فیزیک کوانتومی آیا ما هرگز یک "نظریه همه چیز" خواهیم داشت؟ نظریه فیزیک کوانتومی همه چیز

این متن نتایج جدیدی را در زمینه عصب شناسی و حل بسیاری از مسائل حل نشده فیزیک ارائه می دهد. این کتاب به سؤالات متافیزیک نمی پردازد و بر اساس داده های علمی قابل تأیید است، بلکه موضوعات فلسفی مربوط به زندگی، مرگ و منشأ جهان را مورد بررسی قرار می دهد.
با توجه به لایه بندی و اشباع اطلاعات، ممکن است لازم باشد چندین بار آن را بخوانید تا علیرغم تلاش هایمان، مفاهیم پیچیده علمی را ساده کنیم.



فصل 1
خدا در نورون هاست







مغز انسان شبکه ای متشکل از صد میلیارد نورون است. احساسات مختلف پیوندهای عصبی را تشکیل می دهند که احساسات مختلف را بازتولید می کنند. بسته به تحریک نورون ها، برخی از اتصالات قوی تر و موثرتر می شوند، در حالی که برخی دیگر ضعیف می شوند. نامیده می شودنوروپلاستیسیته

یک دانشجوی موسیقی ارتباطات عصبی قوی تری بین دو نیمکره مغز ایجاد می کند تا خلاقیت موسیقی را توسعه دهد. تقریباً هر استعداد یا مهارتی را می توان از طریق آموزش پرورش داد.

رودیگر گام خود را دانش آموز ناامید می دانست و حتی نمی توانست با ریاضیات ابتدایی کنار بیاید. او شروع به توسعه توانایی های خود کرد و به یک ماشین حساب انسانی تبدیل شد که قادر به انجام محاسبات بسیار پیچیده بود. عقلانیت و ثبات عاطفی به همین صورت عمل می کنند. اتصالات عصبی را می توان تقویت کرد.

وقتی کاری را انجام می دهید، از نظر فیزیکی مغز خود را تغییر می دهید تا به نتایج بهتری برسید. از آنجایی که خودآگاهی مکانیسم اصلی و اساسی مغز است، می تواند تجربه زندگی ما را تا حد زیادی غنی کند.



علوم اعصاب اجتماعی



نورون‌ها و انتقال‌دهنده‌های عصبی خاص مانند نوراپی‌نفرین وقتی احساس می‌کنیم که افکارمان باید از تأثیرات بیرونی محافظت شوند، مکانیسم دفاعی را راه‌اندازی می‌کنند. اگر نظر کسی با نظر ما متفاوت باشد، همان مواد شیمیایی وارد مغز می شود که بقای ما را در موقعیت های خطرناک تضمین می کند.








در این حالت حفاظتی، بیشتربخش ابتدایی مغز با تفکر عقلانی تداخل دارد وسیستم لیمبیک می تواند حافظه کاری ما را مسدود کند و از نظر فیزیکی "محدودیت های فکری" ایجاد کند.

این را می توان در هنگام قلدری، یا هنگام بازی پوکر، یا زمانی که فردی در بحث سرسخت است، مشاهده کرد.

مهم نیست که ایده چقدر ارزشمند است، در این حالت مغز قادر به پردازش آن نیست. در سطح عصبی، او آن را به عنوان یک تهدید درک می کند، حتی اگر عقاید یا حقایقی بی ضرر باشد که ممکن است در غیر این صورت با آنها موافق باشیم.

اما زمانی که خودمان را بیان می کنیم و از نظراتمان قدردانی می شود، سطح مواد محافظ در مغز کاهش می یابد و انتقال دوپامین نورون های پاداش را فعال می کند و قدرت و اعتماد به نفس خود را احساس می کنیم. باورهای ما به طور قابل توجهی بر شیمی بدن ما تأثیر می گذارد. این همان چیزی است که اثر دارونما بر اساس آن است. عزت نفس و اعتماد به نفس با انتقال دهنده عصبی سروتونین مرتبط است.

کمبود شدید اغلب منجر به افسردگی، رفتارهای خود ویرانگر و حتی خودکشی می شود. وقتی جامعه از ما قدردانی می کند، سطح دوپامین و سروتونین را در مغز افزایش می دهد و به ما اجازه می دهد تثبیت عاطفی را رها کنیم و سطح خودآگاهی خود را افزایش دهیم.



نورون های آینه ای و آگاهی



روانشناسی اجتماعی اغلب به نیاز اساسی انسان برای «یافتن جایگاه خود» می پردازد و آن را «نفوذ اجتماعی هنجاری» می نامد. همانطور که ما بزرگتر می شویم، قطب نمای اخلاقی و اخلاقی ما تقریباً به طور کامل توسط محیط بیرونی ما شکل می گیرد. بنابراین، اعمال ما اغلب بر اساس ارزیابی جامعه از ما است.








اما یافته های جدید در علوم اعصاب به ما درک روشن تری از فرهنگ و فردیت می دهد. تحقیقات جدید عصبی وجود نورون های آینه ای همدل را تایید کرده است.

هنگامی که ما احساسات را تجربه می کنیم یا اعمالی را انجام می دهیم، نورون های خاصی فعال می شوند. اما وقتی می‌بینیم که شخص دیگری این کار را انجام می‌دهد یا آن را تصور می‌کنیم، بسیاری از همان نورون‌ها آتش می‌زنند که انگار خودمان این کار را انجام می‌دهیم. این نورون های همدل ما را به افراد دیگر متصل می کنند و به ما اجازه می دهند آنچه را که دیگران احساس می کنند احساس کنیم.

از آنجایی که همین نورون‌ها به تخیل ما پاسخ می‌دهند، بازخورد عاطفی از آن‌ها به همان روشی که از شخص دیگری دریافت می‌کنیم، دریافت می‌کنیم. این سیستم به ما امکان درون نگری را می دهد.

نورون های آینه ای بین خود و دیگران تبعیض قائل نمی شوند. بنابراین، ما بسیار وابسته به ارزیابی دیگران و تمایل به رعایت هستیم.

ما دائماً در معرض دوگانگی بین اینکه چگونه خودمان را می بینیم و دیگران چگونه ما را درک می کنند، هستیم. می تواند در شخصیت و عزت نفس ما اختلال ایجاد کند.






اسکن مغز نشان می دهد که ما این احساسات منفی را حتی قبل از اینکه متوجه شویم تجربه می کنیم. اما وقتی خودآگاه باشیم، می‌توانیم احساسات اشتباه را تغییر دهیم، زیرا می‌توانیم افکاری را که باعث آنها می‌شوند کنترل کنیم.

این یک پیامد عصبی شیمیایی از نحوه محو شدن خاطرات و نحوه بازیابی آنها از طریق سنتز پروتئین است.

درون نگری تا حد زیادی بر نحوه عملکرد مغز تأثیر می‌گذارد و نواحی نئوکورتیکال خود تنظیمی را فعال می‌کند که به ما اجازه می‌دهد به وضوح احساسات خود را کنترل کنیم. هرگاه این کار را انجام دهیم، عقلانیت و ثبات عاطفی ما افزایش می یابد. بدون خودکنترلی، بیشتر افکار و اعمال ما تکانشی هستند و این واقعیت است که ما به طور تصادفی واکنش نشان می دهیم و آگاهانه انتخاب نمی کنیم.

به طور غریزی ما را آزار می دهد.






برای از بین بردن این موضوع، مغز به دنبال توجیه رفتار ما است و از طریق تثبیت مجدد حافظه، خاطرات را به طور فیزیکی بازنویسی می کند و باعث می شود باور کنیم که کنترل اعمال خود را در دست داریم. به این عقلانیت گذشته نگر می گویند که اکثر احساسات منفی ما را حل نشده رها می کند و می توانند در هر زمانی شعله ور شوند. آنها ناراحتی درونی را تغذیه می کنند در حالی که مغز به توجیه رفتار غیرمنطقی ما ادامه می دهد. تمام این رفتار پیچیده و تقریباً اسکیزوفرنی ناخودآگاه کار سیستم‌های موازی گسترده در مغز ما است.



آگاهی مرکز مشخصی ندارد. وحدت ظاهری به این دلیل است که هر مدار منفرد در یک لحظه خاص از زمان فعال شده و خود را نشان می دهد. تجربه ما دائماً ارتباطات عصبی ما را تغییر می دهد، سیستم موازی آگاهی ما را از نظر فیزیکی تغییر می دهد. مداخله مستقیم در این امر می تواند اثرات سورئال داشته باشد، که این سوال را مطرح می کند که آگاهی چیست و در کجا قرار دارد.



اگر نیمکره چپ مغز از نیمکره راست جدا شود، مانند بیمارانی که دچار انشعاب مغزی شده اند، با کمک نیمکره چپ، توانایی صحبت و تفکر را حفظ خواهید کرد، در حالی که توانایی های شناختی نیمکره راست به شدت محدود خواهد شد. نیمکره چپ از فقدان سمت راست رنج نمی برد، اگرچه این به طور جدی درک شما را تغییر می دهد.

به عنوان مثال، شما نمی توانید سمت راست صورت کسی را توصیف کنید، اما متوجه آن خواهید شد، آن را به عنوان یک مشکل نخواهید دید، و حتی متوجه نمی شوید که چیزی تغییر کرده است. از آنجایی که این نه تنها بر درک شما از دنیای واقعی، بلکه بر تصاویر ذهنی شما نیز تأثیر می گذارد، این فقط یک مشکل ادراک نیست، بلکه یک تغییر اساسی در آگاهی است.



خدا در نورون هاست



هر نورون دارای یک ولتاژ الکتریکی است که با یون ها تغییر می کند

وارد سلول شوید یا از آن خارج شوید. هنگامی که ولتاژ به سطح معینی می رسد، نورون سیگنال الکتریکی را به سلول های دیگر می فرستد، جایی که فرآیند تکرار می شود.

هنگامی که بسیاری از نورون ها سیگنالی را به طور همزمان منتشر می کنند، می توانیم آن را به صورت موج اندازه گیری کنیم.

امواج مغزی تقریباً مسئول هر چیزی است که در مغز ما اتفاق می افتد، از جمله حافظه، توجه و حتی هوش.

نوسانات فرکانس های مختلف به عنوان امواج آلفا، بتا و گاما طبقه بندی می شوند. هر نوع موج با وظایف مختلفی همراه است. امواج به سلول‌های مغز اجازه می‌دهند تا با نادیده گرفتن سیگنال‌های خارجی، فرکانس مناسب را برای کار تنظیم کنند.

درست مانند یک رادیو که در ایستگاه رادیویی کوک می شود. انتقال اطلاعات بین نورون ها زمانی بهینه می شود که فعالیت آنها هماهنگ شود.

به همین دلیل است که ما ناهماهنگی شناختی را تجربه می کنیم - تحریک ناشی از دو ایده ناسازگار. اراده تمایل به کاهش ناهماهنگی بین هر یک از مدارهای عصبی فعال است.



تکامل را می‌توان همان فرآیندی دانست که در آن طبیعت سعی می‌کند خود را با محیط سازگار کند، یعنی «طنین‌انداز» کند. بنابراین او به سطحی رسید که به خودآگاهی رسید و شروع به فکر کردن به وجود خود کرد.

زمانی که فرد با پارادوکس تلاش برای رسیدن به هدفی مواجه می شود و فکر می کند که هستی معنا ندارد، ناهماهنگی شناختی رخ می دهد.






بنابراین، بسیاری از مردم به معنویت و دین روی می آورند و علم را رد می کنند که قادر به پاسخگویی به سؤالات وجودی نیست که من کیستم؟ و من برای چه هستم؟



من...



نورون های آینه ای بین خود و دیگران تبعیض قائل نمی شوند. "

نیمکره چپ تا حد زیادی مسئول ایجاد یک سیستم اعتقادی منسجم است که حس تداوم را در زندگی ما حفظ می کند.

تجربه جدید با نظام اعتقادی موجود مقایسه می شود و اگر در آن قرار نگیرد، به سادگی رد می شود. تعادل توسط نیمکره راست مغز انجام می شود که نقش مخالف را ایفا می کند.



در حالی که نیمکره چپ برای حفظ الگو تلاش می کند، نیمکره راست به طور مداوم

وضعیت موجود را زیر سوال می برد اگر اختلافات خیلی زیاد باشد، نیمکره راست ما را وادار می کند تا در جهان بینی خود تجدید نظر کنیم. اما اگر باورهای ما خیلی قوی باشد، مغز مناسب ممکن است بر طرد شدن ما غلبه نکند. این می تواند مشکلات زیادی در بازتاب دیگران ایجاد کند.

هنگامی که ارتباطات عصبی که باورهای ما را تعیین می کنند توسعه نیافته یا فعال نباشند، آگاهی ما، وحدت همه مدارهای فعال، با فعالیت نورون های آینه ای پر می شود، درست مانند زمانی که گرسنه هستیم، آگاهی ما با فرآیندهای عصبی مرتبط با تغذیه پر می شود.



این نتیجه فرمان‌های «من» مرکزی به نواحی مختلف مغز نیست.

تمام قسمت‌های مغز می‌توانند فعال یا غیرفعال باشند و بدون هسته مرکزی در تعامل باشند. همانطور که پیکسل های روی صفحه می توانند یک تصویر قابل تشخیص را تشکیل دهند، گروهی از تعاملات عصبی نیز می توانند خود را به عنوان آگاهی بیان کنند.

در هر لحظه ما یک تصویر متفاوت هستیم. وقتی دیگران را منعکس می کنیم، وقتی گرسنه هستیم، وقتی این فیلم را تماشا می کنیم. هر ثانیه ما تبدیل به یک فرد متفاوت می شویم و از حالات مختلفی می گذریم.

وقتی از طریق نورون های آینه ای به خود نگاه می کنیم، ایده فردیت را ایجاد می کنیم.

اما وقتی این کار را با درک علمی انجام می دهیم، چیز کاملاً متفاوتی می بینیم.






فعل و انفعالات عصبی که آگاهی ما را ایجاد می کنند بسیار فراتر از نورون های ما هستند. ما نتیجه فعل و انفعالات الکتروشیمیایی بین نیمکره های مغز و حواس خود هستیم و نورون های خود را با سایر نورون های محیط اطراف خود متصل می کنیم. هیچ چیز خارجی وجود ندارد. این یک فلسفه فرضی نیست، این ویژگی اساسی نورون های آینه ای است که به ما امکان می دهد خود را از طریق دیگران درک کنیم.



در نظر گرفتن این فعالیت عصبی به عنوان متعلق به خود، به استثنای محیط، اشتباه است. تکامل همچنین جنبه ما از ابر ارگانیسم را منعکس می کند، جایی که بقای ما، به عنوان نخستی ها، به توانایی های جمعی بستگی دارد.

با گذشت زمان، نواحی نئوکورتیکال تکامل یافته اند تا امکان جابجایی غریزی و سرکوب تکانه های لذت طلبانه را به نفع گروه فراهم کنند. ژن‌های ما شروع به توسعه رفتار اجتماعی متقابل در ساختارهای یک ابر ارگانیسم کردند و در نتیجه ایده «بقای بهترین‌ها» را کنار گذاشتند.



زمانی که هیچ ناهماهنگی بین نواحی پیشرفته مغز و نواحی قدیمی تر و ابتدایی تر وجود نداشته باشد، مغز کارآمدترین عملکرد را دارد. آنچه ما آن را "گرایش های خودخواهانه" می نامیم، تنها تفسیر محدودی از رفتار خودخواهانه است، زمانی که ویژگی های یک فرد از طریق یک الگوی نادرست فردیت درک می شود ...

به جای یک دیدگاه علمی از اینکه ما چه کسی هستیم، یک تصویر آنی و همیشه در حال تغییر

یک کل واحد بدون مرکز



پیامد روانشناختی این سیستم اعتقادی، خودآگاهی بدون اشاره به «من» خیالی است که منجر به افزایش وضوح ذهنی، آگاهی اجتماعی، خودکنترلی و آنچه اغلب «اینجا و اکنون بودن» نامیده می شود، می شود.






عقیده ای وجود دارد که برای شکل دادن به ارزش های اخلاقی به تاریخ نیاز داریم، نگاه زمانی به زندگی خود.

اما درک کنونی ما از ماهیت همدلانه و اجتماعی مغز نشان می‌دهد که یک دیدگاه کاملاً علمی، بدون اشاره به فردیت و «تاریخ»، نظام مفاهیمی بسیار دقیق‌تر، سازنده‌تر و اخلاقی‌تر از ارزش‌های متفاوت ما ارائه می‌دهد.



این منطقی است زیرا تمایل عادی ما به تعریف خودمان به عنوان یک ثابت فردی خیالی، مغز را به سمت اختلالات شناختی مانند کلیشه‌سازی سرزده و نیاز به تعیین انتظارات سوق می‌دهد.






میل به طبقه بندی در قلب همه اشکال تعامل ما نهفته است. اما با طبقه بندی ایگو به عنوان درونی و محیط به عنوان خارجی، فرآیندهای عصبی شیمیایی خود را محدود می کنیم و احساس قطع ارتباط آشکاری را تجربه می کنیم.

رشد شخصی و عوارض جانبی آن مانند شادی و رضایت زمانی تحریک می شود که در تعاملات خود کلیشه ای نداشته باشیم.



ممکن است دیدگاه‌های متفاوتی داشته باشیم و با یکدیگر مخالف باشیم، اما تعاملاتی که بدون قضاوت ما را همانطور که هستیم می‌پذیرند، تبدیل به کاتالیزورهای عصبی روان‌شناختی می‌شوند که مغز را تحریک می‌کنند.

دیگران را بپذیرید و سیستم های اعتقادی قابل اثبات عقلانی را بدون ناهماهنگی شناختی بپذیرید.

تحریک این فعالیت و تعامل عصبی نیاز به حواس پرتی و سرگرمی را آزاد می کند و چرخه هایی از رفتار سازنده را در محیط ما ایجاد می کند. جامعه شناسان کشف کرده اند که پدیده هایی مانند سیگار کشیدن و پرخوری، احساسات و ایده ها در جامعه به همان شیوه ای که سیگنال های الکتریکی نورون ها هنگام هماهنگ شدن فعالیت آنها منتقل می شود، توزیع می شود.






ما یک شبکه جهانی از واکنش های عصبی شیمیایی هستیم. چرخه خود تکاملی قدردانی و شناخت، که با تصمیمات روزانه تداوم می یابد، واکنش زنجیره ای است که در نهایت توانایی جمعی ما را برای غلبه بر تقسیمات ظاهری و نگاه کردن به زندگی در ساختار جهانی آن تعیین می کند.

فصل 2
ساختار جهانی



در طول تحقیقات Chiren، من یک بررسی ساده اما جامع از نتایج فعلی او انجام داده ام.

این یکی از تعابیر کار وحدت استفیزیک کوانتومی و نظریه نسبیت

این موضوع پیچیده است و ممکن است درک آن دشوار باشد. همچنین حاوی برخی از نتایج فلسفی است که در پایان به آنها اشاره خواهد شد.



در طول قرن گذشته، دستاوردهای شگفت انگیز بسیاری وجود داشته است که منجر به تغییر در سیستم علمی درک جهان شده است.نظریه نسبیت انیشتین نشان داد که زمان و مکان یک پارچه واحد را تشکیل می دهند. ولینیلز بور اجزای اصلی ماده را به لطف فیزیک کوانتومی آشکار کرد - میدانی که فقط به عنوان یک "توصیف فیزیکی انتزاعی" وجود دارد.








پس از آن، لویی دو بروگلی کشف کرد که همه مواد، نه فقط فوتون ها و الکترون ها، یک کوانتوم دارنددوگانگی موج - ذره . اینها منجر به ظهور مکاتب فکری جدیدی در مورد ماهیت واقعیت و همچنین نظریه های متافیزیکی و شبه علمی رایج شد.

مثلاً اینکه ذهن انسان از طریق مثبت اندیشی می تواند جهان هستی را کنترل کند. این نظریه ها جذاب هستند، اما قابل تأیید نیستند و می توانند مانع پیشرفت علمی شوند.



قوانین نسبیت خاص و عام انیشتین در فناوری های مدرن مانند ماهواره های GPS استفاده می شود که در صورت عدم توجه به اثراتی مانند اتساع زمان، دقت محاسبات می تواند بیش از 10 کیلومتر در روز منحرف شود. یعنی برای یک ساعت متحرک زمان کندتر از ساعت ثابت می گذرد.








از دیگر اثرات نسبیت، انقباض طول برای اجسام متحرک و نسبیت همزمانی است که باعث می شود با قطعیت بتوان گفت که اگر دو رویداد در فضا از هم جدا شوند، همزمان رخ می دهند.

هیچ چیز سریعتر از سرعت نور حرکت نمی کند. این بدان معناست که اگر لوله ای به طول 10 ثانیه نوری به جلو رانده شود، 10 ثانیه قبل از انجام عمل در طرف دیگر می گذرد. بدون فاصله زمانی 10 ثانیه، لوله به طور کامل وجود ندارد.

نکته در محدودیت مشاهدات ما نیست، بلکه در نتیجه مستقیم نظریه نسبیت است، جایی که زمان و مکان به هم مرتبط هستند و یکی بدون دیگری نمی تواند وجود داشته باشد.

فیزیک کوانتومی توصیفی ریاضی از بسیاری از مسائل مربوط به دوگانگی موج-ذره و برهمکنش انرژی و ماده ارائه می دهد. با فیزیک کلاسیک در درجه اول در سطح اتمی و زیر اتمی متفاوت است. این فرمول های ریاضی انتزاعی هستند و استنباط آنها اغلب غیر شهودی است.



کوانتوم کوچکترین واحد هر موجود فیزیکی درگیر در یک برهمکنش است.ذرات بنیادی اجزای اساسی جهان هستند. اینها ذراتی هستند که تمام ذرات دیگر را تشکیل می دهند. در فیزیک کلاسیک، ما همیشه می‌توانیم یک جسم را به قطعات کوچک‌تر تقسیم کنیم؛ در فیزیک کوانتومی، این غیرممکن است.

بنابراین، جهان کوانتومی مجموعه‌ای از پدیده‌های منحصربه‌فرد است که طبق قوانین کلاسیک غیرقابل توضیح است. مثلا،درهم تنیدگی کوانتومی، اثر فوتوالکتریک ، پراکندگی کامپتون و موارد دیگر.








جهان کوانتومی تفسیرهای غیرعادی زیادی دارد. از جمله شناخته شده ترین آنها می توان به تفسیر کپنهاگ و تفسیر جهان های متعدد اشاره کرد. در حال حاضر، تفاسیر جایگزین مانند "جهان هولوگرافیک" در حال افزایش است.



معادلات دو بروگلی



اگرچه فیزیک کوانتومی و قوانین نسبیت انیشتین به یک اندازه برای درک علمی جهان ضروری هستند، بسیاری از مسائل علمی حل نشده وجود دارد و هنوز نظریه وحدت‌بخشی وجود ندارد.

برخی از سؤالات کنونی این است: چرا ماده قابل مشاهده در جهان بیشتر از پادماده وجود دارد؟ ماهیت محور زمانی چیست؟ منشا جرم چیست؟

یکی از مهم ترین سرنخ های این مشکلات معادلات دو بروگلی است که به خاطر آن جایزه نوبل فیزیک را به او اعطا شد.

این فرمول نشان می دهد که همه مواد دارای دوگانگی موجی جسمی هستند، یعنی در برخی موارد مانند یک موج و در برخی دیگر مانند یک ذره رفتار می کنند. این فرمول معادله E = mc^2 انیشتین را با ماهیت کوانتومی انرژی ترکیب می کند.



شواهد تجربی شامل تداخل مولکول‌های فولرن C60 در آزمایش دو شکاف است. این واقعیت که خود آگاهی ما از ذرات کوانتومی تشکیل شده است موضوع بسیاری از نظریه های عرفانی است.



و در حالی که رابطه بین مکانیک کوانتومی و آگاهی به سختی آنقدر جادویی است که فیلم‌ها و کتاب‌های باطنی ادعا می‌کنند، پیامدهای آن کاملاً جدی است.

از آنجایی که معادلات دو بروگلی در مورد همه ماده صدق می کند، می توان گفت که C = hf، جایی که C آگاهی است، h ثابت پلانک است، و f فرکانس است. "C" مسئول چیزی است که ما به عنوان "اکنون"، کوانتومی، یعنی . ، حداقل واحد تعامل.

مجموع تمام لحظات "C" تا لحظه فعلی چیزی است که دید ما از زندگی را شکل می دهد. این یک بیانیه فلسفی یا نظری نیست، بلکه نتیجه مستقیم ماهیت کوانتومی همه ماده و انرژی است.

این فرمول نشان می دهد که زندگی و مرگ مجموعه های انتزاعی "C" هستند.

پیامد دیگر معادلات دو بروگلی این است که میزان نوسان ماده یا انرژی و رفتار آن به صورت موج یا ذره به فرکانس چارچوب مرجع بستگی دارد.

افزایش فرکانس به دلیل سرعت با دیگران همبستگی دارد و منجر به پدیده هایی مانند اتساع زمان می شود.

دلیل این امر این است که درک زمان نسبت به چارچوب مرجع تغییر نمی کند، جایی که مکان و زمان از ویژگی های کوانتومی هستند و برعکس.



ضد ماده و زمان بدون مزاحمت



برخورد دهنده بزرگ هادرون. سوئیس

ضد ذرات در همه جای کیهان ایجاد می شوند که در آن برخوردهای پرانرژی بین ذرات اتفاق می افتد. این فرآیند به طور مصنوعی در شتاب دهنده های ذرات مدل سازی می شود.

همزمان با ماده، ضد ماده نیز ایجاد می شود. بنابراین، فقدان پادماده در جهان هنوز یکی از بزرگترین مسائل حل نشده در فیزیک است.

با به دام انداختن پادذرات در میدان های الکترومغناطیسی، می توانیم خواص آنها را کشف کنیم. حالات کوانتومی ذرات و پادذرات به طور متقابل قابل تعویض هستند اگر عملگرهای ترکیب بار ©، برابری (P) و زمان معکوس (T) برای آنها اعمال شود.

یعنی اگر یک فیزیکدان متشکل از پادماده با استفاده از ترکیبات شیمیایی و مواد متشکل از پاد ماده آزمایشاتی را در آزمایشگاه، آن هم از ضد ماده، انجام دهد، دقیقاً همان نتایجی را خواهد گرفت که همتای «واقعی» خود دارد. اما اگر با هم ترکیب شوند، انرژی زیادی متناسب با جرم آنها آزاد می شود.

اخیرا آزمایشگاه فرمی کشف کرده است که کوانتوم هایی مانند مزون ها با سرعت سه تریلیون بار در ثانیه از ماده به پادماده و دوباره برمی گردند.

با در نظر گرفتن جهان در چارچوب مرجع کوانتومی "C"، لازم است تمام نتایج تجربی قابل استفاده برای کوانتوم ها را در نظر بگیریم. از جمله اینکه چگونه ماده و پادماده در شتاب دهنده های ذرات ایجاد می شوند و چگونه مزون ها از یک حالت به حالت دیگر می روند.



برای C، این پیامدهای جدی دارد. از نقطه نظر کوانتومی، هر لحظه از "C" یک ضد C دارد. این عدم تقارن، یعنی پادماده، در جهان را توضیح می دهد و همچنین به انتخاب دلخواه ساطع کننده و جاذب در نظریه جذب ویلر-فاینمن مربوط می شود.

زمان آشفته T در اصل عدم قطعیت، زمان یا چرخه مورد نیاز برای وجود کوانتوم است.

همانطور که در مورد مزون ها، مرز ادراک شخصی ما از زمان، یعنی محدوده لحظه جاری، انتقال "C" به "ضد C" است. این لحظه نابودی خود و تعبیر آن از «ج» در چارچوب محور انتزاعی زمان محصور شده است.



اگر برهمکنش را تعریف کنیم و خصوصیات اساسی دوگانگی موج-ذره کوانتومی را در نظر بگیریم، همه برهمکنش ها از تداخل و رزونانس تشکیل می شوند.

اما از آنجایی که این برای توضیح نیروهای بنیادی کافی نیست، باید از مدل های مختلفی استفاده کرد. این شامل مدل استاندارد است که میان دینامیک ذرات زیراتمی شناخته شده از طریق حامل‌های نیرو و نسبیت عام، که پدیده‌های ماکروسکوپی مانند مدارهای سیاره‌ای را که از بیضی در فضا و مارپیچ‌ها در فضازمان پیروی می‌کنند، توصیف می‌کند. اما مدل انیشتین در سطح کوانتومی کاربرد ندارد و مدل استاندارد برای توضیح منشا جرم به حامل‌های نیروی اضافی نیاز دارد. ترکیب دو مدل یا نظریه همه چیز

موضوع بسیاری از مطالعات هنوز ناموفق بوده است.



تئوری همه چیز



مکانیک کوانتومی توصیفات کاملاً ریاضی است که مفاهیم عملی آن اغلب با شهود در تضاد است. مفاهیم کلاسیک مانند طول، زمان، جرم و انرژی را می توان به طور مشابه توصیف کرد.

بر اساس معادلات دو بروگلی می توانیم این مفاهیم را با بردارهای انتزاعی جایگزین کنیم. این رویکرد احتمالی به مفاهیم اصلی موجود در فیزیک، ترکیب مکانیک کوانتومی با نظریه نسبیت اینشتین را ممکن می‌سازد.



معادلات دی بروگلی نشان می دهد که تمام چارچوب های مرجع کوانتومی هستند، از جمله تمام ماده و انرژی. شتاب دهنده های ذرات نشان داده اند که ماده و پادماده همیشه در یک زمان ایجاد می شوند.

پارادوکس چگونگی ظهور واقعیت از اجزای انتزاعی که یکدیگر را خنثی می کنند را می توان با استفاده از کوانتا به عنوان چارچوب مرجع توضیح داد.

به زبان ساده، ما باید به اشیا از چشم یک فوتون نگاه کنیم. چارچوب مرجع همیشه کوانتومی است و نحوه کوانتیزه شدن فضا-زمان را تعیین می کند.

هنگامی که یک سیستم "افزایش" یا "کاهش" می یابد، همین اتفاق در مورد فضا-زمان رخ می دهد. در مکانیک کوانتومی، این از نظر ریاضی به عنوان دامنه احتمال تابع موج، و در نظریه انیشتین، به عنوان اتساع زمانی و انقباض طول توصیف می‌شود.

برای یک چارچوب مرجع کوانتومی، جرم و انرژی را فقط می‌توان به‌عنوان احتمالات انتزاعی تعریف کرد، یا به عبارت دقیق‌تر و ایجاد یک پایه ریاضی، به‌عنوان بردارهایی که فقط زمانی وجود دارند که یک محور زمانی را فرض کنیم. آنها را می توان به عنوان تداخل یا رزونانس با چارچوب مرجعی تعریف کرد که حداقل واحد یا فضا-زمان ثابت "c" را که معادل ثابت پلانک در مکانیک کوانتومی است، تعریف می کند.

آزمایشات نشان می دهد که تبدیل ماده به انرژی از طریق پادماده، پرتوهای گاما با تکانه مخالف تولید می کند. آنچه که تبدیل به نظر می رسد، رابطه بین بردارهای مخالف است که به صورت فاصله و زمان، ماده و پادماده، جرم و انرژی، یا تداخل و تشدید در محور زمانی انتزاعی «C» تفسیر می شود.

مجموع بردارهای مقابل همیشه صفر است. این همان چیزی است که باعث تقارن یا قوانین بقای در فیزیک می شود یا اینکه چرا در سرعت "c" زمان و مکان به دلیل انقباض طول و اتساع زمان صفر می شود. نتیجه این اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است که بیان می کند که برخی از جفت ویژگی های فیزیکی مانند موقعیت و تکانه را نمی توان همزمان با دقت بالا شناخت.



به یک معنا، یک ذره منفرد میدان خودش است. این احساس ما از تداوم را توضیح نمی دهد، جایی که "C" خود را در محدوده مورد نیاز خود از بین می برد. اما زمانی که این بردارها به صورت تصاعدی در حول و در محور زمانی افزایش یا شتاب می‌گیرند، الگوریتم‌های ریاضی زیربنایی که نیروهای بنیادی را توصیف می‌کنند می‌توانند یک واقعیت پیوسته را ایجاد کنند.

از اجزای انتزاعی

بنابراین، معادلات حرکت هارمونیک در بسیاری از حوزه‌های فیزیک که با پدیده‌های تناوبی سروکار دارند، مانند مکانیک کوانتومی و الکترودینامیک استفاده می‌شود. و بنابراین اصل هم ارزی اینشتین، که مدل فضا-زمان از آن استخراج شده است، بیان می کند که تفاوتی بین گرانش و شتاب وجود ندارد.

زیرا گرانش تنها زمانی یک نیرو است که در یک چارچوب مرجع نوسانی در نظر گرفته شود.

این امر توسط مارپیچ لگاریتمی نشان داده شده است که در چارچوب مرجع به یک مارپیچ مارپیچ کاهش می یابد و باعث چرخش و حرکت اجسام در مدار می شود. به عنوان مثال، دو سیب در حال رشد در یک چارچوب مرجع در حال رشد به نظر می رسد که یکدیگر را جذب می کنند، در حالی که اندازه آنها یکسان به نظر می رسد.

برعکس با تداخل اتفاق می افتد. به عبارت ساده، افزایش یا کاهش اندازه اشیاء با نزدیک شدن یا دور شدن ما با تغییر در چارچوب مرجع تعیین می‌شود، مانند رادیویی که امواج مختلف را تنظیم می‌کند تا ایستگاه رادیویی را بگیرد.



این در مورد جاذبه نیز صدق می کند. در واقع، صرف نظر از هر چارچوب مرجع، هیچ نیروی اساسی وجود ندارد. اگر حداقل واحد یا کوانتوم مدام در حال تغییر و نوسان در نظر گرفته شود، همه برهمکنش‌ها در تداوم انتزاعی ما را می‌توان از نظر ریاضی بر حسب تداخل و رزونانس توصیف کرد.

اثبات تجربی شامل یک اثر نامرئی در مدل استاندارد است که در آن ما عمل نیروها را می بینیم اما حامل های نیرو را نمی بینیم.



برهم نهی کوانتومی



تداوم واقعیت مستلزم این نیست که کوانتوم ها دنباله ای در زمان داشته باشند. یک کوانتوم موضوع هیچ مفهومی از مکان و زمان نیست و می تواند به طور همزمان تمام حالت های کوانتومی ممکن خود را اشغال کند. این برهم نهی کوانتومی نامیده می شود و برای مثال در آزمایش شکاف دوگانه یا تله پورت کوانتومی نشان داده می شود که در آن هر الکترون در جهان می تواند همان الکترون باشد. تنها شرط لازم برای یک محور زمانی انتزاعی و تداوم ثابت واقعیت، یک الگوریتم برای توصیف یک مدل یا یک دنباله انتزاعی از بردارها است.

از آنجایی که این تداوم ظرفیت ما را برای خودآگاهی تعیین می کند، ما را در معرض پیامدهای ریاضی آن قرار می دهد - قوانین اساسی فیزیک.

تعامل فقط تفسیر یک مدل انتزاعی است. به همین دلیل است که مکانیک کوانتومی فقط توصیفات ریاضی را ارائه می دهد - فقط می تواند الگوهایی را در بین احتمالات بی نهایت توصیف کند.

هنگامی که احتمال به صورت "C" بیان می شود، اطلاعات مورد نیاز برای توصیف لحظه جاری یا محدوده احتمالی "C" نیز محور زمان را نشان می دهد. ماهیت محور زمان یکی از بزرگترین سوالات حل نشده در فیزیک است که منجر به بسیاری از تفاسیر رایج جدید شده است.

به عنوان مثال، اصل هولوگرافی - بخشی از گرانش کوانتومی و نظریه ریسمان - نشان می دهد که کل جهان را می توان فقط به عنوان یک ساختار اطلاعاتی دو بعدی مشاهده کرد.



زمان



ما به طور سنتی مفهوم یک محور زمانی را با توالی وقایعی که از طریق توالی خاطرات کوتاه مدت و بلندمدت تجربه می کنیم، مرتبط می کنیم. ما فقط می‌توانیم خاطراتی از گذشته داشته باشیم، نه آینده، و همیشه فرض کرده‌ایم که این نشان‌دهنده گذشت زمان است.

دانشمندان تنها زمانی شروع به تردید در این منطق کردند که اکتشافات مکانیک کوانتومی نشان داد که برخی از پدیده‌ها با مفهوم زمان ما مرتبط نیستند و مفهوم ما از زمان فقط درک تغییرات در پارامترهای قابل مشاهده است.

این همچنین در اتساع زمان و انقباض طول منعکس می شود، که یکی از دلایلی است که انیشتین ثابت کرد زمان و مکان یک پارچه واحد هستند.

در معنای مطلق، مفهوم زمان با مفهوم فاصله تفاوتی ندارد.

ثانیه ها برابر با ثانیه های نور هستند، اما متقابل هستند. به بیان ساده: از آنجایی که فاصله و زمان متضاد یکدیگر هستند، گذر زمان را می توان به عنوان مسافت طی شده توسط عقربه های ساعت تفسیر کرد، زیرا آنها در جهت مخالف زمان حرکت می کنند.

در حالی که در فاصله به جلو حرکت می کنند، در واقع در زمانی که زمان نامیده می شود به عقب حرکت می کنند. به همین دلیل است که هر واحد حداقلی تجربه بلافاصله در حال ابدی جذب می شود.

این تفسیر اختلاف بین فروپاشی تابع موج و ناهمدوسی کوانتومی را از بین می برد. مفاهیمی مانند «زندگی» و «مرگ» ساختی صرفاً فکری هستند. و هرگونه استدلال دینی در مورد زندگی پس از مرگ در جهانی که تابع قوانین ریاضی این واقعیت نیست نیز تخیلی است.



پیامد مهم دیگر این است که نظریه بیگ بنگ، که در آن جهان از یک نقطه سرچشمه می گیرد، یک سوء تفاهم است. دیدگاه سنتی فضا-زمان که فضا سه بعدی است و زمان نقش بعد چهارم را ایفا می کند، اشتباه است. اگر بخواهیم مبدأ جهان را مطالعه کنیم، باید به آینده نگاه کنیم، زیرا بردار زمان "C" در مقابل بردار فاصله ای است که از آن جهان در حال انبساط را درک می کنیم. اگرچه این نقشه زمانی جهان تنها مفاهیم انتزاعی را بدون در نظر گرفتن مبنای کوانتومی آن ارائه می دهد.



شواهد تجربی شامل شتاب انبساط کیهان و همچنین معیار معکوس یا قهقرایی سیاهچاله ها و بسیاری از مشکلات مرتبط با

برای مثال، با نظریه بیگ بنگ، مسئله افق.



پیامدهای عصبی



این استنباط ها ممکن است سؤالاتی را در مورد اراده آزاد ایجاد کند، زیرا به نظر می رسد در درک ما از زمان، ابتدا عمل و سپس آگاهی مطرح می شود.

بیشتر تحقیقاتی که بر روی این سوال روشن می کند نشان می دهد که عمل قبل از تحقق آن اتفاق می افتد. اما دیدگاه قطعی بر یک تصور غلط از زمان تکیه دارد، همانطور که با توصیفات ریاضی احتمالات در مکانیک کوانتومی نشان داده شده است.



این تفاسیر برای تحقیقات عصب‌شناسی آینده مهم خواهند بود، زیرا نشان می‌دهند که هر مدار عصبی، برداری است که ناهماهنگی شناختی و تداخل یا تشدید را در "C" تعیین می‌کند. توانایی درک و تغییر آگاهانه این بردارها، که در طی میلیاردها سال تکامل به دست آمده است، تأیید می کند که سیستم های اعتقادی ما چقدر در گسترش آگاهی ما اهمیت دارند و چگونه بر حافظه کاری ما تأثیر می گذارند، که مسئول توانایی ما برای ایجاد ارتباط است، و فرآیندهای عصبی که معنا را تشکیل می دهند. همچنین توضیح می دهد که آگاهی مصنوعی نیاز به یک شبکه دارد

پردازنده های مستقل، به جای دنباله خطی از الگوریتم های پیچیده.



تفسیر محدود



تئوری یکپارچه آتن راه حلی است که فیزیک کوانتومی و نسبیت را با هم ترکیب می کند. اگرچه به بسیاری از سؤالات فیزیک که در اینجا فهرست شده است پاسخ می دهد، اما این تفسیر محدود من از ماه های اول تحقیق او است.

صرف نظر از نتیجه، واضح است که ما وارد عصری شده ایم که در آن علم به روی همه باز است. و اگر اینترنت را در دسترس و خنثی نگه داریم، می توانیم اعتبار ایده های خود را آزمایش کنیم، تخیل خود را با ایجاد روابط جدید توسعه دهیم، و می توانیم به توسعه درک خود ادامه دهیم.

جهان و ذهن



پایان



در مکانیک کوانتومی، ما یاد گرفته‌ایم که رویکرد متفاوتی نسبت به واقعیت داشته باشیم و همه چیز را به‌عنوان احتمالات و نه قطعیت ببینیم. از نظر ریاضی، همه چیز ممکن است.

هم در علم و هم در زندگی روزمره ما، توانایی ما در محاسبه یا حدس زدن احتمالات توسط توانایی فکری ما در تشخیص الگوها تعیین می شود.

هرچه بازتر باشیم، به وضوح می‌توانیم این الگوها را ببینیم و اعمال خود را بر اساس احتمال معقول بنا کنیم.

از آنجایی که در ماهیت نیمکره چپ ما این است که ایده‌هایی را که با دیدگاه‌های کنونی ما مطابقت ندارند رد کنیم، هر چه بیشتر به باورهای خود وابسته باشیم، کمتر قادر به انتخاب آگاهانه برای خود هستیم. اما با کنترل این فرآیند، خودآگاهی خود را گسترش می دهیم و اراده آزاد خود را افزایش می دهیم.

می گویند عقل با بالا رفتن سن می آید. اما با صراحت و شک - اصول کلیدی علمی - برای تعیین اینکه کدام یک از باورهایمان ممکن است اشتباه باشد، نیازی به چندین دهه آزمون و خطا نداریم.

مسئله این نیست که آیا باورهای ما درست هستند یا نه، بلکه مسئله این است که آیا وابستگی عاطفی ما به آنها مفید است یا ضرر.



تا زمانی که ما از نظر عاطفی به یک سیستم اعتقادی وابسته باشیم، انتخاب آزاد وجود ندارد. زمانی که خودآگاهی کافی برای درک این موضوع داشتیم، می‌توانیم با هم کار کنیم تا احتمالات آنچه واقعاً بیشترین سود را برای ما دارد را درک کنیم.

«توسعه مکانیک کوانتومی دیدگاه‌های علمی کلاسیک ما را در معرض انتقاد بی‌سابقه‌ای قرار داده است. خودآگاهی و تمایل به تجدید نظر در فرضیه‌های ما، که دائماً توسط علم و بشریت در حال آزمایش هستند، میزان دستیابی ما به درک عمیق‌تر از ذهن و جهان را تعیین می‌کند.

جاهای زیادی برای شروع این بحث وجود دارد، و این به خوبی بقیه است: همه چیز در جهان ما همزمان ماهیت ذرات و امواج را دارد. اگر بتوان در مورد جادو به این شکل گفت: "همه اینها امواج هستند و فقط امواج"، توصیف شاعرانه شگفت انگیزی از فیزیک کوانتومی خواهد بود. در واقع همه چیز در این جهان ماهیت موجی دارد.

البته، همچنین همه چیز در جهان ماهیت ذره ای دارد. عجیب به نظر می رسد، اما اینطور است.

توصیف همزمان اجسام واقعی به عنوان ذرات و امواج تا حدودی نادرست است. به بیان دقیق، اجسامی که توسط فیزیک کوانتومی توصیف می شوند، ذرات و امواج نیستند، بلکه متعلق به دسته سوم هستند که خواص امواج (فرکانس و طول موج، همراه با انتشار در فضا) و برخی از خواص ذرات (می توان آنها را شمارش کرد) به ارث می برد. و تا حدی محلی شده است). این منجر به یک بحث پر جنب و جوش در جامعه فیزیک در مورد اینکه آیا حتی صحبت از نور به عنوان یک ذره صحیح است یا خیر؟ نه به این دلیل که تناقضی در ذره بودن نور وجود دارد، بلکه به این دلیل که نامیدن فوتون‌ها به عنوان ذرات و نه «تحریک‌های یک میدان کوانتومی» دانش‌آموزان را گمراه می‌کند. با این حال، این همچنین در مورد اینکه آیا می توان الکترون ها را ذره نامید یا خیر، صدق می کند، اما چنین اختلافاتی در محافل صرفاً دانشگاهی باقی خواهد ماند.

این ماهیت «سومین» اجسام کوانتومی در زبان گاه گیج کننده فیزیکدانانی که در مورد پدیده های کوانتومی بحث می کنند منعکس شده است. بوزون هیگز به عنوان یک ذره در برخورد دهنده بزرگ هادرون کشف شد، اما احتمالاً عبارت "میدان هیگز" را شنیده اید، چنین چیزی غیرمحلی که تمام فضا را پر می کند. این امر به این دلیل است که تحت شرایط خاص، مانند آزمایش‌های برخورد ذرات، بحث برانگیختگی میدان هیگز مناسب‌تر از توصیف ذره است، در حالی که در شرایط دیگر، مانند بحث‌های کلی در مورد اینکه چرا ذرات خاص جرم دارند، مناسب‌تر است. برای بحث در مورد فیزیک از نظر برهمکنش با کوانتوم میدانی با نسبت های جهانی. آنها فقط زبان های مختلفی هستند که اشیاء ریاضی مشابهی را توصیف می کنند.

فیزیک کوانتومی گسسته است

همه چیز به نام فیزیک - کلمه "کوانتوم" از کلمه لاتین "چقدر" آمده است و نشان دهنده این واقعیت است که مدل های کوانتومی همیشه شامل چیزی هستند که در مقادیر مجزا می آید. انرژی موجود در یک میدان کوانتومی چند برابر انرژی اساسی است. برای نور، این با فرکانس و طول موج نور مرتبط است - نور با فرکانس بالا و طول موج کوتاه انرژی مشخصه زیادی دارد، در حالی که نور با فرکانس پایین و طول موج بلند انرژی مشخصه کمی دارد.

در هر دو مورد، کل انرژی موجود در یک میدان نوری جداگانه مضربی صحیح از این انرژی است - 1، 2، 14، 137 بار - و هیچ کسر عجیبی مانند یک و نیم، "پی" یا مربع وجود ندارد. ریشه دو این ویژگی همچنین در سطوح انرژی گسسته اتم ها مشاهده می شود و باندهای انرژی خاص هستند - برخی از مقادیر انرژی مجاز هستند، برخی دیگر مجاز نیستند. ساعت های اتمی به لطف گسستگی فیزیک کوانتومی، با استفاده از فرکانس نور مرتبط با انتقال بین دو حالت مجاز در سزیم، کار می کنند، که به شما امکان می دهد زمان را در سطح لازم برای "پرش دوم" نگه دارید.

طیف‌سنجی فوق‌العاده دقیق همچنین می‌تواند برای جستجوی چیزهایی مانند ماده تاریک مورد استفاده قرار گیرد و بخشی از انگیزه کار موسسه در زمینه فیزیک بنیادی کم انرژی است.

این همیشه واضح نیست - حتی برخی از چیزهایی که در اصل کوانتومی هستند، مانند تابش جسم سیاه، با توزیع های پیوسته مرتبط هستند. اما با بررسی دقیق تر و با اتصال یک دستگاه عمیق ریاضی، نظریه کوانتومی عجیب تر می شود.

فیزیک کوانتومی احتمالاتی است

یکی از شگفت‌انگیزترین و (حداقل از نظر تاریخی) بحث‌انگیزترین جنبه‌های فیزیک کوانتومی این است که پیش‌بینی قطعی نتیجه یک آزمایش منفرد با یک سیستم کوانتومی غیرممکن است. وقتی فیزیکدانان نتیجه یک آزمایش خاص را پیش‌بینی می‌کنند، پیش‌بینی آن‌ها به صورت احتمال یافتن هر یک از نتایج ممکن خاص است و مقایسه بین نظریه و آزمایش همیشه شامل استخراج یک توزیع احتمال از آزمایش‌های تکراری زیاد است.

توصیف ریاضی یک سیستم کوانتومی، به عنوان یک قاعده، به شکل یک "تابع موج" است، که در معادلات Psi راش یونانی نشان داده شده است: Ψ. بحث‌های زیادی در مورد اینکه تابع موج دقیقاً چیست، وجود دارد و آنها فیزیکدانان را به دو دسته تقسیم کرده‌اند: کسانی که تابع موج را یک چیز فیزیکی واقعی می‌دانند (نظریه‌پردازان آنتیک)، و کسانی که معتقدند تابع موج صرفاً بیانگر این است. دانش ما (یا فقدان آن) بدون توجه به وضعیت زیربنایی یک شی کوانتومی خاص (نظریه پردازان معرفتی).

در هر کلاس از مدل زیربنایی، احتمال یافتن نتیجه مستقیماً توسط تابع موج تعیین نمی‌شود، بلکه با مجذور تابع موج تعیین می‌شود (به طور کلی، هنوز یکسان است؛ تابع موج یک شی پیچیده ریاضی است. و بنابراین شامل اعداد موهومی مانند جذر یا نوع منفی آن است) و عملیات احتمال کمی پیچیده‌تر است، اما «مربع تابع موج» برای دریافت اصل ایده کافی است). این قانون به نام قانون متولد شده، پس از فیزیکدان آلمانی ماکس بورن، شناخته می شود، که برای اولین بار آن را محاسبه کرد (در پاورقی یک مقاله در سال 1926) و بسیاری از مردم را با اجرای زشت آن شگفت زده کرد. در تلاش برای استخراج قانون Born از یک اصل اساسی تر، کار فعالی وجود دارد. اما تاکنون هیچ یک از آنها موفق نبوده اند، اگرچه چیزهای جالب زیادی برای علم ایجاد کرده است.

این جنبه از تئوری همچنین ما را به ذراتی هدایت می‌کند که همزمان در حالت‌های بسیاری قرار دارند. تنها چیزی که می‌توانیم پیش‌بینی کنیم احتمال است، و قبل از اندازه‌گیری با یک نتیجه خاص، سیستم اندازه‌گیری شده در یک حالت میانی قرار دارد - یک حالت برهم نهی که شامل همه احتمالات ممکن است. اما اینکه آیا سیستم واقعاً در چندین حالت قرار دارد یا در یک ناشناخته قرار دارد بستگی به این دارد که شما یک مدل اونتیک یا معرفتی را ترجیح می دهید. هر دوی آنها ما را به نقطه بعدی هدایت می کنند.

فیزیک کوانتومی غیر محلی است

مورد دوم به طور گسترده ای به این دلیل پذیرفته نشد، عمدتاً به این دلیل که او اشتباه می کرد. در مقاله ای در سال 1935، به همراه همکاران جوانش بوریس پودولکی و ناتان روزن (مقاله EPR)، انیشتین بیانیه ریاضی واضحی از چیزی که مدتی او را آزار می داد، بیان کرد، چیزی که ما آن را «درهم تنیدگی» می نامیم.

کار EPR ادعا می‌کرد که فیزیک کوانتومی وجود سیستم‌هایی را تشخیص می‌دهد که در آنها اندازه‌گیری‌های انجام‌شده در مکان‌های کاملاً مجزا می‌توان همبستگی داشت به طوری که نتیجه یکی دیگری را تعیین می‌کرد. آنها استدلال کردند که این بدان معناست که نتایج اندازه‌گیری‌ها باید از قبل توسط یک عامل مشترک تعیین شود، زیرا در غیر این صورت، نتیجه یک اندازه‌گیری باید با سرعتی بیشتر از سرعت نور به مکان اندازه‌گیری دیگر منتقل می‌شد. بنابراین، فیزیک کوانتومی باید ناقص باشد، تقریبی از یک نظریه عمیق تر (تئوری "متغیر محلی پنهان"، که در آن نتایج اندازه گیری های فردی به چیزی که دورتر از مکان اندازه گیری است بستگی ندارد تا سیگنالی که با سرعت حرکت می کند. نور می تواند (محلی) را پوشش دهد، اما با عاملی مشترک در هر دو سیستم در یک جفت درهم تنیده (متغیر پنهان) تعیین می شود.

کل موضوع برای بیش از 30 سال پاورقی غیرقابل درک تلقی می شد، زیرا به نظر می رسید راهی برای تأیید آن وجود نداشت، اما در اواسط دهه 60، فیزیکدان ایرلندی جان بل عواقب EPR را با جزئیات بیشتری بررسی کرد. بل نشان داد که می‌توانید شرایطی را پیدا کنید که تحت آن مکانیک کوانتومی همبستگی‌هایی را بین اندازه‌گیری‌های از راه دور پیش‌بینی می‌کند که قوی‌تر از هر نظریه ممکنی مانند نظریه‌های E، P و R هستند. این به طور تجربی در دهه 70 توسط جان کلوزر و آلن اسپکت در اوایل دهه 80 x - آنها نشان دادند که این سیستم های پیچیده به طور بالقوه توسط هیچ نظریه متغیر پنهان محلی قابل توضیح نیستند.

رایج‌ترین رویکرد برای درک این نتیجه، فرض این است که مکانیک کوانتومی غیرمحلی است: نتایج اندازه‌گیری‌های انجام‌شده در یک مکان خاص می‌تواند به ویژگی‌های یک جسم دور بستگی داشته باشد، به گونه‌ای که نمی‌توان با استفاده از سیگنال‌هایی که در مسیر حرکت می‌کنند توضیح داد. سرعت نور. با این حال، این اجازه نمی دهد که اطلاعات با سرعت های ابر نوری منتقل شود، اگرچه تلاش های زیادی برای دور زدن این محدودیت با استفاده از غیرمکانی کوانتومی انجام شده است.

فیزیک کوانتومی (تقریباً همیشه) به موارد بسیار کوچک توجه دارد

فیزیک کوانتومی به عجیب بودن شهرت دارد زیرا پیش‌بینی‌های آن به شدت با تجربه روزمره ما متفاوت است. این به این دلیل است که هر چه جسم بزرگتر باشد، اثرات آن کمتر مشخص می شود - رفتار موجی ذرات و چگونگی کاهش طول موج با افزایش تکانه را به سختی مشاهده خواهید کرد. طول موج یک جسم ماکروسکوپی مانند یک سگ در حال راه رفتن به قدری مسخره کوچک است که اگر هر اتم یک اتاق را به اندازه یک منظومه شمسی بزرگ کنید، طول موج یک سگ به اندازه یک اتم در آن منظومه شمسی خواهد بود.

این بدان معناست که پدیده‌های کوانتومی عمدتاً به مقیاس اتم‌ها و ذرات بنیادی محدود می‌شوند که جرم و شتاب آن‌ها به اندازه‌ای کوچک است که طول موج آنقدر کوچک باقی می‌ماند که نمی‌توان مستقیماً آن را مشاهده کرد. با این حال، تلاش های زیادی برای افزایش اندازه سیستمی که اثرات کوانتومی را نشان می دهد، انجام می شود.

فیزیک کوانتومی جادو نیست

نکته قبلی کاملاً طبیعی ما را به این نقطه می رساند: هر چقدر هم که فیزیک کوانتومی عجیب به نظر برسد، واضح است که جادو نیست. آنچه که فرض می‌کند با استانداردهای فیزیک روزمره عجیب است، اما به شدت توسط قوانین و اصول ریاضی کاملاً درک شده محدود شده است.

بنابراین اگر کسی با ایده‌ای «کوانتومی» که غیرممکن به نظر می‌رسد - انرژی بی‌نهایت، قدرت شفابخش جادویی، موتورهای فضایی غیرممکن - به سراغ شما بیاید، تقریباً به طور قطع غیرممکن است. این بدان معنا نیست که ما نمی‌توانیم از فیزیک کوانتومی برای انجام کارهای باورنکردنی استفاده کنیم: ما دائماً در مورد پیشرفت‌های باورنکردنی با استفاده از پدیده‌های کوانتومی می‌نویسیم، و آنها قبلاً بشر را کاملاً شگفت زده کرده‌اند، این فقط به این معنی است که ما از قوانین ترمودینامیک فراتر نخواهیم رفت. و عقل سلیم .

اگر نکات بالا برای شما کافی نیست، این را تنها یک نقطه شروع مفید برای بحث بیشتر در نظر بگیرید.

فکر می کنم به جرات می توان گفت که هیچ کس مکانیک کوانتومی را نمی فهمد.

فیزیکدان ریچارد فاینمن

اغراق نیست اگر بگوییم اختراع دستگاه های نیمه هادی یک انقلاب بود. این نه تنها یک دستاورد تکنولوژیک چشمگیر است، بلکه راه را برای رویدادهایی هموار کرد که جامعه مدرن را برای همیشه تغییر خواهند داد. دستگاه های نیمه هادی در انواع دستگاه های میکروالکترونیک از جمله کامپیوتر، انواع خاصی از تجهیزات تشخیصی و درمانی پزشکی و دستگاه های مخابراتی رایج استفاده می شود.

اما پشت این انقلاب تکنولوژیکی حتی بیشتر از آن، انقلابی در علم عمومی وجود دارد: حوزه نظریه کوانتوم. بدون این جهش در درک جهان طبیعی، توسعه دستگاه های نیمه هادی (و دستگاه های الکترونیکی پیشرفته تر در دست توسعه) هرگز موفق نمی شد. فیزیک کوانتومی یک شاخه فوق العاده پیچیده از علم است. این فصل فقط یک مرور مختصر ارائه می دهد. وقتی دانشمندانی مانند فاینمن می گویند "هیچ کس [آن را] نمی فهمد"، می توانید مطمئن باشید که این موضوع واقعاً دشواری است. بدون درک پایه ای از فیزیک کوانتومی، یا حداقل درک اکتشافات علمی که منجر به توسعه آنها شد، درک چگونگی و چرایی کار دستگاه های الکترونیکی نیمه هادی غیرممکن است. بیشتر کتاب‌های الکترونیک سعی می‌کنند نیمه‌رساناها را بر حسب «فیزیک کلاسیک» توضیح دهند و در نتیجه درک آن‌ها را گیج‌کننده‌تر می‌کنند.

بسیاری از ما نمودارهای مدل اتمی را دیده‌ایم که شبیه تصویر زیر است.

اتم رادرفورد: الکترون های منفی حول یک هسته کوچک مثبت می چرخند

ذرات ریز ماده نامیده می شود پروتون هاو نوترون ها، مرکز اتم را تشکیل می دهد. الکترون هامانند سیارات به دور یک ستاره می چرخند. هسته به دلیل وجود پروتون ها حامل بار الکتریکی مثبت است (نوترون ها بار الکتریکی ندارند)، در حالی که بار منفی متعادل کننده یک اتم در الکترون های در حال چرخش قرار دارد. الکترون‌های منفی به سمت پروتون‌های مثبت جذب می‌شوند، مانند سیاراتی که به خورشید جذب می‌شوند، اما مدارها به دلیل حرکت الکترون‌ها پایدار هستند. ما این مدل محبوب اتم را مدیون کار ارنست رادرفورد هستیم، که در حدود سال 1911 به طور تجربی تعیین کرد که بارهای مثبت اتم ها در یک هسته کوچک و متراکم متمرکز هستند و به طور مساوی در طول قطر توزیع نمی شوند، همانطور که کاوشگر جی جی تامسون قبلاً فرض کرده بود. .

آزمایش پراکندگی رادرفورد شامل بمباران یک ورق طلای نازک با ذرات آلفا با بار مثبت است، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. دانشجویان جوان فارغ التحصیل H. Geiger و E. Marsden به نتایج غیرمنتظره ای دست یافتند. مسیر حرکت برخی از ذرات آلفا با زاویه زیادی منحرف شد. برخی از ذرات آلفا با زاویه 180 درجه به سمت عقب پراکنده شدند. بیشتر ذرات بدون تغییر مسیر خود از ورق طلا عبور کردند، انگار که اصلاً ورقی وجود ندارد. این واقعیت که چندین ذره آلفا انحرافات زیادی را در مسیر حرکت خود تجربه کردند نشان دهنده وجود هسته هایی با بار مثبت کوچک است.

پراکندگی رادرفورد: پرتوی از ذرات آلفا توسط ورق طلای نازک پراکنده شده است.

اگرچه مدل رادرفورد از اتم با داده های تجربی بهتر از مدل تامسون پشتیبانی می شد، اما همچنان ناقص بود. تلاش‌های بیشتری برای تعیین ساختار اتم انجام شد و این تلاش‌ها به هموار کردن راه برای اکتشافات عجیب فیزیک کوانتوم کمک کرد. امروزه درک ما از اتم کمی پیچیده تر است. با این حال، علیرغم انقلاب فیزیک کوانتومی و کمک آن به درک ما از ساختار اتم، تصویر رادرفورد از منظومه شمسی به عنوان ساختار یک اتم در آگاهی عمومی ریشه دوانده است تا جایی که در زمینه های آموزشی تداوم می یابد، حتی اگر نابجاست

این توضیح مختصر از الکترون‌های یک اتم را که از یک کتاب درسی محبوب الکترونیک گرفته شده است، در نظر بگیرید:

الکترون های منفی در حال چرخش به سمت هسته مثبت جذب می شوند، که ما را به این سوال سوق می دهد که چرا الکترون ها به درون هسته اتم پرواز نمی کنند. پاسخ این است که الکترون های دوار به دلیل دو نیروی مساوی اما مخالف در مدار پایدار خود باقی می مانند. نیروی گریز از مرکز وارد بر الکترون ها به سمت بیرون هدایت می شود و نیروی جاذبه بارها در تلاش است تا الکترون ها را به سمت هسته بکشد.

مطابق با مدل رادرفورد، نویسنده الکترون‌ها را قطعات جامد ماده می‌داند که مدارهای گرد را اشغال می‌کنند، جاذبه آنها به سمت هسته با بار مخالف با حرکت آنها متعادل می‌شود. استفاده از اصطلاح "نیروی گریز از مرکز" از نظر فنی نادرست است (حتی برای سیارات در حال گردش)، اما به دلیل استقبال عمومی از مدل، این به راحتی قابل بخشش است: در واقع چیزی به نام نیرو وجود ندارد. دافعههرجسم در حال چرخش از مرکز مدار خود. این به نظر می رسد زیرا اینرسی بدن تمایل دارد آن را در یک خط مستقیم حرکت دهد و از آنجایی که مدار یک انحراف (شتاب) ثابت از حرکت مستقیم است، به هر نیرویی که جسم را به مرکز جذب می کند واکنش اینرسی ثابتی وجود دارد. مدار (مرکزی)، خواه گرانش، جاذبه الکترواستاتیک، یا حتی کشش یک پیوند مکانیکی.

با این حال، مشکل واقعی این توضیح در وهله اول، ایده حرکت الکترون ها در مدارهای دایره ای است. یک واقعیت ثابت شده که بارهای الکتریکی شتاب دار تابش الکترومغناطیسی ساطع می کنند، این واقعیت حتی در زمان رادرفورد نیز شناخته شده بود. از آنجایی که حرکت چرخشی شکلی از شتاب است (یک جسم در حال چرخش با شتاب ثابت، که جسم را از حرکت عادی مستطیلی خود دور می کند)، الکترون ها در حالت چرخشی باید تابش هایی مانند گل از یک چرخ در حال چرخش ساطع کنند. الکترون ها در امتداد مسیرهای دایره ای در شتاب دهنده های ذرات به نام شتاب می گیرند سنکروترون هاشناخته شده برای انجام این کار، و نتیجه نامیده می شود تابش سنکروترون. اگر الکترون ها به این ترتیب انرژی خود را از دست بدهند، در نهایت مدار آنها مختل می شود و در نتیجه با یک هسته با بار مثبت برخورد می کنند. با این حال، در داخل اتم ها معمولاً این اتفاق نمی افتد. در واقع، مدارهای الکترونیکی به طرز شگفت انگیزی در طیف وسیعی از شرایط پایدار هستند.

علاوه بر این، آزمایش‌ها با اتم‌های «تحریک‌شده» نشان داده‌اند که انرژی الکترومغناطیسی تنها در فرکانس‌های خاصی از یک اتم ساطع می‌شود. اتم‌ها توسط تأثیرات خارجی مانند نور «تحریک» می‌شوند، که شناخته شده برای جذب انرژی و بازگشت امواج الکترومغناطیسی در فرکانس‌های خاص، بسیار شبیه به یک چنگال تنظیم که تا زمانی که به آن برخورد نشود، در فرکانس خاصی زنگ نمی‌زند. هنگامی که نور ساطع شده توسط یک اتم برانگیخته توسط یک منشور به فرکانس های اجزای آن (رنگ ها) تقسیم می شود، خطوط جداگانه رنگ در طیف پیدا می شود، الگوی خط طیفی منحصر به یک عنصر شیمیایی است. این پدیده معمولاً برای شناسایی عناصر شیمیایی و حتی اندازه گیری نسبت هر عنصر در یک ترکیب یا مخلوط شیمیایی استفاده می شود. با توجه به منظومه شمسی مدل اتمی رادرفورد (نسبت به الکترون‌ها، به‌عنوان قطعاتی از ماده که آزادانه در مداری با شعاع خاصی در حال چرخش هستند) و قوانین فیزیک کلاسیک، اتم‌های برانگیخته باید انرژی را در محدوده فرکانسی تقریباً نامتناهی برگردانند و نه در فرکانس های انتخاب شده به عبارت دیگر، اگر مدل رادرفورد درست بود، هیچ اثر "چنگال تنظیم" وجود نخواهد داشت و طیف رنگی که از هر اتمی ساطع می‌شود به‌عنوان یک نوار پیوسته از رنگ‌ها ظاهر می‌شود، نه به صورت چندین خط جداگانه.

مدل بور از اتم هیدروژن (با مدارهای ترسیم شده در مقیاس) فرض می‌کند که الکترون‌ها فقط در مدارهای مجزا هستند. الکترون هایی که از n=3،4،5 یا 6 به n=2 حرکت می کنند روی یک سری خطوط طیفی Balmer نمایش داده می شوند.

محققی به نام نیلز بور پس از مطالعه چند ماهه مدل رادرفورد در آزمایشگاه رادرفورد در سال 1912، سعی کرد مدل رادرفورد را بهبود بخشد. بور در تلاش برای تطبیق نتایج سایر فیزیکدانان (به ویژه ماکس پلانک و آلبرت انیشتین)، پیشنهاد کرد که هر الکترون دارای مقدار مشخص و خاصی از انرژی است و مدار آنها به گونه ای توزیع شده است که هر یک از آنها می توانند مکان های خاصی را در اطراف اشغال کنند. هسته، مانند توپ، بر روی مسیرهای دایره ای اطراف هسته ثابت است، و نه به عنوان ماهواره های متحرک آزاد، همانطور که قبلاً فرض شد (شکل بالا). با توجه به قوانین الکترومغناطیس و بارهای شتاب دهنده، بور به "مدارها" به عنوان حالت های ساکنبرای جلوگیری از این تعبیر که آنها متحرک بودند.

اگرچه تلاش بلندپروازانه بور برای بازنگری در ساختار اتم، که بیشتر با داده های تجربی سازگار بود، نقطه عطفی در فیزیک بود، اما کامل نشد. تجزیه و تحلیل ریاضی او نتایج آزمایش‌ها را بهتر از آزمایش‌هایی که طبق مدل‌های قبلی انجام می‌شد پیش‌بینی کرد، اما هنوز سؤالات بی‌پاسخی در مورد اینکه آیا چراالکترون ها باید به گونه ای عجیب رفتار کنند. این بیانیه که الکترون‌ها در حالت‌های کوانتومی ساکن در اطراف هسته وجود دارند، با داده‌های تجربی بهتر از مدل رادرفورد همبستگی داشت، اما چیزی که باعث می‌شود الکترون‌ها این حالت‌های خاص را به خود بگیرند، بیان نکرد. پاسخ این سوال ده سال بعد از فیزیکدان دیگری به نام لوئیس دو بروگلی بود.

دی بروگلی پیشنهاد کرد که الکترون ها مانند فوتون ها (ذرات نور) هم خواص ذرات و هم خواص امواج را دارند. بر اساس این فرض، او پیشنهاد کرد که تجزیه و تحلیل الکترون های دوار بر حسب امواج بهتر از ذرات است و می تواند بینش بیشتری نسبت به ماهیت کوانتومی آنها ارائه دهد. در واقع، پیشرفت دیگری در تفاهم حاصل شد.

رشته ای که با فرکانس تشدید بین دو نقطه ثابت ارتعاش می کند، یک موج ایستاده را تشکیل می دهد

به گفته دو بروگل، اتم از امواج ایستاده تشکیل شده است، پدیده ای که فیزیکدانان به اشکال مختلف آن را به خوبی می شناسند. مانند سیم کنده شده یک آلت موسیقی (تصویر بالا) که با فرکانس تشدید ارتعاش می کند، با "گره" و "ضد گره" در مکان های ثابت در طول آن. دو بروگل الکترون‌ها را در اطراف اتم‌ها به صورت امواج منحنی به شکل دایره تصور کرد (شکل زیر).

الکترون‌های "چرخش" مانند موجی ایستاده به دور هسته، (الف) دو چرخه در یک مدار، (ب) سه چرخه در یک مدار.

الکترون‌ها فقط می‌توانند در «مدارهای» مشخص و مشخصی در اطراف هسته وجود داشته باشند، زیرا آنها تنها فواصل هستند که در آن انتهای موج منطبق است. در هر شعاع دیگری، موج به طور مخربی با خود برخورد می کند و بنابراین وجود ندارد.

فرضیه دی بروگلی هم یک چارچوب ریاضی و هم یک قیاس فیزیکی مناسب برای توضیح حالات کوانتومی الکترون‌های درون یک اتم ارائه می‌کند، اما مدل او از اتم هنوز ناقص بود. برای چندین سال، فیزیکدانان ورنر هایزنبرگ و اروین شرودینگر، که به طور مستقل کار می کنند، بر روی مفهوم دوبرولی از دوگانگی موج-ذره کار می کنند تا مدل های ریاضی دقیق تری از ذرات زیراتمی ایجاد کنند.

این پیشرفت نظری از مدل اولیه موج ایستاده دو بروگلی به مدل‌های ماتریس هایزنبرگ و معادله دیفرانسیل شرودینگر نام مکانیک کوانتومی داده شده است و ویژگی نسبتاً تکان‌دهنده‌ای را وارد دنیای ذرات زیراتمی کرده است: علامت احتمال، یا عدم قطعیت بر اساس نظریه کوانتومی جدید، تعیین موقعیت و تکانه دقیق یک ذره در یک لحظه غیرممکن بود. توضیح رایج برای این "اصل عدم قطعیت" این بود که یک خطای اندازه گیری وجود دارد (یعنی با تلاش برای اندازه گیری دقیق موقعیت یک الکترون، شما در تکانه آن دخالت می کنید، و بنابراین نمی توانید بدانید که قبل از شروع اندازه گیری موقعیت چه بوده است. ، و بالعکس). نتیجه هیجان انگیز مکانیک کوانتومی این است که ذرات موقعیت و لحظه لحظه ای دقیق ندارند و به دلیل ارتباط این دو کمیت، عدم قطعیت ترکیبی آنها هرگز کمتر از یک مقدار حداقل معین کاهش نمی یابد.

این شکل از اتصال "عدم قطعیت" در زمینه هایی غیر از مکانیک کوانتومی نیز وجود دارد. همانطور که در فصل "سیگنال های متناوب فرکانس مختلط" در جلد 2 این مجموعه کتاب بحث شد، روابط متقابلاً انحصاری بین اطمینان در داده های حوزه زمانی یک شکل موج و داده های حوزه فرکانس آن وجود دارد. به عبارت ساده تر، هر چه بیشتر فرکانس های اجزای آن را بشناسیم، دامنه آن را در طول زمان با دقت کمتری می دانیم و بالعکس. به نقل از خودم:

سیگنالی با مدت نامتناهی (تعداد بی نهایت چرخه) را می توان با دقت مطلق آنالیز کرد، اما هر چه چرخه های کمتری برای تجزیه و تحلیل در دسترس کامپیوتر باشد، دقت آنالیز کمتر می شود... هرچه دوره های سیگنال کمتر باشد، فرکانس آن دقت کمتری دارد. . اگر این مفهوم را به نهایت منطقی خود برسانیم، یک پالس کوتاه (حتی یک دوره کامل سیگنال) واقعاً فرکانس مشخصی ندارد، این یک محدوده بی‌نهایت فرکانس است. این اصل در همه پدیده های موجی مشترک است و نه تنها در مورد ولتاژها و جریان های متغیر.

برای تعیین دقیق دامنه سیگنال در حال تغییر، باید آن را در مدت زمان بسیار کوتاهی اندازه گیری کنیم. با این حال، انجام این کار دانش ما را در مورد فرکانس موج محدود می کند (موج در مکانیک کوانتومی نیازی به شبیه بودن به موج سینوسی ندارد؛ چنین شباهتی یک مورد خاص است). از طرف دیگر، برای تعیین فرکانس یک موج با دقت زیاد، باید آن را در تعداد زیادی دوره اندازه گیری کنیم، به این معنی که در هر لحظه دامنه آن را از دست خواهیم داد. بنابراین، ما نمی‌توانیم به طور همزمان دامنه و تمام فرکانس‌های هر موجی را با دقت نامحدود بدانیم. عجیب دیگر، این عدم قطعیت بسیار بیشتر از عدم دقت ناظر است. این در ماهیت موج است. این چنین نیست، اگرچه با توجه به فناوری مناسب، می توان اندازه گیری های دقیق دامنه و فرکانس آنی را به طور همزمان انجام داد. به معنای واقعی کلمه، یک موج نمی تواند همزمان دامنه دقیق آنی و فرکانس دقیق را داشته باشد.

حداقل عدم قطعیت موقعیت ذرات و تکانه بیان شده توسط هایزنبرگ و شرودینگر هیچ ارتباطی با محدودیت در اندازه گیری ندارد. بلکه یک ویژگی ذاتی ماهیت دوگانگی موج-ذره ذره است. بنابراین، الکترون‌ها در واقع در «مدار» خود به‌عنوان ذرات ماده به‌خوبی تعریف‌شده، یا حتی به‌عنوان شکل موج‌های کاملاً تعریف‌شده، وجود ندارند، بلکه بیشتر به‌عنوان «ابر» - یک اصطلاح فنی - وجود دارند. تابع موجتوزیع‌های احتمال، به‌گونه‌ای که گویی هر الکترون در محدوده‌ای از موقعیت‌ها و لحظه‌ها «پراکنده» یا «لکه‌شده» است.

این دیدگاه رادیکال از الکترون‌ها به‌عنوان ابرهای نامشخص در ابتدا با اصل اولیه حالت‌های کوانتومی الکترون‌ها در تضاد است: الکترون‌ها در «مدارهای» مجزا و معینی حول هسته یک اتم وجود دارند. این دیدگاه جدید، به هر حال، کشفی بود که به شکل گیری و توضیح نظریه کوانتومی انجامید. چقدر عجیب به نظر می‌رسد که نظریه‌ای که برای توضیح رفتار گسسته الکترون‌ها ایجاد شده است، در نهایت اعلام می‌کند که الکترون‌ها به‌عنوان «ابر» وجود دارند و نه به‌عنوان قطعات جداگانه‌ای از ماده. با این حال، رفتار کوانتومی الکترون‌ها به داشتن مقادیر مشخصی از مختصات و تکانه الکترون‌ها بستگی ندارد، بلکه به ویژگی‌های دیگری به نام بستگی دارد. اعداد کوانتومی. در اصل، مکانیک کوانتومی مفاهیم رایج موقعیت مطلق و گشتاور مطلق را کنار می‌گذارد و آنها را با مفاهیم مطلق انواعی جایگزین می‌کند که در عمل رایج مشابهی ندارند.

حتی با وجود اینکه الکترون‌ها به جای تکه‌های ماده مجزا، در اشکال بی‌جسم و «ابری» احتمال توزیع‌شده وجود دارند، این «ابرها» ویژگی‌های کمی متفاوت دارند. هر الکترون در یک اتم را می توان با چهار معیار عددی (اعداد کوانتومی که قبلا ذکر شد) توصیف کرد. اصلی (شعاعی), مداری (آزیموت), مغناطیسیو چرخششماره. در زیر مروری کوتاه بر معنای هر یک از این اعداد آورده شده است:

عدد کوانتومی اصلی (شعاعی).: با حرف مشخص می شود n، این عدد پوسته ای را که الکترون روی آن قرار دارد را توصیف می کند. "پوسته" الکترون ناحیه ای از فضا در اطراف هسته اتم است که در آن الکترون ها می توانند وجود داشته باشند، مطابق با مدل های پایدار "موج ایستاده" دو بروگلی و بور. الکترون ها می توانند از پوسته ای به پوسته دیگر "پرش" کنند، اما نمی توانند بین آنها وجود داشته باشند.

عدد کوانتومی اصلی باید یک عدد صحیح مثبت (بزرگتر یا مساوی 1) باشد. به عبارت دیگر، عدد کوانتومی اصلی یک الکترون نمی تواند 1/2 یا -3 باشد. این اعداد صحیح خودسرانه انتخاب نشدند، بلکه از طریق شواهد تجربی طیف نور انتخاب شدند: فرکانس‌ها (رنگ‌های) مختلف نور ساطع شده توسط اتم‌های هیدروژن برانگیخته از یک رابطه ریاضی بسته به مقادیر عدد صحیح خاص پیروی می‌کنند، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.

هر پوسته توانایی نگهداری چندین الکترون را دارد. یک قیاس برای پوسته های الکترونی، ردیف های متحدالمرکز صندلی ها در یک آمفی تئاتر است. همانطور که فردی که در یک سالن آمفی تئاتر نشسته باید ردیفی را برای نشستن انتخاب کند (او نمی تواند بین ردیف ها بنشیند)، الکترون ها نیز باید یک پوسته خاص را برای "نشستن" انتخاب کنند. مانند ردیف‌های یک آمفی‌تئاتر، پوسته‌های بیرونی الکترون‌های بیشتری نسبت به پوسته‌های نزدیک به مرکز نگه می‌دارند. همچنین، الکترون‌ها تمایل دارند کوچک‌ترین پوسته موجود را بیابند، درست همانطور که مردم در آمفی‌تئاتر به دنبال نزدیک‌ترین مکان به صحنه مرکزی هستند. هرچه عدد پوسته بیشتر باشد، انرژی الکترون ها روی آن بیشتر می شود.

حداکثر تعداد الکترون هایی که هر پوسته ای می تواند در خود نگه دارد با معادله 2n 2 توصیف می شود که در آن n عدد کوانتومی اصلی است. بنابراین، اولین پوسته (n = 1) می تواند حاوی 2 الکترون باشد. پوسته دوم (n = 2) - 8 الکترون. و پوسته سوم (n = 3) - 18 الکترون (شکل زیر).

عدد کوانتومی اصلی n و حداکثر تعداد الکترون ها با فرمول 2 (n 2) مرتبط هستند. مدارها به مقیاس نیستند.

لایه های الکترونی موجود در اتم به جای اعداد با حروف مشخص می شدند. پوسته اول (n = 1) K، پوسته دوم (n = 2) L، پوسته سوم (n = 3) M، پوسته چهارم (n = 4) N، پوسته پنجم (n = 5) تعیین شد. O، پوسته ششم (n = 6) P، و پوسته هفتم (n = 7) B.

عدد کوانتومی مداری (زیموت).: پوسته ای متشکل از پوسته های فرعی. برای برخی ممکن است راحت‌تر باشد که پوسته‌های فرعی را به عنوان بخش‌های ساده پوسته‌ها، مانند خطوطی که یک جاده را تقسیم می‌کنند، در نظر بگیرند. پوسته های فرعی بسیار عجیب تر هستند. زیر پوسته ها مناطقی از فضا هستند که در آن «ابرهای» الکترونی می توانند وجود داشته باشند و در واقع لایه های فرعی مختلف شکل های متفاوتی دارند. اولین لایه فرعی به شکل یک توپ است (شکل زیر (s))، که وقتی به عنوان یک ابر الکترونی که هسته یک اتم را در سه بعدی احاطه کرده است، منطقی است.

پوسته فرعی دوم شبیه یک دمبل است که شامل دو "گلبرگ" است که در یک نقطه نزدیک مرکز اتم به هم متصل شده اند (شکل زیر (p)).

لایه فرعی سوم معمولاً شبیه مجموعه ای از چهار "گلبرگ" است که در اطراف هسته یک اتم جمع شده اند. این اشکال زیر پوسته شبیه نمایش های گرافیکی الگوهای آنتن با لبه های پیاز مانند است که از آنتن در جهات مختلف امتداد یافته است (شکل زیر (d)).

اوربیتال ها:
(ث) تقارن سه گانه؛
(p) نشان داده شده است: p x، یکی از سه جهت ممکن (p x، p y، p z)، در امتداد محورهای مربوطه.
(د) نشان داده شده است: d x 2 -y 2 شبیه d xy , d yz , d xz است. نشان داده شده: d z 2 . تعداد اوربیتال های ممکن d: پنج.

مقادیر معتبر برای عدد کوانتومی مداری، مانند عدد کوانتومی اصلی، اعداد صحیح مثبت هستند، اما شامل صفر نیز می‌شوند. این اعداد کوانتومی برای الکترون ها با حرف l نشان داده می شوند. تعداد زیر پوسته ها برابر با عدد کوانتومی اصلی پوسته است. بنابراین، اولین پوسته (n = 1) دارای یک پوسته فرعی با شماره 0 است. پوسته دوم (n = 2) دارای دو پوسته فرعی با شماره 0 و 1 است. پوسته سوم (n = 3) دارای سه زیر پوسته به شماره 0، 1 و 2 است.

قرارداد قدیمی زیر پوسته از حروف به جای اعداد استفاده می کرد. در این قالب، زیر پوسته اول (l = 0) s، پوسته فرعی دوم (1 = l) با p، زیر پوسته سوم (l = 2) با d و پوسته فرعی چهارم (l = 3) نشان داده شد. نشان داده شده با f. حروف از این کلمات آمده است: تیز, اصلی, پراکندهو اساسی. شما هنوز هم می توانید این نام گذاری ها را در بسیاری از جدول های تناوبی که برای نشان دادن پیکربندی الکترونی بیرونی ( ظرفیت) پوسته اتم ها.

(الف) نمایش بور از اتم نقره،
(ب) نمایش مداری Ag با تقسیم پوسته ها به زیر پوسته ها (عدد کوانتومی مداری l).
این نمودار چیزی در مورد موقعیت واقعی الکترون ها نشان نمی دهد، بلکه فقط سطوح انرژی را نشان می دهد.

عدد کوانتومی مغناطیسی: عدد کوانتومی مغناطیسی برای الکترون جهت گیری شکل زیر پوسته الکترون را طبقه بندی می کند. "گلبرگ" پوسته های فرعی را می توان در چندین جهت هدایت کرد. این جهت گیری های مختلف اوربیتال نامیده می شوند. برای اولین پوسته فرعی (s؛ l = 0)، که شبیه یک کره است، "جهت" مشخص نشده است. برای یک پوسته فرعی دوم (p; l = 1) در هر پوسته که شبیه یک دمبل است که به سه جهت ممکن اشاره می کند. سه دمبل را تصور کنید که در مبدا همدیگر را قطع می کنند و هر کدام در امتداد محور خود در یک سیستم مختصات سه محوری اشاره می کنند.

مقادیر معتبر برای یک عدد کوانتومی معین از اعداد صحیح از -l تا l تشکیل شده است و این عدد به صورت نشان داده می شود. m lدر فیزیک اتمی و zدر فیزیک هسته ای برای محاسبه تعداد اوربیتال‌ها در هر زیر پوسته، باید تعداد لایه فرعی را دوبرابر کنید و 1 را اضافه کنید (2∙l + 1). به عنوان مثال، اولین لایه فرعی (l = 0) در هر پوسته حاوی یک مدار با شماره 0 است. پوسته فرعی دوم (l = 1) در هر پوسته شامل سه اوربیتال با اعداد -1، 0 و 1 است. سومین لایه فرعی (l = 2) شامل پنج اوربیتال با شماره -2، -1، 0، 1 و 2 است. و غیره.

مانند عدد کوانتومی اصلی، عدد کوانتومی مغناطیسی مستقیماً از داده‌های تجربی برخاسته است: اثر زیمن، جداسازی خطوط طیفی با قرار دادن یک گاز یونیزه‌شده در معرض میدان مغناطیسی، از این رو اعداد کوانتومی "مغناطیسی" نامیده می‌شوند.

عدد کوانتومی را بچرخانید: مانند عدد کوانتومی مغناطیسی، این خاصیت الکترون های یک اتم نیز از طریق آزمایش ها کشف شد. مشاهده دقیق خطوط طیفی نشان داد که هر خط در واقع یک جفت خط با فاصله بسیار نزدیک است، پیشنهاد شده است که این به اصطلاح ساختار خوبنتیجه چرخش هر الکترون حول محور خود، مانند یک سیاره بود. الکترون‌هایی با «اسپین‌های» متفاوت هنگام برانگیختگی فرکانس‌های نوری کمی متفاوت از خود ساطع می‌کنند. مفهوم الکترون در حال چرخش اکنون منسوخ شده است، و بیشتر برای دیدگاه (نادرست) الکترون ها به عنوان ذرات منفرد ماده به جای "ابر" مناسب است، اما این نام همچنان باقی مانده است.

اعداد کوانتومی اسپین به صورت نشان داده می شوند ام‌اسدر فیزیک اتمی و szدر فیزیک هسته ای هر اوربیتال در هر لایه فرعی می تواند دو الکترون در هر پوسته داشته باشد، یکی با اسپین +1/2 و دیگری با اسپین 1/2-.

فیزیکدان ولفگانگ پاولی اصولی را ایجاد کرد که ترتیب الکترون ها را در یک اتم بر اساس این اعداد کوانتومی توضیح می دهد. اصل او، به نام اصل طرد پائولی، بیان می کند که دو الکترون در یک اتم نمی توانند حالت های کوانتومی یکسانی را اشغال کنند. یعنی هر الکترون در یک اتم دارای مجموعه منحصر به فردی از اعداد کوانتومی است. این تعداد الکترون هایی را که می توانند هر اوربیتال، زیر پوسته و پوسته معینی را اشغال کنند محدود می کند.

این نشان دهنده آرایش الکترون ها در اتم هیدروژن است:

با یک پروتون در هسته، اتم یک الکترون را برای تعادل الکترواستاتیکی خود می پذیرد (بار مثبت پروتون دقیقاً با بار منفی الکترون متعادل می شود). این الکترون در لایه پایینی (n = 1)، اولین لایه فرعی (l = 0)، در تنها مداری (جهت مکانی) این زیر پوسته (ml = 0)، با مقدار اسپین 1/2 قرار دارد. روش کلی برای توصیف این ساختار، بر اساس قراردادی به نام، شمارش الکترون ها بر اساس پوسته ها و لایه های فرعی آنهاست. نماد طیف سنجی. در این نماد، عدد پوسته به صورت یک عدد صحیح، پوسته فرعی به صورت حرف (s,p,d,f) و تعداد کل الکترون‌های زیر پوسته (همه اوربیتال‌ها، همه اسپین‌ها) به عنوان یک رونوشت نشان داده می‌شود. بنابراین، هیدروژن، با تک الکترون خود که در سطح پایه قرار می گیرد، به عنوان 1s 1 توصیف می شود.

با رفتن به اتم بعدی (به ترتیب عدد اتمی)، عنصر هلیم را بدست می آوریم:

یک اتم هلیوم دارای دو پروتون در هسته خود است که برای متعادل کردن بار الکتریکی مثبت دوگانه به دو الکترون نیاز دارد. از آنجایی که دو الکترون - یکی با اسپین 1/2 و دیگری با اسپین 1/2- در یک مدار قرار دارند، ساختار الکترونیکی هلیوم برای نگه داشتن الکترون دوم به لایه‌های فرعی یا لایه‌های اضافی نیاز ندارد.

با این حال، اتمی که به سه یا بیشتر الکترون نیاز دارد، برای نگه داشتن تمام الکترون‌ها به لایه‌های فرعی اضافی نیاز دارد، زیرا تنها دو الکترون می‌توانند در لایه پایینی باشند (n=1). اتم بعدی را در دنباله افزایش اعداد اتمی، لیتیوم در نظر بگیرید:

اتم لیتیوم از بخشی از ظرفیت L پوسته استفاده می کند (n = 2). این پوسته در واقع دارای ظرفیت کل هشت الکترون (حداکثر ظرفیت پوسته = 2n 2 الکترون) است. اگر ساختار یک اتم را با یک پوسته L کاملاً پر در نظر بگیریم، می بینیم که چگونه تمام ترکیبات زیر پوسته ها، اوربیتال ها و اسپین ها توسط الکترون ها اشغال می شوند:

اغلب، هنگام تخصیص یک نماد طیف‌سنجی به یک اتم، پوسته‌های کاملاً پر شده نادیده گرفته می‌شوند و پوسته‌های پر نشده و پوسته‌های پر شده سطح بالایی نشان داده می‌شوند. به عنوان مثال، عنصر نئون (نشان داده شده در شکل بالا)، که دارای دو پوسته کاملاً پر شده است، می تواند به صورت طیفی به سادگی به عنوان 2p 6 به جای 1s 22 s 22 p 6 توصیف شود. لیتیوم، با پوسته K کاملا پر و یک الکترون منفرد در لایه L، به سادگی می تواند به عنوان 2s 1 به جای 1s 22 s 1 توصیف شود.

حذف پوسته‌های سطح پایین‌تر کاملاً پرجمعیت تنها برای سهولت نمادگذاری نیست. همچنین یک اصل اساسی شیمی را نشان می دهد: رفتار شیمیایی یک عنصر در درجه اول توسط پوسته های پر نشده آن تعیین می شود. هیدروژن و لیتیوم هر دو دارای یک الکترون در لایه بیرونی خود هستند (به ترتیب 1 و 2s 1)، یعنی هر دو عنصر دارای خواص مشابهی هستند. هر دو بسیار واکنش‌پذیر هستند و به روش‌های تقریباً یکسانی واکنش نشان می‌دهند (اتصال با عناصر مشابه در شرایط مشابه). واقعاً مهم نیست که لیتیوم دارای یک پوسته K کاملاً پر شده در زیر یک پوسته L تقریباً آزاد باشد: پوسته L پر نشده آن چیزی است که رفتار شیمیایی آن را تعیین می کند.

عناصری که پوسته بیرونی کاملاً پر شده اند به عنوان نجیب طبقه بندی می شوند و با عدم واکنش تقریباً کامل با عناصر دیگر مشخص می شوند. این عناصر زمانی که به هیچ وجه واکنش نشان نمی دهند به عنوان بی اثر طبقه بندی می شوند، اما شناخته شده اند که تحت شرایط خاصی با عناصر دیگر ترکیب می کنند.

از آنجایی که عناصر با پیکربندی یکسان الکترون در لایه بیرونی خود دارای خواص شیمیایی مشابهی هستند، دیمیتری مندلیف عناصر شیمیایی را بر این اساس در جدولی سازماندهی کرد. این جدول به عنوان شناخته شده است ، و جداول مدرن از این طرح کلی پیروی می کنند که در شکل زیر نشان داده شده است.

جدول تناوبی عناصر شیمیایی

دیمیتری مندلیف، شیمیدان روسی، اولین کسی بود که جدول تناوبی عناصر را توسعه داد. اگرچه مندلیف جدول خود را بر اساس جرم اتمی تنظیم کرد، نه عدد اتمی، و جدولی ایجاد کرد که به اندازه جدول تناوبی مدرن مفید نبود، توسعه او به عنوان یک نمونه عالی از اثبات علمی است. مندلیف با دیدن الگوهای تناوب (خواص شیمیایی مشابه با توجه به جرم اتمی)، این فرضیه را مطرح کرد که همه عناصر باید در این الگوی منظم قرار گیرند. هنگامی که او مکان های «خالی» را در جدول کشف کرد، از منطق نظم موجود پیروی کرد و وجود عناصر ناشناخته را فرض کرد. کشف بعدی این عناصر صحت علمی فرضیه مندلیف را تأیید کرد، اکتشافات بعدی منجر به شکل جدول تناوبی شد که اکنون از آن استفاده می کنیم.

مثل این بایدعلم کار: فرضیه ها به نتیجه گیری های منطقی منجر می شوند و بسته به همخوانی داده های تجربی با نتایج آنها پذیرفته، تغییر یا رد می شوند. هر احمقی می‌تواند فرضیه‌ای را پس از واقعیت برای توضیح داده‌های تجربی موجود فرموله کند، و بسیاری این کار را انجام می‌دهند. آنچه که یک فرضیه علمی را از حدس و گمان های پس از آن متمایز می کند، پیش بینی داده های تجربی آینده است که هنوز جمع آوری نشده اند، و احتمالاً رد آن داده ها در نتیجه. جسورانه فرضیه را به نتیجه (های) منطقی خود هدایت کنید و تلاش برای پیش‌بینی نتایج آزمایش‌های آینده یک جهش جزمی ایمان نیست، بلکه آزمایش عمومی این فرضیه، چالشی آشکار برای مخالفان این فرضیه است. به عبارت دیگر، فرضیه‌های علمی به دلیل تلاش برای پیش‌بینی نتایج آزمایش‌هایی که هنوز انجام نشده‌اند، همیشه «خطرناک» هستند و بنابراین اگر آزمایش‌ها مطابق انتظار پیش نرود، قابل جعل هستند. بنابراین، اگر یک فرضیه به درستی نتایج آزمایش های مکرر را پیش بینی کند، رد می شود.

مکانیک کوانتومی، ابتدا به عنوان یک فرضیه و سپس به عنوان یک نظریه، ثابت کرده است که در پیش‌بینی نتایج آزمایش‌ها بسیار موفق بوده و از این رو اعتبار علمی بالایی دریافت کرده است. بسیاری از دانشمندان دلایلی برای این باور دارند که این یک نظریه ناقص است، زیرا پیش‌بینی‌های آن در مقیاس‌های میکروفیزیکی بیشتر از موارد ماکروسکوپی درست است، اما با این وجود، این نظریه بسیار مفید برای توضیح و پیش‌بینی برهمکنش ذرات و اتم‌ها است.

همانطور که در این فصل دیدید، فیزیک کوانتومی در توصیف و پیش‌بینی بسیاری از پدیده‌های مختلف ضروری است. در بخش بعدی اهمیت آن را در هدایت الکتریکی جامدات از جمله نیمه رساناها خواهیم دید. به بیان ساده، هیچ چیز در شیمی یا فیزیک حالت جامد در ساختار نظری رایج الکترون‌ها که به‌عنوان ذرات منفرد ماده در اطراف هسته یک اتم مانند ماهواره‌های مینیاتوری در حال چرخش هستند، معنا ندارد. وقتی الکترون‌ها را به‌عنوان «توابع موجی» در حالت‌های معین و گسسته‌ای که منظم و تناوبی هستند در نظر بگیریم، رفتار ماده را می‌توان توضیح داد.

جمع بندی

همانطور که نمونه‌های معمول نشان می‌دهند، الکترون‌های موجود در اتم‌ها در «ابرهایی» با احتمال توزیع شده وجود دارند، و نه به‌عنوان ذرات مجزای ماده که به دور هسته می‌چرخند، مانند ماهواره‌های مینیاتوری.

تک تک الکترون‌های اطراف هسته یک اتم به «حالت‌های» منحصربه‌فردی تمایل دارند که با چهار عدد کوانتومی توصیف می‌شوند: عدد کوانتومی اصلی (شعاعی).، معروف به پوسته; عدد کوانتومی مداری (زیموت).، معروف به زیر پوسته; عدد کوانتومی مغناطیسیتوصیف می کند مداری(جهت زیر پوسته)؛ و عدد کوانتومی اسپین، یا به سادگی چرخش. این حالت ها کوانتومی هستند، یعنی "بین آنها" هیچ شرایطی برای وجود الکترون وجود ندارد، به جز حالت هایی که در طرح شماره گذاری کوانتومی قرار می گیرند.

عدد کوانتومی گلانو (شعاعی) (n)سطح پایه یا پوسته ای که الکترون در آن قرار دارد را توصیف می کند. هر چه این عدد بیشتر باشد، شعاع ابر الکترونی از هسته اتم بیشتر است و انرژی الکترون بیشتر می شود. اعداد کوانتومی اصلی اعداد صحیح هستند (اعداد صحیح مثبت)

عدد کوانتومی مداری (آزیموتال) (l)شکل یک ابر الکترونی را در یک پوسته یا سطح خاص توصیف می کند و اغلب به عنوان "زیر پوسته" شناخته می شود. در هر پوسته، به اندازه عدد کوانتومی اصلی پوسته، زیر پوسته (شکل های ابر الکترونی) وجود دارد. اعداد کوانتومی آزیموتال اعداد صحیح مثبتی هستند که از صفر شروع می شوند و به عددی کمتر از عدد کوانتومی اصلی یک ختم می شوند (n - 1).

عدد کوانتومی مغناطیسی (ml)توضیح می‌دهد که پوسته فرعی (شکل ابر الکترونی) چه جهتی دارد. پوسته های فرعی می توانند به اندازه دو برابر عدد زیر پوسته (l) به اضافه 1، (2l+1) جهت های مختلف داشته باشند (یعنی برای l=1، m l = -1، 0، 1)، و هر جهت منحصر به فرد را اوربیتال می نامند. . این اعداد اعداد صحیحی هستند که از مقدار منفی عدد زیر پوسته (l) تا 0 شروع می شوند و به مقدار مثبت عدد زیر پوسته ختم می شوند.

عدد کوانتومی اسپین (m s)ویژگی دیگری از الکترون را توصیف می کند و می تواند مقادیر +1/2 و -1/2 را بگیرد.

اصل طرد پائولیمی گوید که دو الکترون در یک اتم نمی توانند مجموعه اعداد کوانتومی یکسانی داشته باشند. بنابراین در هر اوربیتال حداکثر دو الکترون (اسپین=1/2 و اسپین=-1/2)، در هر لایه فرعی 1+2 اوربیتال و در هر پوسته n زیر پوسته و نه بیشتر می تواند وجود داشته باشد.

نماد طیف سنجییک قرارداد برای ساختار الکترونیکی یک اتم است. پوسته ها به صورت اعداد صحیح نشان داده می شوند و به دنبال آن حروف زیر پوسته (s, p, d, f) همراه با اعداد فوق نویس نشان دهنده تعداد کل الکترون های موجود در هر زیر پوسته مربوطه هستند.

رفتار شیمیایی یک اتم تنها توسط الکترون های موجود در پوسته های پر نشده تعیین می شود. پوسته های سطح پایین که به طور کامل پر شده اند تأثیر کمی بر ویژگی های اتصال شیمیایی عناصر دارند.

عناصر با پوسته الکترونی کاملاً پر شده تقریباً کاملاً بی اثر هستند و نامیده می شوند نجیبعناصر (که قبلا به عنوان بی اثر شناخته می شد).

به وبلاگ خوش آمدید! من برای شما بسیار خوشحالم!

حتما بارها شنیده اید در مورد اسرار غیر قابل توضیح فیزیک کوانتومی و مکانیک کوانتومی. قوانین آن مجذوب عرفان است و حتی خود فیزیکدانان اعتراف می کنند که آنها را کاملاً درک نمی کنند. از یک طرف درک این قوانین کنجکاو است، اما از طرف دیگر زمانی برای خواندن کتاب های چند جلدی و پیچیده فیزیک وجود ندارد. من شما را بسیار درک می کنم، زیرا من نیز دانش و جستجوی حقیقت را دوست دارم، اما برای همه کتاب ها وقت کافی نیست. شما تنها نیستید، بسیاری از افراد کنجکاو در خط جستجو تایپ می کنند: «فیزیک کوانتومی برای آدمک ها، مکانیک کوانتومی برای آدمک ها، فیزیک کوانتومی برای مبتدیان، مکانیک کوانتومی برای مبتدیان، مبانی فیزیک کوانتومی، مبانی مکانیک کوانتومی، فیزیک کوانتومی برای کودکان، مکانیک کوانتومی چیست». این پست برای شماست.

شما مفاهیم اساسی و پارادوکس های فیزیک کوانتومی را درک خواهید کرد. از مقاله یاد خواهید گرفت:

• تداخل چیست؟
• اسپین و برهم نهی چیست؟
• "اندازه گیری" یا "فروپاشی تابع موج" چیست؟
• درهم تنیدگی کوانتومی (یا دوربری کوانتومی برای آدمک ها) چیست؟ (به مقاله مراجعه کنید)
• آزمایش فکری گربه شرودینگر چیست؟ (به مقاله مراجعه کنید)

فیزیک کوانتومی و مکانیک کوانتومی چیست؟

مکانیک کوانتومی بخشی از فیزیک کوانتومی است.

چرا درک این علوم اینقدر مشکل است؟ پاسخ ساده است: فیزیک کوانتومی و مکانیک کوانتومی (بخشی از فیزیک کوانتومی) قوانین ریزجهان را مطالعه می کنند. و این قوانین کاملاً با قوانین جهان کلان ما متفاوت است. بنابراین، تصور اینکه چه اتفاقی برای الکترون‌ها و فوتون‌ها در عالم کوچک می‌افتد برای ما دشوار است.

نمونه ای از تفاوت بین قوانین کلان و خرد: در جهان کلان ما، اگر یک توپ را در یکی از 2 جعبه قرار دهید، یکی از آنها خالی خواهد بود و دیگری - یک توپ. اما در عالم کوچک (اگر به جای یک توپ - یک اتم)، یک اتم می تواند به طور همزمان در دو جعبه باشد. این بارها به صورت تجربی تایید شده است. گذاشتنش توی سرت سخت نیست؟ اما شما نمی توانید با واقعیت ها بحث کنید.

یک مثال دیگرشما از یک ماشین اسپرت قرمز مسابقه ای سریع عکاسی کردید و در عکس یک نوار افقی تار دیدید که انگار ماشین در زمان عکس از چند نقطه در فضا بود. با وجود آنچه در عکس می بینید، هنوز مطمئن هستید که ماشین در لحظه ای که از آن عکس گرفته اید بوده است. در یک مکان خاص در فضا. در دنیای خرد اینطور نیست. الکترونی که به دور هسته اتم می چرخد ​​در واقع نمی چرخد، اما به طور همزمان در تمام نقاط کره قرار دارداطراف هسته اتم مثل گلوله‌ای از پشم کرکی که به صورت شل زخمی شده است. این مفهوم در فیزیک نامیده می شود "ابر الکترونیکی" .

یک انحراف کوچک در تاریخ.برای اولین بار، زمانی که در سال 1900، ماکس پلانک، فیزیکدان آلمانی، تلاش کرد تا دریابد چرا فلزات هنگام گرم شدن تغییر رنگ می دهند، دانشمندان به دنیای کوانتومی فکر کردند. او بود که مفهوم کوانتوم را معرفی کرد. پیش از آن، دانشمندان فکر می کردند که نور به طور پیوسته سفر می کند. اولین کسی که کشف پلانک را جدی گرفت آلبرت انیشتین ناشناخته آن زمان بود. او متوجه شد که نور فقط یک موج نیست. گاهی اوقات مانند یک ذره رفتار می کند. انیشتین جایزه نوبل را برای کشف خود دریافت کرد که نور در بخش‌هایی، کوانتومی ساطع می‌شود. کوانتومی نور را فوتون می نامند ( فوتون، ویکی پدیا) .

برای اینکه درک قوانین کوانتومی آسانتر شود فیزیکو مکانیک (ویکی پدیا)، لازم است، به معنای خاصی، از قوانین فیزیک کلاسیک آشنا برای ما انتزاع شود. و تصور کنید که مانند آلیس از سوراخ خرگوش در سرزمین عجایب شیرجه زدید.

و در اینجا یک کارتون برای کودکان و بزرگسالان است.در مورد آزمایش اساسی مکانیک کوانتومی با 2 شکاف و یک ناظر صحبت می کند. فقط 5 دقیقه طول می کشد. قبل از اینکه به سؤالات و مفاهیم اساسی فیزیک کوانتوم بپردازیم، آن را تماشا کنید.

فیلم فیزیک کوانتومی برای آدمک ها. در کارتون به "چشم" ناظر توجه کنید. این به یک معمای جدی برای فیزیکدانان تبدیل شده است.

تداخل چیست؟

در ابتدای کارتون، با استفاده از مثال مایع، نشان داده شد که امواج چگونه رفتار می کنند - نوارهای عمودی تیره و روشن متناوب روی صفحه در پشت صفحه ای با شکاف ظاهر می شوند. و در صورتی که ذرات گسسته (مثلاً سنگریزه ها) به صفحه "شلیک" شوند ، از طریق 2 شکاف پرواز می کنند و مستقیماً در مقابل شکاف ها به صفحه نمایش برخورد می کنند. و فقط 2 نوار عمودی را روی صفحه "کشیدن" کنید.

تداخل نور- این رفتار "موج" نور است، زمانی که تعداد زیادی نوارهای عمودی روشن و تاریک متناوب روی صفحه نمایش داده می شود. و اون راه راه های عمودی الگوی تداخل نامیده می شود.

در جهان کلان ما اغلب مشاهده می کنیم که نور مانند یک موج رفتار می کند. اگر دست خود را جلوی شمع قرار دهید، روی دیوار سایه روشنی از دست وجود نخواهد داشت، اما با خطوط مبهم.

بنابراین، همه چیز آنقدرها هم سخت نیست! اکنون برای ما کاملاً واضح است که نور ماهیت موجی دارد و اگر 2 شکاف با نور روشن شود، در صفحه پشت آنها یک الگوی تداخلی خواهیم دید. حالا آزمایش دوم را در نظر بگیرید. این آزمایش معروف Stern-Gerlach است (که در دهه 20 قرن گذشته انجام شد).

در نصب شرح داده شده در کارتون، آنها با نور نمی درخشیدند، بلکه با الکترون ها (به عنوان ذرات جداگانه) "شات" می شدند. سپس در آغاز قرن گذشته، فیزیکدانان سراسر جهان معتقد بودند که الکترون ها ذرات بنیادی ماده هستند و نباید ماهیت موجی داشته باشند، بلکه مانند سنگریزه ها هستند. بالاخره الکترون ها ذرات بنیادی ماده هستند، درست است؟ یعنی اگر آنها را مانند سنگریزه به 2 شکاف "پرتاب" کنند ، روی صفحه پشت شکاف ها باید 2 نوار عمودی ببینیم.

اما… نتیجه خیره کننده بود. دانشمندان یک الگوی تداخل را دیدند - تعداد زیادی نوار عمودی. یعنی الکترون ها هم مثل نور می توانند ماهیت موجی داشته باشند، می توانند تداخل داشته باشند. از سوی دیگر، روشن شد که نور نه تنها یک موج، بلکه یک ذره - یک فوتون است (از پیشینه تاریخی در ابتدای مقاله فهمیدیم که اینشتین جایزه نوبل را برای این کشف دریافت کرده است).

شاید به خاطر داشته باشید که در مدرسه به ما در مورد فیزیک گفته بودند "دوآلیسم موج-ذره"? این بدان معناست که وقتی صحبت از ذرات بسیار کوچک (اتم‌ها، الکترون‌ها) دنیای خرد می‌شود، آنها هم امواج و هم ذرات هستند

امروز است که من و شما بسیار باهوش هستیم و درک می کنیم که 2 آزمایشی که در بالا توضیح داده شد - تیراندازی با الکترون ها و روشن کردن شکاف ها با نور - یکسان هستند. زیرا ما ذرات کوانتومی را به سمت شکاف ها شلیک می کنیم. اکنون می دانیم که نور و الکترون ها هر دو ماهیت کوانتومی دارند، همزمان هم امواج و هم ذرات هستند. و در آغاز قرن بیستم، نتایج این آزمایش احساسی بود.

توجه! حالا بیایید به یک موضوع ظریف تر برویم.

ما با جریانی از فوتون ها (الکترون ها) به شکاف های خود می درخشیم - و یک الگوی تداخلی (راه راه های عمودی) را در پشت شکاف های روی صفحه می بینیم. روشن است. اما ما علاقه مندیم که ببینیم هر یک از الکترون ها چگونه از شکاف عبور می کنند.

احتمالاً یک الکترون به سمت شکاف چپ و دیگری به سمت راست پرواز می کند. اما پس از آن باید 2 نوار عمودی روی صفحه نمایش دقیقاً در مقابل شکاف ها ظاهر شود. چرا الگوی تداخل به دست می آید؟ شاید الکترون‌ها به نحوی با یکدیگر پس از پرواز در شکاف‌ها روی صفحه نمایش تعامل داشته باشند. و نتیجه چنین الگوی موجی است. چگونه می توانیم این را دنبال کنیم؟

ما الکترون ها را نه در یک پرتو، بلکه یکی یکی پرتاب خواهیم کرد. رهاش کن، صبر کن، بعدی را رها کن. اکنون، وقتی الکترون به تنهایی پرواز می کند، دیگر نمی تواند بر روی صفحه نمایش با الکترون های دیگر تعامل داشته باشد. هر الکترون را بعد از پرتاب روی صفحه ثبت می کنیم. یک یا دو، البته، تصویر روشنی را برای ما "نقاشی" نمی کند. اما هنگامی که یکی یکی تعداد زیادی از آنها را به شکاف ها می فرستیم، متوجه می شویم ... اوه وحشت - آنها دوباره یک الگوی موج تداخلی را ترسیم کردند!

کم کم شروع به دیوانه شدن می کنیم. از این گذشته ، ما انتظار داشتیم که 2 نوار عمودی در مقابل شکاف ها وجود داشته باشد! معلوم شد وقتی فوتون‌ها را یکی یکی پرتاب می‌کردیم، هر کدام از آن‌ها به طور همزمان از 2 شکاف عبور می‌کردند و با خود تداخل پیدا می‌کردند. فانتزی! در بخش بعدی به توضیح این پدیده خواهیم پرداخت.

اسپین و برهم نهی چیست؟

اکنون می دانیم که تداخل چیست. این رفتار موجی ذرات میکرو است - فوتون ها، الکترون ها، سایر ذرات ریز (برای سادگی از این به بعد آنها را فوتون بنامیم).

در نتیجه آزمایش، وقتی 1 فوتون را به 2 شکاف انداختیم، متوجه شدیم که به طور همزمان از بین دو شکاف پرواز می کند. چگونه می توان الگوی تداخل روی صفحه را توضیح داد؟

اما چگونه می توان تصویری را تصور کرد که یک فوتون همزمان از میان دو شکاف عبور می کند؟ 2 گزینه وجود دارد.

• گزینه 1:فوتون، مانند یک موج (مثل آب) از طریق 2 شکاف به طور همزمان "شناور" می شود
• گزینه دوم:یک فوتون، مانند یک ذره، به طور همزمان در طول 2 مسیر پرواز می کند (حتی دو مسیر نیست، بلکه همه به یکباره)

در اصل، این گزاره ها معادل هستند. ما به "انتگرال مسیر" رسیده ایم. این فرمول مکانیک کوانتومی ریچارد فاینمن است.

اتفاقا دقیقا ریچارد فاینمنمتعلق به عبارت معروف است که با اطمینان می توان گفت که هیچ کس مکانیک کوانتومی را نمی فهمد

اما این بیان او در آغاز قرن کارآمد. اما اکنون ما باهوش هستیم و می دانیم که یک فوتون می تواند هم به عنوان یک ذره و هم به عنوان یک موج رفتار کند. اینکه او می تواند از طریق 2 اسلات به طور همزمان به طریقی که برای ما غیر قابل درک است پرواز کند. بنابراین، درک عبارت مهم مکانیک کوانتومی برای ما آسان خواهد بود:

به طور دقیق، مکانیک کوانتومی به ما می گوید که این رفتار فوتون یک قاعده است، نه استثنا. هر ذره کوانتومی، به طور معمول، در چندین حالت یا در چند نقطه در فضا به طور همزمان است.

اشیاء جهان ماکرو تنها می توانند در یک مکان خاص و در یک حالت خاص باشند. اما یک ذره کوانتومی طبق قوانین خودش وجود دارد. و او اهمیتی نمی دهد که ما آنها را درک نمی کنیم. این نکته است.

برای ما باقی می ماند که به سادگی بپذیریم که "ابرجایگاه" یک جسم کوانتومی به این معنی است که می تواند همزمان در 2 یا چند مسیر در 2 یا چند نقطه به طور همزمان باشد.

همین امر در مورد یکی دیگر از پارامترهای فوتون - اسپین (تکانه زاویه ای خود) صدق می کند. اسپین یک بردار است. یک جسم کوانتومی را می توان به عنوان یک آهنربای میکروسکوپی در نظر گرفت. ما به این واقعیت عادت کرده ایم که بردار آهنربا (اسپین) یا به سمت بالا یا پایین هدایت می شود. اما الکترون یا فوتون دوباره به ما می‌گوید: «بچه‌ها، ما اهمیتی نمی‌دهیم که به چه چیزی عادت کرده‌اید، ما می‌توانیم در هر دو حالت اسپینی (بردار بالا، بردار پایین) باشیم، درست مثل اینکه می‌توانیم در 2 مسیر در در همان زمان یا در 2 نقطه در همان زمان!

"اندازه گیری" یا "فروپاشی تابع موج" چیست؟

کمی برای ما باقی می ماند - بفهمیم "اندازه گیری" چیست و "فروپاشی تابع موج" چیست.

تابع موجتوصیفی از وضعیت یک جسم کوانتومی (فوتون یا الکترون ما) است.

فرض کنید ما یک الکترون داریم، به سمت خودش پرواز می کند در یک حالت نامشخص، چرخش آن به طور همزمان به سمت بالا و پایین هدایت می شود. باید وضعیت او را بسنجیم.

بیایید با استفاده از میدان مغناطیسی اندازه‌گیری کنیم: الکترون‌هایی که اسپین آنها در جهت میدان هدایت شده است در یک جهت منحرف می‌شوند و الکترون‌هایی که اسپین آنها بر خلاف میدان است در جهت دیگر منحرف می‌شوند. فوتون ها همچنین می توانند به یک فیلتر پلاریزه ارسال شوند. اگر اسپین (پلاریزاسیون) فوتون 1+ باشد از فیلتر عبور می کند و اگر -1 باشد اینطور نیست.

متوقف کردن! اینجاست که ناگزیر این سوال پیش می آید:قبل از اندازه گیری، بالاخره الکترون هیچ جهت اسپین خاصی نداشت، درست است؟ آیا او در همه ایالت ها همزمان بود؟

این ترفند و حس مکانیک کوانتومی است.. تا زمانی که حالت یک جسم کوانتومی را اندازه نگیرید، می تواند در هر جهتی بچرخد (هر جهتی از بردار تکانه زاویه ای خود داشته باشد - اسپین). اما در لحظه‌ای که حالت او را اندازه‌گیری کردید، به نظر می‌رسد که او تصمیم می‌گیرد کدام بردار اسپین را انتخاب کند.

این شی کوانتومی بسیار جالب است - در مورد وضعیت خود تصمیم می گیرد.و ما نمی توانیم از قبل پیش بینی کنیم که وقتی به میدان مغناطیسی که در آن اندازه گیری می کنیم پرواز کند چه تصمیمی می گیرد. احتمال اینکه او تصمیم بگیرد بردار اسپین "بالا" یا "پایین" داشته باشد 50 تا 50 درصد است. اما به محض اینکه تصمیم می گیرد، در یک حالت خاص با یک جهت چرخش خاص قرار می گیرد. دلیل تصمیم او «بُعد» ماست!

به این میگن " سقوط تابع موج". تابع موج قبل از اندازه گیری نامشخص بود، یعنی. بردار اسپین الکترون به طور همزمان در همه جهات بود، پس از اندازه گیری، الکترون جهت خاصی از بردار اسپین خود را ثابت کرد.

توجه! یک مثال عالی از جهان کلان ما برای درک:

روی میز مانند یک سکه بچرخانید. در حالی که سکه در حال چرخش است، معنای خاصی ندارد - سر یا دم. اما به محض اینکه تصمیم گرفتید این مقدار را "اندازه گیری" کنید و سکه را با دست خود بکوبید، اینجاست که وضعیت خاص سکه - سر یا دم - را به دست می آورید. حالا تصور کنید که این سکه تصمیم می گیرد که چه ارزشی را به شما نشان دهد - سر یا دم. الکترون تقریباً به همین صورت عمل می کند.

حالا آزمایشی را که در انتهای کارتون نشان داده شده است به یاد بیاورید. وقتی فوتون ها از شکاف ها عبور می کردند، مانند یک موج رفتار می کردند و یک الگوی تداخلی را روی صفحه نشان می دادند. و هنگامی که دانشمندان می خواستند لحظه ای را که فوتون ها از شکاف عبور می کنند و "ناظر" را در پشت صفحه قرار می دهند، ثابت کنند (اندازه گیری کنند)، فوتون ها شروع به رفتار نه مانند امواج، بلکه مانند ذرات کردند. و 2 نوار عمودی روی صفحه "کشیده" کنید. آن ها در لحظه اندازه گیری یا مشاهده، اجسام کوانتومی خودشان انتخاب می کنند که در چه حالتی باشند.

فانتزی! مگه نه؟

اما این همه ماجرا نیست. بالاخره ما به جالب ترین رسید

اما ... به نظر من حجم اطلاعات زیاد خواهد بود، بنابراین این 2 مفهوم را در پست های جداگانه بررسی خواهیم کرد:

• چی ؟
• آزمایش فکری چیست.

و اکنون، آیا می خواهید اطلاعات در قفسه ها قرار گیرد؟ مستندی را تماشا کنید که توسط موسسه کانادایی فیزیک نظری تهیه شده است. در 20 دقیقه، به طور خلاصه و به ترتیب زمانی در مورد تمام اکتشافات فیزیک کوانتومی، از کشف پلانک در سال 1900، به شما می گوید. و سپس آنها به شما خواهند گفت که در حال حاضر چه پیشرفت های عملی بر اساس دانش فیزیک کوانتومی در حال انجام است: از دقیق ترین ساعت های اتمی تا محاسبات فوق سریع یک کامپیوتر کوانتومی. تماشای این فیلم را به شدت توصیه می کنم.

به امید دیدار!

برای همه شما برای همه برنامه ها و پروژه های خود الهام بخش آرزو می کنم!

P.S.2 سوالات و نظرات خود را در نظرات بنویسید. بنویسید، به چه سوالات دیگری در مورد فیزیک کوانتومی علاقه دارید؟

P.S.3 مشترک شدن در وبلاگ - فرم اشتراک در زیر مقاله.

فیزیک مرموزترین علوم است. فیزیک به ما درکی از دنیای اطرافمان می دهد. قوانین فیزیک مطلق هستند و برای همه بدون استثناء، صرف نظر از موقعیت فردی و اجتماعی، اعمال می شود.

این مقاله برای افراد بالای 18 سال در نظر گرفته شده است.

آیا شما در حال حاضر بالای 18 سال دارید؟

اکتشافات اساسی در فیزیک کوانتومی

اسحاق نیوتن، نیکولا تسلا، آلبرت اینشتین و بسیاری دیگر از راهنمایان بزرگ بشر در دنیای شگفت انگیز فیزیک هستند که مانند پیامبران بزرگ ترین اسرار جهان و توانایی کنترل پدیده های فیزیکی را برای بشر آشکار کردند. سرهای درخشانشان تاریکی جهل اکثریت نابخردان را برید و همچون ستاره ای راهنما در تاریکی شب راه را به بشریت نشان داد. یکی از این هادی ها در دنیای فیزیک، ماکس پلانک، پدر فیزیک کوانتومی بود.

ماکس پلانک نه تنها بنیانگذار فیزیک کوانتومی، بلکه نویسنده تئوری کوانتومی معروف جهان است. نظریه کوانتومی مهمترین جزء فیزیک کوانتومی است. به زبان ساده، این نظریه حرکت، رفتار و برهمکنش ریز ذرات را توصیف می کند. بنیانگذار فیزیک کوانتومی همچنین بسیاری از آثار علمی دیگر را که به سنگ بنای فیزیک مدرن تبدیل شده اند برای ما آورده است:

• نظریه تابش حرارتی؛
• نظریه نسبیت خاص؛
• تحقیق در زمینه ترمودینامیک؛
• تحقیق در زمینه اپتیک

تئوری فیزیک کوانتومی در مورد رفتار و برهمکنش ریزذرات مبنایی برای فیزیک ماده متراکم، فیزیک ذرات بنیادی و فیزیک انرژی بالا شد. نظریه کوانتومی ماهیت بسیاری از پدیده های جهان ما را - از عملکرد رایانه های الکترونیکی گرفته تا ساختار و رفتار اجرام آسمانی - برای ما توضیح می دهد. ماکس پلانک، خالق این نظریه، به لطف کشف خود به ما اجازه داد تا جوهر واقعی بسیاری از چیزها را در سطح ذرات بنیادی درک کنیم. اما ایجاد این نظریه به دور از شایستگی دانشمند است. او اولین کسی بود که قانون اساسی جهان - قانون بقای انرژی را کشف کرد. سهم ماکس پلانک در علم به سختی قابل برآورد است. به طور خلاصه، اکتشافات او برای فیزیک، شیمی، تاریخ، روش شناسی و فلسفه ارزشمند است.

نظریه میدان کوانتومی

به طور خلاصه، نظریه میدان کوانتومی، نظریه ای است در مورد توصیف ریز ذرات، و همچنین رفتار آنها در فضا، برهمکنش با یکدیگر و دگرگونی های متقابل. این نظریه رفتار سیستم های کوانتومی را در به اصطلاح درجات آزادی مطالعه می کند. این نام زیبا و عاشقانه برای بسیاری از ما چیزی نمی گوید. برای آدمک ها، درجه آزادی تعداد مختصات مستقلی است که برای نشان دادن حرکت یک سیستم مکانیکی مورد نیاز است. به عبارت ساده، درجات آزادی از ویژگی های حرکت هستند. اکتشافات جالبی در زمینه برهمکنش ذرات بنیادی توسط استیون واینبرگ انجام شد. او جریان به اصطلاح خنثی را کشف کرد - اصل برهمکنش بین کوارک ها و لپتون ها، که برای آن جایزه نوبل را در سال 1979 دریافت کرد.

نظریه کوانتومی ماکس پلانک

در دهه نود قرن هجدهم، ماکس پلانک، فیزیکدان آلمانی، مطالعه تابش حرارتی را آغاز کرد و سرانجام فرمولی برای توزیع انرژی دریافت کرد. فرضیه کوانتومی که در جریان این مطالعات متولد شد، آغازی برای فیزیک کوانتومی و همچنین نظریه میدان کوانتومی بود که در سال 1900 کشف شد. نظریه کوانتومی پلانک این است که در طی تابش حرارتی، انرژی تولید شده نه به طور مداوم، بلکه به صورت اپیزودیک به صورت کوانتومی ساطع و جذب می شود. سال 1900 به لطف این کشف ماکس پلانک، سال تولد مکانیک کوانتومی شد. ذکر فرمول پلانک نیز قابل ذکر است. به طور خلاصه، ماهیت آن به شرح زیر است - بر اساس نسبت دمای بدن و تابش آن است.

نظریه مکانیک کوانتومی ساختار اتم

نظریه مکانیک کوانتومی ساختار اتم یکی از نظریه های اساسی مفاهیم در فیزیک کوانتومی و در واقع در فیزیک به طور کلی است. این نظریه به ما اجازه می دهد تا ساختار هر چیز مادی را درک کنیم و پرده رازداری را بر آنچه واقعاً از چه چیزهایی تشکیل شده است باز می کند. و نتیجه گیری بر اساس این نظریه بسیار غیرمنتظره است. ساختار اتم را به طور خلاصه در نظر بگیرید. بنابراین یک اتم واقعا از چه چیزی ساخته شده است؟ یک اتم از یک هسته و یک ابر الکترون تشکیل شده است. اساس اتم، هسته آن، تقریباً کل جرم خود اتم را در بر می گیرد - بیش از 99 درصد. هسته همیشه دارای بار مثبت است و عنصر شیمیایی که اتم بخشی از آن است را تعیین می کند. جالب ترین چیز در مورد هسته یک اتم این است که تقریباً کل جرم اتم را در بر می گیرد، اما در عین حال فقط یک ده هزارم حجم آن را اشغال می کند. چه چیزی از این نتیجه می شود؟ و نتیجه گیری بسیار غیرمنتظره است. این بدان معناست که ماده متراکم در اتم تنها یک ده هزارم است. و در مورد هر چیز دیگری چطور؟ هر چیز دیگری در اتم یک ابر الکترونی است.

ابر الکترونی یک ماده دائمی و حتی در واقع یک ماده مادی نیست. ابر الکترونی فقط احتمال ظاهر شدن الکترون ها در یک اتم است. یعنی هسته فقط یک ده هزارم اتم را اشغال می کند و بقیه چیزها پوچی است. و اگر در نظر بگیریم که تمام اجسام اطراف ما، از ذرات غبار گرفته تا اجرام آسمانی، سیارات و ستارگان، از اتم تشکیل شده‌اند، معلوم می‌شود که همه چیز مادی در واقع بیش از 99 درصد از پوچی را تشکیل می‌دهد. این نظریه کاملاً غیرقابل باور به نظر می رسد و نویسنده آن حداقل یک فرد متوهم است، زیرا چیزهایی که در اطراف وجود دارند قوام محکمی دارند، وزن دارند و قابل احساس هستند. چگونه می تواند از پوچی تشکیل شود؟ آیا اشتباهی در این نظریه ساختار ماده رخنه کرده است؟ اما در اینجا هیچ خطایی وجود ندارد.

همه چیزهای مادی تنها به دلیل برهم کنش بین اتم ها متراکم به نظر می رسند. اشیا فقط به دلیل جاذبه یا دافعه بین اتم ها قوام جامد و متراکم دارند. این امر چگالی و سختی شبکه کریستالی مواد شیمیایی را تضمین می کند که همه مواد از آن تشکیل شده است. اما یک نکته جالب اینکه مثلاً وقتی شرایط دمایی محیط تغییر می کند، پیوند بین اتم ها یعنی جاذبه و دافعه آنها می تواند ضعیف شود که منجر به ضعیف شدن شبکه کریستالی و حتی تخریب آن می شود. این توضیح دهنده تغییر در خواص فیزیکی مواد در هنگام گرم شدن است. مثلاً وقتی آهن گرم می‌شود، تبدیل به مایع می‌شود و می‌توان آن را به هر شکلی درآورد. و هنگامی که یخ ذوب می شود، از بین رفتن شبکه کریستالی منجر به تغییر حالت ماده می شود و از جامد به مایع تبدیل می شود. اینها نمونه های واضحی از ضعیف شدن پیوندهای بین اتم ها و در نتیجه ضعیف شدن یا از بین رفتن شبکه کریستالی هستند و اجازه می دهند ماده بی شکل شود. و دلیل چنین دگردیسی های اسرارآمیز دقیقاً این است که مواد فقط به اندازه یک ده هزارم از ماده متراکم تشکیل شده اند و بقیه چیزها پوچی است.

و به نظر می رسد که مواد تنها به دلیل پیوندهای قوی بین اتم ها جامد هستند که با ضعیف شدن آن، ماده تغییر می کند. بنابراین، نظریه کوانتومی ساختار اتم به ما این امکان را می دهد که نگاهی کاملا متفاوت به دنیای اطراف خود داشته باشیم.

بنیانگذار تئوری اتم، نیلز بور، مفهوم جالبی را مطرح کرد که الکترون‌های اتم به طور مداوم انرژی تابش نمی‌کنند، بلکه فقط در لحظه انتقال بین مسیرهای حرکت خود انرژی ساطع می‌کنند. نظریه بور به توضیح بسیاری از فرآیندهای درون اتمی کمک کرد و همچنین پیشرفتی در علم شیمی ایجاد کرد و مرز جدول ایجاد شده توسط مندلیف را توضیح داد. بر اساس نظر، آخرین عنصری که می تواند در زمان و مکان وجود داشته باشد دارای شماره سریال صد و سی و هفت است و عناصری که از یکصد و سی و هشتم شروع می شوند نمی توانند وجود داشته باشند، زیرا وجود آنها با نظریه نسبیت در تضاد است. همچنین، نظریه بور ماهیت چنین پدیده فیزیکی مانند طیف اتمی را توضیح داد.

اینها طیف های برهمکنش اتم های آزاد هستند که وقتی انرژی بین آنها گسیل می شود بوجود می آیند. چنین پدیده هایی برای مواد گازی، بخار و مواد در حالت پلاسما معمول است. بنابراین، نظریه کوانتوم انقلابی در دنیای فیزیک ایجاد کرد و به دانشمندان اجازه داد نه تنها در زمینه این علم، بلکه در زمینه بسیاری از علوم مرتبط: شیمی، ترمودینامیک، اپتیک و فلسفه نیز پیشرفت کنند. و همچنین به بشریت اجازه داد تا در اسرار طبیعت چیزها نفوذ کند.

هنوز کارهای زیادی باید توسط بشریت در آگاهی خود انجام شود تا ماهیت اتم ها را درک کند، اصول رفتار و تعامل آنها را درک کند. با درک این موضوع، ما قادر خواهیم بود ماهیت جهان اطراف خود را درک کنیم، زیرا هر چیزی که ما را احاطه کرده است، از ذرات غبار شروع می شود و به خود خورشید ختم می شود، و ما خودمان - همه چیز متشکل از اتم هایی است که ماهیت آنها مرموز است. و شگفت انگیز و مملو از رازهای فراوان.