljen pogled polako se kretao, posmatrajući igru ​​chiaroscura. U glavi irskog matematičara bio je pravi lonac za topljenje misli, ideja i zaključaka. Bio je itekako svjestan da je objašnjenje mnogih fenomena uz pomoć Njutnove mehanike poput igre senki na zidu, varljivo preplićući figure i ostavljajući mnoga pitanja bez odgovora. „Možda je to talas... ili je to tok čestica“, razmišljao je naučnik, „ili je svetlost manifestacija oba fenomena. Kao figure satkane od senke i svetlosti.

Početak kvantne fizike

Zanimljivo je gledati velike ljude i pokušati shvatiti kako se rađaju velike ideje koje mijenjaju tok evolucije čitavog čovječanstva. Hamilton je jedan od onih koji su stajali na početku kvantne fizike. Pedeset godina kasnije, početkom dvadesetog veka, mnogi naučnici su se bavili proučavanjem elementarnih čestica. Stečeno znanje bilo je nedosljedno i nekompilirano. Međutim, prvi klimavi koraci su napravljeni.

Razumijevanje mikrosvijeta na početku 20. stoljeća

Godine 1901. predstavljen je prvi model atoma i prikazan je njegov otkaz, sa stanovišta obične elektrodinamike. U istom periodu, Max Planck i Niels Bohr objavili su mnoge radove o prirodi atoma. Unatoč njihovom potpunom razumijevanju strukture atoma nije postojalo.

Nekoliko godina kasnije, 1905. godine, malo poznati nemački naučnik Albert Ajnštajn objavio je izveštaj o mogućnosti postojanja svetlosnog kvanta u dva stanja – talasnom i korpuskularnom (čestice). U njegovom radu dani su argumenti koji objašnjavaju razlog neuspjeha modela. Međutim, Ajnštajnova vizija bila je ograničena starim shvatanjem modela atoma.

Nakon brojnih radova Nielsa Bohra i njegovih kolega 1925. godine, rođen je novi pravac - svojevrsna kvantna mehanika. Uobičajeni izraz - "kvantna mehanika" pojavio se trideset godina kasnije.

Šta znamo o kvantima i njihovim čudnostima?

Danas je kvantna fizika otišla dovoljno daleko. Otkriveno je mnogo različitih fenomena. Ali šta mi zapravo znamo? Odgovor daje jedan savremeni naučnik. "Neko može ili vjerovati u kvantnu fiziku ili je ne razumjeti", definicija je. Razmislite o tome sami. Dovoljno je spomenuti takav fenomen kao što je kvantna zapetljanost čestica. Ovaj fenomen gurnuo je naučni svijet u poziciju potpune zbunjenosti. Još šokantnije je bilo to što je rezultirajući paradoks nespojiv s Ajnštajnom.

O efektu kvantne isprepletenosti fotona prvi put se raspravljalo 1927. na petom Solvay-ovom kongresu. Nastala je žestoka rasprava između Nielsa Bohra i Einsteina. Paradoks kvantne isprepletenosti potpuno je promijenio razumijevanje suštine materijalnog svijeta.

Poznato je da se sva tijela sastoje od elementarnih čestica. Shodno tome, svi fenomeni kvantne mehanike odražavaju se u običnom svijetu. Niels Bohr je rekao da ako ne gledamo u mjesec, onda on ne postoji. Ajnštajn je to smatrao nerazumnim i verovao je da objekat postoji nezavisno od posmatrača.

Kada se proučavaju problemi kvantne mehanike, treba shvatiti da su njeni mehanizmi i zakoni međusobno povezani i da se ne povinuju klasičnoj fizici. Pokušajmo razumjeti najkontroverzniju oblast - kvantnu isprepletenost čestica.

Teorija kvantne isprepletenosti

Za početak, vrijedi shvatiti da je kvantna fizika poput bunara bez dna u kojem možete pronaći sve što želite. Fenomen kvantne isprepletenosti početkom prošlog stoljeća proučavali su Ajnštajn, Bor, Maksvel, Bojl, Bel, Plank i mnogi drugi fizičari. Tokom dvadesetog veka hiljade naučnika širom sveta aktivno su ga proučavali i eksperimentisali.

Svijet je podložan strogim zakonima fizike

Zašto toliki interes za paradokse kvantne mehanike? Sve je vrlo jednostavno: živimo, poštujući određene zakone fizičkog svijeta. Sposobnost “zaobilaženja” predodređenja otvara magična vrata iza kojih sve postaje moguće. Na primjer, koncept "Schrödingerove mačke" vodi ka kontroli materije. Također će postati moguće teleportirati informacije, što uzrokuje kvantnu isprepletenost. Prijenos informacija će postati trenutan, bez obzira na udaljenost.
Ovo pitanje se još uvijek proučava, ali ima pozitivan trend.

Analogija i razumijevanje

Šta je jedinstveno u vezi sa kvantnom zapetljanošću, kako je razumeti i šta se dešava sa njom? Pokušajmo to shvatiti. Ovo će zahtijevati neki misaoni eksperiment. Zamislite da imate dvije kutije u rukama. Svaki od njih sadrži jednu loptu sa prugom. Sada dajemo jednu kutiju astronautu, i on leti na Mars. Čim otvorite kutiju i vidite da je pruga na lopti horizontalna, tada će u drugoj kutiji lopta automatski imati vertikalnu prugu. To će biti kvantna zapetljanost izražena jednostavnim riječima: jedan objekt unaprijed određuje položaj drugog.

Međutim, treba shvatiti da je ovo samo površno objašnjenje. Da bi se dobila kvantna zapetljanost, potrebno je da čestice imaju isto porijeklo, kao blizanci.

Vrlo je važno shvatiti da će eksperiment biti poremećen ako je neko prije vas imao priliku pogledati barem jedan od objekata.

Gdje se može koristiti kvantna isprepletenost?

Princip kvantne isprepletenosti može se koristiti za trenutni prijenos informacija na velike udaljenosti. Takav zaključak je u suprotnosti sa Ajnštajnovom teorijom relativnosti. Kaže da je maksimalna brzina kretanja svojstvena samo svjetlosti - tri stotine hiljada kilometara u sekundi. Takav prijenos informacija omogućava postojanje fizičke teleportacije.

Sve na svijetu je informacija, uključujući materiju. Kvantni fizičari su došli do ovog zaključka. Godine 2008, na osnovu teorijske baze podataka, bilo je moguće vidjeti kvantnu isprepletenost golim okom.

To još jednom ukazuje da smo na pragu velikih otkrića – kretanja u prostoru i vremenu. Vrijeme u Univerzumu je diskretno, tako da trenutno kretanje na ogromnim udaljenostima omogućava ulazak u različite vremenske gustine (na osnovu hipoteza Einsteina, Bohra). Možda će u budućnosti to biti stvarnost kao što je mobilni telefon danas.

Dinamika etera i kvantna zapetljanost

Prema nekim vodećim naučnicima, kvantna isprepletenost se objašnjava činjenicom da je prostor ispunjen nekom vrstom etra - crne materije. Bilo koja elementarna čestica, kao što znamo, postoji u obliku talasa i korpuskule (čestice). Neki naučnici smatraju da su sve čestice na "platnu" tamne energije. Ovo nije lako razumjeti. Pokušajmo to shvatiti na drugi način - metodom asocijacije.

Zamislite sebe na moru. Lagani povjetarac i lagani povjetarac. Vidite talase? A negdje u daljini, u odsjajima sunčevih zraka, vidi se jedrilica.
Brod će biti naša elementarna čestica, a more će biti eter (tamna energija).
More se može kretati u obliku vidljivih valova i kapi vode. Na isti način, sve elementarne čestice mogu biti samo more (njegov sastavni dio) ili posebna čestica - kap.

Ovo je pojednostavljen primjer, sve je nešto složenije. Čestice bez prisustva posmatrača su u obliku talasa i nemaju određenu lokaciju.

Bijela jedrilica je istaknuti objekt, razlikuje se od površine i strukture morske vode. Na isti način postoje i "vrhovi" u okeanu energije koje možemo shvatiti kao manifestaciju nama poznatih sila koje su oblikovale materijalni dio svijeta.

Mikrosvet živi po svojim zakonima

Princip kvantne isprepletenosti može se razumjeti ako se uzme u obzir činjenica da su elementarne čestice u obliku valova. Bez određene lokacije i karakteristika, obe čestice su u okeanu energije. U trenutku kada se posmatrač pojavi, talas se „pretvara“ u objekat dostupan dodiru. Druga čestica, posmatrajući sistem ravnoteže, dobija suprotna svojstva.

Opisani članak nije usmjeren na opsežne naučne opise kvantnog svijeta. Sposobnost razumijevanja običnog čovjeka zasniva se na dostupnosti razumijevanja predstavljenog materijala.

Fizika elementarnih čestica proučava isprepletenost kvantnih stanja na osnovu spina (rotacije) elementarne čestice.

Naučnim jezikom (pojednostavljeno) - kvantna zapetljanost je definisana različitim spinovima. U procesu posmatranja objekata, naučnici su vidjeli da mogu postojati samo dva okreta - uzduž i poprijeko. Čudno je da u drugim pozicijama čestice ne „poziraju“ posmatraču.

Nova hipoteza - novi pogled na svijet

Proučavanje mikrokosmosa – prostora elementarnih čestica – dalo je povod za mnoge hipoteze i pretpostavke. Efekat kvantne isprepletenosti podstakao je naučnike da razmišljaju o postojanju neke vrste kvantne mikrorešetke. Po njihovom mišljenju, na svakom čvoru - tački presjeka - postoji kvant. Sva energija je integralna rešetka, a ispoljavanje i kretanje čestica moguće je samo kroz čvorove rešetke.

Veličina "prozora" takve rešetke je prilično mala, a mjerenje modernom opremom je nemoguće. Međutim, kako bi potvrdili ili opovrgli ovu hipotezu, naučnici su odlučili da proučavaju kretanje fotona u prostornoj kvantnoj rešetki. Suština je da se foton može kretati ravno ili cik-cak - duž dijagonale rešetke. U drugom slučaju, savladavši veću udaljenost, potrošit će više energije. Shodno tome, razlikuje se od fotona koji se kreće pravolinijski.

Možda ćemo s vremenom naučiti da živimo u prostornoj kvantnoj mreži. Ili se može ispostaviti da je pogrešno. Međutim, princip kvantne isprepletenosti ukazuje na mogućnost postojanja rešetke.

Jednostavno rečeno, u hipotetičkoj prostornoj "kocki" definicija jednog aspekta nosi sa sobom jasno suprotno značenje drugog. To je princip očuvanja strukture prostora – vremena.

Epilog

Da bismo razumjeli magični i misteriozni svijet kvantne fizike, vrijedi pažljivo pogledati razvoj nauke u posljednjih pet stotina godina. Nekada je Zemlja bila ravna, a ne sferna. Razlog je očigledan: ako uzmete njegov oblik kao okrugli, tada voda i ljudi neće moći odoljeti.

Kao što vidimo, problem je postojao u nedostatku potpune vizije svih djelovajućih sila. Moguće je da modernoj nauci nedostaje vizija svih aktivnih sila da bi razumela kvantnu fiziku. Praznine u viziji stvaraju sistem kontradikcija i paradoksa. Možda magični svijet kvantne mehanike sadrži odgovore na postavljena pitanja.

Ovaj tekst predstavlja nove rezultate u oblasti neurologije i rješenja mnogih neriješenih problema u fizici. Ne bavi se pitanjima metafizike i zasniva se na naučno provjerljivim podacima, već se dotiče filozofskih tema vezanih za život, smrt i porijeklo svemira.
S obzirom na slojevitost i zasićenost informacijama, možda će biti potrebno pročitati ih nekoliko puta da bismo razumjeli, uprkos našim naporima, da pojednostavimo složene naučne koncepte.



Poglavlje 1
Bog je u neuronima







Ljudski mozak je mreža od otprilike sto milijardi neurona. Različiti osjećaji formiraju neuronske veze koje reproduciraju različite emocije. U zavisnosti od stimulacije neurona, neke veze postaju jače i efikasnije, dok druge slabe. To se zove neuroplastičnost.

Student muzike stvara jače neuronske veze između dvije hemisfere mozga kako bi razvio muzičku kreativnost. Gotovo svaki talenat ili vještina može se razviti kroz obuku.

Rudiger Gamm je sebe smatrao beznadežnim učenikom i nije se mogao nositi ni s elementarnom matematikom. Počeo je da razvija svoje sposobnosti i pretvorio se u ljudski kalkulator, sposoban za izuzetno složene proračune. Racionalnost i emocionalna stabilnost djeluju na isti način. Nervne veze se mogu ojačati.

Kada nešto radite, fizički mijenjate svoj mozak kako biste postigli bolje rezultate. Budući da je glavni i osnovni mehanizam mozga, samosvijest može uvelike obogatiti naše životno iskustvo.



socijalne neuronauke



Posebni neuroni i neurotransmiteri kao što je norepinefrin pokreću odbrambeni mehanizam kada osjećamo da naše misli trebaju biti zaštićene od vanjskih utjecaja. Ako se nečije mišljenje razlikuje od našeg, u mozak ulaze iste hemikalije koje nam osiguravaju opstanak u opasnim situacijama.








U ovom zaštitnom stanju, više primitivni dio mozga ometa racionalno razmišljanje, i limbički sistem može blokirati našu radnu memoriju, fizički uzrokujući "ograničenja u razmišljanju".

To se može vidjeti kada se maltretira, ili kada igrate poker, ili kada je neko tvrdoglav u svađi.

Koliko god ideja bila vrijedna, u ovom stanju mozak je nije u stanju obraditi. Na neuronskom nivou, on to doživljava kao prijetnju, čak i ako se radi o bezazlenim mišljenjima ili činjenicama s kojima bismo se inače mogli složiti.

Ali kada se izrazimo i naši stavovi budu cijenjeni, nivo zaštitnih supstanci u mozgu se smanjuje, a prijenos dopamina aktivira neurone nagrađivanja, a mi osjećamo svoju snagu i samopouzdanje. Naša uvjerenja značajno utiču na hemiju našeg tijela. Na tome se zasniva placebo efekat. Samopoštovanje i samopouzdanje povezani su sa neurotransmiterom serotoninom.

Teški nedostatak često dovodi do depresije, autodestruktivnog ponašanja, pa čak i samoubistva. Kada nas društvo cijeni, to povećava nivoe dopamina i serotonina u mozgu i omogućava nam da oslobodimo emocionalnu fiksaciju i povećamo nivo samosvesti.



Neuroni ogledala i svijest



Socijalna psihologija se često bavi osnovnom ljudskom potrebom da se "nađe svoje mjesto" i naziva je "normativnim društvenim utjecajem". Kako starimo, naš moralni i etički kompas gotovo u potpunosti oblikuje naše vanjsko okruženje. Stoga se naše akcije često zasnivaju na tome kako nas društvo procjenjuje.








Ali nova otkrića u neuronauci daju nam jasnije razumijevanje kulture i individualnosti. Nova neurološka istraživanja potvrdila su postojanje empatičkih zrcalnih neurona.

Kada doživljavamo emocije ili vršimo radnje, određeni neuroni se aktiviraju. Ali kada vidimo da neko drugi to radi ili zamisli, mnogi od istih neurona se aktiviraju kao da to sami radimo. Ovi empatički neuroni nas povezuju s drugim ljudima i omogućavaju nam da osjećamo ono što drugi osjećaju.

Pošto ti isti neuroni reaguju na našu maštu, od njih dobijamo emocionalnu povratnu informaciju na isti način kao i od druge osobe. Ovaj sistem nam daje mogućnost introspekcije.

Neuroni ogledala ne prave razliku između sebe i drugih. Stoga smo toliko ovisni o procjeni drugih i želji da se povinujemo.

Stalno smo podložni dualnosti između toga kako vidimo sebe i kako nas drugi percipiraju. Može ometati našu individualnost i samopoštovanje.






Skeniranje mozga pokazuje da ove negativne emocije doživljavamo i prije nego što smo ih svjesni. Ali kada smo svjesni sebe, možemo promijeniti pogrešne emocije jer možemo kontrolirati misli koje ih uzrokuju.

Ovo je neurohemijska posljedica načina na koji sjećanja blijede i kako se obnavljaju sintezom proteina.

Introspekcija uvelike utiče na to kako mozak radi.Aktivira neokortikalne oblasti samoregulacije koje nam omogućavaju da jasno kontrolišemo svoja osećanja. Kad god to radimo, naša racionalnost i emocionalna stabilnost su poboljšani. Bez samokontrole, većina naših misli i postupaka je impulzivna, a činjenica da reagujemo nasumično i ne donosimo svjesni izbor,

instinktivno nas nervira.






Kako bi to eliminirao, mozak nastoji opravdati naše ponašanje i fizički prepisuje sjećanja kroz ponovno konsolidaciju sjećanja, čineći nas uvjerenjem da kontroliramo svoje postupke. To se zove retrospektivna racionalizacija, koja većinu naših negativnih emocija ostavlja nerazjašnjenim i može se razbuktati u bilo kojem trenutku. Oni hrane unutrašnju nelagodu dok mozak nastavlja da opravdava naše iracionalno ponašanje. Svo ovo složeno i gotovo šizofreno ponašanje podsvijesti djelo je ogromnih paralelno distribuiranih sistema u našem mozgu.



Svest nema određeni centar. Prividno jedinstvo je zbog činjenice da se svaki pojedinačni krug aktivira i manifestira u određenom trenutku. Naše iskustvo neprestano mijenja naše neuronske veze, fizički mijenjajući paralelni sistem naše svijesti. Direktna intervencija u ovo može imati nadrealne efekte, što postavlja pitanje šta je svest i gde se nalazi.



Ako se lijeva hemisfera mozga odvoji od desne hemisfere, kao u slučaju pacijenata koji su podvrgnuti rascjepu mozga, zadržat ćete sposobnost govora i razmišljanja uz pomoć lijeve hemisfere, dok su kognitivne sposobnosti desna hemisfera će biti ozbiljno ograničena. Lijeva hemisfera neće patiti od odsustva desne, iako će to ozbiljno promijeniti vašu percepciju.

Na primjer, nećete moći opisati desnu stranu nečijeg lica, ali ćete to primijetiti, nećete to doživljavati kao problem, a nećete ni shvatiti da se nešto promijenilo. Pošto ovo utiče ne samo na vašu percepciju stvarnog svijeta, već i na vaše mentalne slike, to nije samo problem percepcije, već fundamentalna promjena u svijesti.



Bog je u neuronima



Svaki neuron ima električni napon koji se mijenja kada ioni

ući ili napustiti ćeliju. Kada napon dostigne određeni nivo, neuron šalje električni signal drugim ćelijama, gdje se proces ponavlja.

Kada više neurona emituje signal u isto vrijeme, možemo ga izmjeriti kao talas.

Moždani talasi su odgovorni za gotovo sve što se dešava u našem mozgu, uključujući pamćenje, pažnju, pa čak i inteligenciju.

Oscilacije različitih frekvencija se klasifikuju kao alfa, beta i gama talasi. Svaki tip valova povezan je s različitim zadacima. Talasi omogućavaju moždanim stanicama da se podese na odgovarajuću frekvenciju za zadatak, zanemarujući strane signale.

Baš kao što radio sluša radio stanicu. Prijenos informacija između neurona postaje optimalan kada je njihova aktivnost sinkronizirana.

Zato doživljavamo kognitivnu disonancu – iritaciju uzrokovanu dvije nespojive ideje. Volja je želja da se smanji nesklad između svakog od aktivnih neuronskih kola.



Evolucija se može posmatrati kao isti proces u kojem priroda pokušava da se prilagodi, odnosno "rezonira" sa okolinom. Tako se razvila do nivoa kada je stekla samosvest i počela da razmišlja o sopstvenom postojanju.

Kada se osoba suoči sa paradoksom težnje ka cilju i razmišljanjem da je postojanje besmisleno, dolazi do kognitivnog disonance.






Stoga se mnogi ljudi okreću duhovnosti i religiji, odbacujući nauku, koja nije u stanju da odgovori na egzistencijalna pitanja: ko sam ja? a za šta sam ja?



ja...



“Neuroni ogledala ne prave razliku između sebe i drugih. „

Lijeva hemisfera je u velikoj mjeri odgovorna za stvaranje koherentnog sistema vjerovanja koji održava osjećaj kontinuiteta u našim životima.

Novo iskustvo se upoređuje sa postojećim sistemom vjerovanja, a ako se ne uklapa u njega, onda se jednostavno odbacuje. Ravnotežu igra desna hemisfera mozga, koja igra suprotnu ulogu.



Dok lijeva hemisfera nastoji održati obrazac, desna hemisfera kontinuirano

dovodi u pitanje status quo. Ako su razlike prevelike, desna hemisfera nas tjera da preispitamo svoj pogled na svijet. Ali ako su naša uvjerenja prejaka, desni mozak možda neće prevladati naše odbacivanje. Ovo može stvoriti velike poteškoće u promišljanju drugih.

Kada neuronske veze koje određuju naša uvjerenja nisu razvijene ili aktivne, naša svijest, jedinstvo svih aktivnih krugova, ispunjena je zrcalnim neuronskim aktivnostima, baš kao što smo gladni, naša svijest je ispunjena neuronskim procesima povezanim s ishranom.



Ovo nije rezultat centralnog "ja" koji izdaje komande različitim područjima mozga.

Svi dijelovi mozga mogu biti aktivni ili neaktivni i u interakciji bez centralnog jezgra. Baš kao što pikseli na ekranu mogu formirati prepoznatljivu sliku, grupa neuronskih interakcija može se izraziti kao svijest.

U svakom trenutku mi smo drugačija slika. Kada razmišljamo o drugima, kada smo gladni, kada gledamo ovaj film. Svake sekunde postajemo druga osoba, prolazeći kroz različita stanja.

Kada gledamo sebe kroz zrcalne neurone, stvaramo ideju individualnosti.

Ali kada ovo uradimo sa naučnim razumevanjem, vidimo nešto sasvim drugo.






Neuralne interakcije koje stvaraju našu svijest protežu se daleko izvan naših neurona. Mi smo rezultat elektrohemijskih interakcija između hemisfera mozga i naših čula, povezujući naše neurone sa drugim neuronima u našem okruženju. Ne postoji ništa spoljašnje. Ovo nije hipotetička filozofija, ovo je osnovno svojstvo zrcalnih neurona koje nam omogućava da razumijemo sebe kroz druge.



Smatrati ovu neuronsku aktivnost vlastitom, isključujući okolinu, bilo bi pogrešno. Evolucija također odražava našu stranu superorganizma, gdje je naš opstanak, kao primata, ovisio o kolektivnim sposobnostima.

Vremenom, neokortikalni regioni su evoluirali kako bi omogućili instinktivno pomeranje i potiskivanje hedonističkih impulsa za dobrobit grupe. Naši geni su počeli razvijati međusobno društveno ponašanje u strukturama superorganizma, napuštajući tako ideju "opstanka najjačih".



Mozak funkcionira najefikasnije kada nema disonance između naprednih područja mozga i onih starijih i primitivnijih. Ono što nazivamo "sebičnim sklonostima" samo je ograničeno tumačenje sebičnog ponašanja, kada se karakteristike osobe percipiraju kroz netačnu paradigmu individualnosti...

… umjesto naučnog pogleda na to ko smo, trenutna slika koja se stalno mijenja

jedinstvena celina bez centra.



Psihološka posljedica ovog sistema vjerovanja je samosvijest bez upućivanja na imaginarno "ja", što dovodi do povećane mentalne jasnoće, društvene svijesti, samokontrole i onoga što se često naziva "biti ovdje i sada".






Postoji mišljenje da nam je potrebna istorija, hronološki pogled na naše živote, da bismo formirali moralne vrijednosti.

Ali naše trenutno razumijevanje empatičke i društvene prirode mozga pokazuje da čisto naučno gledište, bez pozivanja na individualnost i "istoriju", pruža mnogo tačniji, konstruktivniji i etičkiji sistem koncepata od naših različitih vrijednosti.



To je logično jer naša normalna sklonost da sebe definiramo kao imaginarnu individualnu konstantu tjera mozak u kognitivne poremećaje kao što su nametljivi stereotipi i potreba za postavljanjem očekivanja.






Želja za klasifikacijom leži u srcu svih naših oblika interakcije. Ali klasifikujući ego kao unutrašnje, a okruženje kao spoljašnje, ograničavamo sopstvene neurohemijske procese i doživljavamo očigledan osećaj nepovezanosti.

Lični rast i njegove nuspojave kao što su sreća i zadovoljstvo se stimulišu kada nismo stereotipni u našim interakcijama.



Možda imamo različite poglede i ne slažemo se jedni s drugima, ali interakcije koje nas prihvaćaju onakvima kakvi jesmo bez prosuđivanja postaju neuropsihološki katalizatori koji stimuliraju mozak.

prihvatiti druge i prihvatiti racionalno dokazive sisteme vjerovanja bez kognitivne disonance.

Stimuliranje ove neuronske aktivnosti i interakcije oslobađa potrebu za smetnjama i zabavom i stvara cikluse konstruktivnog ponašanja u našem okruženju. Sociolozi su otkrili da se pojave kao što su pušenje i prejedanje, emocije i ideje distribuiraju u društvu na isti način kao što se prenose električni signali neurona kada je njihova aktivnost sinhronizirana.






Mi smo globalna mreža neurohemijskih reakcija. Samorazvijajući ciklus uvažavanja i priznavanja, podržan svakodnevnim odlukama, lančana je reakcija koja u konačnici određuje našu kolektivnu sposobnost da prevladamo prividne podjele i sagledamo život u njegovoj univerzalnoj strukturi.

Poglavlje 2
univerzalna struktura



Tokom Chirenovog istraživanja, napravio sam pojednostavljen, ali sveobuhvatan pregled njegovih trenutnih rezultata.

Ovo je jedno od tumačenja rada ujedinjenja kvantna fizika i teorija relativnosti.

Ova tema je složena i možda je teško razumjeti. Sadrži i neke filozofske zaključke koji će biti dotaknuti u epilogu.



Tokom proteklog veka, bilo je mnogo neverovatnih dostignuća koja su dovela do promene naučnog sistema razumevanja sveta. Ajnštajnova teorija relativnosti pokazao da vrijeme i prostor čine jedno tkivo. ALI Niels Bohr otkrili su osnovne komponente materije, zahvaljujući kvantnoj fizici - polje koje postoji samo kao "apstraktni fizički opis".








Nakon toga, Louis de Broglie otkrili da sva materija, ne samo fotoni i elektroni, ima kvant dualnost talas-čestica . To je dovelo do pojave novih škola mišljenja o prirodi stvarnosti, kao i popularnih metafizičkih i pseudonaučnih teorija.

Na primjer, da ljudski um može kontrolirati svemir kroz pozitivno razmišljanje. Ove teorije su privlačne, ali nisu provjerljive i mogu ometati naučni napredak.



Ajnštajnovi zakoni specijalne i opšte relativnosti koriste se u modernoj tehnologiji, kao što su GPS sateliti, gde tačnost proračuna može da odstupi i za više od 10 km dnevno, ako se ne uzmu u obzir efekti poput dilatacije vremena. Odnosno, za sat koji se kreće vrijeme teče sporije nego za stacionarni.








Drugi efekti relativnosti su kontrakcija dužine za pokretne objekte i relativnost simultanosti, zbog čega je nemoguće sa sigurnošću reći da se dva događaja dešavaju u isto vrijeme ako su razdvojeni u prostoru.

Ništa se ne kreće brže od brzine svjetlosti. To znači da ako se cijev duga 10 svjetlosnih sekundi gurne naprijed, proći će 10 sekundi prije nego što se akcija dogodi na drugoj strani. Bez vremenskog intervala od 10 sekundi, cijev ne postoji u cijelosti.

Poenta nije u ograničenosti naših zapažanja, već u direktnoj posljedici teorije relativnosti, gdje su vrijeme i prostor međusobno povezani, a jedno ne može postojati bez drugog.

Kvantna fizika pruža matematički opis mnogih pitanja dualnosti talasa i čestica i interakcije energije i materije. Razlikuje se od klasične fizike prvenstveno na atomskom i subatomskom nivou. Ove matematičke formulacije su apstraktne i njihove dedukcije često nisu intuitivne.



Kvant je najmanja jedinica bilo kojeg fizičkog entiteta uključenog u interakciju. Elementarne čestice su osnovne komponente univerzuma. To su čestice koje čine sve ostale čestice. U klasičnoj fizici uvijek možemo podijeliti objekt na manje dijelove; u kvantnoj fizici to je nemoguće.

Stoga je kvantni svijet skup jedinstvenih pojava koje su neobjašnjive prema klasičnim zakonima. Na primjer, kvantna zapetljanost, fotoelektrični efekat , Comptonovo raspršivanje i još mnogo toga.








Kvantni svijet ima mnogo neobičnih tumačenja. Među najpriznatijima su Kopenhaška interpretacija i Tumačenje mnogih svjetova. Trenutno, alternativna tumačenja kao što je "holografski univerzum" dobijaju na zamahu.



de Broljeve jednačine



Iako su kvantna fizika i Ajnštajnovi zakoni relativnosti podjednako bitni za naučno razumevanje univerzuma, postoji mnogo nerešenih naučnih problema i još nema objedinjujuće teorije.

Neka od aktuelnih pitanja su: Zašto postoji više vidljive materije u svemiru od antimaterije? Kakva je priroda vremenske ose? Šta je porijeklo mase?

Jedan od najvažnijih tragova za ove probleme su de Broljeve jednačine, za koje je dobio Nobelovu nagradu za fiziku.

Ova formula pokazuje da sva materija ima korpuskularno-valni dualizam, odnosno da se u nekim slučajevima ponaša kao val, au drugim - kao čestica. Formula kombinuje Ajnštajnovu jednačinu E = mc^2 sa kvantnom prirodom energije.



Eksperimentalni dokazi uključuju interferenciju molekula fulerena C60 u eksperimentu sa dvostrukim prorezom. Činjenica da je naša svijest sastavljena od kvantnih čestica predmet je brojnih mističnih teorija.



I dok odnos između kvantne mehanike i svijesti nije toliko magičan kao što tvrde ezoterični filmovi i knjige, implikacije su prilično ozbiljne.

Pošto se de Broljove jednačine primjenjuju na svu materiju, možemo reći da je C = hf, gdje je C svijest, h Plankova konstanta, a f frekvencija. "C" je odgovorno za ono što percipiramo kao "sada", kvantno, tj. , minimalna jedinica interakcije.

Zbir svih "C" trenutaka do trenutnog trenutka je ono što oblikuje našu viziju života. Ovo nije filozofska ili teorijska izjava, već direktna posljedica kvantne prirode sve materije i energije.

Formula pokazuje da su život i smrt apstraktni agregati "C".

Još jedna posljedica de Broglieovih jednačina je da brzina oscilovanja materije ili energije i njeno ponašanje kao talasa ili čestice zavise od frekvencije referentnog okvira.

Povećana frekvencija zbog brzine korelira s drugima i dovodi do fenomena kao što je dilatacija vremena.

Razlog tome je što se percepcija vremena ne mijenja u odnosu na referentni okvir, gdje su prostor i vrijeme svojstva kvanta, a ne obrnuto.



Antimaterija i neporemećeno vreme



Veliki hadronski sudarač. Switzerland

Antičestice se stvaraju svuda u svemiru gdje se dešavaju sudari visoke energije između čestica. Ovaj proces je umjetno modeliran u akceleratorima čestica.

Istovremeno sa materijom stvara se i antimaterija. Stoga je nedostatak antimaterije u svemiru još uvijek jedan od najvećih neriješenih problema u fizici.

Zarobljavanjem antičestica u elektromagnetnim poljima možemo istražiti njihova svojstva. Kvantna stanja čestica i antičestica su međusobno zamjenjiva ako se na njih primjenjuju operatori konjugacije naboja ©, parnosti (P) i preokreta vremena (T).

Odnosno, ako će fizičar, koji se sastoji od antimaterije, provoditi eksperimente u laboratoriji, također iz antimaterije, koristeći hemijska jedinjenja i supstance koje se sastoje od antičestica, dobiće potpuno iste rezultate kao i njegov "pravi" kolega. Ali ako se kombinuju, doći će do ogromnog oslobađanja energije proporcionalne njihovoj masi.

Nedavno je Fermi Labs otkrio da se kvanti poput mezona kreću od materije do antimaterije i natrag brzinom od tri triliona puta u sekundi.

S obzirom na svemir u kvantnom referentnom okviru "C", potrebno je uzeti u obzir sve eksperimentalne rezultate primjenjive na kvante. Uključujući kako se materija i antimaterija stvaraju u akceleratorima čestica i kako mezoni prelaze iz jednog stanja u drugo.



Za C, ovo ima ozbiljne implikacije. Sa kvantne tačke gledišta, svaki trenutak "C" ima anti-C. Ovo objašnjava nedostatak simetrije, tj. antimaterije, u svemiru, a takođe je povezano sa proizvoljnim izborom emitera i apsorbera u Wheeler-Feynmanovoj teoriji apsorpcije.

Neporemećeno vrijeme T u principu nesigurnosti je vrijeme ili ciklus potrebno za postojanje kvanta.

Baš kao iu slučaju mezona, granica naše lične percepcije vremena, odnosno raspona trenutnog trenutka, je prelaz "C" u "anti-C". Ovaj trenutak samouništenja i njegovo tumačenje "C" zatvoreno je u okvir apstraktne ose vremena.



Ako definišemo interakciju i uzmemo u obzir osnovna svojstva dualnosti talasa i čestice kvanta, sve interakcije se sastoje od interferencije i rezonancije.

Ali pošto ovo nije dovoljno da se objasne fundamentalne sile, moraju se koristiti različiti modeli. Ovo uključuje standardni model, koji posreduje između dinamike poznatih subatomskih čestica kroz nosioce sile, i opšte teorije relativnosti, koja opisuje makroskopske fenomene kao što su planetarne orbite koje prate elipsu u prostoru i spirale u prostor-vremenu. Ali Ajnštajnov model se ne primenjuje na kvantnom nivou, a Standardnom modelu su potrebni dodatni nosioci sile da bi se objasnilo poreklo mase. Kombinacija dva modela ili teorija svega

bio je predmet mnogih još neuspješnih studija.



Teorija svega



Kvantna mehanika su čisto matematički opisi čije su praktične implikacije često u suprotnosti s intuicijom. Klasični koncepti kao što su dužina, vrijeme, masa i energija mogu se opisati slično.

Na osnovu de Broglieovih jednačina, ove koncepte možemo zamijeniti apstraktnim vektorima. Ovaj probabilistički pristup glavnim postojećim konceptima u fizici omogućava kombinovanje kvantne mehanike sa Ajnštajnovom teorijom relativnosti.



De Broljeve jednačine pokazuju da su svi referentni okviri kvantni, uključujući svu materiju i energiju. Akceleratori čestica su pokazali da se materija i antimaterija uvijek stvaraju u isto vrijeme.

Paradoks kako stvarnost nastaje iz apstraktnih komponenti koje se međusobno poništavaju može se objasniti korištenjem kvanta kao referentnog okvira.

Jednostavno rečeno, moramo gledati na stvari očima fotona. Referentni okvir je uvijek kvantni i određuje kako se prostor-vrijeme kvantizira.

Kada se sistem "povećava" ili "smanjuje", ista stvar se dešava sa prostor-vremenom. U kvantnoj mehanici, to se matematički opisuje kao amplituda vjerovatnoće valne funkcije, au Ajnštajnovoj teoriji kao dilatacija vremena i kontrakcija dužine.

Za kvantni referentni okvir, masa i energija se mogu definirati samo kao apstraktne vjerovatnoće ili, da budemo precizniji i stvoriti matematičku osnovu, kao vektori koji postoje samo kada pretpostavimo vremensku osu. Mogu se definisati kao interferencija ili rezonancija sa referentnim okvirom koji definiše minimalnu jedinicu ili prostorno-vremensku konstantu "c", ekvivalentnu Planckovoj konstanti u kvantnoj mehanici.

Eksperimenti pokazuju da pretvaranje materije u energiju putem antimaterije stvara gama zrake sa suprotnim impulsom. Ono što se čini kao transformacija je odnos između suprotnih vektora, interpretiranih kao udaljenost i vrijeme, materija i antimaterija, masa i energija, ili interferencija i rezonancija unutar apstraktne vremenske ose "C".

Zbir suprotnih vektora je uvijek nula. To je ono što uzrokuje simetriju ili zakone održanja u fizici, ili zašto su pri brzini "c" vrijeme i prostor jednaki nuli zbog kontrakcije dužine i vremenske dilatacije. Posljedica ovoga je Heisenbergov princip nesigurnosti, koji kaže da se neki parovi fizičkih svojstava, kao što su položaj i impuls, ne mogu znati istovremeno s velikom preciznošću.



U određenom smislu, pojedinačna čestica je sopstveno polje. Ovo ne objašnjava naš osjećaj kontinuiteta, gdje se "C" uništava unutar svog potrebnog raspona. Ali kada se ovi vektori eksponencijalno pojačavaju ili ubrzavaju oko i unutar vremenske ose, osnovni matematički algoritmi koji opisuju fundamentalne sile mogu dovesti do kontinuirane stvarnosti.

od apstraktnih komponenti.

Stoga se jednadžbe harmonijskog kretanja koriste u mnogim oblastima fizike koje se bave periodičnim pojavama, kao što su kvantna mehanika i elektrodinamika. I tako Einsteinov princip ekvivalencije, iz kojeg je izveden prostor-vremenski model, kaže da ne postoji razlika između gravitacije i ubrzanja.

Jer gravitacija je sila samo kada se posmatra u oscilirajućem referentnom okviru.

Ovo je ilustrovano logaritamskom spiralom, koja se svodi na spiralnu spiralu u referentnom okviru, uzrokujući da se objekti rotiraju i kreću u orbitama. Na primjer, dvije rastuće jabuke u rastućem referentnom okviru izgledaju kao da se privlače, dok se čini da je veličina ista.

Sa smetnjama se dešava suprotno. Jednostavno rečeno, povećanje ili smanjenje veličine objekata kako se približavamo ili udaljavamo određeno je pomakom u referentnom okviru, poput radija koji se podešava na različite valove kako bi uhvatio radio stanicu.



Ovo se odnosi i na gravitaciju. U stvari, bez obzira na bilo koji referentni okvir, ne postoje fundamentalne sile. Sve interakcije u našem apstraktnom kontinuitetu mogu se matematički opisati u terminima interferencije i rezonancije, ako se uzme u obzir minimalna jedinica ili kvant koji se stalno mijenja i oscilira.

Eksperimentalni dokaz uključuje nevidljivi efekat u Standardnom modelu gdje vidimo djelovanje sila, ali ne i nosioce sile.



kvantna superpozicija



Kontinuitet stvarnosti ne zahtijeva da kvanti imaju slijed u vremenu. Kvant nije subjekt nijednog koncepta prostora i vremena i može istovremeno zauzeti sva svoja moguća kvantna stanja. To se naziva kvantna superpozicija i demonstrira se, na primjer, u eksperimentu s dvostrukim prorezom ili kvantnoj teleportaciji, gdje svaki elektron u svemiru može biti isti elektron. Jedini uslov za apstraktnu vremensku osu i konzistentan kontinuitet stvarnosti je algoritam za opisivanje modela ili apstraktnog niza vektora.

Budući da ovaj kontinuitet određuje našu sposobnost samosvijesti, on nas podvrgava svojim matematičkim posljedicama - osnovnim zakonima fizike.

Interakcija je samo interpretacija apstraktnog modela. Zato kvantna mehanika daje samo matematičke opise – može opisati samo obrasce unutar beskonačnih vjerovatnoća.

Kada je vjerovatnoća izražena kao "C", informacije potrebne da se opiše trenutni trenutak, ili vjerovatnoćasti raspon "C", također utjelovljuje vremensku osu. Priroda vremenske ose jedno je od najvećih neriješenih pitanja u fizici, što je dovelo do mnogih novih popularnih tumačenja.

Na primjer, holografski princip - dio kvantne gravitacije i teorije struna - sugerira da se cijeli svemir može promatrati samo kao dvodimenzionalna informacijska struktura.



Vrijeme



Koncept vremenske ose tradicionalno povezujemo sa slijedom događaja koje doživljavamo kroz niz kratkoročnih i dugoročnih sjećanja. Možemo imati samo sjećanja na prošlost, ne i budućnost, i uvijek smo pretpostavljali da to odražava protok vremena.

Naučnici su počeli sumnjati u ovu logiku tek kada su otkrića u kvantnoj mehanici pokazala da neke pojave nisu povezane s našim konceptom vremena, te da je naš koncept vremena samo percepcija promjena u vidljivim parametrima.

To se također odražava u vremenskoj dilataciji i kontrakciji dužine, što je jedan od razloga zašto je Ajnštajn ustanovio da su vrijeme i prostor jedno tkivo.

U apsolutnom smislu, koncept vremena se ne razlikuje od koncepta udaljenosti.

Sekunde su jednake svjetlosnim sekundama, ali se međusobno isključuju. Jednostavno rečeno: budući da su udaljenost i vrijeme suprotnosti, protok vremena se može tumačiti kao udaljenost koju pređu kazaljke na satu, dok se kreću u suprotnom smjeru od vremena.

Dok se kreću naprijed u daljini, oni se zapravo kreću unazad u onome što se zove vrijeme. Zato se svaka minimalna jedinica iskustva odmah apsorbuje u večno sada.

Ova interpretacija eliminira neslaganje između kolapsa valne funkcije i kvantne dekoherencije. Koncepti kao što su "život" i "smrt" su čisto intelektualni konstrukti. I svako religiozno razmišljanje o zagrobnom životu koji se odvija u svijetu koji nije podložan matematičkim zakonima ove stvarnosti je također izmišljen.



Još jedna važna posljedica je da je teorija Velikog praska, gdje svemir nastaje iz jedne tačke, nesporazum. Tradicionalni pogled na prostor-vrijeme, gdje je prostor trodimenzionalan, a vrijeme igra ulogu četvrte dimenzije, je pogrešan. Ako želimo da proučavamo porijeklo svemira, moramo gledati unaprijed, budući da je vremenski vektor "C" suprotan vektoru udaljenosti sa kojeg opažamo svemir koji se širi. Iako će ova vremenska mapa svemira dati samo apstraktne koncepte bez uzimanja u obzir njegove kvantne osnove.



Eksperimentalni dokazi uključuju ubrzanje širenja svemira, kao i inverznu ili regresivnu metriku crnih rupa i mnoge probleme povezane s

sa teorijom Velikog praska, na primjer, problem horizonta.



Neurološke posljedice



Ovi zaključci mogu pokrenuti pitanja o slobodnoj volji, jer se čini da je u našoj percepciji vremena prvo djelovanje, a zatim svijest.

Većina istraživanja koja rasvjetljavaju ovo pitanje pokazuju da se radnja zapravo događa prije nego što se realizuje. Ali deterministička tačka gledišta se oslanja na pogrešno shvatanje vremena, kao što pokazuju matematički opisi verovatnoće u kvantnoj mehanici.



Ova tumačenja će biti važna za buduća neurološka istraživanja, jer pokazuju da je bilo koji neuronski krug vektor koji određuje kognitivnu disonancu i interferenciju ili rezonanciju u "C". Sposobnost razumijevanja i svjesne promjene ovih vektora, stečena milijardama godina evolucije, potvrđuje koliko su naši sistemi vjerovanja važni u širenju naše svijesti i kako utiču na našu radnu memoriju, koja je odgovorna za našu sposobnost uspostavljanja veza i za neuronske procese koji formiraju značenje. Također objašnjava da bi umjetna svijest zahtijevala mrežu

nezavisni procesori, a ne linearni niz složenih algoritama.



Ograničeno tumačenje



Athene Unified Theory je rješenje koje kombinuje kvantnu fiziku i relativnost. Iako odgovara na mnoga pitanja iz fizike koja su ovdje navedena, ovo je moje ograničeno tumačenje prvih mjeseci njegovog istraživanja.

Bez obzira na ishod, jasno je da smo ušli u eru u kojoj je nauka otvorena za sve. A ako održavamo internet pristupačnim i neutralnim, možemo testirati valjanost naših ideja, razvijati svoju maštu stvaranjem novih odnosa i možemo nastaviti razvijati svoje razumijevanje.

univerzum i um.



Epilog



U kvantnoj mehanici smo naučili da zauzmemo drugačiji pristup stvarnosti i da sve vidimo kao verovatnoće, a ne kao izvesnosti. U matematičkom smislu, sve je moguće.

I u nauci iu našem svakodnevnom životu, naša sposobnost da izračunamo ili pogodimo vjerovatnoće određena je našom intelektualnom sposobnošću da prepoznamo obrasce.

Što smo otvoreniji, jasnije možemo uočiti ove obrasce i bazirati naše postupke na razumnoj vjerovatnoći.

Budući da je u samoj prirodi naše lijeve hemisfere da odbacujemo ideje koje se ne uklapaju u naše trenutne poglede, što smo više vezani za svoja uvjerenja, to smo manje sposobni da sami donosimo svjesne izbore. Ali, kontrolirajući ovaj proces, širimo svoju samosvijest i povećavamo svoju slobodnu volju.

Kažu da mudrost dolazi s godinama. Ali uz otvorenost i skepticizam – ključne naučne principe – nisu nam potrebne decenije pokušaja i grešaka da bismo utvrdili koja bi naša uvjerenja mogla biti pogrešna.

Pitanje nije da li su naša uvjerenja istinita ili ne, već da li će naša emocionalna vezanost za njih donijeti dobro ili štetu.



Slobodan izbor ne postoji sve dok smo emocionalno vezani za sistem vjerovanja. Kada steknemo dovoljno samosvijesti da ovo shvatimo, možemo zajedno raditi na razumijevanju vjerovatnoće onoga što će nam zapravo najviše koristiti.

„Razvoj kvantne mehanike podvrgao je naše klasične naučne poglede neviđenoj kritici. Samosvijest i spremnost da revidiramo naše hipoteze, koje se neprestano provjeravaju od strane nauke i čovječanstva, odredit će stepen do kojeg postižemo dublje razumijevanje uma i svemira.

Mislim da se sa sigurnošću može reći da niko ne razume kvantnu mehaniku.

Fizičar Richard Feynman

Nije pretjerano reći da je izum poluvodičkih uređaja bio revolucija. Ne samo da je ovo impresivno tehnološko dostignuće, već je utrlo put za događaje koji će zauvijek promijeniti moderno društvo. Poluvodički uređaji se koriste u svim vrstama mikroelektronskih uređaja, uključujući računare, određene vrste medicinske opreme za dijagnostiku i liječenje i popularne telekomunikacijske uređaje.

Ali iza ove tehnološke revolucije stoji još više, revolucija u općoj nauci: polje kvantna teorija. Bez ovog skoka u razumijevanju prirodnog svijeta, razvoj poluvodičkih uređaja (i naprednijih elektronskih uređaja u razvoju) nikada ne bi uspio. Kvantna fizika je neverovatno složena grana nauke. Ovo poglavlje daje samo kratak pregled. Kada naučnici poput Feynmana kažu "niko [to] ne razumije", možete biti sigurni da je ovo zaista teška tema. Bez osnovnog razumijevanja kvantne fizike, ili barem razumijevanja naučnih otkrića koja su dovela do njihovog razvoja, nemoguće je razumjeti kako i zašto rade poluvodički elektronski uređaji. Većina udžbenika elektronike pokušava objasniti poluvodiče u terminima "klasične fizike", što ih kao rezultat čini još zbunjujućim za razumijevanje.

Mnogi od nas su vidjeli dijagrame atomskog modela koji izgledaju kao na slici ispod.

Rutherfordov atom: negativni elektroni kruže oko malog pozitivnog jezgra

Sićušne čestice materije tzv protona i neutroni, čine centar atoma; elektrona okreću se poput planeta oko zvijezde. Jezgro nosi pozitivan električni naboj zbog prisustva protona (neutroni nemaju električni naboj), dok balansirajući negativni naboj atoma leži u elektronima u orbiti. Negativni elektroni privlače pozitivni protoni kao što su planete privučene Suncem, ali su orbite stabilne zbog kretanja elektrona. Ovaj popularni model atoma dugujemo radu Ernesta Rutherforda, koji je eksperimentalno utvrdio oko 1911. da su pozitivni naboji atoma koncentrirani u sićušnom, gustom jezgru, a ne ravnomjerno raspoređeni duž prečnika, kao što je istraživač J. J. Thomson ranije pretpostavio .

Rutherfordov eksperiment raspršenja sastoji se od bombardiranja tanke zlatne folije pozitivno nabijenim alfa česticama, kao što je prikazano na donjoj slici. Mladi postdiplomci H. Geiger i E. Marsden dobili su neočekivane rezultate. Putanja nekih alfa čestica je odstupila pod velikim uglom. Neke alfa čestice su raspršene unazad, pod uglom od skoro 180°. Većina čestica je prošla kroz zlatnu foliju bez promjene putanje, kao da folije uopće nema. Činjenica da je nekoliko alfa čestica doživjelo velika odstupanja u svojoj putanji ukazuje na prisustvo jezgara sa malim pozitivnim nabojem.

Rutherfordovo rasejanje: snop alfa čestica raspršen je tankom zlatnom folijom

Iako je Rutherfordov model atoma bio podržan eksperimentalnim podacima boljim od Thomsonovog, ipak je bio nesavršen. Učinjeni su dalji pokušaji da se utvrdi struktura atoma, a ti napori su pomogli da se otvori put za čudna otkrića kvantne fizike. Danas je naše razumijevanje atoma malo složenije. Ipak, uprkos revoluciji kvantne fizike i njenom doprinosu našem razumevanju strukture atoma, Rutherfordov prikaz Sunčevog sistema kao strukture atoma zaživeo je u popularnoj svesti do te mere da opstaje u obrazovnim poljima, čak i ako to je pogrešno.

Razmotrite ovaj kratki opis elektrona u atomu, preuzet iz popularnog udžbenika elektronike:

Negativni elektroni koji se vrte privlače pozitivno jezgro, što nas dovodi do pitanja zašto elektroni ne lete u jezgro atoma. Odgovor je da rotirajući elektroni ostaju u svojoj stabilnoj orbiti zbog dvije jednake, ali suprotne sile. Centrifugalna sila koja djeluje na elektrone usmjerena je prema van, a privlačna sila naboja pokušava povući elektrone prema jezgru.

U skladu s Rutherfordovim modelom, autor smatra da su elektroni čvrsti komadi materije koji zauzimaju okrugle orbite, a njihova unutrašnja privlačnost prema suprotno nabijenom jezgru je uravnotežena njihovim kretanjem. Upotreba izraza "centrifugalna sila" je tehnički netočna (čak i za planete koje kruže), ali to se lako oprosti zbog popularnog prihvatanja modela: zapravo, ne postoji takva stvar kao što je sila, odbojanbilo koji rotirajuće tijelo iz centra njegove orbite. Čini se da je to tako jer inercija tijela ima tendenciju da ga održava u pravolinijskom kretanju, a budući da je orbita stalno odstupanje (ubrzanje) od pravolinijskog kretanja, postoji stalna inercijska reakcija na bilo koju silu koja privlači tijelo u centar orbite (centripetalne), bilo gravitacije, elektrostatičke privlačnosti ili čak napetosti mehaničke veze.

Međutim, pravi problem s ovim objašnjenjem prije svega je ideja da se elektroni kreću po kružnim orbitama. Dokazana činjenica da ubrzani električni naboji emituju elektromagnetno zračenje, ta činjenica je bila poznata još u Rutherfordovo vrijeme. Budući da je rotacijsko kretanje oblik ubrzanja (rotirajući objekt u stalnom ubrzanju, povlačeći objekt od njegovog normalnog pravolinijskog kretanja), elektroni u rotirajućem stanju moraju emitirati zračenje poput blata iz točka koji se vrti. Elektroni se ubrzavaju duž kružnih staza u akceleratorima čestica tzv sinhrotroni poznato je da to rade, a rezultat se zove sinhrotronsko zračenje. Ako bi elektroni gubili energiju na ovaj način, njihove orbite bi na kraju bile poremećene i kao rezultat toga bi se sudarili s pozitivno nabijenim jezgrom. Međutim, unutar atoma to se obično ne dešava. Zaista, elektronske "orbite" su iznenađujuće stabilne u širokom rasponu uslova.

Osim toga, eksperimenti s "pobuđenim" atomima su pokazali da elektromagnetnu energiju emituje atom samo na određenim frekvencijama. Atomi su "pobuđeni" vanjskim utjecajima poput svjetlosti, za koju se zna da apsorbira energiju i vraća elektromagnetne valove na određenim frekvencijama, slično kao viljuška za podešavanje koja ne zvoni na određenoj frekvenciji dok se u nju ne udari. Kada se svjetlost koju emituje pobuđeni atom prizma podijeli na njegove sastavne frekvencije (boje), pronađu se pojedinačne linije boja u spektru, obrazac spektralne linije je jedinstven za kemijski element. Ovaj fenomen se obično koristi za identifikaciju hemijskih elemenata, pa čak i za merenje proporcija svakog elementa u jedinjenju ili hemijskoj smeši. Prema solarnom sistemu Rutherfordovog atomskog modela (u odnosu na elektrone, kao komadiće materije, koji se slobodno rotiraju u orbiti sa nekim poluprečnikom) i zakonima klasične fizike, pobuđeni atomi moraju vraćati energiju u skoro beskonačnom opsegu frekvencija, a ne na odabranim frekvencijama. Drugim riječima, da je Rutherfordov model bio tačan, tada ne bi postojao efekat "kamotona", a spektar boja koji emituje bilo koji atom bi se pojavio kao neprekidna traka boja, a ne kao nekoliko odvojenih linija.

Bohrov model atoma vodika (sa orbitama nacrtanim u mjerilu) pretpostavlja da su elektroni samo u diskretnim orbitama. Elektroni koji se kreću od n=3,4,5 ili 6 do n=2 prikazani su na nizu Balmerovih spektralnih linija

Istraživač po imenu Niels Bohr pokušao je poboljšati Rutherfordov model nakon što ga je proučavao u Rutherfordovoj laboratoriji nekoliko mjeseci 1912. godine. Pokušavajući da pomiri rezultate drugih fizičara (posebno Maxa Plancka i Alberta Einsteina), Bohr je sugerirao da svaki elektron ima određenu, specifičnu količinu energije i da su njihove orbite raspoređene na takav način da svaki od njih može zauzeti određena mjesta oko jezgro, poput kuglica., fiksirano na kružnim stazama oko jezgra, a ne kao sateliti koji se slobodno kreću, kao što se ranije pretpostavljalo (slika iznad). Poštujući zakone elektromagnetizma i ubrzanja naelektrisanja, Bohr je nazvao "orbite" kao stacionarna stanja kako bi se izbjeglo tumačenje da su bili mobilni.

Iako je Bohrov ambiciozni pokušaj da ponovo razmisli o strukturi atoma, koji je bio u skladu s eksperimentalnim podacima, bio prekretnica u fizici, nije dovršen. Njegova matematička analiza bila je bolja u predviđanju rezultata eksperimenata od onih koje su izvodili prethodni modeli, ali je još uvijek bilo neodgovorenih pitanja o tome da li zašto elektroni se moraju ponašati na tako čudan način. Izjava da su elektroni postojali u stacionarnim kvantnim stanjima oko jezgra korelirala je bolje s eksperimentalnim podacima od Rutherfordovog modela, ali nije rekla šta uzrokuje da elektroni poprime ova posebna stanja. Odgovor na ovo pitanje trebao je doći od drugog fizičara, Louisa de Brogliea, desetak godina kasnije.

De Broglie je sugerirao da elektroni, kao i fotoni (čestice svjetlosti), imaju i svojstva čestica i svojstva talasa. Na osnovu ove pretpostavke, on je sugerisao da je analiza rotirajućih elektrona u smislu talasa bolja nego u smislu čestica, i može dati bolji uvid u njihovu kvantnu prirodu. Zaista, napravljen je još jedan iskorak u razumijevanju.

Žica koja vibrira na rezonantnoj frekvenciji između dvije fiksne tačke formira stajaći val

Atom se, prema de Broglieu, sastojao od stajaćih valova, fenomena dobro poznat fizičarima u različitim oblicima. Poput trzane žice muzičkog instrumenta (na slici iznad), koja vibrira na rezonantnoj frekvenciji, sa "čvorovima" i "antičvorovima" na stabilnim mestima duž svoje dužine. De Broglie je zamislio elektrone oko atoma kao talase zakrivljene u krug (slika ispod).

"Rotirajući" elektroni kao stojeći talas oko jezgra, (a) dva ciklusa u orbiti, (b) tri ciklusa u orbiti

Elektroni mogu postojati samo u određenim, specifičnim "orbitama" oko jezgra, jer su to jedine udaljenosti na kojima se krajevi talasa poklapaju. U bilo kom drugom radijusu, val će se destruktivno sudarati sam sa sobom i tako prestati postojati.

De Broglieova hipoteza pružila je i matematički okvir i prikladnu fizičku analogiju za objašnjenje kvantnih stanja elektrona unutar atoma, ali njegov model atoma je još uvijek bio nepotpun. Već nekoliko godina, fizičari Werner Heisenberg i Erwin Schrödinger, radeći samostalno, rade na de Broglievom konceptu dualnosti talas-čestica kako bi stvorili rigoroznije matematičke modele subatomskih čestica.

Ovaj teorijski napredak od de Broglieovog primitivnog modela stojećeg talasa do modela Heisenbergove matrice i Schrödingerove diferencijalne jednadžbe dobio je naziv kvantne mehanike i uveo je prilično šokantnu osobinu u svijet subatomskih čestica: znak vjerovatnoće, ili neizvesnost. Prema novoj kvantnoj teoriji, bilo je nemoguće odrediti tačan položaj i tačan impuls čestice u jednom trenutku. Popularno objašnjenje za ovaj "princip nesigurnosti" bilo je da je došlo do greške u mjerenju (to jest, pokušavajući precizno izmjeriti položaj elektrona, vi ometate njegov impuls, pa stoga ne možete znati šta je bilo prije nego što ste počeli mjeriti poziciju , i obrnuto). Senzacionalan zaključak kvantne mehanike je da čestice nemaju tačne položaje i momente, a zbog odnosa ove dvije veličine, njihova kombinovana nesigurnost nikada neće pasti ispod određene minimalne vrijednosti.

Ovaj oblik veze "neizvjesnosti" postoji iu drugim poljima osim kvantne mehanike. Kao što je objašnjeno u poglavlju "Izmjenični signali mješovite frekvencije" u tomu 2 ove serije knjiga, postoje međusobno isključivi odnosi između povjerenja u podatke o vremenskom domenu talasnog oblika i njegovih podataka u frekvencijskom domenu. Jednostavno rečeno, što više znamo frekvencije njegovih komponenti, manje precizno znamo njegovu amplitudu tokom vremena, i obrnuto. Citiram sebe:

Signal beskonačnog trajanja (beskonačan broj ciklusa) može se analizirati sa apsolutnom tačnošću, ali što manje ciklusa kompjuter može analizirati, to je analiza manje tačna... Što je manje perioda signala, to je manje tačna njegova frekvencija. Uzimajući ovaj koncept do svoje logične krajnosti, kratak impuls (čak ni pun period signala) zapravo nema definisanu frekvenciju, to je beskonačan raspon frekvencija. Ovaj princip je zajednički za sve talasne pojave, a ne samo za promenljive napone i struje.

Da bismo precizno odredili amplitudu promjenjivog signala, moramo je izmjeriti u vrlo kratkom vremenu. Međutim, ovo ograničava naše znanje o frekvenciji vala (val u kvantnoj mehanici ne mora biti sličan sinusoidnom valu; takva sličnost je poseban slučaj). S druge strane, da bismo sa velikom preciznošću odredili frekvenciju vala, moramo je mjeriti u velikom broju perioda, što znači da ćemo u svakom trenutku izgubiti iz vida njegovu amplitudu. Dakle, ne možemo istovremeno znati trenutnu amplitudu i sve frekvencije bilo kog talasa sa neograničenom tačnošću. Još jedna neobičnost, ova nesigurnost je mnogo veća od nepreciznosti posmatrača; to je u samoj prirodi talasa. Ovo nije slučaj, iako bi bilo moguće, s obzirom na odgovarajuću tehnologiju, istovremeno pružiti tačna mjerenja trenutne amplitude i frekvencije. U doslovnom smislu, val ne može imati tačnu trenutnu amplitudu i tačnu frekvenciju u isto vrijeme.

Minimalna nesigurnost položaja čestice i impulsa koju su izrazili Heisenberg i Schrödinger nema nikakve veze sa ograničenjem u mjerenju; radije, to je suštinsko svojstvo prirode dualnosti čestice talas-čestica. Stoga, elektroni zapravo ne postoje u svojim "orbitama" kao dobro definirane čestice materije, pa čak ni kao dobro definirani valni oblici, već kao "oblaci" - tehnički termin. valna funkcija distribucije vjerovatnoće, kao da je svaki elektron "razbacan" ili "razmazan" po rasponu pozicija i impulsa.

Ovaj radikalni pogled na elektrone kao na neodređene oblake u početku je u suprotnosti sa originalnim principom kvantnih stanja elektrona: elektroni postoje u diskretnim, određenim "orbitama" oko jezgra atoma. Ovo novo gledište, na kraju krajeva, bilo je otkriće koje je dovelo do formiranja i objašnjenja kvantne teorije. Kako čudno izgleda da teorija stvorena da objasni diskretno ponašanje elektrona na kraju objavljuje da elektroni postoje kao "oblaci", a ne kao odvojeni komadi materije. Međutim, kvantno ponašanje elektrona ne zavisi od elektrona koji imaju određene vrijednosti koordinata i impulsa, već od drugih svojstava tzv. kvantni brojevi. U suštini, kvantna mehanika odbacuje uobičajene koncepte apsolutnog položaja i apsolutnog momenta i zamjenjuje ih apsolutnim konceptima tipova koji nemaju analoga u uobičajenoj praksi.

Iako je poznato da elektroni postoje u bestelesnim, "oblačnim" oblicima distribuirane verovatnoće, a ne u odvojenim delovima materije, ovi "oblaci" imaju malo drugačije karakteristike. Svaki elektron u atomu može se opisati pomoću četiri numeričke mjere (kvantni brojevi koji su ranije spomenuti), tzv glavni (radijalni), orbitala (azimut), magnetna i spin brojevi. Ispod je kratak pregled značenja svakog od ovih brojeva:

Glavni (radijalni) kvantni broj: označeno slovom n, ovaj broj opisuje ljusku na kojoj se nalazi elektron. Elektronska "ljuska" je prostor oko jezgra atoma u kojem mogu postojati elektroni, što odgovara de Broglieovim i Borovim stabilnim modelima "stojećih valova". Elektroni mogu "skakati" s ljuske na ljusku, ali ne mogu postojati između njih.

Glavni kvantni broj mora biti pozitivan cijeli broj (veći ili jednak 1). Drugim riječima, glavni kvantni broj elektrona ne može biti 1/2 ili -3. Ovi cijeli brojevi nisu odabrani proizvoljno, već kroz eksperimentalne dokaze svjetlosnog spektra: različite frekvencije (boje) svjetlosti koju emituju pobuđeni atomi vodonika slijede matematički odnos ovisno o specifičnim cjelobrojnim vrijednostima, kao što je prikazano na donjoj slici.

Svaka ljuska ima sposobnost da zadrži više elektrona. Analogija za elektronske školjke su koncentrični redovi sjedišta u amfiteatru. Kao što osoba koja sjedi u amfiteatru mora odabrati red za sjedenje (ne može sjediti između redova), elektroni moraju "izabrati" određenu školjku da bi "sjeli". Poput redova u amfiteatru, vanjske školjke drže više elektrona od školjki bliže centru. Takođe, elektroni teže da pronađu najmanju dostupnu školjku, baš kao što ljudi u amfiteatru traže mesto najbliže centralnoj pozornici. Što je veći broj ljuske, to više energije imaju elektroni na njoj.

Maksimalan broj elektrona koji bilo koja ljuska može zadržati opisan je jednadžbom 2n 2 , gdje je n glavni kvantni broj. Dakle, prva ljuska (n = 1) može sadržavati 2 elektrona; druga ljuska (n = 2) - 8 elektrona; i treća ljuska (n = 3) - 18 elektrona (slika ispod).

Glavni kvantni broj n i maksimalni broj elektrona povezani su formulom 2(n 2). Orbite nisu u razmeri.

Elektronske ljuske u atomu bile su označene slovima, a ne brojevima. Prva školjka (n = 1) označena je K, druga školjka (n = 2) L, treća školjka (n = 3) M, četvrta školjka (n = 4) N, peta školjka (n = 5) O, šesta školjka (n = 6) P i sedma školjka (n = 7) B.

Orbitalni (azimutski) kvantni broj: ljuska sastavljena od podljuska. Nekima će možda biti zgodnije da o podljuskama razmišljaju kao o jednostavnim dijelovima školjki, poput traka koje dijele put. Podljuske su mnogo čudnije. Podljuske su oblasti prostora u kojima mogu postojati elektronski "oblaci", a zapravo različite podljuske imaju različite oblike. Prva podljuska je u obliku sfere (slika ispod (s)), što ima smisla kada se vizualizira kao elektronski oblak koji okružuje jezgro atoma u tri dimenzije.

Druga podljuska podsjeća na bučicu, koja se sastoji od dvije "latice" povezane u jednoj tački blizu centra atoma (slika ispod (p)).

Treća podljuska obično liči na skup od četiri "latice" grupisane oko jezgra atoma. Ovi oblici podljuske podsjećaju na grafičke prikaze uzoraka antena sa lukovicama koje se protežu od antene u različitim smjerovima (slika ispod (d)).

orbitale:
(s) trostruka simetrija;
(p) Prikazano: p x , jedna od tri moguće orijentacije (p x , p y , p z), duž odgovarajućih ose;
(d) Prikazano: d x 2 -y 2 je sličan d xy , d yz , d xz . Prikazano: d z 2 . Broj mogućih d-orbitala: pet.

Važeće vrijednosti za orbitalni kvantni broj su pozitivni cijeli brojevi, kao i za glavni kvantni broj, ali također uključuju nulu. Ovi kvantni brojevi za elektrone su označeni slovom l. Broj podljuska jednak je glavnom kvantnom broju ljuske. Dakle, prva ljuska (n = 1) ima jednu podljusku sa brojem 0; druga ljuska (n = 2) ima dvije podljuske označene brojevima 0 i 1; treća ljuska (n = 3) ima tri podljuske označene brojevima 0, 1 i 2.

Stara konvencija podljuske koristila je slova umjesto brojeva. U ovom formatu, prva podljuska (l = 0) je označena s, druga podljuska (l = 1) je označena kao p, treća podljuska (l = 2) je označena kao d, a četvrta podljuska (l = 3) je bila označeno f. Slova su nastala od riječi: oštar, principal, difuzno i Fundamentalno. Još uvijek možete vidjeti ove oznake u mnogim periodnim tablicama koje se koriste za označavanje elektronske konfiguracije vanjskog ( valencija) ljuske atoma.

(a) Borov prikaz atoma srebra,
(b) Orbitalni prikaz Ag sa podjelom ljuski na podljuske (orbitalni kvantni broj l).
Ovaj dijagram ne implicira ništa o stvarnom položaju elektrona, već samo predstavlja nivoe energije.

Magnetski kvantni broj: Magnetski kvantni broj za elektron klasifikuje orijentaciju figure podljuske elektrona. "Latice" podljuske mogu biti usmjerene u nekoliko smjerova. Ove različite orijentacije se nazivaju orbitale. Za prvu podljusku (s; l = 0), koja liči na sferu, "smjer" nije specificiran. Za drugu (p; l = 1) podljusku u svakoj ljusci koja podsjeća na bučicu koja pokazuje u tri moguća smjera. Zamislite tri bučice koje se ukrštaju u početku, a svaka pokazuje duž svoje ose u triaksijalnom koordinatnom sistemu.

Važeće vrijednosti za dati kvantni broj sastoje se od cijelih brojeva u rasponu od -l do l, a ovaj broj je označen kao m l u atomskoj fizici i z u nuklearnoj fizici. Da biste izračunali broj orbitala u bilo kojoj podljusci, trebate udvostručiti broj podljuske i dodati 1, (2∙l + 1). Na primjer, prva podljuska (l = 0) u bilo kojoj ljusci sadrži jednu orbitalu označenu brojem 0; druga podljuska (l = 1) u bilo kojoj ljusci sadrži tri orbitale sa brojevima -1, 0 i 1; treća podljuska (l = 2) sadrži pet orbitala označenih brojevima -2, -1, 0, 1 i 2; itd.

Kao i glavni kvantni broj, magnetni kvantni broj je proizašao direktno iz eksperimentalnih podataka: Zeemanovog efekta, razdvajanja spektralnih linija izlaganjem ioniziranog plina magnetskom polju, otuda i naziv "magnetski" kvantni broj.

Spin kvantni broj: kao i magnetski kvantni broj, ovo svojstvo elektrona atoma je otkriveno eksperimentima. Pažljivo posmatranje spektralnih linija pokazalo je da je svaka linija u stvari par vrlo blisko raspoređenih linija, sugerirano je da je ova tzv. fine strukture bio je rezultat "rotiranja" svakog elektrona oko svoje ose, poput planete. Elektroni sa različitim "spinovima" davali bi malo različite frekvencije svetlosti kada su pobuđeni. Koncept rotirajućih elektrona je sada zastario, a prikladniji je za (netačno) viđenje elektrona kao pojedinačnih čestica materije, a ne kao "oblaka", ali ime je ostalo.

Spin kvantni brojevi se označavaju kao gospođa u atomskoj fizici i sz u nuklearnoj fizici. Svaka orbitala u svakoj podljusci može imati dva elektrona u svakoj ljusci, jedan sa spinom +1/2, a drugi sa spinom -1/2.

Fizičar Wolfgang Pauli razvio je princip koji objašnjava poredak elektrona u atomu prema ovim kvantnim brojevima. Njegov princip, tzv Paulijev princip isključenja, navodi da dva elektrona u istom atomu ne mogu zauzimati ista kvantna stanja. To jest, svaki elektron u atomu ima jedinstven skup kvantnih brojeva. Ovo ograničava broj elektrona koji mogu zauzeti bilo koju orbitalu, podljusku i ljusku.

Ovo pokazuje raspored elektrona u atomu vodika:

Sa jednim protonom u jezgru, atom prihvata jedan elektron za svoju elektrostatičku ravnotežu (pozitivni naboj protona je tačno uravnotežen negativnim nabojem elektrona). Ovaj elektron je u donjoj ljusci (n = 1), prvoj podljusci (l = 0), na jedinoj orbitali (prostornoj orijentaciji) ove podljuske (m l = 0), sa vrijednošću spina 1/2. Opća metoda opisivanja ove strukture je nabrajanje elektrona prema njihovim školjkama i podljuskama, prema konvenciji tzv. spektroskopska notacija. U ovoj notaciji, broj ljuske je prikazan kao cijeli broj, podljuska kao slovo (s,p,d,f), a ukupan broj elektrona u podljusci (sve orbitale, svi spinovi) kao superscript. Dakle, vodonik, sa svojim jednim elektronom postavljenim na baznom nivou, opisuje se kao 1s 1 .

Prelazeći na sljedeći atom (po redoslijedu atomskog broja), dobijamo element helij:

Atom helija ima dva protona u svom jezgru, što zahtijeva dva elektrona da uravnoteže dvostruki pozitivni električni naboj. Budući da su dva elektrona - jedan sa spinom 1/2 i drugi sa spinom -1/2 - na istoj orbitali, elektronska struktura helijuma ne zahtijeva dodatne podljuske ili ljuske za držanje drugog elektrona.

Međutim, atom koji zahtijeva tri ili više elektrona trebat će dodatne podljuske da zadrži sve elektrone, budući da samo dva elektrona mogu biti na donjoj ljusci (n = 1). Razmotrimo sljedeći atom u nizu rastućih atomskih brojeva, litij:

Atom litija koristi dio kapacitivnosti L ljuske (n = 2). Ova ljuska zapravo ima ukupan kapacitet od osam elektrona (maksimalni kapacitet ljuske = 2n 2 elektrona). Ako razmotrimo strukturu atoma s potpuno ispunjenom L ljuskom, vidimo kako su sve kombinacije podljuske, orbitala i spinova zauzete elektronima:

Često, kada se atomu dodjeljuje spektroskopska oznaka, sve potpuno popunjene ljuske se preskaču, a neispunjene ljuske i ljuske popunjene najviše razine se označavaju. Na primjer, element neon (prikazan na gornjoj slici), koji ima dvije potpuno popunjene ljuske, može se spektralno opisati jednostavno kao 2p 6 umjesto kao 1s 22 s 22 p 6 . Litijum, sa svojom potpuno ispunjenom K školjkom i jednim elektronom u L ljusci, može se jednostavno opisati kao 2s 1, a ne 1s 22 s 1 .

Izostavljanje potpuno popunjenih ljuski nižeg nivoa nije samo zbog pogodnosti notacije. Takođe ilustruje osnovni princip hemije: hemijsko ponašanje elementa prvenstveno je određeno njegovim neispunjenim omotačima. I vodonik i litijum imaju po jedan elektron na svojim spoljnim omotačima (kao 1 i 2s 1, respektivno), odnosno oba elementa imaju slična svojstva. Oba su visoko reaktivna i reaguju na gotovo identičan način (vezuju se za slične elemente pod sličnim uslovima). Nije bitno što litijum ima potpuno napunjenu K-ljusku ispod gotovo slobodnog L-ljuske: nepopunjena L-ljuska je ona koja određuje njegovo hemijsko ponašanje.

Elementi koji imaju potpuno ispunjene vanjske ljuske klasificiraju se kao plemeniti i karakteriziraju ih gotovo potpuni nedostatak reakcije s drugim elementima. Ovi elementi su klasifikovani kao inertni kada se smatralo da uopšte ne reaguju, ali je poznato da formiraju spojeve sa drugim elementima pod određenim uslovima.

Pošto elementi sa istom konfiguracijom elektrona u svojim spoljašnjim omotačima imaju slična hemijska svojstva, Dmitrij Mendeljejev je u skladu sa tim organizovao hemijske elemente u tabelu. Ova tabela je poznata kao , a moderne tabele prate ovaj opšti izgled, prikazan na slici ispod.

Periodni sistem hemijskih elemenata

Dmitrij Mendeljejev, ruski hemičar, bio je prvi koji je razvio periodni sistem elemenata. Iako je Mendeljejev organizirao svoju tablicu prema atomskoj masi, a ne atomskom broju, i stvorio tablicu koja nije bila toliko korisna kao moderne periodne tablice, njegov razvoj je odličan primjer naučnog dokaza. Vidjevši obrasce periodičnosti (slična hemijska svojstva prema atomskoj masi), Mendeljejev je pretpostavio da se svi elementi moraju uklopiti u ovaj uređeni obrazac. Kada je otkrio "prazna" mjesta u tabeli, slijedio je logiku postojećeg poretka i pretpostavio postojanje još nepoznatih elemenata. Naknadno otkriće ovih elemenata potvrdilo je naučnu ispravnost Mendeljejevljeve hipoteze, dalja otkrića dovela su do oblika periodnog sistema koji sada koristimo.

Volim ovo trebalo bi nauka o radu: hipoteze vode do logičkih zaključaka i prihvataju se, menjaju ili odbacuju u zavisnosti od konzistentnosti eksperimentalnih podataka sa njihovim zaključcima. Svaka budala može naknadno formulirati hipotezu kako bi objasnila dostupne eksperimentalne podatke, a mnogi to čine. Ono što razlikuje naučnu hipotezu od post hoc spekulacije je predviđanje budućih eksperimentalnih podataka koji još nisu prikupljeni, i moguće pobijanje tih podataka kao rezultat. Hrabro dovedite hipotezu do njenog logičnog zaključka(a) i pokušaj predviđanja rezultata budućih eksperimenata nije dogmatski skok vjere, već prije javna provjera ove hipoteze, otvoreni izazov protivnicima hipoteze. Drugim riječima, naučne hipoteze su uvijek "rizične" zbog pokušaja predviđanja rezultata eksperimenata koji još nisu urađeni, pa se stoga mogu krivotvoriti ako eksperimenti ne idu kako se očekivalo. Dakle, ako hipoteza ispravno predviđa rezultate ponovljenih eksperimenata, ona je opovrgnuta.

Kvantna mehanika, prvo kao hipoteza, a potom i kao teorija, pokazala se izuzetno uspješnom u predviđanju rezultata eksperimenata, te je stoga dobila visok stepen naučnog kredibiliteta. Mnogi znanstvenici imaju razloga vjerovati da je ovo nepotpuna teorija, jer su njena predviđanja tačnija na mikrofizičkim skalama nego na makroskopskim, ali je ipak izuzetno korisna teorija za objašnjenje i predviđanje interakcije čestica i atoma.

Kao što ste vidjeli u ovom poglavlju, kvantna fizika je neophodna za opisivanje i predviđanje mnogih različitih fenomena. U narednom odeljku ćemo videti njegov značaj u električnoj provodljivosti čvrstih tela, uključujući i poluprovodnike. Jednostavno rečeno, ništa u hemiji ili fizici čvrstog stanja nema smisla u popularnoj teorijskoj strukturi elektrona koji postoje kao pojedinačne čestice materije koje kruže oko jezgra atoma poput minijaturnih satelita. Kada se elektroni posmatraju kao "talasne funkcije" koje postoje u određenim, diskretnim stanjima koja su regularna i periodična, onda se ponašanje materije može objasniti.

Sažimanje

Elektroni u atomima postoje u "oblacima" distribuirane vjerovatnoće, a ne kao diskretne čestice materije koje se okreću oko jezgra, poput minijaturnih satelita, kao što pokazuju uobičajeni primjeri.

Pojedinačni elektroni oko jezgra atoma teže jedinstvenim "stanjima" opisanim sa četiri kvantna broja: glavni (radijalni) kvantni broj, poznat kao školjka; orbitalni (azimutski) kvantni broj, poznat kao podljuska; magnetni kvantni broj opisivati orbitalni(orijentacija podljuske); i spin kvantni broj, ili jednostavno spin. Ova stanja su kvantna, odnosno "između njih" ne postoje uslovi za postojanje elektrona, osim stanja koja se uklapaju u šemu kvantne numeracije.

Glanoe (radijalni) kvantni broj (n) opisuje osnovni nivo ili ljusku u kojoj se nalazi elektron. Što je ovaj broj veći, to je veći radijus elektronskog oblaka od jezgra atoma i veća je energija elektrona. Glavni kvantni brojevi su cijeli brojevi (pozitivni cijeli brojevi)

Orbitalni (azimutalni) kvantni broj (l) opisuje oblik elektronskog oblaka u određenoj ljusci ili nivou i često je poznat kao "podljuska". U bilo kojoj ljusci postoji onoliko podljuska (oblika elektronskog oblaka) koliko je glavni kvantni broj ljuske. Azimutalni kvantni brojevi su pozitivni cijeli brojevi koji počinju od nule i završavaju brojem manjim od glavnog kvantnog broja za jedan (n - 1).

Magnetski kvantni broj (m l) opisuje kakvu orijentaciju ima podljuska (oblik elektronskog oblaka). Podljuske mogu imati onoliko različitih orijentacija koliko je dvostruko veći broj podljuske (l) plus 1, (2l+1) (to jest, za l=1, m l = -1, 0, 1), a svaka jedinstvena orijentacija se naziva orbitala . Ovi brojevi su cijeli brojevi počevši od negativne vrijednosti broja podljuske (l) do 0 i završavajući pozitivnom vrijednošću broja podljuske.

Spin kvantni broj (m s) opisuje još jedno svojstvo elektrona i može imati vrijednosti +1/2 i -1/2.

Paulijev princip isključenja kaže da dva elektrona u atomu ne mogu dijeliti isti skup kvantnih brojeva. Dakle, u svakoj orbitali može biti najviše dva elektrona (spin=1/2 i spin=-1/2), 2l+1 orbitala u svakoj podljusci i n podljuska u svakoj ljusci, i ne više.

Spektroskopska notacija je konvencija za elektronsku strukturu atoma. Školjke su prikazane kao cijeli brojevi, praćeni slovima podljuske (s, p, d, f) sa superskriptnim brojevima koji označavaju ukupan broj elektrona pronađenih u svakoj dotičnoj podljusci.

Hemijsko ponašanje atoma određeno je isključivo elektronima u nepopunjenim ljuskama. Školjke niskog nivoa koje su potpuno ispunjene imaju mali ili nikakav uticaj na karakteristike hemijskog vezivanja elemenata.

Elementi s potpuno ispunjenim elektronskim omotačima gotovo su potpuno inertni i nazivaju se plemenito elementi (ranije poznati kao inertni).

Fizika je najmisterioznija od svih nauka. Fizika nam daje razumijevanje svijeta oko nas. Zakoni fizike su apsolutni i važe za sve bez izuzetka, bez obzira na ličnost i društveni status.

Ovaj članak je namijenjen osobama starijim od 18 godina.

Imate li već 18 godina?

Fundamentalna otkrića u kvantnoj fizici

Isak Newton, Nikola Tesla, Albert Einstein i mnogi drugi veliki su vodiči čovječanstva u čudesnom svijetu fizike, koji su poput proroka otkrili čovječanstvu najveće tajne svemira i sposobnost upravljanja fizičkim pojavama. Njihove svijetle glave sijeku tamu neznanja nerazumne većine i kao zvijezda vodilja pokazivale su put čovječanstvu u tami noći. Jedan od ovih dirigenta u svijetu fizike bio je Max Planck, otac kvantne fizike.

Max Planck nije samo osnivač kvantne fizike, već i autor svjetski poznate kvantne teorije. Kvantna teorija je najvažnija komponenta kvantne fizike. Jednostavno rečeno, ova teorija opisuje kretanje, ponašanje i interakciju mikročestica. Osnivač kvantne fizike donio nam je i mnoge druge naučne radove koji su postali kamen temeljac moderne fizike:

• teorija toplotnog zračenja;
• specijalna teorija relativnosti;
• istraživanja u području termodinamike;
• istraživanja u oblasti optike.

Teorija kvantne fizike o ponašanju i interakciji mikročestica postala je osnova za fiziku kondenzirane materije, fiziku elementarnih čestica i fiziku visokih energija. Kvantna teorija nam objašnjava suštinu mnogih fenomena našeg svijeta – od funkcionisanja elektronskih kompjutera do strukture i ponašanja nebeskih tijela. Max Planck, tvorac ove teorije, zahvaljujući svom otkriću omogućio nam je da shvatimo pravu suštinu mnogih stvari na nivou elementarnih čestica. Ali stvaranje ove teorije daleko je od jedine zasluge naučnika. On je bio prvi koji je otkrio osnovni zakon univerzuma - zakon održanja energije. Doprinos Maksa Planka nauci teško je precijeniti. Ukratko, njegova otkrića su neprocenjiva za fiziku, hemiju, istoriju, metodologiju i filozofiju.

kvantna teorija polja

Ukratko, kvantna teorija polja je teorija opisa mikročestica, kao i njihovog ponašanja u prostoru, međusobne interakcije i međusobnih transformacija. Ova teorija proučava ponašanje kvantnih sistema unutar takozvanih stepeni slobode. Ovo lijepo i romantično ime mnogima od nas ništa ne govori. Za lutke, stepeni slobode su broj nezavisnih koordinata koje su potrebne za indikaciju kretanja mehaničkog sistema. Jednostavno rečeno, stepeni slobode su karakteristike kretanja. Zanimljiva otkrića u oblasti interakcije elementarnih čestica napravio je Steven Weinberg. Otkrio je takozvanu neutralnu struju - princip interakcije između kvarkova i leptona, za šta je dobio Nobelovu nagradu 1979. godine.

Kvantna teorija Maxa Plancka

Devedesetih godina osamnaestog veka, nemački fizičar Maks Plank se bavio proučavanjem toplotnog zračenja i na kraju dobio formulu za raspodelu energije. Kvantna hipoteza, koja je nastala u toku ovih studija, označila je početak kvantne fizike, kao i kvantne teorije polja, otkrivene 1900. godine. Plankova kvantna teorija je da se tokom toplotnog zračenja proizvedena energija emituje i apsorbuje ne stalno, već epizodično, kvantno. 1900. godina, zahvaljujući ovom otkriću Maxa Plancka, postala je godina rođenja kvantne mehanike. Vrijedi spomenuti i Planckovu formulu. Ukratko, njegova suština je sljedeća - zasniva se na odnosu tjelesne temperature i njenog zračenja.

Kvantno-mehanička teorija strukture atoma

Kvantno mehanička teorija strukture atoma jedna je od osnovnih teorija pojmova u kvantnoj fizici, pa i u fizici općenito. Ova teorija nam omogućava da razumijemo strukturu svega materijalnog i otvara veo tajne nad onim od čega se stvari zapravo sastoje. A zaključci zasnovani na ovoj teoriji su vrlo neočekivani. Razmotrite ukratko strukturu atoma. Dakle, od čega je atom zapravo napravljen? Atom se sastoji od jezgra i oblaka elektrona. Osnova atoma, njegovo jezgro, sadrži gotovo cijelu masu samog atoma - više od 99 posto. Jezgro uvijek ima pozitivan naboj i ono određuje kemijski element čiji je atom dio. Najzanimljivija stvar u vezi sa jezgrom atoma je da sadrži gotovo cijelu masu atoma, ali istovremeno zauzima samo jednu desethiljadinu njegovu zapreminu. Šta iz ovoga slijedi? A zaključak je vrlo neočekivan. To znači da je gusta materija u atomu samo jedan desethiljaditi dio. A šta je sa svim ostalim? Sve ostalo u atomu je oblak elektrona.

Elektronski oblak nije trajna i čak, u stvari, nije materijalna supstanca. Oblak elektrona je samo vjerovatnoća pojave elektrona u atomu. Odnosno, jezgro zauzima samo desethiljaditi dio atoma, a sve ostalo je praznina. A ako uzmemo u obzir da se svi objekti oko nas, od čestica prašine do nebeskih tijela, planeta i zvijezda, sastoje od atoma, ispada da se sve materijalno zapravo sastoji od više od 99 posto praznine. Ova teorija izgleda potpuno nevjerovatna, a njen autor, u najmanju ruku, zavedena osoba, jer stvari koje postoje okolo imaju čvrstu konzistenciju, imaju težinu i mogu se osjetiti. Kako se može sastojati od praznine? Da li se greška uvukla u ovu teoriju strukture materije? Ali ovdje nema greške.

Sve materijalne stvari izgledaju guste samo zbog interakcije između atoma. Stvari imaju čvrstu i gustu konzistenciju samo zbog privlačenja ili odbijanja između atoma. Time se osigurava gustina i tvrdoća kristalne rešetke hemikalija, od kojih se sastoji sav materijal. Ali, zanimljiva stvar, kada se, na primjer, mijenjaju temperaturni uvjeti okoline, veze između atoma, odnosno njihovo privlačenje i odbijanje, mogu oslabiti, što dovodi do slabljenja kristalne rešetke, pa čak i do njenog uništenja. Ovo objašnjava promjenu fizičkih svojstava tvari pri zagrijavanju. Na primjer, kada se gvožđe zagreje, ono postaje tečno i može se oblikovati u bilo koji oblik. A kada se led topi, uništavanje kristalne rešetke dovodi do promjene stanja materije, a iz čvrstog se pretvara u tekućinu. Ovo su jasni primjeri slabljenja veza između atoma i, kao rezultat toga, slabljenja ili uništenja kristalne rešetke, te omogućavaju da tvar postane amorfna. A razlog za takve misteriozne metamorfoze je upravo taj što se supstance sastoje od guste materije samo za jednu desethiljadinu, a sve ostalo je praznina.

A čini se da su tvari čvrste samo zbog jakih veza između atoma čijim se slabljenjem tvar mijenja. Dakle, kvantna teorija strukture atoma nam omogućava da potpuno drugačije pogledamo svijet oko nas.

Osnivač teorije atoma, Niels Bohr, iznio je zanimljiv koncept da elektroni u atomu ne zrače energiju stalno, već samo u trenutku prijelaza između putanja svog kretanja. Borova teorija pomogla je da se objasne mnoge unutaratomske procese, a također je napravila iskorak u nauci o hemiji, objašnjavajući granice tabele koju je stvorio Mendeljejev. Prema , posljednji element koji može postojati u vremenu i prostoru ima redni broj sto trideset i sedam, a elementi koji počinju od sto trideset osmog ne mogu postojati, jer je njihovo postojanje u suprotnosti s teorijom relativnosti. Također, Borova teorija je objasnila prirodu takvog fizičkog fenomena kao što su atomski spektri.

Ovo su spektri interakcije slobodnih atoma, koji proizlaze iz zračenja energije između njih. Takve pojave su tipične za plinovite, parne tvari i tvari u stanju plazme. Tako je kvantna teorija napravila revoluciju u svijetu fizike i omogućila naučnicima da napreduju ne samo u oblasti ove nauke, već i u oblasti mnogih srodnih nauka: hemije, termodinamike, optike i filozofije. I također omogućio čovječanstvu da pronikne u tajne prirode stvari.

Čovječanstvo treba još mnogo da uradi u svojoj svijesti kako bi spoznalo prirodu atoma, razumjelo principe njihovog ponašanja i interakcije. Shvativši ovo, moći ćemo razumjeti prirodu svijeta oko nas, jer sve što nas okružuje, počevši od čestica prašine i završavajući samim suncem, i mi sami - sve se sastoji od atoma čija je priroda tajanstvena i neverovatna i puna mnogo tajni.

Kako moderni teoretski fizičari razvijaju nove teorije koje opisuju svijet? Šta oni dodaju kvantnoj mehanici i opštoj relativnosti da bi izgradili "teoriju svega"? O kojim se ograničenjima govori u člancima koji govore o odsustvu “nove fizike”? Na sva ova pitanja možete odgovoriti ako razumete šta je akcija- objekt koji leži u osnovi svih postojećih fizičkih teorija. U ovom članku ću objasniti šta fizičari razumiju pod djelovanjem, a također ću pokazati kako se to može koristiti za izgradnju stvarne fizičke teorije, koristeći samo nekoliko jednostavnih pretpostavki o svojstvima sistema koji se razmatra.

Odmah vas upozoravam: članak će sadržavati formule, pa čak i jednostavne proračune. Međutim, oni se mogu preskočiti bez velike štete za razumijevanje. Uopšteno govoreći, ovdje dajem formule samo za one zainteresirane čitatelje koji svakako žele sve sami shvatiti.

Jednačine

Fizika opisuje naš svijet jednadžbama koje povezuju različite fizičke veličine – brzinu, silu, jačinu magnetnog polja itd. Gotovo sve takve jednadžbe su diferencijalne, odnosno sadrže ne samo funkcije koje ovise o veličinama, već i njihove derivate. Na primjer, jedna od najjednostavnijih jednadžbi koja opisuje gibanje točkastog tijela sadrži drugi izvod njegove koordinate:

Ovdje sam označio drugi izvod u odnosu na vrijeme sa dvije tačke (odnosno, jedna tačka će označavati prvi izvod). Naravno, ovo je drugi Njutnov zakon, koji je on otkrio krajem 17. veka. Newton je bio jedan od prvih koji je prepoznao potrebu za pisanjem jednadžbi kretanja u ovom obliku, a također je razvio diferencijalni i integralni račun potreban za njihovo rješavanje. Naravno, većina fizičkih zakona je mnogo komplikovanija od Newtonovog drugog zakona. Na primjer, sistem hidrodinamičkih jednačina je toliko složen da naučnici još uvijek ne znaju da li je općenito rješiv ili ne. Problem postojanja i glatkoće rješenja ovog sistema čak je uvršten na listu "milenijumskih problema", a za njegovo rješenje je Clay Mathematical Institute nominovao nagradu od milion dolara.

Ali kako fizičari pronalaze ove diferencijalne jednadžbe? Dugo vremena jedini izvor novih teorija bio je eksperiment. Drugim riječima, prvo što je naučnik uradio bilo je mjerenje nekoliko fizičkih veličina, a tek onda je pokušao da utvrdi u kakvom su odnosu. Na primjer, Kepler je na taj način otkrio tri poznata zakona nebeske mehanike, koji su kasnije doveli Newtona do njegove klasične teorije gravitacije. Ispostavilo se da se činilo da eksperiment "trči ispred teorije".

U modernoj fizici stvari su raspoređene malo drugačije. Naravno, eksperiment i dalje igra veoma važnu ulogu u fizici. Bez eksperimentalne potvrde, svaka teorija je samo matematički model – igračka za um koja nema nikakve veze sa stvarnim svijetom. Međutim, sada fizičari dobijaju jednadžbe koje opisuju naš svijet ne empirijskom generalizacijom eksperimentalnih činjenica, već ih izvode „iz prvih principa“, odnosno na osnovu jednostavnih pretpostavki o svojstvima opisanog sistema (na primjer, prostor-vreme ili elektromagnetni polje). Konačno, iz eksperimenta se određuju samo parametri teorije - proizvoljni koeficijenti koji ulaze u jednačinu koju je teoretičar izveo. Istovremeno, ključnu ulogu u teorijskoj fizici ima princip najmanje akcije, koju je prvi formulisao Pierre Maupertuis sredinom 18. stoljeća, a konačno generalizirao William Hamilton početkom 19. stoljeća.

Akcija

Šta je akcija? U najopštijoj formulaciji, akcija je funkcija koja povezuje putanje sistema (tj. funkcije koordinata i vremena) sa određenim brojem. Načelo najmanje akcije to kaže istinito radnja putanje će biti minimalna. Da biste razumjeli značenje ovih riječi, razmotrite sljedeći ilustrativni primjer, preuzet iz Feynmanovih predavanja o fizici.

Pretpostavimo da želimo da znamo po kojoj će se putanji kretati telo postavljeno u gravitaciono polje. Radi jednostavnosti, pretpostavit ćemo da je kretanje u potpunosti opisano visinom x(t), odnosno tijelo se kreće duž okomite linije. Pretpostavimo da znamo samo za kretanje koje tijelo počinje u tački x 1 na vrijeme t 1 i dolazi do tačke x 2 u trenutku t 2 , a ukupno vrijeme putovanja je T = t 2 − t jedan . Razmotrite funkciju L jednaka razlici kinetičke energije To i potencijalnu energiju P: L = To − P. Pretpostavljamo da potencijalna energija zavisi samo od koordinate čestice x(t), a kinetički - samo na svojoj brzini ẋ (t). Takođe definišemo akcija- funkcionalnost S, jednako prosječnoj vrijednosti L za cijelo putovanje: S = ∫ L(x, ẋ , t) d t.

Očigledno vrijednost Sće značajno zavisiti od oblika putanje x(t) - zapravo, zato ga zovemo funkcionalnim, a ne funkcijom. Ako se tijelo podigne previsoko (puta 2), prosječna potencijalna energija će se povećati, a ako se prečesto vrti (puta 3), kinetička energija će se povećati – uostalom, pretpostavili smo da je ukupno vrijeme kretanja tačno jednako T, što znači da tijelo treba povećati svoju brzinu kako bi imalo vremena da prođe sve zavoje. Zapravo, funkcionalnost S dostiže minimum na nekoj optimalnoj putanji, koja je dio parabole koji prolazi kroz tačke x 1 i x 2 (putanja 1). Sretnom koincidencijom, ova putanja se poklapa sa putanjom predviđenom drugim Newtonovim zakonom.

Primjeri staza koje spajaju tačke x 1 i x 2. Sivom bojom je označena putanja dobijena varijacijom prave putanje. Vertikalni smjer odgovara osi x, horizontalne - ose t

Je li ovo slučajnost? Naravno, ne slučajno. Da bismo ovo pokazali, pretpostavimo da znamo pravu putanju i razmotrimo je varijacije. Varijacija δ x(t) je takav dodatak putanji x(t), koji mijenja svoj oblik, ali ostavlja početnu i krajnju tačku na njihovim mjestima (vidi sliku). Pogledajmo koju vrijednost akcija poprima na putanjama koje se razlikuju od prave putanje za infinitezimalnu varijaciju. Funkcija proširenja L i računajući integral po dijelovima, dobijamo da je promjena S proporcionalno varijaciji δ x:

Ovdje je činjenica da je varijacija u tačkama x 1 i x 2 je nula - to nam je omogućilo da odbacimo termine koji se pojavljuju nakon integracije po dijelovima. Dobijeni izraz je vrlo sličan formuli za derivaciju, napisanoj u terminima diferencijala. Zaista, izraz δ S/δ x ponekad se naziva varijacioni derivat. Nastavljajući ovu analogiju, zaključujemo da uz dodatak malog aditiva δ x na pravu putanju, akcija ne bi trebalo da se menja, odnosno δ S= 0. Pošto sabiranje može biti praktično proizvoljno (fiksirali smo samo njegove krajeve), to znači da i integrand nestaje. Dakle, znajući akciju, može se dobiti diferencijalna jednačina koja opisuje kretanje sistema, Euler-Lagrangeova jednačina.

Vratimo se našem problemu sa tijelom koje se kreće u polju gravitacije. Podsjetimo da smo definirali funkciju L kao razlika između kinetičke i potencijalne energije tijela. Zamjenom ovog izraza u Euler-Lagrangeovu jednačinu, zapravo dobijamo Newtonov drugi zakon. Zaista, naša pretpostavka o obliku funkcije L pokazalo se vrlo uspješnim:

Ispostavilo se da je uz pomoć akcije moguće napisati jednadžbe kretanja u vrlo kratkom obliku, kao da „pakuje“ sve karakteristike sistema unutar funkcije L. Ovo je samo po sebi dovoljno zanimljivo. Međutim, radnja nije samo matematička apstrakcija, ona ima duboko fizičko značenje. Općenito, moderni teoretski fizičar prije svega ispisuje radnju, a tek onda izvodi jednačine kretanja i istražuje ih. U mnogim slučajevima, radnja za sistem se može konstruisati davanjem samo najjednostavnijih pretpostavki o njegovim svojstvima. Pogledajmo kako se to može učiniti na nekoliko primjera.

Slobodna relativistička čestica

Kada je Ajnštajn gradio specijalnu teoriju relativnosti (STR), postavio je nekoliko jednostavnih izjava o svojstvima našeg prostor-vremena. Prvo, on je homogen i izotropan, odnosno ne mijenja se s konačnim pomacima i rotacijama. Drugim riječima, bez obzira gdje se nalazite - na Zemlji, na Jupiteru ili u galaksiji Mali Magelanov oblak - u svim ovim tačkama, zakoni fizike funkcionišu na isti način. Osim toga, nećete primijetiti nikakvu razliku ako se krećete ravnomjerno – to je Ajnštajnov princip relativnosti. Drugo, nijedno tijelo ne može premašiti brzinu svjetlosti. To dovodi do činjenice da uobičajena pravila za ponovno izračunavanje brzina i vremena pri prebacivanju između različitih referentnih sistema - Galilejeve transformacije - treba zamijeniti ispravnijim Lorentz transformacijama. Kao rezultat toga, istinski relativistička veličina, ista u svim referentnim okvirima, postaje ne udaljenost, već interval - pravo vrijeme čestice. Interval s 1 − s 2 između dvije date tačke može se pronaći pomoću sljedeće formule, gdje c- brzina svjetlosti:

Kao što smo vidjeli u prethodnom dijelu, dovoljno nam je da zapišemo akciju za slobodnu česticu da bismo pronašli njenu jednačinu kretanja. Razumno je pretpostaviti da je akcija relativistička invarijanta, odnosno da izgleda isto u različitim referentnim okvirima, budući da su fizički zakoni u njima isti. Osim toga, željeli bismo da radnja bude napisana što jednostavnije (složeni izrazi ćemo ostaviti za kasnije). Najjednostavnija relativistička invarijanta koja se može povezati sa tačkastom česticom je dužina njene svjetske linije. Odabirom ove invarijante kao akcije (da bi dimenzija izraza bila tačna, pomnožimo je sa koeficijentom − mc) i mijenjajući ga, dobijamo sljedeću jednačinu:

Jednostavno rečeno, 4-ubrzanje slobodne relativističke čestice mora biti jednako nuli. 4-ubrzanje, kao i 4-brzina, je generalizacija koncepata ubrzanja i brzine na četverodimenzionalni prostor-vrijeme. Kao rezultat, slobodna čestica se može kretati samo duž date prave linije sa konstantnom brzinom od 4. U granici malih brzina, promjena intervala se praktički poklapa sa promjenom u vremenu, pa stoga jednačina koju smo dobili prelazi u drugi Newtonov zakon o kojem je već bilo riječi: mẍ= 0. S druge strane, uslov nulte 4-ubrzanja je također ispunjen za slobodnu česticu u općoj teoriji relativnosti, samo što u njoj prostor-vrijeme već počinje krivudati i čestica se neće nužno kretati ravnom linijom čak i u odsustvu spoljnih sila.

Elektromagnetno polje

Kao što znate, elektromagnetno polje se manifestira u interakciji s nabijenim tijelima. Obično se ova interakcija opisuje korištenjem vektora jakosti električnog i magnetskog polja, koji su povezani sistemom od četiri Maxwellove jednačine. Praktično simetričan oblik Maksvelovih jednačina sugeriše da ova polja nisu nezavisni entiteti – ono što nam se čini kao električno polje u jednom referentnom okviru može se pretvoriti u magnetno polje ako se prebacimo u drugi okvir.

Zaista, razmotrite žicu duž koje elektroni trče istom i konstantnom brzinom. U referentnom okviru povezanom s elektronima, postoji samo konstantno električno polje, koje se može pronaći pomoću Coulombovog zakona. Međutim, u originalnom referentnom okviru, kretanje elektrona stvara konstantnu električnu struju, koja zauzvrat inducira konstantno magnetsko polje (Biot-Savartov zakon). Istovremeno, prema principu relativnosti, u referentnim okvirima koje smo odabrali, zakoni fizike moraju se podudarati. To znači da su i električno i magnetsko polje dijelovi jednog, općenitijeg entiteta.

Tenzori

Prije nego što pređemo na kovarijantnu formulaciju elektrodinamike, vrijedi reći nekoliko riječi o matematici specijalne i opće relativnosti. Najvažniju ulogu u ovim teorijama igra koncept tenzora (i u drugim modernim teorijama, da budem iskren). Grubo govoreći, tenzor ranga ( n, m) može se zamisliti kao ( n+m)-dimenzionalna matrica čije komponente zavise od koordinata i vremena. Osim toga, tenzor se mora mijenjati na izvjestan lukav način kada se kreće iz jednog referentnog sistema u drugi ili kada se mijenja koordinatna mreža. Kako tačno, određuje broj kontravarijantnih i kovarijantnih indeksa ( n i m odnosno). U isto vrijeme, sam tenzor, kao fizički entitet, ne mijenja se pod takvim transformacijama, kao što se 4-vektor, koji je poseban slučaj tenzora ranga 1, ne mijenja pod njima.

Komponente tenzora su numerisane pomoću indeksa. Radi praktičnosti razlikuju se superskripti i indeksi kako bi se odmah videlo kako se tenzor transformiše pri promeni koordinata ili referentnih sistema. Na primjer, tenzorska komponenta T rang (3, 0) se piše kao Tαβγ , i tenzor U rang (2, 1) - as Uα β γ . Prema ustaljenoj tradiciji, komponente četvorodimenzionalnih tenzora su numerisane grčkim slovima, a trodimenzionalnih - latiničnim. Međutim, neki fizičari radije rade suprotno (na primjer, Landau).

Osim toga, radi sažetosti, Ajnštajn je predložio da se ne piše znak zbira "Σ" prilikom savijanja tenzorskih izraza. Konvolucija je zbir tenzora preko dva data indeksa, a jedan od njih mora biti "gornji" (kontravarijantni), a drugi "donji" (kovarijantan). Na primjer, da biste izračunali trag matrice - tenzor ranga (1, 1) - morate ga skupiti preko dva dostupna indeksa: Tr[ A μ ν ] = Σ A μ μ = Aμ μ . Možete podići i sniziti indekse koristeći metrički tenzor: T αβ γ = T αβμ g μγ .

Konačno, zgodno je uvesti apsolutno antisimetrični pseudotenzor ε μνρσ - tenzor koji mijenja predznak za bilo koju permutaciju indeksa (na primjer, ε μνρσ = −ε νμρσ) i čija je komponenta ε 1234 = +1. Naziva se i Levi-Civita tenzor. Pod rotacijama koordinatnog sistema, ε μνρσ se ponaša kao normalni tenzor, ali pod inverzijama (promena kao x → −x) se drugačije pretvara.

Zaista, vektori električnog i magnetskog polja su kombinovani u strukturu koja je invarijantna prema Lorentz transformacijama – to jest, ne menja se tokom prelaza između različitih (inercijalnih) referentnih okvira. Ovo je takozvani tenzor elektromagnetnog polja Fμν . Najbolje je to napisati u obliku sljedeće matrice:

Ovdje su komponente električnog polja označene slovom E, a komponente magnetnog polja - slovom H. Lako je vidjeti da je tenzor elektromagnetskog polja antisimetričan, odnosno da su njegove komponente na suprotnim stranama dijagonale jednake po apsolutnoj vrijednosti i imaju suprotne predznake. Ako želimo dobiti Maxwellove jednadžbe "iz prvih principa", moramo zapisati djelovanje elektrodinamike. Da bismo to učinili, moramo konstruirati najjednostavniju skalarnu kombinaciju tenzorskih objekata koje imamo, na neki način povezane sa svojstvima polja ili prostor-vremena.

Ako razmislite o tome, imamo mali izbor - samo tenzor polja može djelovati kao "građevinski blokovi" Fμν , metrički tenzor gμν i apsolutno antisimetrični tenzor ε μνρσ . Od toga možete prikupiti samo dvije skalarne kombinacije, a jedna od njih je totalni izvod, odnosno može se zanemariti prilikom izvođenja Euler-Lagrangeovih jednačina - nakon integracije, ovaj dio će se jednostavno pretvoriti u nulu. Odabirom preostale kombinacije kao radnju i njenim variranjem, dobijamo par Maksvelovih jednačina - pola sistema (prvi red). Čini se da smo propustili dvije jednačine. Međutim, zapravo ne trebamo pisati akciju da bismo izveli preostale jednačine - one slijede direktno iz antisimetrije tenzora Fμν (drugi red):

Još jednom smo dobili ispravne jednačine kretanja odabirom najjednostavnije moguće kombinacije kao akcije. Istina, pošto nismo uzeli u obzir postojanje naelektrisanja u našem prostoru, dobili smo jednadžbe za slobodno polje, odnosno za elektromagnetski talas. Kada se teoriji dodaju naboji, njihov uticaj se takođe mora uzeti u obzir. Ovo se radi uključivanjem vektora sa 4 struje u akciji.

gravitacija

Pravi trijumf principa najmanje akcije u svoje vreme bila je izgradnja opšte teorije relativnosti (GR). Zahvaljujući njemu prvi su izvedeni zakoni kretanja, do kojih naučnici nisu mogli doći analizom eksperimentalnih podataka. Ili su mogli, ali nisu. Umjesto toga, Ajnštajn (i Hilbert, ako hoćete) izveli su jednačine u smislu metrike na osnovu pretpostavki o svojstvima prostor-vremena. Počevši od ovog trenutka, teorijska fizika je počela da "prestiže" eksperimentalnu.

U GR, metrika prestaje biti konstantna (kao u SRT) i počinje ovisiti o gustoći energije koja se nalazi u njoj. Napominjem da je ispravnije govoriti o energiji, a ne o masi, iako su ove dvije veličine povezane relacijom E = mc 2 u svom vlastitom referentnom okviru. Da vas podsjetim da metrika postavlja pravila po kojima se računa udaljenost između dvije tačke (strogo govoreći, beskonačno bliske tačke). Važno je da metrika ne zavisi od izbora koordinatnog sistema. Na primjer, ravan trodimenzionalni prostor može se opisati korištenjem kartezijanskog ili sfernog koordinatnog sistema, ali će u oba slučaja metrika prostora biti ista.

Da bismo zapisali radnju za gravitaciju, moramo izgraditi neku vrstu invarijante iz metrike, koja se neće promijeniti kada se promijeni koordinatna mreža. Najjednostavnija takva invarijanta je metrička determinanta. Međutim, ako to samo omogućimo, nećemo dobiti diferencijal jednadžba, budući da ovaj izraz ne sadrži derivate metrike. A ako jednadžba nije diferencijalna, ne može opisati situacije u kojima se metrika mijenja tokom vremena. Stoga moramo akciji dodati najjednostavniju invarijantu koja sadrži derivate gμν . Takva invarijanta je takozvani Ricci skalar R, koji se dobija konvolucijom Riemanovog tenzora Rμνρσ , koji opisuje zakrivljenost prostor-vremena:

Robert Couse-Baker/flickr.com

Teorija svega

Konačno, vrijeme je da progovorimo o "teoriji svega". Ovo je naziv za nekoliko teorija koje pokušavaju kombinirati opću relativnost i standardni model - dvije glavne fizičke teorije poznate u ovom trenutku. Naučnici čine takve pokušaje ne samo iz estetskih razloga (što je manje teorija potrebno za razumijevanje svijeta, to bolje), već i iz uvjerljivijih razloga.

I GR i standardni model imaju granice primjenjivosti, nakon čega prestaju s radom. Na primjer, opšta teorija relativnosti predviđa postojanje singulariteta - tačaka u kojima gustoća energije, a time i zakrivljenost prostor-vremena, teži ka beskonačnosti. Ne samo da su beskonačnosti same po sebi neprijatne – pored ovog problema, Standardni model navodi da se energija ne može lokalizovati u nekoj tački, već se mora rasporediti na neki, iako mali, volumen. Stoga, u blizini singularnosti, efekti i GR i Standardnog modela bi trebali biti veliki. Istovremeno, opšta teorija relativnosti još nije kvantizovana, a standardni model je izgrađen na pretpostavci ravnog prostor-vremena. Ako želimo razumjeti šta se dešava oko singulariteta, moramo razviti teoriju koja uključuje obje ove teorije.

Imajući u vidu uspeh principa najmanjeg efekta u prošlosti, naučnici sve svoje pokušaje da izgrade novu teoriju na njemu zasnivaju. Sjećate se da smo razmatrali samo najjednostavnije kombinacije kada smo gradili akciju za različite teorije? Tada su naše akcije okrunjene uspjehom, ali to uopće ne znači da je najjednostavnija akcija najispravnija. Uopšteno govoreći, priroda ne mora prilagođavati svoje zakone kako bi nam olakšala život.

Stoga je razumno uključiti sljedeće, složenije invarijantne veličine u akciju i vidjeti kuda to vodi. Na neki način, ovo liči na sukcesivnu aproksimaciju funkcije polinomima sve viših stupnjeva. Jedini problem je što sve takve korekcije dolaze u igru ​​sa nekim nepoznatim koeficijentima koji se ne mogu teoretski izračunati. Takođe, pošto Standardni model i opšta teorija relativnosti i dalje dobro funkcionišu, ovi koeficijenti moraju biti veoma mali - stoga ih je teško odrediti eksperimentom. Brojni radovi koji izvještavaju o "ograničenjima nove fizike" isto su usmjereni na određivanje koeficijenata na višim redovima teorije. Do sada su uspjeli pronaći samo gornje granice.

Osim toga, postoje pristupi koji uvode nove, netrivijalne koncepte. Na primjer, teorija struna sugerira da se svojstva našeg svijeta mogu opisati uz pomoć vibracija ne točkastih, već proširenih objekata - struna. Nažalost, eksperimentalna potvrda teorije struna još nije pronađena. Na primjer, predvidjela je neka uzbuđenja na akceleratorima, ali se nikada nisu pojavila.

Općenito, ne izgleda da su se naučnici približili otkrivanju „teorije svega“. Vjerovatno teoretičari još uvijek moraju smisliti nešto suštinski novo. Međutim, nema sumnje da je prva stvar koju rade je da napišu akciju za novu teoriju.

***

Ako su vam se svi ovi argumenti činili komplikovani i prelistavali ste članak bez čitanja, evo kratkog sažetka činjenica o kojima se u njemu govori. Prvo, sve moderne fizičke teorije se na ovaj ili onaj način oslanjaju na pojam akcije- količina koja opisuje koliko sistemu „sviđa“ ova ili ona putanja kretanja. Drugo, jednadžbe kretanja sistema se mogu dobiti traženjem putanje na kojoj se akcija odvija najmanje značenje. Treće, radnja se može konstruisati koristeći samo nekoliko elementarnih pretpostavki o svojstvima sistema. Na primjer, o činjenici da su zakoni fizike isti u referentnim okvirima koji se kreću različitim brzinama. Četvrto, neki od kandidata za "teoriju svega" dobijaju se jednostavnim dodavanjem pojmova radu Standardnog modela i GR koji krše neke od pretpostavki ovih teorija. Na primjer, Lorentz invarijantnost. Ako se nakon čitanja članka sjetite gornjih izjava, to je dobro. A ako i shvatite odakle dolaze - divno.

Dmitry Trunin