Fizyka to teoria wszystkiego. Splątanie kwantowe: teoria, zasada, efekt. Fizyka kwantowa jest nielokalna

Złote liście drzew świeciły jasno. Promienie wieczornego słońca dotknęły przerzedzonych blatów. Światło przebiło się przez gałęzie i wystawiło spektakl z dziwacznymi postaciami migoczącymi na ścianie uniwersyteckiej „kapterki”.

Zamyślone spojrzenie Sir Hamiltona poruszało się powoli, obserwując grę światłocienia. W głowie irlandzkiego matematyka istniał prawdziwy tygiel myśli, pomysłów i wniosków. Doskonale zdawał sobie sprawę, że wyjaśnienie wielu zjawisk za pomocą mechaniki Newtona jest jak gra cieni na ścianie, zwodniczo przeplatająca się figury i pozostawiająca wiele pytań bez odpowiedzi. „Może to fala… a może to strumień cząstek” – zastanawiał się naukowiec – „albo światło jest przejawem obu zjawisk. Jak postacie utkane z cienia i światła.

Początek fizyki kwantowej

Interesujące jest obserwowanie wielkich ludzi i próba zrozumienia, jak rodzą się wspaniałe idee, które zmieniają bieg ewolucji całej ludzkości. Hamilton jest jednym z tych, którzy stali u początków fizyki kwantowej. Pięćdziesiąt lat później, na początku XX wieku, wielu naukowców zajmowało się badaniem cząstek elementarnych. Zdobyta wiedza była niespójna i niekompilowana. Podjęto jednak pierwsze chwiejne kroki.

Zrozumieć mikroświat na początku XX wieku

W 1901 zaprezentowano pierwszy model atomu i pokazano jego awarię z punktu widzenia zwykłej elektrodynamiki. W tym samym okresie Max Planck i Niels Bohr opublikowali wiele prac na temat natury atomu. Mimo ich pełnego zrozumienia budowy atomu nie istniał.

Kilka lat później, w 1905 roku, mało znany niemiecki naukowiec Albert Einstein opublikował raport o możliwości istnienia kwantu światła w dwóch stanach - falowym i korpuskularnym (cząstki). W jego pracy podano argumenty wyjaśniające przyczynę niepowodzenia modelu. Jednak wizja Einsteina była ograniczona przez stare rozumienie modelu atomu.

Po licznych pracach Nielsa Bohra i jego współpracowników w 1925 roku narodził się nowy kierunek - rodzaj mechaniki kwantowej. Trzydzieści lat później pojawiło się powszechne wyrażenie – „mechanika kwantowa”.

Co wiemy o kwantach i ich dziwactwach?

Dzisiaj fizyka kwantowa zaszła wystarczająco daleko. Odkryto wiele różnych zjawisk. Ale co tak naprawdę wiemy? Odpowiedź przedstawia jeden współczesny naukowiec. „Można albo wierzyć w fizykę kwantową, albo jej nie rozumieć” – brzmi definicja.Pomyśl o tym sam. Wystarczy wspomnieć takie zjawisko jak splątanie kwantowe cząstek. Zjawisko to pogrążyło świat nauki w całkowitym oszołomieniu. Jeszcze bardziej szokujące było to, że powstały paradoks jest niezgodny z Einsteinem.

Efekt splątania kwantowego fotonów został po raz pierwszy omówiony w 1927 roku na piątym Kongresie Solvaya. Między Nielsem Bohrem i Einsteinem wybuchł gorący spór. Paradoks splątania kwantowego całkowicie zmienił rozumienie istoty świata materialnego.

Wiadomo, że wszystkie ciała składają się z cząstek elementarnych. W związku z tym wszystkie zjawiska mechaniki kwantowej znajdują odzwierciedlenie w zwykłym świecie. Niels Bohr powiedział, że jeśli nie patrzymy na księżyc, to nie istnieje. Einstein uważał to za nierozsądne i wierzył, że obiekt istnieje niezależnie od obserwatora.

Studiując problemy mechaniki kwantowej, należy zrozumieć, że jej mechanizmy i prawa są ze sobą powiązane i nie są zgodne z fizyką klasyczną. Spróbujmy zrozumieć najbardziej kontrowersyjny obszar - splątanie kwantowe cząstek.

Teoria splątania kwantowego

Na początek warto zrozumieć, że fizyka kwantowa jest jak studnia bez dna, w której możesz znaleźć wszystko, co chcesz. Zjawisko splątania kwantowego na początku ubiegłego wieku badali Einstein, Bohr, Maxwell, Boyle, Bell, Planck i wielu innych fizyków. W dwudziestym wieku tysiące naukowców na całym świecie aktywnie ją badało i eksperymentowało.

Świat podlega ścisłym prawom fizyki

Skąd takie zainteresowanie paradoksami mechaniki kwantowej? Wszystko jest bardzo proste: żyjemy, przestrzegając pewnych praw świata fizycznego. Umiejętność „ominięcia” predestynacji otwiera magiczne drzwi, za którymi wszystko staje się możliwe. Na przykład koncepcja „Kota Schrödingera” prowadzi do kontroli materii. Możliwe stanie się również teleportowanie informacji, co powoduje splątanie kwantowe. Transmisja informacji stanie się natychmiastowa, niezależnie od odległości.
Zagadnienie to jest nadal badane, ale ma pozytywny trend.

Analogia i zrozumienie

Co jest wyjątkowego w splątaniu kwantowym, jak je rozumieć i co się z nim dzieje? Spróbujmy to rozgryźć. Będzie to wymagało pewnego eksperymentu myślowego. Wyobraź sobie, że trzymasz w rękach dwa pudełka. Każdy z nich zawiera jedną kulkę z paskiem. Teraz dajemy jedno pudełko astronaucie, a on leci na Marsa. Jak tylko otworzysz pudełko i zobaczysz, że pasek na piłce jest poziomy, to w drugim pudełku piłka automatycznie będzie miała pionowy pasek. Będzie to splątanie kwantowe wyrażone prostymi słowami: jeden obiekt z góry określa położenie drugiego.

Należy jednak rozumieć, że jest to tylko powierzchowne wyjaśnienie. Aby uzyskać splątanie kwantowe, konieczne jest, aby cząstki miały to samo pochodzenie, jak bliźniaki.

Bardzo ważne jest, aby zrozumieć, że eksperyment zostanie zakłócony, jeśli ktoś przed tobą miał okazję obejrzeć przynajmniej jeden z obiektów.

Gdzie można zastosować splątanie kwantowe?

Zasada splątania kwantowego może być wykorzystana do natychmiastowego przesyłania informacji na duże odległości. Taki wniosek jest sprzeczny z teorią względności Einsteina. Mówi, że maksymalna prędkość ruchu jest nieodłączna tylko w świetle - trzysta tysięcy kilometrów na sekundę. Taki transfer informacji umożliwia istnienie fizycznej teleportacji.

Wszystko na świecie jest informacją, łącznie z materią. Do tego wniosku doszli fizycy kwantowi. W 2008 roku na podstawie teoretycznej bazy danych można było zobaczyć gołym okiem splątanie kwantowe.

To po raz kolejny wskazuje, że stoimy u progu wielkich odkryć – ruchu w przestrzeni i czasie. Czas we Wszechświecie jest dyskretny, więc natychmiastowy ruch na ogromne odległości umożliwia wejście w różne gęstości czasu (w oparciu o hipotezy Einsteina, Bohra). Być może w przyszłości będzie to rzeczywistość, taka jak dzisiaj telefon komórkowy.

Dynamika eteru i splątanie kwantowe

Według niektórych czołowych naukowców splątanie kwantowe tłumaczy się tym, że przestrzeń jest wypełniona jakimś eterem - czarną materią. Każda cząstka elementarna, jak wiemy, istnieje w postaci fali i korpuskuły (cząstki). Niektórzy naukowcy uważają, że wszystkie cząstki znajdują się na „płótnie” ciemnej energii. Nie jest to łatwe do zrozumienia. Spróbujmy to rozgryźć w inny sposób - metodą asocjacyjną.

Wyobraź sobie siebie nad morzem. Lekka bryza i lekka bryza. Widzisz fale? A gdzieś w oddali, w odbiciach promieni słońca widać żaglówkę.
Statek będzie naszą cząstką elementarną, a morze będzie eterem (ciemną energią).
Morze może być w ruchu w postaci widocznych fal i kropel wody. W ten sam sposób wszystkie cząstki elementarne mogą być tylko morzem (jego integralną częścią) lub osobną cząsteczką - kroplą.

To uproszczony przykład, wszystko jest nieco bardziej skomplikowane. Cząstki bez obecności obserwatora mają postać fali i nie mają określonego położenia.

Żaglówka biała jest obiektem wyróżniającym się, różni się od powierzchni i struktury wody morskiej. W ten sam sposób istnieją „szczyty” w oceanie energii, które możemy postrzegać jako manifestację znanych nam sił, które ukształtowały materialną część świata.

Mikroświat żyje według własnych praw

Zasadę splątania kwantowego można zrozumieć, jeśli weźmiemy pod uwagę fakt, że cząstki elementarne mają postać fal. Bez określonej lokalizacji i cech obie cząstki znajdują się w oceanie energii. W momencie pojawienia się obserwatora fala „zamienia się” w obiekt dostępny w dotyku. Druga cząstka, obserwując układ równowagi, nabiera przeciwnych własności.

Opisany artykuł nie ma na celu obszernych naukowych opisów świata kwantowego. Zdolność zrozumienia zwykłego człowieka opiera się na dostępności zrozumienia prezentowanego materiału.

Fizyka cząstek elementarnych zajmuje się badaniem splątania stanów kwantowych na podstawie spinu (rotacji) cząstki elementarnej.

W języku naukowym (uproszczonym) - splątanie kwantowe jest definiowane przez różne spiny. Podczas obserwacji obiektów naukowcy zauważyli, że mogą istnieć tylko dwa spiny - wzdłuż i w poprzek. Co dziwne, w innych pozycjach cząstki nie „pozują” obserwatorowi.

Nowa hipoteza – nowe spojrzenie na świat

Badanie mikrokosmosu – przestrzeni cząstek elementarnych – dało początek wielu hipotezom i przypuszczeniom. Efekt splątania kwantowego skłonił naukowców do zastanowienia się nad istnieniem pewnego rodzaju mikrosieci kwantowej. Ich zdaniem w każdym węźle - punkcie przecięcia - znajduje się kwant. Cała energia jest integralną siecią, a manifestacja i ruch cząstek jest możliwy tylko przez węzły sieci.

Rozmiar „okna” takiej kraty jest dość mały, a pomiar nowoczesnym sprzętem jest niemożliwy. Aby jednak potwierdzić lub obalić tę hipotezę, naukowcy postanowili zbadać ruch fotonów w przestrzennej sieci kwantowej. Najważniejsze jest to, że foton może poruszać się prosto lub zygzakiem - po przekątnej siatki. W drugim przypadku, po pokonaniu większej odległości, wyda więcej energii. W związku z tym będzie się różnić od fotonu poruszającego się po linii prostej.

Być może z czasem dowiemy się, że żyjemy w przestrzennej sieci kwantowej. Albo może się okazać, że jest źle. Jednak to zasada splątania kwantowego wskazuje na możliwość istnienia sieci.

Mówiąc prościej, w hipotetycznym przestrzennym „sześcianie” definicja jednego aspektu niesie ze sobą wyraźnie przeciwne znaczenie drugiego. Na tym polega zasada zachowania struktury czasoprzestrzeni.

Epilog

Aby zrozumieć magiczny i tajemniczy świat fizyki kwantowej, warto przyjrzeć się bliżej rozwojowi nauki na przestrzeni ostatnich pięciuset lat. Kiedyś Ziemia była płaska, a nie kulista. Powód jest oczywisty: jeśli przyjmiesz jego kształt jako okrągły, to woda i ludzie nie będą mogli się oprzeć.

Jak widać, problem istniał przy braku pełnej wizji wszystkich działających sił. Możliwe, że współczesnej nauce brakuje wizji wszystkich działających sił, aby zrozumieć fizykę kwantową. Luki wzrokowe rodzą system sprzeczności i paradoksów. Być może magiczny świat mechaniki kwantowej zawiera odpowiedzi na postawione pytania.

Niniejszy tekst przedstawia nowe wyniki w dziedzinie neurologii oraz rozwiązanie wielu nierozwiązanych problemów fizyki. Nie zajmuje się zagadnieniami metafizyki i opiera się na naukowo weryfikowalnych danych, ale porusza tematy filozoficzne związane z życiem, śmiercią i pochodzeniem wszechświata.
Biorąc pod uwagę wielowarstwowość i bogactwo informacji, konieczne może być jej kilkakrotne przeczytanie, aby mimo naszych wysiłków zrozumieć, uprościć złożone pojęcia naukowe.



Rozdział 1
Bóg jest w neuronach







Ludzki mózg to sieć około stu miliardów neuronów. Różne wrażenia tworzą połączenia nerwowe, które odtwarzają różne emocje. W zależności od pobudzenia neuronów, niektóre połączenia stają się silniejsze i bardziej efektywne, a inne słabną. Nazywa się to neuroplastyczność.

Student muzyki tworzy silniejsze połączenia neuronowe między dwiema półkulami mózgu w celu rozwijania kreatywności muzycznej. Prawie każdy talent lub umiejętność można rozwinąć poprzez szkolenie.

Rudiger Gamm uważał się za beznadziejnego ucznia i nie radził sobie nawet z podstawową matematyką. Zaczął rozwijać swoje umiejętności i zamienił się w ludzki kalkulator, zdolny do niezwykle skomplikowanych obliczeń. Racjonalność i stabilność emocjonalna działają w ten sam sposób. Połączenia nerwowe można wzmocnić.

Kiedy coś robisz, fizycznie zmieniasz swój mózg, aby osiągnąć lepsze wyniki. Ponieważ jest to główny i podstawowy mechanizm mózgu, samoświadomość może znacznie wzbogacić nasze doświadczenia życiowe.



neuronauka społeczna



Specjalne neurony i neuroprzekaźniki, takie jak noradrenalina, uruchamiają mechanizm obronny, gdy czujemy, że nasze myśli muszą być chronione przed wpływami zewnętrznymi. Jeśli czyjaś opinia różni się od naszej, do mózgu dostają się te same substancje chemiczne, które zapewniają nam przetrwanie w niebezpiecznych sytuacjach.








W tym stanie ochronnym więcej prymitywna część mózgu koliduje z racjonalnym myśleniem i układ limbiczny może blokować naszą pamięć roboczą, fizycznie powodując „ograniczenia myślenia”.

Można to zaobserwować podczas znęcania się, grania w pokera lub gdy ktoś jest uparty w kłótni.

Bez względu na wartość pomysłu, w tym stanie mózg nie jest w stanie go przetworzyć. Na poziomie neuronowym postrzega to jako zagrożenie, nawet jeśli są to nieszkodliwe opinie lub fakty, z którymi inaczej moglibyśmy się zgodzić.

Ale kiedy wyrażamy siebie i nasze poglądy są doceniane, poziom ochronnych substancji chemicznych w mózgu spada, a transmisja dopaminy aktywuje neurony nagrody, a my czujemy się wzmocnieni i pewni siebie. Nasze przekonania znacząco wpływają na chemię naszego ciała. Na tym właśnie opiera się efekt placebo. Poczucie własnej wartości i pewność siebie są powiązane z neuroprzekaźnikiem serotoniny.

Poważny niedobór często prowadzi do depresji, zachowań autodestrukcyjnych, a nawet samobójstwa. Kiedy społeczeństwo nas docenia, zwiększa poziom dopaminy i serotoniny w mózgu i pozwala nam uwolnić fiksację emocjonalną i zwiększyć poziom samoświadomości.



Neurony lustrzane i świadomość



Psychologia społeczna często zajmuje się podstawową ludzką potrzebą „znalezienia swojego miejsca” i nazywa to „normatywnym wpływem społecznym”. Wraz z wiekiem nasz kompas moralny i etyczny jest prawie całkowicie kształtowany przez nasze środowisko zewnętrzne. Dlatego nasze działania często opierają się na tym, jak ocenia nas społeczeństwo.








Ale nowe odkrycia w neuronauce dają nam lepsze zrozumienie kultury i indywidualności. Nowe badania neurologiczne potwierdziły istnienie empatycznych neuronów lustrzanych.

Kiedy doświadczamy emocji lub wykonujemy działania, niektóre neurony się uruchamiają. Ale kiedy widzimy, że ktoś inny to robi lub to sobie wyobrażamy, wiele takich samych neuronów działa tak, jakbyśmy robili to sami. Te empatyczne neurony łączą nas z innymi ludźmi i pozwalają nam odczuwać to, co czują inni.

Ponieważ te same neurony reagują na naszą wyobraźnię, otrzymujemy od nich emocjonalną informację zwrotną w taki sam sposób, jak od innej osoby. System ten daje nam możliwość introspekcji.

Neurony lustrzane nie rozróżniają między sobą a innymi. Dlatego jesteśmy tak zależni od oceny innych i chęci podporządkowania się.

Nieustannie podlegamy dwoistości między tym, jak siebie postrzegamy, a tym, jak postrzegają nas inni. Może kolidować z naszą indywidualnością i poczuciem własnej wartości.






Skany mózgu pokazują, że doświadczamy tych negatywnych emocji, zanim jeszcze zdajemy sobie z nich sprawę. Ale kiedy jesteśmy świadomi siebie, możemy zmienić złe emocje, ponieważ możemy kontrolować myśli, które je wywołują.

Jest to neurochemiczna konsekwencja zanikania wspomnień i przywracania ich poprzez syntezę białek.

Introspekcja ma duży wpływ na pracę mózgu, aktywuje obszary samoregulacji kory nowej, które pozwalają nam wyraźnie kontrolować własne uczucia. Za każdym razem, gdy to robimy, wzmacniamy naszą racjonalność i stabilność emocjonalną. Bez samokontroli większość naszych myśli i działań jest impulsywna, a fakt, że reagujemy losowo i nie dokonujemy świadomego wyboru,

instynktownie nas denerwuje.






Aby to wyeliminować, mózg stara się uzasadnić nasze zachowanie i fizycznie przepisuje wspomnienia poprzez konsolidację pamięci, sprawiając, że wierzymy, że kontrolujemy nasze działania. Nazywa się to racjonalizacją retrospektywną, która pozostawia większość naszych negatywnych emocji nierozwiązanych i mogą one wybuchnąć w dowolnym momencie. Karmią wewnętrzny dyskomfort, podczas gdy mózg nadal uzasadnia nasze irracjonalne zachowanie. Całe to złożone i niemal schizofreniczne zachowanie podświadomości jest dziełem rozległych, równoległych systemów w naszym mózgu.



Świadomość nie ma określonego centrum. Pozorna jedność wynika z faktu, że każdy pojedynczy obwód jest aktywowany i manifestuje się w określonym momencie. Nasze doświadczenie nieustannie zmienia nasze połączenia nerwowe, fizycznie zmieniając równoległy system naszej świadomości. Bezpośrednia ingerencja w to może mieć surrealistyczne skutki, co rodzi pytanie, czym jest świadomość i gdzie się znajduje.



Jeśli lewa półkula mózgu zostanie oddzielona od prawej półkuli, jak w przypadku pacjentów, u których doszło do rozszczepienia mózgu, zachowasz zdolność mówienia i myślenia za pomocą lewej półkuli, podczas gdy zdolności poznawcze prawa półkula będzie poważnie ograniczona. Lewa półkula nie ucierpi z powodu braku prawej, chociaż poważnie zmieni to twoje postrzeganie.

Na przykład nie będziesz w stanie opisać prawej strony czyjejś twarzy, ale zauważysz to, nie zobaczysz w tym problemu i nawet nie zdasz sobie sprawy, że coś się zmieniło. Ponieważ wpływa to nie tylko na postrzeganie realnego świata, ale także na obrazy mentalne, nie jest to tylko problem percepcji, ale fundamentalna zmiana świadomości.



Bóg jest w neuronach



Każdy neuron ma napięcie elektryczne, które zmienia się, gdy jony

wejść lub wyjść z komórki. Gdy napięcie osiągnie określony poziom, neuron wysyła sygnał elektryczny do innych komórek, gdzie proces się powtarza.

Kiedy wiele neuronów emituje sygnał w tym samym czasie, możemy go zmierzyć jako falę.

Fale mózgowe są odpowiedzialne za prawie wszystko, co dzieje się w naszym mózgu, w tym za pamięć, uwagę, a nawet inteligencję.

Oscylacje o różnych częstotliwościach są klasyfikowane jako fale alfa, beta i gamma. Każdy typ fali jest powiązany z różnymi zadaniami. Fale pozwalają komórkom mózgowym dostroić się do częstotliwości odpowiedniej do zadania, ignorując obce sygnały.

Tak jak radio dostraja się do stacji radiowej. Transfer informacji między neuronami staje się optymalny, gdy ich aktywność jest zsynchronizowana.

Dlatego doświadczamy dysonansu poznawczego – irytacji spowodowanej dwoma niekompatybilnymi pomysłami. Wola jest pragnieniem zmniejszenia dysonansu między każdym z aktywnych obwodów neuronowych.



Ewolucję można postrzegać jako ten sam proces, w którym natura próbuje się przystosować, to znaczy „rezonować” ze środowiskiem. Rozwinęła się więc do poziomu, w którym zyskała samoświadomość i zaczęła myśleć o swoim istnieniu.

Kiedy człowiek staje w obliczu paradoksu dążenia do celu i myślenia, że ​​istnienie nie ma sensu, pojawia się dysonans poznawczy.






Dlatego wiele osób zwraca się ku duchowości i religii, odrzucając naukę, która nie jest w stanie odpowiedzieć na pytania egzystencjalne: kim jestem? i po co ja?



I...



„Neurony lustrzane nie rozróżniają między sobą a innymi. „

Lewa półkula jest w dużej mierze odpowiedzialna za tworzenie spójnego systemu wierzeń, który utrzymuje poczucie ciągłości w naszym życiu.

Nowe doświadczenie jest porównywane z istniejącym systemem wierzeń, a jeśli nie pasuje do niego, to jest po prostu odrzucane. Równowagę odgrywa prawa półkula mózgu, która pełni przeciwną rolę.



Podczas gdy lewa półkula stara się utrzymać wzór, prawa półkula stale

kwestionuje status quo. Jeśli rozbieżności są zbyt duże, prawa półkula zmusza nas do ponownego przemyślenia naszego światopoglądu. Ale jeśli nasze przekonania są zbyt silne, prawy mózg może nie przezwyciężyć naszego odrzucenia. Może to powodować duże trudności w odzwierciedlaniu innych.

Kiedy połączenia nerwowe, które determinują nasze przekonania, nie są rozwinięte lub aktywne, nasza świadomość, jedność wszystkich aktywnych obwodów, jest wypełniona aktywnością neuronów lustrzanych, tak jak wtedy, gdy jesteśmy głodni, nasza świadomość jest wypełniona procesami neuronalnymi związanymi z odżywianiem.



Nie jest to wynikiem tego, że centralne „ja” wydaje polecenia różnym obszarom mózgu.

Wszystkie części mózgu mogą być aktywne lub nieaktywne i oddziaływać bez centralnego jądra. Tak jak piksele na ekranie mogą tworzyć rozpoznawalny obraz, grupa interakcji neuronalnych może wyrażać się jako świadomość.

W każdej chwili jesteśmy innym obrazem. Kiedy zastanawiamy się nad innymi, kiedy jesteśmy głodni, kiedy oglądamy ten film. W każdej sekundzie stajemy się inną osobą, przechodząc przez różne stany.

Kiedy patrzymy na siebie przez neurony lustrzane, tworzymy ideę indywidualności.

Ale kiedy robimy to z naukowym zrozumieniem, widzimy coś zupełnie innego.






Interakcje neuronowe, które tworzą naszą świadomość, wykraczają daleko poza nasze neurony. Jesteśmy wynikiem oddziaływań elektrochemicznych między półkulami mózgu a naszymi zmysłami, łącząc nasze neurony z innymi neuronami w naszym otoczeniu. Nie ma nic zewnętrznego. To nie jest hipotetyczna filozofia, to podstawowa właściwość neuronów lustrzanych, która pozwala nam rozumieć siebie przez innych.



Uważanie tej aktywności neuronowej za własną, z wyłączeniem środowiska, byłoby błędem. Ewolucja odzwierciedla również naszą stronę superorganizmu, gdzie nasze przetrwanie, jako naczelnych, zależało od kolektywnych zdolności.

Z biegiem czasu regiony kory nowej ewoluowały, aby umożliwić instynktowne przesuwanie i tłumienie hedonistycznych impulsów z korzyścią dla grupy. Nasze geny zaczęły rozwijać wzajemne zachowania społeczne w strukturach superorganizmu, porzucając tym samym ideę „przetrwania najsilniejszych”.



Mózg działa najefektywniej, gdy nie ma dysonansu między zaawansowanymi obszarami mózgu a starszymi i bardziej prymitywnymi. To, co nazywamy „skłonnościami egoistycznymi”, jest tylko ograniczoną interpretacją zachowania egoistycznego, gdy cechy osoby postrzegane są przez błędny paradygmat indywidualności…

…zamiast naukowego poglądu na to, kim jesteśmy, natychmiastowy, ciągle zmieniający się obraz

pojedyncza całość bez środka.



Konsekwencją psychologiczną tego systemu wierzeń jest samoświadomość bez odniesienia do wyobrażonego „ja”, co prowadzi do zwiększonej jasności umysłu, świadomości społecznej, samokontroli i tego, co często nazywa się „byciem tu i teraz”.






Istnieje opinia, że ​​do kształtowania wartości moralnych potrzebna jest historia, chronologiczny pogląd na nasze życie.

Ale nasze obecne rozumienie empatycznej i społecznej natury mózgu pokazuje, że pogląd czysto naukowy, bez odniesienia do indywidualności i „historii”, dostarcza znacznie dokładniejszego, konstruktywnego i etycznego systemu pojęć niż nasze odmienne wartości.



Jest to logiczne, ponieważ nasza normalna tendencja do definiowania siebie jako wyimaginowanej jednostki stałej prowadzi mózg do zaburzeń poznawczych, takich jak natrętne stereotypy i potrzeba ustalania oczekiwań.






Pragnienie klasyfikacji leży u podstaw wszystkich naszych form interakcji. Ale klasyfikując ego jako wewnętrzne, a środowisko jako zewnętrzne, ograniczamy nasze własne procesy neurochemiczne i doświadczamy pozornego poczucia rozłączenia.

Rozwój osobisty i jego skutki uboczne, takie jak szczęście i satysfakcja, są stymulowane, gdy nie jesteśmy stereotypowi w naszych interakcjach.



Możemy mieć różne poglądy i nie zgadzać się ze sobą, ale interakcje, które akceptują nas takimi, jakimi jesteśmy bez osądu, stają się neuropsychologicznymi katalizatorami stymulującymi mózg.

akceptuj innych i akceptuj racjonalnie udowodnione systemy przekonań bez dysonansu poznawczego.

Stymulowanie tej neuronowej aktywności i interakcji uwalnia potrzebę rozpraszania uwagi i rozrywki oraz tworzy cykle konstruktywnego zachowania w naszym środowisku. Socjologowie odkryli, że takie zjawiska jak palenie i przejadanie się, emocje i idee są dystrybuowane w społeczeństwie w taki sam sposób, jak sygnały elektryczne neuronów są przekazywane, gdy ich aktywność jest zsynchronizowana.






Jesteśmy globalną siecią reakcji neurochemicznych. Samorozwijający się cykl uznania i uznania, podtrzymywany przez codzienne decyzje, jest reakcją łańcuchową, która ostatecznie determinuje naszą zbiorową zdolność do przezwyciężania widocznych podziałów i patrzenia na życie w jego uniwersalnej strukturze.

Rozdział 2
uniwersalna struktura



Podczas badań Chirena dokonałem uproszczonego, ale wyczerpującego przeglądu jego aktualnych wyników.

To jedna z interpretacji dzieła unifikacyjnego fizyka kwantowa i teoria względności.

Ten temat jest złożony i może być trudny do zrozumienia. Zawiera również pewne wnioski filozoficzne, które zostaną poruszone w epilogu.



W ciągu ostatniego stulecia dokonano wielu niesamowitych osiągnięć, które doprowadziły do ​​zmiany naukowego systemu rozumienia świata. Teoria względności Einsteina pokazał, że czas i przestrzeń tworzą jedną tkaninę. ALE Niels Bohr ujawniła podstawowe składniki materii, dzięki fizyce kwantowej - dziedzinie, która istnieje tylko jako "abstrakcyjny opis fizyczny".








Potem Louis de Broglie odkrył, że cała materia, nie tylko fotony i elektrony, ma kwant dualizm falowo-cząsteczkowy . Doprowadziły one do powstania nowych szkół myślenia o naturze rzeczywistości, a także popularnych teorii metafizycznych i pseudonaukowych.

Na przykład, że ludzki umysł może kontrolować wszechświat poprzez pozytywne myślenie. Teorie te są atrakcyjne, ale nie są weryfikowalne i mogą hamować postęp naukowy.



Prawa szczególnej i ogólnej teorii względności Einsteina są wykorzystywane w nowoczesnych technologiach, takich jak satelity GPS, gdzie dokładność obliczeń może odbiegać o więcej niż 10 km dziennie, jeśli nie zostaną uwzględnione takie efekty, jak dylatacja czasu. Oznacza to, że dla zegarów ruchomych czas płynie wolniej niż dla zegarów stacjonarnych.








Inne efekty względności to skrócenie długości poruszających się obiektów oraz względność jednoczesności, co uniemożliwia stwierdzenie z całą pewnością, że dwa zdarzenia zachodzą w tym samym czasie, jeśli są rozdzielone w przestrzeni.

Nic nie porusza się szybciej niż prędkość światła. Oznacza to, że jeśli rura o długości 10 sekund świetlnych zostanie przesunięta do przodu, upłynie 10 sekund, zanim nastąpi akcja po drugiej stronie. Bez odstępu czasu 10 sekund rura nie istnieje w całości.

Nie chodzi o ograniczenia naszych obserwacji, ale o bezpośrednią konsekwencję teorii względności, gdzie czas i przestrzeń są ze sobą powiązane i jedno nie może istnieć bez drugiego.

Fizyka kwantowa dostarcza matematycznego opisu wielu zagadnień dualizmu falowo-cząsteczkowego oraz interakcji energii i materii. Różni się od fizyki klasycznej przede wszystkim na poziomie atomowym i subatomowym. Te sformułowania matematyczne są abstrakcyjne, a ich dedukcje często nie są intuicyjne.



Kwant to najmniejsza jednostka dowolnej jednostki fizycznej zaangażowanej w interakcję. Cząstki elementarne są podstawowymi składnikami wszechświata. Są to cząstki, które tworzą wszystkie inne cząstki. W fizyce klasycznej zawsze możemy podzielić obiekt na mniejsze części, w fizyce kwantowej jest to niemożliwe.

Dlatego świat kwantowy to zbiór unikalnych zjawisk, niewytłumaczalnych zgodnie z prawami klasycznymi. Na przykład, splątanie kwantowe, efekt fotoelektryczny , rozpraszanie Comptona i wiele więcej.








Świat kwantowy ma wiele niezwykłych interpretacji. Do najbardziej znanych należą Interpretacja Kopenhaska i Interpretacja Wielu Światów. Obecnie rozpędu nabierają alternatywne interpretacje, takie jak „holograficzny wszechświat”.



równania de Broglie



Chociaż fizyka kwantowa i prawa względności Einsteina są równie istotne dla naukowego zrozumienia wszechświata, istnieje wiele nierozwiązanych problemów naukowych i nie ma jeszcze jednoczącej teorii.

Niektóre z aktualnych pytań to: Dlaczego we wszechświecie jest więcej materii, którą można zaobserwować niż antymaterii? Jaka jest natura osi czasu? Jakie jest pochodzenie masy?

Jedną z najważniejszych wskazówek dotyczących tych problemów są równania de Brogliego, za które otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Ta formuła pokazuje, że cała materia ma dualizm korpuskularno-falowy, to znaczy w niektórych przypadkach zachowuje się jak fala, aw innych - jak cząstka. Wzór łączy równanie Einsteina E = mc^2 z kwantową naturą energii.



Dowody eksperymentalne obejmują interferencję cząsteczek fulerenu C60 w eksperymencie z podwójną szczeliną. Fakt, że nasza świadomość składa się z cząstek kwantowych, jest przedmiotem wielu teorii mistycznych.



I chociaż związek między mechaniką kwantową a świadomością nie jest tak magiczny, jak twierdzą filmy i książki ezoteryczne, konsekwencje są dość poważne.

Ponieważ równania de Brogliego odnoszą się do całej materii, możemy powiedzieć, że C = hf, gdzie C to świadomość, h to stała Plancka, a f to częstotliwość. „C” odpowiada za to, co postrzegamy jako „teraz”, kwant, czyli , minimalna jednostka interakcji.

Suma wszystkich momentów „C” do chwili obecnej kształtuje naszą wizję życia. Nie jest to stwierdzenie filozoficzne czy teoretyczne, ale bezpośrednia konsekwencja kwantowej natury wszelkiej materii i energii.

Z wzoru wynika, że ​​życie i śmierć są abstrakcyjnymi agregatami „C”.

Inną konsekwencją równań de Broglie jest to, że szybkość oscylacji materii lub energii i jej zachowanie jako fali lub cząstki zależy od częstotliwości układu odniesienia.

Wzrost częstotliwości ze względu na prędkość koreluje z innymi i prowadzi do zjawisk takich jak dylatacja czasu.

Powodem tego jest to, że percepcja czasu nie zmienia się względem układu odniesienia, gdzie przestrzeń i czas są właściwościami kwantów, a nie odwrotnie.



Antymateria i niezakłócony czas



Wielki Zderzacz Hadronów. Szwajcaria

Antycząstki powstają wszędzie we wszechświecie, gdzie dochodzi do wysokoenergetycznych zderzeń między cząstkami. Proces ten jest sztucznie modelowany w akceleratorach cząstek.

W tym samym czasie, co materia, powstaje również antymateria. Tak więc brak antymaterii we wszechświecie jest nadal jednym z największych nierozwiązanych problemów fizyki.

Dzięki uwięzieniu antycząstek w polach elektromagnetycznych możemy zbadać ich właściwości. Stany kwantowe cząstek i antycząstek są wzajemnie wymienne, jeśli zastosuje się do nich operatory sprzężenia ładunków ©, parzystości (P) i odwrócenia czasu (T).

Oznacza to, że jeśli fizyk składający się z antymaterii przeprowadzi eksperymenty w laboratorium, także z antymaterii, używając związków chemicznych i substancji składających się z antycząstek, uzyska dokładnie takie same wyniki, jak jego „prawdziwy” odpowiednik. Ale jeśli się połączą, nastąpi ogromne uwolnienie energii proporcjonalnej do ich masy.

Niedawno Fermi Labs odkrył, że kwanty, takie jak mezony, przemieszczają się z materii do antymaterii iz powrotem w tempie trzy biliony razy na sekundę.

Rozpatrując wszechświat w kwantowym układzie odniesienia „C”, konieczne jest uwzględnienie wszystkich wyników eksperymentalnych mających zastosowanie do kwantów. W tym, w jaki sposób w akceleratorach cząstek powstaje materia i antymateria oraz jak mezony przechodzą z jednego stanu do drugiego.



Dla C ma to poważne konsekwencje. Z kwantowego punktu widzenia, każda chwila „C” ma anty-C. Wyjaśnia to brak symetrii, tj. antymaterii we wszechświecie, a także jest związane z arbitralnym wyborem emitera i pochłaniacza w teorii absorpcji Wheelera-Feynmana.

Niezakłócony czas T w zasadzie nieoznaczoności to czas lub cykl wymagany do zaistnienia kwantów.

Podobnie jak w przypadku mezonów, granicą naszej osobistej percepcji czasu, czyli zasięgu chwili bieżącej, jest przejście z „C” na „anty-C”. Ten moment samounicestwienia i jego interpretacja „C” zamyka się w abstrakcyjnej osi czasu.



Jeśli zdefiniujemy oddziaływanie i rozważymy podstawowe właściwości dualizmu falowo-cząsteczkowego kwantu, wszystkie oddziaływania składają się z interferencji i rezonansu.

Ale ponieważ to nie wystarcza do wyjaśnienia podstawowych sił, należy zastosować różne modele. Obejmuje to Model Standardowy, który pośredniczy między dynamiką znanych cząstek subatomowych za pośrednictwem nośników siły, a ogólną teorią względności, która opisuje zjawiska makroskopowe, takie jak orbity planet, które podążają za elipsą w przestrzeni i spirale w czasoprzestrzeni. Ale model Einsteina nie ma zastosowania na poziomie kwantowym, a Model Standardowy potrzebuje dodatkowych nośników siły, aby wyjaśnić pochodzenie masy. Łączenie dwóch modeli czyli teoria wszystkiego

był przedmiotem wielu dotychczas nieudanych badań.



Teoria wszystkiego



Mechanika kwantowa to czysto matematyczne opisy, których praktyczne implikacje często zaprzeczają intuicji. Podobnie można opisać klasyczne pojęcia, takie jak długość, czas, masa i energia.

Bazując na równaniach de Broglie, możemy zastąpić te pojęcia wektorami abstrakcyjnymi. To probabilistyczne podejście do głównych istniejących pojęć w fizyce umożliwia połączenie mechaniki kwantowej z teorią względności Einsteina.



Równania De Broglie pokazują, że wszystkie układy odniesienia są kwantowe, w tym cała materia i energia. Akceleratory cząstek pokazały, że materia i antymateria powstają zawsze w tym samym czasie.

Paradoks wyłaniania się rzeczywistości z abstrakcyjnych składników, które wzajemnie się znoszą, można wyjaśnić za pomocą kwantów jako układu odniesienia.

Mówiąc najprościej, musimy patrzeć na rzeczy oczami fotonu. Układ odniesienia jest zawsze kwantowy i określa sposób kwantyzacji czasoprzestrzeni.

Kiedy system „rośnie” lub „zmniejsza”, to samo dzieje się z czasoprzestrzenią. W mechanice kwantowej jest to matematycznie opisywane jako amplituda prawdopodobieństwa funkcji falowej, aw teorii Einsteina jako dylatacja czasu i skrócenie długości.

W przypadku kwantowego układu odniesienia masę i energię można zdefiniować jedynie jako abstrakcyjne prawdopodobieństwa lub, by być bardziej szczegółowym i stworzyć matematyczną podstawę, jako wektory, które istnieją tylko wtedy, gdy założymy oś czasu. Można je zdefiniować jako interferencję lub rezonans z układem odniesienia, który określa minimalną jedność lub stałą czasoprzestrzenną „c”, równoważną stałej Plancka w mechanice kwantowej.

Eksperymenty pokazują, że przemiana materii w energię przez antymaterię generuje promienie gamma o przeciwnym pędzie. To, co wydaje się być transformacją, to związek między przeciwnymi wektorami, interpretowanymi jako odległość i czas, materia i antymateria, masa i energia lub interferencja i rezonans w ramach abstrakcyjnej osi czasu „C”.

Suma przeciwnych wektorów jest zawsze równa zeru. To jest to, co powoduje symetrię lub prawa zachowania w fizyce, lub dlaczego przy prędkości „c” czas i przestrzeń są zerowe z powodu skrócenia długości i dylatacji czasu. Konsekwencją tego jest zasada nieoznaczoności Heisenberga, która mówi, że niektórych par właściwości fizycznych, takich jak położenie i pęd, nie można poznać jednocześnie z dużą dokładnością.



W pewnym sensie pojedyncza cząsteczka jest własnym polem. Nie wyjaśnia to naszego poczucia ciągłości, gdzie „C” niszczy się we własnym wymaganym zakresie. Ale kiedy te wektory są wykładniczo przyspieszane lub przyspieszane wokół osi czasu, leżące u ich podstaw algorytmy matematyczne, które opisują podstawowe siły, mogą dać początek ciągłej rzeczywistości.

z abstrakcyjnych komponentów.

Dlatego równania ruchu harmonicznego są wykorzystywane w wielu dziedzinach fizyki zajmujących się zjawiskami okresowymi, takich jak mechanika kwantowa i elektrodynamika. I tak zasada równoważności Einsteina, z której wywodzi się model czasoprzestrzenny, stwierdza, że ​​nie ma różnicy między grawitacją a przyspieszeniem.

Ponieważ grawitacja jest siłą tylko wtedy, gdy rozważa się ją w oscylującym układzie odniesienia.

Ilustruje to spirala logarytmiczna, która redukuje się do spirali helikalnej w układzie odniesienia, powodując, że obiekty obracają się i poruszają po orbitach. Na przykład, dwa rosnące jabłka w rosnącym układzie odniesienia wyglądają tak, jakby się przyciągały, podczas gdy rozmiar wydaje się być taki sam.

W przeciwieństwie do interferencji. Mówiąc najprościej, zwiększenie lub zmniejszenie rozmiarów obiektów, gdy się zbliżamy lub oddalamy, jest determinowane przez przesunięcie układu odniesienia, tak jak radio, które dostraja się do różnych fal, aby odebrać stację radiową.



Dotyczy to również grawitacji. W rzeczywistości, niezależnie od jakiegokolwiek układu odniesienia, nie ma fundamentalnych sił. Wszystkie interakcje w naszej abstrakcyjnej ciągłości można matematycznie opisać w kategoriach interferencji i rezonansu, jeśli weźmie się pod uwagę ciągle zmieniającą się i oscylującą minimalną jednostkę lub kwant.

Dowód eksperymentalny obejmuje niewidzialny efekt w Modelu Standardowym, w którym widzimy działanie sił, ale nie widzimy nośników siły.



superpozycja kwantowa



Ciągłość rzeczywistości nie wymaga, aby kwanty miały sekwencję w czasie. Kwant nie jest przedmiotem żadnej koncepcji przestrzeni i czasu i może jednocześnie zajmować wszystkie swoje możliwe stany kwantowe. Nazywa się to superpozycją kwantową i jest demonstrowane na przykład w eksperymencie z podwójną szczeliną lub teleportacji kwantowej, gdzie każdy elektron we wszechświecie może być tym samym elektronem. Jedynym warunkiem abstrakcyjnej osi czasu i spójnej ciągłości rzeczywistości jest algorytm opisu modelu lub abstrakcyjnej sekwencji wektorów.

Ponieważ ciągłość ta określa naszą zdolność do samoświadomości, podporządkowuje nas jej matematycznym konsekwencjom – podstawowym prawom fizyki.

Interakcja to tylko interpretacja abstrakcyjnego modelu. Dlatego mechanika kwantowa podaje tylko opisy matematyczne - może opisywać tylko wzorce z nieskończonym prawdopodobieństwem.

Gdy prawdopodobieństwo jest wyrażone jako „C”, informacja potrzebna do opisania aktualnego momentu lub przedział probabilistyczny „C” zawiera również oś czasu. Natura osi czasu jest jednym z największych nierozwiązanych pytań fizyki, co doprowadziło do wielu nowych popularnych interpretacji.

Na przykład zasada holograficzna – część grawitacji kwantowej i teorii strun – sugeruje, że cały wszechświat można postrzegać jako dwuwymiarową strukturę informacyjną.



Czas



Tradycyjnie kojarzymy pojęcie osi czasu z sekwencją zdarzeń, których doświadczamy poprzez sekwencję wspomnień krótko- i długoterminowych. Możemy mieć tylko wspomnienia z przeszłości, a nie z przyszłości, i zawsze zakładaliśmy, że odzwierciedla to upływ czasu.

Naukowcy zaczęli wątpić w tę logikę dopiero wtedy, gdy odkrycia w mechanice kwantowej wykazały, że niektóre zjawiska nie są związane z naszym pojęciem czasu i że nasze pojęcie czasu jest tylko percepcją zmian obserwowalnych parametrów.

Znajduje to również odzwierciedlenie w dylatacji czasu i skróceniu długości, co jest jednym z powodów, dla których Einstein ustalił, że czas i przestrzeń to jedna tkanka.

W sensie absolutnym pojęcie czasu nie różni się od pojęcia odległości.

Sekundy są równe sekundom świetlnym, ale wzajemnie się wykluczają. Mówiąc prościej: ponieważ odległość i czas to przeciwieństwa, upływ czasu można interpretować jako odległość przebytą przez wskazówki zegara, ponieważ poruszają się w przeciwnym kierunku czasu.

Poruszając się do przodu na odległość, w rzeczywistości cofają się w tak zwanym czasie. Dlatego każda minimalna jednostka doświadczenia jest natychmiast wchłaniana do wiecznego teraz.

Ta interpretacja eliminuje niezgodność między załamaniem się funkcji falowej a dekoherencją kwantową. Pojęcia takie jak „życie” i „śmierć” są konstruktami czysto intelektualnymi. I wszelkie religijne rozumowanie o życiu pozagrobowym w świecie, który nie podlega matematycznym prawom tej rzeczywistości, jest również fikcyjne.



Inną ważną konsekwencją jest to, że teoria Wielkiego Wybuchu, w której wszechświat pochodzi z jednego punktu, jest nieporozumieniem. Tradycyjny pogląd na czasoprzestrzeń, gdzie przestrzeń jest trójwymiarowa, a czas pełni rolę czwartego wymiaru, jest błędny. Jeśli chcemy zbadać pochodzenie wszechświata, musimy patrzeć w przyszłość, ponieważ wektor czasu „C” jest przeciwny do wektora odległości, z którego postrzegamy rozszerzający się wszechświat. Chociaż ta czasowa mapa wszechświata da tylko abstrakcyjne pojęcia bez uwzględnienia jego podstawy kwantowej.



Dowody eksperymentalne obejmują przyspieszenie ekspansji wszechświata, a także odwrotną lub regresywną metrykę czarnych dziur oraz wiele problemów związanych z

z teorią Wielkiego Wybuchu, na przykład problem horyzontu.



Konsekwencje neurologiczne



Wnioski te mogą rodzić pytania o wolną wolę, ponieważ wydaje się, że w naszym postrzeganiu czasu najpierw jest działanie, a potem świadomość.

Większość badań, które rzucają światło na to pytanie, pokazuje, że akcja faktycznie ma miejsce, zanim zostanie zrealizowana. Ale deterministyczny punkt widzenia opiera się na błędnym pojmowaniu czasu, jak pokazują matematyczne opisy prawdopodobieństwa w mechanice kwantowej.



Te interpretacje będą ważne dla przyszłych badań neurologicznych, ponieważ pokazują, że każdy obwód neuronowy jest wektorem, który determinuje dysonans poznawczy i interferencję lub rezonans w „C”. Zdolność do zrozumienia i świadomej zmiany tych wektorów, nabyta przez miliardy lat ewolucji, potwierdza, jak ważne są nasze systemy wierzeń w poszerzaniu naszej świadomości i jak wpływają one na naszą pamięć roboczą, która jest odpowiedzialna za naszą zdolność do nawiązywania połączeń i za procesy neuronalne, które tworzą znaczenie. Wyjaśnia również, że sztuczna świadomość wymagałaby sieci

niezależnych procesorów, a nie liniowej sekwencji złożonych algorytmów.



Ograniczona interpretacja



Athene Unified Theory to rozwiązanie łączące fizykę kwantową i teorię względności. Chociaż odpowiada na wiele z wymienionych tutaj pytań z zakresu fizyki, jest to moja ograniczona interpretacja pierwszych miesięcy jego badań.

Niezależnie od wyniku, jasne jest, że wkroczyliśmy w erę, w której nauka jest otwarta dla wszystkich. A jeśli utrzymamy internet dostępny i neutralny, możemy sprawdzić słuszność naszych pomysłów, rozwijać naszą wyobraźnię poprzez tworzenie nowych relacji i możemy dalej rozwijać nasze zrozumienie.

wszechświat i umysł.



Epilog



W mechanice kwantowej nauczyliśmy się inaczej podchodzić do rzeczywistości i postrzegać wszystko jako prawdopodobieństwo, a nie pewniki. W sensie matematycznym wszystko jest możliwe.

Zarówno w nauce, jak iw naszym codziennym życiu, nasza zdolność obliczania lub odgadywania prawdopodobieństw jest zdeterminowana naszą intelektualną zdolnością rozpoznawania wzorców.

Im bardziej jesteśmy otwarci, tym wyraźniej widzimy te wzorce i opieramy nasze działania na rozsądnym prawdopodobieństwie.

Ponieważ w samej naturze naszej lewej półkuli leży odrzucanie idei, które nie pasują do naszych obecnych poglądów, im bardziej jesteśmy przywiązani do naszych przekonań, tym mniej jesteśmy w stanie dokonywać świadomych wyborów dla siebie. Ale kontrolując ten proces, poszerzamy naszą samoświadomość i zwiększamy naszą wolną wolę.

Mówią, że mądrość przychodzi wraz z wiekiem. Ale z otwartością i sceptycyzmem - kluczowymi zasadami naukowymi - nie potrzebujemy dziesięcioleci prób i błędów, aby ustalić, które z naszych przekonań mogą być błędne.

Nie chodzi o to, czy nasze przekonania są prawdziwe, czy nie, ale o to, czy nasze emocjonalne przywiązanie do nich wyrządzi dobro, czy szkodę.



Wolny wybór nie istnieje, dopóki jesteśmy emocjonalnie przywiązani do systemu wierzeń. Kiedy już mamy wystarczającą samoświadomość, aby to zrozumieć, możemy współpracować, aby zrozumieć prawdopodobieństwo tego, co przyniesie nam największe korzyści.

„Rozwój mechaniki kwantowej poddał nasze klasyczne poglądy naukowe bezprecedensowej krytyce. Samoświadomość i chęć rewizji naszych hipotez, które są nieustannie testowane przez naukę i ludzkość, określą stopień, w jakim osiągniemy głębsze zrozumienie umysłu i wszechświata.

Myślę, że można śmiało powiedzieć, że nikt nie rozumie mechaniki kwantowej.

Fizyk Richard Feynman

Nie będzie przesadą stwierdzenie, że wynalezienie urządzeń półprzewodnikowych było rewolucją. Jest to nie tylko imponujące osiągnięcie technologiczne, ale także utorowało drogę wydarzeniom, które na zawsze zmienią współczesne społeczeństwo. Urządzenia półprzewodnikowe są stosowane we wszelkiego rodzaju urządzeniach mikroelektronicznych, w tym w komputerach, niektórych rodzajach sprzętu do diagnostyki i leczenia medycznego oraz w popularnych urządzeniach telekomunikacyjnych.

Ale za tą rewolucją technologiczną kryje się jeszcze coś więcej, rewolucja w nauce ogólnej: dziedzina teoria kwantowa. Bez tego skoku w zrozumieniu świata przyrody rozwój urządzeń półprzewodnikowych (i bardziej zaawansowanych urządzeń elektronicznych będących w fazie rozwoju) nigdy by się nie powiódł. Fizyka kwantowa to niezwykle złożona dziedzina nauki. Ten rozdział zawiera jedynie krótki przegląd. Kiedy naukowcy tacy jak Feynman mówią „nikt tego nie rozumie”, możesz być pewien, że jest to naprawdę trudny temat. Bez podstawowego zrozumienia fizyki kwantowej, a przynajmniej zrozumienia odkryć naukowych, które doprowadziły do ​​ich rozwoju, nie można zrozumieć, jak i dlaczego działają półprzewodnikowe urządzenia elektroniczne. Większość podręczników elektronicznych próbuje wyjaśnić półprzewodniki w kategoriach „fizyki klasycznej”, co w rezultacie sprawia, że ​​są jeszcze bardziej zagmatwane do zrozumienia.

Wielu z nas widziało schematy modeli atomowych, które wyglądają jak na poniższym obrazku.

Atom Rutherforda: ujemne elektrony krążą wokół małego dodatniego jądra

Drobne cząstki materii zwane protony oraz neutrony, tworzą środek atomu; elektrony krążą jak planety wokół gwiazdy. Jądro niesie dodatni ładunek elektryczny ze względu na obecność protonów (neutrony nie mają ładunku elektrycznego), podczas gdy równoważący ładunek ujemny atomu znajduje się w orbitujących elektronach. Ujemne elektrony są przyciągane do dodatnich protonów, tak jak planety są przyciągane do Słońca, ale orbity są stabilne dzięki ruchowi elektronów. Ten popularny model atomu zawdzięczamy pracy Ernesta Rutherforda, który około 1911 r. eksperymentalnie ustalił, że dodatnie ładunki atomów są skoncentrowane w maleńkim, gęstym jądrze i nie są równomiernie rozłożone wzdłuż średnicy, jak wcześniej zakładał badacz JJ Thomson .

Eksperyment z rozpraszaniem Rutherforda polega na bombardowaniu cienkiej złotej folii dodatnio naładowanymi cząstkami alfa, jak pokazano na poniższym rysunku. Młodzi absolwenci H. Geiger i E. Marsden uzyskali nieoczekiwane wyniki. Trajektoria niektórych cząstek alfa była odchylona o duży kąt. Niektóre cząstki alfa były rozrzucone do tyłu pod kątem prawie 180°. Większość cząstek przeszła przez złotą folię bez zmiany swojej trajektorii, tak jakby w ogóle nie było folii. Fakt, że kilka cząstek alfa doświadczyło dużych odchyleń w swojej trajektorii, wskazuje na obecność jąder o małym ładunku dodatnim.

Rozpraszanie Rutherforda: wiązka cząstek alfa jest rozpraszana przez cienką złotą folię

Chociaż model atomu Rutherforda był poparty danymi eksperymentalnymi lepszymi niż model Thomsona, nadal był niedoskonały. Podjęto dalsze próby ustalenia struktury atomu, które pomogły utorować drogę dziwnym odkryciom fizyki kwantowej. Dziś nasze rozumienie atomu jest nieco bardziej złożone. Jednak pomimo rewolucji fizyki kwantowej i jej wkładu w nasze rozumienie struktury atomu, przedstawiony przez Rutherforda obraz Układu Słonecznego jako struktury atomu zakorzenił się w powszechnej świadomości do tego stopnia, że ​​przetrwał w dziedzinach edukacji, nawet jeśli jest niewłaściwie umieszczony.

Rozważ ten krótki opis elektronów w atomie, zaczerpnięty z popularnego podręcznika elektroniki:

Wirujące ujemne elektrony są przyciągane do dodatniego jądra, co prowadzi nas do pytania, dlaczego elektrony nie wlatują do jądra atomu. Odpowiedź brzmi, że wirujące elektrony pozostają na swojej stabilnej orbicie dzięki dwóm równym, ale przeciwstawnym siłom. Siła odśrodkowa działająca na elektrony jest skierowana na zewnątrz, a siła przyciągania ładunków próbuje przyciągnąć elektrony do jądra.

Zgodnie z modelem Rutherforda autor uważa elektrony za bryły materii zajmujące okrągłe orbity, a ich przyciąganie wewnętrzne do przeciwnie naładowanego jądra jest równoważone przez ich ruch. Użycie terminu „siła odśrodkowa” jest technicznie niepoprawne (nawet dla planet orbitujących), ale łatwo to wybaczyć ze względu na powszechną akceptację tego modelu: w rzeczywistości nie ma czegoś takiego jak siła, odpychającykażdy obracające się ciało ze środka swojej orbity. Wydaje się, że tak jest, ponieważ bezwładność ciała ma tendencję do utrzymywania go w ruchu w linii prostej, a ponieważ orbita jest stałym odchyleniem (przyspieszeniem) od ruchu prostoliniowego, istnieje stała reakcja bezwładności na każdą siłę, która przyciąga ciało do środka orbity (dośrodkowej), czy to grawitacji, przyciągania elektrostatycznego, czy nawet napięcia wiązania mechanicznego.

Jednak prawdziwym problemem z tym wyjaśnieniem jest przede wszystkim idea poruszania się elektronów po orbitach kołowych. Udowodniony fakt, że przyspieszone ładunki elektryczne emitują promieniowanie elektromagnetyczne, był znany nawet w czasach Rutherforda. Ponieważ ruch obrotowy jest formą przyspieszenia (obiekt obracający się w stałym przyspieszeniu, odciągający obiekt od jego normalnego ruchu prostoliniowego), elektrony w stanie wirującym muszą emitować promieniowanie jak błoto z wirującego koła. Elektrony przyspieszane po torach kołowych w akceleratorach cząstek zwanych synchrotrony wiadomo, że to robią, a wynik nazywa się promieniowanie synchrotronowe. Gdyby elektrony traciły w ten sposób energię, ich orbity zostałyby w końcu zakłócone iw rezultacie zderzyłyby się z dodatnio naładowanym jądrem. Jednak wewnątrz atomów zwykle tak się nie dzieje. Rzeczywiście, elektroniczne „orbity” są zaskakująco stabilne w szerokim zakresie warunków.

Ponadto eksperymenty z „wzbudzonymi” atomami wykazały, że energia elektromagnetyczna jest emitowana przez atom tylko przy określonych częstotliwościach. Atomy są „wzbudzane” przez wpływy zewnętrzne, takie jak światło, o którym wiadomo, że pochłaniają energię i zwracają fale elektromagnetyczne o określonych częstotliwościach, podobnie jak kamerton, który nie dzwoni z określoną częstotliwością, dopóki nie zostanie uderzony. Kiedy światło emitowane przez wzbudzony atom jest podzielone przez pryzmat na jego częstotliwości składowe (kolory), znajdują się poszczególne linie kolorów w widmie, wzór linii widmowej jest unikalny dla pierwiastka chemicznego. Zjawisko to jest powszechnie wykorzystywane do identyfikacji pierwiastków chemicznych, a nawet do pomiaru proporcji każdego pierwiastka w związku lub mieszaninie chemicznej. Zgodnie z układem słonecznym modelu atomowego Rutherforda (w stosunku do elektronów, jako kawałków materii, swobodnie obracających się po orbicie o pewnym promieniu) i praw fizyki klasycznej, wzbudzone atomy muszą zwracać energię w prawie nieskończonym zakresie częstotliwości, a nie na wybranych częstotliwościach. Innymi słowy, gdyby model Rutherforda był poprawny, wówczas nie byłoby efektu „kamera”, a widmo kolorów emitowane przez dowolny atom wyglądałoby jako ciągłe pasmo kolorów, a nie jako kilka oddzielnych linii.

Model atomu wodoru Bohra (z orbitami narysowanymi w skali) zakłada, że ​​elektrony znajdują się tylko na dyskretnych orbitach. Elektrony poruszające się od n=3,4,5 lub 6 do n=2 są wyświetlane na szeregu linii widmowych Balmera

Badacz Niels Bohr próbował ulepszyć model Rutherforda po kilkumiesięcznym badaniu w laboratorium Rutherforda w 1912 roku. Próbując pogodzić wyniki innych fizyków (zwłaszcza Maxa Plancka i Alberta Einsteina), Bohr zasugerował, że każdy elektron ma określoną, określoną ilość energii, a ich orbity są rozłożone w taki sposób, że każdy z nich może zajmować określone miejsca wokół jądro, jak kule, umocowane na kołowych ścieżkach wokół jądra, a nie jako swobodnie poruszające się satelity, jak wcześniej zakładano (rysunek powyżej). Ze względu na prawa elektromagnetyzmu i przyśpieszających ładunków Bohr określił „orbity” jako stany stacjonarne aby uniknąć interpretacji, że byli mobilni.

Chociaż ambitna próba Bohra przemyślenia struktury atomu, która była bardziej zgodna z danymi eksperymentalnymi, była kamieniem milowym w fizyce, nie została jednak zakończona. Jego analiza matematyczna przewidywała wyniki eksperymentów lepiej niż te wykonane według poprzednich modeli, ale wciąż pozostawały pytania bez odpowiedzi, czy czemu elektrony muszą zachowywać się w tak dziwny sposób. Stwierdzenie, że elektrony istnieją w stacjonarnych stanach kwantowych wokół jądra, lepiej korelowało z danymi eksperymentalnymi niż model Rutherforda, ale nie mówiło, co powoduje, że elektrony przyjmują te specjalne stany. Odpowiedź na to pytanie miała przyjść od innego fizyka, Louisa de Broglie, jakieś dziesięć lat później.

De Broglie zasugerował, że elektrony, podobnie jak fotony (cząstki światła), mają zarówno właściwości cząstek, jak i właściwości fal. Opierając się na tym założeniu, zasugerował, że analiza wirujących elektronów pod kątem fal jest lepsza niż pod kątem cząstek i może dać lepszy wgląd w ich kwantową naturę. Rzeczywiście, dokonano kolejnego przełomu w zrozumieniu.

Struna wibrująca z częstotliwością rezonansową między dwoma stałymi punktami tworzy falę stojącą

Według de Broglie atom składał się z fal stojących, zjawiska dobrze znanego fizykom w różnych formach. Jak szarpana struna instrumentu muzycznego (na zdjęciu powyżej), wibrująca z częstotliwością rezonansową, z „węzłami” i „anty-węzłami” w stabilnych miejscach na jej długości. De Broglie wyobraził sobie elektrony wokół atomów jako fale zakrzywione w okrąg (rysunek poniżej).

„Obracające się” elektrony jak fala stojąca wokół jądra, (a) dwa cykle na orbicie, (b) trzy cykle na orbicie

Elektrony mogą istnieć tylko na określonych, określonych „orbitach” wokół jądra, ponieważ są to jedyne odległości, w których końce fali pokrywają się. W każdym innym promieniu fala zderzy się ze sobą destrukcyjnie i tym samym przestanie istnieć.

Hipoteza de Brogliego dostarczyła zarówno matematycznych ram, jak i wygodnej fizycznej analogii do wyjaśnienia stanów kwantowych elektronów w atomie, ale jego model atomu wciąż był niekompletny. Od kilku lat fizycy Werner Heisenberg i Erwin Schrödinger, pracując niezależnie, pracowali nad koncepcją de Broglie'a dualności falowo-cząstkowa w celu stworzenia bardziej rygorystycznych modeli matematycznych cząstek subatomowych.

Ten teoretyczny postęp od prymitywnego modelu fali stojącej de Broglie do modeli macierzy Heisenberga i równania różniczkowego Schrödingera został nazwany mechaniką kwantową i wprowadził dość szokującą cechę do świata cząstek subatomowych: znak prawdopodobieństwa, lub niepewność. Zgodnie z nową teorią kwantową niemożliwe było określenie dokładnej pozycji i dokładnego pędu cząstki w jednym momencie. Popularnym wyjaśnieniem tej „zasady nieoznaczoności” było to, że wystąpił błąd pomiaru (to znaczy, próbując dokładnie zmierzyć położenie elektronu, zakłócasz jego pęd, a zatem nie możesz wiedzieć, co to było przed rozpoczęciem pomiaru pozycji , i wzajemnie). Sensacyjny wniosek mechaniki kwantowej jest taki, że cząstki nie mają dokładnych pozycji i pędów, a ze względu na związek tych dwóch wielkości ich łączna niepewność nigdy nie spadnie poniżej pewnej wartości minimalnej.

Ta forma połączenia „niepewności” istnieje również w dziedzinach innych niż mechanika kwantowa. Jak omówiono w rozdziale „Sygnały prądu przemiennego o mieszanej częstotliwości” w tomie 2 tej serii książek, istnieją wzajemnie wykluczające się relacje między ufnością danych w dziedzinie czasu przebiegu fali i jego danych w dziedzinie częstotliwości. Mówiąc najprościej, im więcej znamy częstotliwości składowych, tym mniej dokładnie znamy jego amplitudę w czasie i na odwrót. Cytując siebie:

Sygnał o nieskończonym czasie trwania (nieskończona liczba cykli) może być analizowany z absolutną dokładnością, ale im mniej cykli dostępnych komputerowi do analizy, tym mniej dokładna analiza… Im mniej okresów sygnału, tym mniej dokładna jego częstotliwość . Doprowadzając tę ​​koncepcję do logicznego ekstremum, krótki impuls (nawet nie pełny okres sygnału) tak naprawdę nie ma określonej częstotliwości, to nieskończony zakres częstotliwości. Zasada ta jest wspólna dla wszystkich zjawisk falowych, a nie tylko dla zmiennych napięć i prądów.

Aby dokładnie określić amplitudę zmieniającego się sygnału, musimy ją zmierzyć w bardzo krótkim czasie. Jednak takie postępowanie ogranicza naszą wiedzę o częstotliwości fali (fala w mechanice kwantowej nie musi być podobna do fali sinusoidalnej; takie podobieństwo jest przypadkiem szczególnym). Z drugiej strony, aby z dużą dokładnością określić częstotliwość fali, musimy ją mierzyć w dużej liczbie okresów, co oznacza, że ​​w każdej chwili stracimy z oczu jej amplitudę. W ten sposób nie możemy jednocześnie znać chwilowej amplitudy i wszystkich częstotliwości jakiejkolwiek fali z nieograniczoną dokładnością. Kolejna dziwność, ta niepewność jest znacznie większa niż niedokładność obserwatora; leży to w samej naturze fali. Tak nie jest, chociaż przy odpowiedniej technologii byłoby możliwe, aby jednocześnie zapewnić dokładne pomiary zarówno chwilowej amplitudy, jak i częstotliwości. W sensie dosłownym fala nie może mieć jednocześnie dokładnej chwilowej amplitudy i dokładnej częstotliwości.

Minimalna niepewność położenia i pędu cząstki wyrażona przez Heisenberga i Schrödingera nie ma nic wspólnego z ograniczeniem pomiaru; jest to raczej wewnętrzna właściwość natury dualizmu falowo-cząsteczkowego cząstki. Dlatego elektrony tak naprawdę nie istnieją na swoich „orbitach” jako dobrze zdefiniowane cząstki materii, czy nawet jako dobrze zdefiniowane przebiegi, ale raczej jako „chmury” – termin techniczny. funkcja falowa rozkłady prawdopodobieństwa, tak jakby każdy elektron był „rozproszony” lub „rozmazany” w różnych pozycjach i pędach.

Ten radykalny pogląd na elektrony jako nieokreślone chmury początkowo przeczy pierwotnej zasadzie stanów kwantowych elektronów: elektrony istnieją na dyskretnych, określonych „orbitach” wokół jądra atomu. Ten nowy pogląd był przecież odkryciem, które doprowadziło do powstania i wyjaśnienia teorii kwantowej. Jakże dziwne wydaje się to, że teoria stworzona w celu wyjaśnienia dyskretnego zachowania elektronów kończy się stwierdzeniem, że elektrony istnieją jako „chmury”, a nie jako oddzielne kawałki materii. Jednak kwantowe zachowanie elektronów nie zależy od posiadania przez elektrony określonych wartości współrzędnych i pędu, ale od innych właściwości zwanych liczby kwantowe. W istocie mechanika kwantowa rezygnuje z powszechnych koncepcji położenia absolutnego i momentu absolutnego i zastępuje je absolutnymi koncepcjami typów, które w powszechnej praktyce nie mają odpowiedników.

Nawet jeśli wiadomo, że elektrony istnieją w bezcielesnych, „chmurnych” formach prawdopodobieństwa rozłożonego, a nie w oddzielnych kawałkach materii, te „chmury” mają nieco inne cechy. Dowolny elektron w atomie można opisać czterema miarami liczbowymi (wspomnianymi wcześniej liczbami kwantowymi), zwanymi główna (promieniowa), orbitalny (azymut), magnetyczny oraz obracać liczby. Poniżej znajduje się krótki przegląd znaczenia każdej z tych liczb:

Główna (promieniowa) liczba kwantowa: oznaczony literą n, ta liczba opisuje powłokę, na której znajduje się elektron. Powłoka elektronowa to obszar przestrzeni wokół jądra atomu, w którym mogą istnieć elektrony, odpowiadający modelom stabilnej fali stojącej de Broglie'a i Bohra. Elektrony mogą „przeskakiwać” z powłoki do powłoki, ale nie mogą istnieć między nimi.

Główna liczba kwantowa musi być dodatnią liczbą całkowitą (większą lub równą 1). Innymi słowy, główna liczba kwantowa elektronu nie może wynosić 1/2 ani -3. Te liczby całkowite nie zostały wybrane arbitralnie, ale na podstawie eksperymentalnych dowodów widma światła: różne częstotliwości (kolory) światła emitowanego przez wzbudzone atomy wodoru podlegają matematycznej zależności w zależności od określonych wartości całkowitych, jak pokazano na poniższym rysunku.

Każda powłoka ma zdolność utrzymywania wielu elektronów. Analogią dla powłok elektronowych są koncentryczne rzędy siedzeń w amfiteatrze. Tak jak osoba siedząca w amfiteatrze musi wybrać rząd do siedzenia (nie może siedzieć między rzędami), tak elektrony muszą „wybrać” konkretną powłokę, aby „usiąść”. Podobnie jak rzędy w amfiteatrze, zewnętrzne powłoki zawierają więcej elektronów niż powłoki bliżej środka. Ponadto elektrony mają tendencję do znajdowania najmniejszej dostępnej powłoki, tak jak ludzie w amfiteatrze szukają miejsca najbliżej centralnej sceny. Im wyższy numer powłoki, tym więcej energii mają na niej elektrony.

Maksymalna liczba elektronów, jaką może pomieścić każda powłoka, jest opisana równaniem 2n 2 , gdzie n jest główną liczbą kwantową. Zatem pierwsza powłoka (n = 1) może zawierać 2 elektrony; druga powłoka (n = 2) - 8 elektronów; a trzecia powłoka (n = 3) - 18 elektronów (rysunek poniżej).

Główna liczba kwantowa n i maksymalna liczba elektronów są powiązane wzorem 2(n 2). Orbity nie są w skali.

Powłoki elektronowe w atomie oznaczono literami, a nie cyframi. Pierwsza powłoka (n = 1) została oznaczona K, druga powłoka (n = 2) L, trzecia powłoka (n = 3) M, czwarta powłoka (n = 4) N, piąta powłoka (n = 5) O, szósta powłoka ( n = 6) P i siódma powłoka (n = 7) B.

Orbitalna (azymutalna) liczba kwantowa: powłoka złożona z podpowłok. Dla niektórych wygodniejsze może być myślenie o podpowłokach jako o prostych sekcjach powłok, takich jak pasy dzielące drogę. Podpowłoki są znacznie dziwniejsze. Podpowłoki to obszary przestrzeni, w których mogą istnieć „chmury” elektronowe, a w rzeczywistości różne podpowłoki mają różne kształty. Pierwsza podpowłoka ma kształt kuli (rysunek poniżej (s)), co ma sens, gdy jest wizualizowane jako chmura elektronów otaczająca jądro atomu w trzech wymiarach.

Druga podpowłoka przypomina hantle, składające się z dwóch „płatków” połączonych w jednym punkcie w pobliżu środka atomu (rysunek poniżej (p)).

Trzecia podpowłoka zwykle przypomina zestaw czterech „płatków” skupionych wokół jądra atomu. Te kształty podpowłok przypominają graficzną reprezentację wzorów anteny z podobnymi do cebuli płatami wystającymi z anteny w różnych kierunkach (rysunek poniżej (d)).

Orbitale:
(s) potrójna symetria;
(p) Pokazano: p x , jedna z trzech możliwych orientacji (p x , p y , p z), wzdłuż odpowiednich osi;
(d) Pokazano: d x 2 -y 2 jest podobne do d xy , d yz , d xz . Pokazano: d z 2 . Liczba możliwych orbitali d: pięć.

Prawidłowe wartości orbitalnej liczby kwantowej są dodatnimi liczbami całkowitymi, tak jak w przypadku głównej liczby kwantowej, ale zawierają również zero. Te liczby kwantowe dla elektronów są oznaczone literą l. Liczba podpowłok jest równa głównej liczbie kwantowej powłoki. Zatem pierwsza powłoka (n = 1) ma jedną podpowłokę o numerze 0; druga powłoka (n = 2) ma dwie podpowłoki o numerach 0 i 1; trzecia powłoka (n = 3) ma trzy podpowłoki o numerach 0, 1 i 2.

Stara konwencja podpowłoki wykorzystywała litery zamiast cyfr. W tym formacie pierwszą podpowłokę (l = 0) oznaczono jako s, drugą podpowłokę (l = 1) oznaczono jako p, trzecią podpowłokę (l = 2) oznaczono jako d, a czwartą podpowłokę (l = 3) oznaczony f. Litery pochodziły od słów: ostry, główny, rozproszony oraz Fundamentalny. Nadal można zobaczyć te oznaczenia w wielu tablicach okresowych używanych do oznaczenia konfiguracji elektronowej zewnętrznej ( wartościowość) powłoki atomów.

(a) reprezentacja Bohra atomu srebra,
(b) Orbitalna reprezentacja Ag z podziałem powłok na podpowłoki (orbitalna liczba kwantowa l).
Ten wykres nie sugeruje niczego o rzeczywistej pozycji elektronów, a jedynie przedstawia poziomy energii.

Magnetyczna liczba kwantowa: Magnetyczna liczba kwantowa elektronu klasyfikuje orientację figury podpowłoki elektronu. „Płatki” podpowłok można skierować w kilku kierunkach. Te różne orientacje nazywane są orbitalami. Dla pierwszej podpowłoki (s; l = 0), która przypomina kulę, „kierunek” nie jest określony. Dla drugiej (p; l = 1) podpowłoki w każdej powłoce, która przypomina hantle skierowane w trzech możliwych kierunkach. Wyobraź sobie trzy hantle przecinające się w punkcie początkowym, z których każdy wskazuje swoją własną oś w trójosiowym układzie współrzędnych.

Prawidłowe wartości dla danej liczby kwantowej składają się z liczb całkowitych z zakresu od -l do l, a liczba ta jest oznaczona jako m ja w fizyce atomowej i z w fizyce jądrowej. Aby obliczyć liczbę orbitali w dowolnej podpowłoce, musisz podwoić liczbę podpowłoki i dodać 1, (2∙l + 1). Na przykład pierwsza podpowłoka (l = 0) w dowolnej powłoce zawiera jeden orbital o numerze 0; druga podpowłoka (l = 1) w dowolnej powłoce zawiera trzy orbitale o numerach -1, 0 i 1; trzecia podpowłoka (l = 2) zawiera pięć orbitali o numerach -2, -1, 0, 1 i 2; itp.

Podobnie jak główna liczba kwantowa, magnetyczna liczba kwantowa powstała bezpośrednio z danych eksperymentalnych: efektu Zeemana, separacji linii widmowych poprzez wystawienie zjonizowanego gazu na działanie pola magnetycznego, stąd nazwa „magnetyczna” liczba kwantowa.

Zakręć liczbę kwantową: podobnie jak magnetyczna liczba kwantowa, ta właściwość elektronów atomu została odkryta poprzez eksperymenty. Dokładna obserwacja linii widmowych wykazała, że ​​każda linia była w rzeczywistości parą bardzo blisko siebie oddalonych linii, sugerowano, że ta tzw. drobna struktura był wynikiem „wirowania” każdego elektronu wokół własnej osi, jak planeta. Elektrony o różnych „spinach” pod wpływem wzbudzenia emitowałyby nieco inne częstotliwości światła. Koncepcja wirującego elektronu jest obecnie przestarzała, ponieważ jest bardziej odpowiednia dla (nieprawidłowego) postrzegania elektronów jako pojedynczych cząstek materii, a nie jako „chmur”, ale nazwa pozostaje.

Spinowe liczby kwantowe są oznaczone jako SM w fizyce atomowej i sz w fizyce jądrowej. Każdy orbital w każdej podpowłoce może mieć dwa elektrony w każdej powłoce, jeden o spinie +1/2, a drugi o spinie -1/2.

Fizyk Wolfgang Pauli opracował zasadę, która wyjaśnia uporządkowanie elektronów w atomie według tych liczb kwantowych. Jego zasada, zwana Zasada wykluczenia Pauliego, stwierdza, że ​​dwa elektrony w tym samym atomie nie mogą zajmować tych samych stanów kwantowych. Oznacza to, że każdy elektron w atomie ma unikalny zestaw liczb kwantowych. Ogranicza to liczbę elektronów, które mogą zajmować dowolny orbital, podpowłokę i powłokę.

To pokazuje układ elektronów w atomie wodoru:

Z jednym protonem w jądrze, atom przyjmuje jeden elektron do swojej równowagi elektrostatycznej (dodatni ładunek protonu jest dokładnie zrównoważony przez ujemny ładunek elektronu). Elektron ten znajduje się w dolnej powłoce (n = 1), pierwszej podpowłoce (l = 0), w jedynym orbicie (orientacja przestrzenna) tej podpowłoki (m l = 0), z wartością spinu 1/2. Ogólna metoda opisu tej struktury polega na wyliczeniu elektronów zgodnie z ich powłokami i podpowłokami, zgodnie z konwencją zwaną notacja spektroskopowa. W tym zapisie numer powłoki jest pokazany jako liczba całkowita, podpowłoka jako litera (s,p,d,f), a całkowita liczba elektronów w podpowłoce (wszystkie orbitale, wszystkie spiny) jako indeks górny. Tak więc wodór, z pojedynczym elektronem umieszczonym na poziomie podstawowym, jest opisany jako 1s 1 .

Przechodząc do następnego atomu (w kolejności liczby atomowej), otrzymujemy pierwiastek hel:

Atom helu ma dwa protony w swoim jądrze, co wymaga dwóch elektronów do zrównoważenia podwójnego dodatniego ładunku elektrycznego. Ponieważ dwa elektrony - jeden o spinie 1/2, a drugi o spinie -1/2 - znajdują się na tym samym orbicie, struktura elektronowa helu nie wymaga dodatkowych podpowłok ani powłok do utrzymywania drugiego elektronu.

Jednak atom wymagający trzech lub więcej elektronów będzie potrzebował dodatkowych podpowłok, aby pomieścić wszystkie elektrony, ponieważ tylko dwa elektrony mogą znajdować się na dolnej powłoce (n = 1). Rozważ następny atom w kolejności rosnącej liczby atomowej, lit:

Atom litu wykorzystuje część pojemności L powłoki (n = 2). Ta powłoka faktycznie ma całkowitą pojemność ośmiu elektronów (maksymalna pojemność powłoki = 2n 2 elektrony). Jeśli rozważymy budowę atomu z całkowicie wypełnioną powłoką L, zobaczymy, jak wszystkie kombinacje podpowłok, orbitali i spinów są zajęte przez elektrony:

Często podczas przypisywania atomowi notacji spektroskopowej wszystkie w pełni wypełnione muszle są pomijane, a muszle niewypełnione i wypełnione najwyższego poziomu są oznaczane. Na przykład element neon (pokazany na powyższym rysunku), który ma dwie całkowicie wypełnione skorupy, może być opisany spektralnie po prostu jako 2p 6, a nie jako 1s 22 s 22 p 6 . Lit, z całkowicie wypełnioną powłoką K i pojedynczym elektronem w powłoce L, można po prostu opisać jako 2s 1 zamiast 1s 22 s 1 .

Pominięcie w pełni zapełnionych muszli niższego poziomu służy nie tylko wygodzie notacji. Ilustruje również podstawową zasadę chemii: zachowanie chemiczne pierwiastka jest przede wszystkim determinowane przez jego niewypełnione muszle. Zarówno wodór, jak i lit mają jeden elektron w swoich powłokach zewnętrznych (odpowiednio jako 1 i 2s 1), co oznacza, że ​​oba pierwiastki mają podobne właściwości. Oba są bardzo reaktywne i reagują w prawie identyczny sposób (wiążąc się z podobnymi pierwiastkami w podobnych warunkach). Tak naprawdę nie ma znaczenia, że ​​lit ma w pełni wypełnioną powłokę K pod prawie wolną powłoką L: niewypełniona powłoka L jest tą, która determinuje jej zachowanie chemiczne.

Pierwiastki, które posiadają całkowicie wypełnione powłoki zewnętrzne zaliczane są do szlachetnych i charakteryzują się niemal całkowitym brakiem reakcji z innymi pierwiastkami. Pierwiastki te zostały sklasyfikowane jako obojętne, gdy uznano, że w ogóle nie reagują, ale wiadomo, że tworzą związki z innymi pierwiastkami w określonych warunkach.

Ponieważ pierwiastki o tej samej konfiguracji elektronów w ich zewnętrznych powłokach mają podobne właściwości chemiczne, Dmitri Mendelejew odpowiednio uporządkował pierwiastki chemiczne w tabeli. Ta tabela jest znana jako , a nowoczesne tabele są zgodne z tym ogólnym układem, pokazanym na poniższym rysunku.

Układ okresowy pierwiastków chemicznych

Dmitri Mendelejew, rosyjski chemik, jako pierwszy opracował układ okresowy pierwiastków. Chociaż Mendelejew zorganizował swój stół według masy atomowej, a nie liczby atomowej, i stworzył tablicę, która nie była tak użyteczna jak współczesne tablice okresowe, jego rozwój stanowi doskonały przykład naukowego dowodu. Widząc wzory okresowości (podobne właściwości chemiczne w zależności od masy atomowej), Mendelejew postawił hipotezę, że wszystkie pierwiastki muszą pasować do tego uporządkowanego wzoru. Kiedy odkrył „puste” miejsca w stole, kierował się logiką istniejącego porządku i zakładał istnienie jeszcze nieznanych elementów. Późniejsze odkrycie tych pierwiastków potwierdziło naukową poprawność hipotezy Mendelejewa, dalsze odkrycia doprowadziły do ​​postaci układu okresowego pierwiastków, z którego korzystamy teraz.

Lubię to powinien nauka o pracy: hipotezy prowadzą do logicznych wniosków i są akceptowane, zmieniane lub odrzucane w zależności od zgodności danych eksperymentalnych z ich wnioskami. Każdy głupiec może sformułować hipotezę po fakcie, aby wyjaśnić dostępne dane eksperymentalne, i wielu to robi. Tym, co odróżnia hipotezę naukową od spekulacji post hoc, jest przewidywanie przyszłych danych eksperymentalnych, które nie zostały jeszcze zebrane, i być może w rezultacie obalenie tych danych. Śmiało poprowadzić hipotezę do jej logicznego wniosku (wniosków), a próba przewidzenia wyników przyszłych eksperymentów nie jest dogmatycznym przeskokiem wiary, ale raczej publicznym testem tej hipotezy, otwartym wyzwaniem dla przeciwników hipotezy. Innymi słowy, hipotezy naukowe są zawsze „ryzykowne” z powodu prób przewidzenia wyników eksperymentów, które nie zostały jeszcze wykonane, a zatem mogą zostać sfalsyfikowane, jeśli eksperymenty nie przebiegną zgodnie z oczekiwaniami. Tak więc, jeśli hipoteza poprawnie przewiduje wyniki powtarzanych eksperymentów, zostaje ona obalona.

Mechanika kwantowa, najpierw jako hipoteza, a potem jako teoria, okazała się niezwykle skuteczna w przewidywaniu wyników eksperymentów, dzięki czemu uzyskała wysoki stopień wiarygodności naukowej. Wielu naukowców ma powody, by sądzić, że jest to niepełna teoria, ponieważ jej przewidywania są bardziej prawdziwe w skali mikrofizycznej niż makroskopowej, niemniej jednak jest to teoria niezwykle przydatna do wyjaśniania i przewidywania interakcji cząstek i atomów.

Jak widzieliście w tym rozdziale, fizyka kwantowa jest niezbędna do opisywania i przewidywania wielu różnych zjawisk. W następnym rozdziale zobaczymy jego znaczenie w przewodności elektrycznej ciał stałych, w tym półprzewodników. Mówiąc najprościej, nic w chemii czy fizyce ciała stałego nie ma sensu w popularnej teoretycznej strukturze elektronów istniejących jako pojedyncze cząstki materii krążące wokół jądra atomu jak miniaturowe satelity. Kiedy elektrony są postrzegane jako "funkcje falowe" istniejące w pewnych, dyskretnych stanach, które są regularne i okresowe, wtedy można wyjaśnić zachowanie materii.

Podsumowując

Elektrony w atomach istnieją w „chmurach” o rozłożonym prawdopodobieństwie, a nie jako dyskretne cząstki materii krążące wokół jądra, jak miniaturowe satelity, jak pokazują popularne przykłady.

Poszczególne elektrony wokół jądra atomu mają tendencję do unikania „stanów” opisanych czterema liczbami kwantowymi: główna (promieniowa) liczba kwantowa, znany jako powłoka; orbitalna (azymut) liczba kwantowa, znany jako podpowłoka; magnetyczna liczba kwantowa opisując orbitalny(orientacja podpowłoki); oraz spinowa liczba kwantowa, lub po prostu obracać. Te stany są kwantowe, to znaczy „pomiędzy nimi” nie ma warunków istnienia elektronu, z wyjątkiem stanów, które pasują do schematu numeracji kwantowej.

Liczba kwantowa Glanoe (promieniowa) (n) opisuje podstawowy poziom lub powłokę, w której znajduje się elektron. Im większa ta liczba, tym większy promień chmury elektronowej od jądra atomu i większa energia elektronu. Główne liczby kwantowe są liczbami całkowitymi (dodatnimi liczbami całkowitymi)

Orbitalna (azymutalna) liczba kwantowa (l) opisuje kształt chmury elektronowej w określonej powłoce lub poziomie i jest często określana jako „podpowłoka”. W każdej powłoce jest tyle podpowłok (postaci chmury elektronowej), ile jest głównej liczby kwantowej powłoki. Azymutalne liczby kwantowe to dodatnie liczby całkowite zaczynające się od zera i kończące się liczbą mniejszą od głównej liczby kwantowej o jeden (n - 1).

Magnetyczna liczba kwantowa (ml) opisuje orientację podpowłoki (kształt chmury elektronów). Podpowłoki mogą mieć tyle różnych orientacji, ile podwójna liczba podpowłok (l) plus 1, (2l+1) (czyli dla l=1, m l = -1, 0, 1), a każda unikalna orientacja nazywana jest orbitalem . Liczby te są liczbami całkowitymi, począwszy od ujemnej wartości liczby podpowłoki (l) do 0, a kończąc na dodatniej wartości liczby podpowłoki.

Liczba kwantowa wirowania (m s) opisuje inną właściwość elektronu i może przyjmować wartości +1/2 i -1/2.

Zasada wykluczenia Pauliego mówi, że dwa elektrony w atomie nie mogą dzielić tego samego zestawu liczb kwantowych. Dlatego w każdym orbitalu mogą znajdować się co najwyżej dwa elektrony (spin=1/2 i spin=-1/2), 2l+1 orbitali w każdej podpowłoce i n podpowłok w każdej powłoce i nic więcej.

Notacja spektroskopowa jest konwencją dotyczącą struktury elektronowej atomu. Powłoki są pokazane jako liczby całkowite, po których następują litery podpowłoki (s, p, d, f) z liczbami w indeksie górnym wskazującymi całkowitą liczbę elektronów znalezionych w każdej odpowiedniej podpowłoce.

O zachowaniu chemicznym atomu decydują wyłącznie elektrony w niewypełnionych powłokach. Powłoki niskopoziomowe, które są całkowicie wypełnione, mają niewielki lub żaden wpływ na właściwości wiązania chemicznego pierwiastków.

Elementy z całkowicie wypełnionymi powłokami elektronowymi są prawie całkowicie obojętne i nazywane są szlachetny pierwiastki (wcześniej znane jako obojętne).

Fizyka jest najbardziej tajemniczą ze wszystkich nauk. Fizyka daje nam zrozumienie otaczającego nas świata. Prawa fizyki są absolutne i obowiązują wszystkich bez wyjątku, niezależnie od osoby i statusu społecznego.

Ten artykuł jest przeznaczony dla osób powyżej 18 roku życia.

Masz już ukończone 18 lat?

Podstawowe odkrycia w fizyce kwantowej

Isaac Newton, Nikola Tesla, Albert Einstein i wielu innych to wielcy przewodnicy ludzkości we wspaniałym świecie fizyki, którzy niczym prorocy odkrywali przed ludzkością największe tajemnice wszechświata i umiejętność kontrolowania zjawisk fizycznych. Ich jasne głowy przebijały się przez ciemność ignorancji nierozsądnej większości i niczym gwiazda przewodnia wskazywały drogę ludzkości w ciemności nocy. Jednym z tych dyrygentów w świecie fizyki był Max Planck, ojciec fizyki kwantowej.

Max Planck jest nie tylko twórcą fizyki kwantowej, ale także autorem słynnej na całym świecie teorii kwantowej. Teoria kwantów jest najważniejszym elementem fizyki kwantowej. W prostych słowach teoria ta opisuje ruch, zachowanie i interakcję mikrocząstek. Założyciel fizyki kwantowej przyniósł nam także wiele innych prac naukowych, które stały się kamieniami węgielnymi współczesnej fizyki:

• teoria promieniowania cieplnego;
• szczególna teoria względności;
• badania z zakresu termodynamiki;
• badania w dziedzinie optyki.

Teoria fizyki kwantowej o zachowaniu i interakcji mikrocząstek stała się podstawą fizyki materii skondensowanej, fizyki cząstek elementarnych i fizyki wysokich energii. Teoria kwantów wyjaśnia nam istotę wielu zjawisk naszego świata - od funkcjonowania komputerów elektronicznych po budowę i zachowanie ciał niebieskich. Max Planck, twórca tej teorii, dzięki swojemu odkryciu pozwolił zrozumieć prawdziwą istotę wielu rzeczy na poziomie cząstek elementarnych. Ale stworzenie tej teorii nie jest jedyną zasługą naukowca. Jako pierwszy odkrył podstawowe prawo wszechświata – prawo zachowania energii. Trudno przecenić wkład Maxa Plancka w naukę. Krótko mówiąc, jego odkrycia są bezcenne dla fizyki, chemii, historii, metodologii i filozofii.

kwantowa teoria pola

Krótko mówiąc, kwantowa teoria pola to teoria opisu mikrocząstek, ich zachowania w przestrzeni, wzajemnego oddziaływania i wzajemnych przekształceń. Teoria ta bada zachowanie systemów kwantowych w tak zwanych stopniach swobody. Ta piękna i romantyczna nazwa wielu z nas nie mówi nic. W przypadku manekinów stopnie swobody to liczba niezależnych współrzędnych potrzebnych do wskazania ruchu układu mechanicznego. Mówiąc prościej, stopnie swobody są cechami ruchu. Ciekawych odkryć w dziedzinie oddziaływania cząstek elementarnych dokonał Steven Weinberg. Odkrył tzw. prąd neutralny – zasadę oddziaływania kwarków i leptonów, za co w 1979 roku otrzymał Nagrodę Nobla.

Teoria kwantowa Maxa Plancka

W latach dziewięćdziesiątych XVIII wieku niemiecki fizyk Max Planck zajął się badaniem promieniowania cieplnego i ostatecznie otrzymał wzór na rozkład energii. Hipoteza kwantowa, która zrodziła się w trakcie tych badań, zapoczątkowała fizykę kwantową, a także kwantową teorię pola odkrytą w 1900 roku. Teoria kwantowa Plancka głosi, że podczas promieniowania cieplnego wytworzona energia jest emitowana i pochłaniana nie w sposób ciągły, ale epizodycznie, kwantowo. Rok 1900, dzięki temu odkryciu Maxa Plancka, stał się rokiem narodzin mechaniki kwantowej. Warto również wspomnieć o formule Plancka. Krótko mówiąc, jego istota jest następująca – opiera się na stosunku temperatury ciała do jego promieniowania.

Kwantowo-mechaniczna teoria budowy atomu

Teoria mechaniki kwantowej budowy atomu jest jedną z podstawowych teorii pojęć w fizyce kwantowej, a także w fizyce w ogóle. Ta teoria pozwala nam zrozumieć strukturę wszystkiego, co materialne, i otwiera zasłonę tajemnicy nad tym, z czego faktycznie składają się rzeczy. A wnioski oparte na tej teorii są bardzo nieoczekiwane. Rozważ krótko strukturę atomu. Więc z czego tak naprawdę zbudowany jest atom? Atom składa się z jądra i chmury elektronów. Podstawa atomu, jego jądro, zawiera prawie całą masę samego atomu - ponad 99 procent. Jądro zawsze ma ładunek dodatni i to on określa pierwiastek chemiczny, którego częścią jest atom. Najciekawsze w jądrze atomu jest to, że zawiera prawie całą masę atomu, ale jednocześnie zajmuje tylko jedną dziesięciotysięczną jego objętości. Co z tego wynika? A wniosek jest bardzo nieoczekiwany. Oznacza to, że gęsta materia w atomie to tylko jedna dziesięciotysięczna. A co ze wszystkim innym? Wszystko inne w atomie to chmura elektronów.

Chmura elektronów nie jest trwałą, a nawet nie materialną substancją. Chmura elektronów to po prostu prawdopodobieństwo pojawienia się elektronów w atomie. Oznacza to, że jądro zajmuje tylko jedną dziesięciotysięczną w atomie, a wszystko inne jest pustką. A jeśli weźmiemy pod uwagę, że wszystkie otaczające nas obiekty, od cząstek pyłu po ciała niebieskie, planety i gwiazdy, składają się z atomów, to okaże się, że wszystko, co materialne, składa się w ponad 99 procentach z pustki. Teoria ta wydaje się zupełnie nieprawdopodobna, a jej autor przynajmniej ma urojenia, ponieważ rzeczy, które istnieją wokół, mają solidną konsystencję, mają wagę i dają się odczuć. Jak może składać się z pustki? Czy do tej teorii budowy materii wkradł się błąd? Ale tutaj nie ma błędu.

Wszystkie rzeczy materialne wydają się gęste tylko dzięki interakcji między atomami. Rzeczy mają stałą i gęstą konsystencję tylko dzięki przyciąganiu lub odpychaniu między atomami. Zapewnia to gęstość i twardość sieci krystalicznej chemikaliów, z których składa się cały materiał. Ale ciekawy punkt, kiedy np. zmieniają się warunki temperaturowe środowiska, wiązania między atomami, czyli ich przyciąganie i odpychanie, mogą słabnąć, co prowadzi do osłabienia sieci krystalicznej, a nawet do jej zniszczenia. Wyjaśnia to zmianę właściwości fizycznych substancji po podgrzaniu. Na przykład, gdy żelazo jest podgrzewane, staje się płynne i można je ukształtować w dowolny kształt. A kiedy lód topi się, zniszczenie sieci krystalicznej prowadzi do zmiany stanu materii i zmienia się ze stałego w ciekły. Są to wyraźne przykłady osłabienia wiązań między atomami, aw rezultacie osłabienia lub zniszczenia sieci krystalicznej, co pozwala substancji stać się amorficzną. A powodem tak tajemniczych metamorfoz jest właśnie to, że substancje składają się z gęstej materii tylko w jednej dziesięciotysięcznej, a wszystko inne jest pustką.

A substancje wydają się być stałe tylko dzięki silnym wiązaniom między atomami, których osłabienie zmienia się. Tym samym kwantowa teoria budowy atomu pozwala na zupełnie inne spojrzenie na otaczający nas świat.

Twórca teorii atomu, Niels Bohr, wysunął ciekawą koncepcję, że elektrony w atomie nie promieniują stale energią, a jedynie w momencie przejścia między trajektoriami ich ruchu. Teoria Bohra pomogła wyjaśnić wiele procesów wewnątrzatomowych, a także dokonała przełomu w nauce chemii, wyjaśniając granice stołu stworzonego przez Mendelejewa. Według , ostatni element, który może istnieć w czasie i przestrzeni, ma numer seryjny sto trzydzieści siedem, a elementy zaczynające się od sto trzydziestego ósmego nie mogą istnieć, ponieważ ich istnienie jest sprzeczne z teorią względności. Również teoria Bohra wyjaśniała naturę takiego zjawiska fizycznego jak widma atomowe.

Są to widma interakcji wolnych atomów, które powstają, gdy energia jest emitowana między nimi. Zjawiska takie są typowe dla substancji gazowych, parowych oraz substancji w stanie plazmy. Tym samym teoria kwantów dokonała rewolucji w świecie fizyki i pozwoliła naukowcom na postęp nie tylko w dziedzinie tej nauki, ale także w dziedzinie wielu nauk pokrewnych: chemii, termodynamiki, optyki i filozofii. A także pozwolił ludzkości wniknąć w tajemnice natury rzeczy.

Ludzkość musi jeszcze wiele zrobić w swojej świadomości, aby uświadomić sobie naturę atomów, zrozumieć zasady ich zachowania i interakcji. Rozumiejąc to, będziemy w stanie zrozumieć naturę otaczającego nas świata, ponieważ wszystko, co nas otacza, począwszy od cząsteczek kurzu, a skończywszy na samym słońcu, a my sami - wszystko składa się z atomów, których natura jest tajemnicza i niesamowite i najeżone mnóstwem tajemnic.

Jak współcześni fizycy teoretyczni opracowują nowe teorie opisujące świat? Co dodają do mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności, aby zbudować „teorię wszystkiego”? Jakie ograniczenia są omawiane w artykułach, które mówią o braku „nowej fizyki”? Na wszystkie te pytania można odpowiedzieć, jeśli rozumiesz, co to jest akcja- obiekt leżący u podstaw wszystkich istniejących teorii fizycznych. W tym artykule wyjaśnię, co fizycy rozumieją przez działanie, a także pokażę, jak można to wykorzystać do zbudowania prawdziwej teorii fizycznej, wykorzystując zaledwie kilka prostych założeń dotyczących właściwości rozważanego systemu.

Od razu ostrzegam: artykuł będzie zawierał formuły, a nawet proste obliczenia. Można je jednak pominąć bez większego uszczerbku dla zrozumienia. Ogólnie biorąc formuły podaję tutaj tylko dla tych zainteresowanych czytelników, którzy z pewnością chcą wszystko rozgryźć samodzielnie.

Równania

Fizyka opisuje nasz świat za pomocą równań, które łączą ze sobą różne wielkości fizyczne - prędkość, siłę, natężenie pola magnetycznego i tak dalej. Prawie wszystkie takie równania są różniczkowe, to znaczy zawierają nie tylko funkcje zależne od wielkości, ale także ich pochodne. Na przykład jedno z najprostszych równań opisujących ruch ciała punktowego zawiera drugą pochodną jego współrzędnej:

Tutaj oznaczyłem drugą pochodną z dwoma punktami (odpowiednio jeden punkt będzie oznaczał pierwszą pochodną). Oczywiście jest to drugie prawo Newtona, odkryte przez niego pod koniec XVII wieku. Newton był jednym z pierwszych, którzy dostrzegli potrzebę napisania równań ruchu w tej postaci, a także rozwinął rachunek różniczkowy i całkowy potrzebny do ich rozwiązania. Oczywiście większość praw fizycznych jest znacznie bardziej skomplikowana niż drugie prawo Newtona. Na przykład układ równań hydrodynamicznych jest tak złożony, że naukowcy nadal nie wiedzą, czy jest on ogólnie rozwiązywalny, czy nie. Problem istnienia i płynności rozwiązań tego systemu jest nawet wpisany na listę „problemów milenijnych”, a Instytut Matematyczny Claya nominował za jego rozwiązanie nagrodę w wysokości miliona dolarów.

Ale jak fizycy znajdują te równania różniczkowe? Przez długi czas jedynym źródłem nowych teorii był eksperyment. Innymi słowy, naukowiec najpierw zmierzył kilka wielkości fizycznych, a dopiero potem próbował ustalić, w jaki sposób są ze sobą powiązane. Na przykład w ten sposób Kepler odkrył trzy słynne prawa mechaniki nieba, które później doprowadziły Newtona do jego klasycznej teorii grawitacji. Okazało się, że eksperyment wydawał się „wyprzedzić teorię”.

We współczesnej fizyce sprawy układają się nieco inaczej. Oczywiście eksperyment nadal odgrywa bardzo ważną rolę w fizyce. Bez eksperymentalnego potwierdzenia każda teoria jest tylko modelem matematycznym - zabawką dla umysłu, która nie ma nic wspólnego ze światem rzeczywistym. Jednak obecnie fizycy uzyskują równania opisujące nasz świat nie przez empiryczne uogólnienie faktów doświadczalnych, ale wyprowadzają je „z pierwszych zasad”, czyli w oparciu o proste założenia dotyczące właściwości opisywanego układu (np. czasoprzestrzeń lub elektromagnetyczna). pole). Ostatecznie z eksperymentu wyznaczane są tylko parametry teorii - dowolne współczynniki, które wchodzą w równanie wyprowadzone przez teoretyka. Jednocześnie kluczową rolę w fizyce teoretycznej odgrywają: zasada najmniejszego działania, po raz pierwszy sformułowany przez Pierre'a Maupertuisa w połowie XVIII wieku, a ostatecznie uogólniony przez Williama Hamiltona na początku XIX wieku.

Akcja

Czym jest akcja? W najogólniejszym ujęciu akcja to funkcjonał, który wiąże trajektorie układu (czyli funkcje współrzędnych i czasu) z określoną liczbą. Zasada najmniejszego działania głosi, że PRAWDA działanie trajektorii będzie minimalne. Aby zrozumieć znaczenie tych modnych słów, rozważmy następujący przykład ilustrujący, zaczerpnięty z Feynman Lectures on Physics.

Załóżmy, że chcemy wiedzieć, jaką trajektorią będzie poruszało się ciało umieszczone w polu grawitacyjnym. Dla uproszczenia przyjmiemy, że ruch jest całkowicie opisany przez wysokość x(t), czyli ciało porusza się wzdłuż linii pionowej. Załóżmy, że wiemy tylko o ruchu, w którym ciało zaczyna się w punkcie x 1 na raz t 1 i dochodzi do punktu x 2 na chwilę t 2 , a całkowity czas podróży wynosi T = t 2 − t jeden . Rozważ funkcję L równa różnicy energii kinetycznej W celu i energia potencjalna P: L = W celu − P. Zakładamy, że energia potencjalna zależy tylko od współrzędnej cząstki x(t) i kinetyczny - tylko na jego prędkości ẋ (t). Definiujemy również akcja- funkcjonalność S, równa średniej wartości L przez całą podróż: S = ∫ L(x, ẋ , t) d t.

Oczywiście wartość S będzie w znacznym stopniu zależeć od kształtu trajektorii x(t) - właściwie dlatego nazywamy to funkcjonałem, a nie funkcją. Jeśli ciało unosi się zbyt wysoko (trajektoria 2), średnia energia potencjalna wzrośnie, a jeśli zbyt często się zapętli (trajektoria 3), wzrośnie energia kinetyczna – w końcu założyliśmy, że całkowity czas ruchu jest dokładnie równy T, co oznacza, że ​​organizm musi zwiększyć prędkość, aby mieć czas na pokonanie wszystkich zakrętów. W rzeczywistości funkcjonalność S osiąga minimum na pewnej optymalnej trajektorii, czyli odcinku paraboli przechodzącym przez punkty x 1 i x 2 (trajektoria 1). Szczęśliwym zbiegiem okoliczności ta trajektoria pokrywa się z trajektorią przewidzianą przez drugie prawo Newtona.

Przykłady ścieżek łączących punkty x 1 i x 2. Szary oznacza trajektorię uzyskaną przez zmianę rzeczywistej trajektorii. Kierunek pionowy odpowiada osi x, poziome - osie t

Czy to przypadek? Oczywiście nie przez przypadek. Aby to pokazać, załóżmy, że znamy prawdziwą trajektorię i rozważymy ją wariacje. Odmiana δ x(t) jest takim dodatkiem do trajektorii x(t), która zmienia swój kształt, ale punkty początkowe i końcowe pozostawiają na swoich miejscach (patrz rysunek). Zobaczmy, jaką wartość przybiera akcja na trajektoriach, które różnią się od prawdziwej trajektorii o nieskończenie małą zmianę. Rozszerzenie funkcji L i obliczając całkę przez części, otrzymujemy, że zmiana S proporcjonalna do zmienności δ x:

Tutaj fakt, że zmienność w punktach x 1 i x 2 to zero - to pozwoliło nam odrzucić terminy, które pojawiają się po scałkowaniu przez części. Otrzymane wyrażenie jest bardzo podobne do wzoru na pochodną, ​​zapisanego jako różniczki. Rzeczywiście, wyrażenie δ S/δ x czasami nazywany pochodną wariacyjną. Kontynuując tę ​​analogię dochodzimy do wniosku, że po dodaniu małego dodatku δ x do prawdziwej trajektorii akcja nie powinna się zmieniać, czyli δ S= 0. Ponieważ dodawanie może być praktycznie dowolne (ustaliliśmy tylko jego końce), oznacza to, że całka również znika. Znając więc działanie, można otrzymać równanie różniczkowe opisujące ruch układu, równanie Eulera-Lagrange'a.

Wróćmy do naszego problemu z ciałem poruszającym się w polu grawitacyjnym. Przypomnij sobie, że zdefiniowaliśmy funkcję L jako różnica między energią kinetyczną i potencjalną ciała. Podstawiając to wyrażenie do równania Eulera-Lagrange'a, otrzymujemy drugie prawo Newtona. Rzeczywiście, nasze przypuszczenia dotyczące postaci funkcji L okazał się bardzo udany:

Okazuje się, że za pomocą akcji można zapisać równania ruchu w bardzo krótkiej formie, jakby „upakowanie” wszystkich cech układu wewnątrz funkcji L. To samo w sobie jest wystarczająco interesujące. Jednak akcja nie jest tylko abstrakcją matematyczną, ma głęboki sens fizyczny. Ogólnie rzecz biorąc, współczesny fizyk teoretyczny najpierw spisuje działanie, a dopiero potem wyprowadza równania ruchu i bada je. W wielu przypadkach działanie dla systemu można skonstruować, przyjmując tylko najprostsze założenia dotyczące jego właściwości. Zobaczmy, jak można to zrobić na kilku przykładach.

Wolna cząstka relatywistyczna

Kiedy Einstein budował specjalną teorię względności (STR), postulował kilka prostych stwierdzeń na temat właściwości naszej czasoprzestrzeni. Po pierwsze, jest jednorodna i izotropowa, to znaczy nie zmienia się przy skończonych przemieszczeniach i obrotach. Innymi słowy, bez względu na to, gdzie jesteś – na Ziemi, na Jowiszu czy w galaktyce Małego Obłoku Magellana – we wszystkich tych punktach prawa fizyki działają w ten sam sposób. Ponadto nie zauważysz żadnej różnicy, jeśli poruszasz się po jednolitej linii prostej - jest to zasada względności Einsteina. Po drugie, żadne ciało nie może przekroczyć prędkości światła. Prowadzi to do tego, że zwykłe zasady przeliczania prędkości i czasu podczas przełączania między różnymi systemami odniesienia – transformacje Galileusza – należy zastąpić bardziej poprawnymi transformacjami Lorentza. W efekcie wielkością prawdziwie relatywistyczną, taką samą we wszystkich układach odniesienia, staje się nie odległość, ale interwał – właściwy czas cząstki. Interwał s 1 − s 2 pomiędzy dwoma podanymi punktami można znaleźć za pomocą następującego wzoru, gdzie c- prędkość światła:

Jak widzieliśmy w poprzedniej części, wystarczy nam zapisać działanie cząstki swobodnej, aby znaleźć jej równanie ruchu. Rozsądnie jest przyjąć, że działanie jest niezmiennikiem relatywistycznym, to znaczy wygląda tak samo w różnych układach odniesienia, ponieważ prawa fizyczne w nich są takie same. Dodatkowo chcielibyśmy, aby akcja została napisana jak najprościej (złożone wyrażenia zostawimy na później). Najprostszym niezmiennikiem relatywistycznym, który można powiązać z cząstką punktową, jest długość jej linii świata. Wybierając ten niezmiennik jako akcję (aby wymiar wyrażenia był poprawny mnożymy go przez współczynnik − mc) i zmieniając go, otrzymujemy następujące równanie:

Mówiąc najprościej, przyspieszenie 4 swobodnej cząstki relatywistycznej musi być równe zeru. 4-przyspieszenie, podobnie jak 4-prędkość, jest uogólnieniem pojęć przyspieszenia i prędkości do czterowymiarowej czasoprzestrzeni. W rezultacie wolna cząstka może poruszać się tylko po danej linii prostej ze stałą prędkością 4 . W granicy małych prędkości zmiana przedziału praktycznie pokrywa się ze zmianą czasu, a zatem otrzymane przez nas równanie przechodzi do drugiego prawa Newtona, omówionego powyżej: m= 0. Z drugiej strony warunek zerowego 4-przyspieszenia jest również spełniony dla cząstki swobodnej w ogólnej teorii względności, tylko w niej czasoprzestrzeń już zaczyna się zakrzywiać i cząstka niekoniecznie będzie poruszać się po linii prostej nawet przy braku sił zewnętrznych.

Pole elektromagnetyczne

Jak wiecie, pole elektromagnetyczne przejawia się w interakcji z naładowanymi ciałami. Zazwyczaj to oddziaływanie jest opisane za pomocą wektorów natężenia pola elektrycznego i magnetycznego, które są powiązane układem czterech równań Maxwella. Praktycznie symetryczna postać równań Maxwella sugeruje, że pola te nie są niezależnymi bytami - to, co wydaje nam się, że pole elektryczne w jednym układzie odniesienia może zamienić się w pole magnetyczne, jeśli przejdziemy do innego układu.

Rzeczywiście, rozważmy przewód, wzdłuż którego elektrony biegną z tą samą i stałą prędkością. W układzie odniesienia związanym z elektronami istnieje tylko stałe pole elektryczne, które można znaleźć za pomocą prawa Coulomba. Jednak w pierwotnym układzie odniesienia ruch elektronów wytwarza stały prąd elektryczny, który z kolei indukuje stałe pole magnetyczne (prawo Biota-Savarta). Jednocześnie, zgodnie z zasadą względności, w wybranych przez nas układach odniesienia prawa fizyki muszą się pokrywać. Oznacza to, że zarówno pola elektryczne, jak i magnetyczne są częścią jednego, bardziej ogólnego bytu.

Tensory

Zanim przejdziemy do kowariantnego sformułowania elektrodynamiki, warto powiedzieć kilka słów o matematyce szczególnej i ogólnej teorii względności. Najważniejszą rolę w tych teoriach odgrywa pojęcie tensora (a szczerze mówiąc, także w innych współczesnych teoriach). Z grubsza rzecz biorąc, tensor rzędowy ( n, m) można traktować jako ( n+m)-wymiarowa macierz, której składowe zależą od współrzędnych i czasu. Oprócz tego tensor musi się zmieniać w pewien sprytny sposób podczas przechodzenia z jednego układu odniesienia do drugiego lub gdy zmienia się siatka współrzędnych. Jak dokładnie, określa liczbę indeksów kontrawariantnych i kowariantnych ( n oraz m odpowiednio). Jednocześnie sam tensor jako byt fizyczny nie zmienia się pod wpływem takich przekształceń, podobnie jak wektor 4-, który jest szczególnym przypadkiem tensora rzędu 1, nie zmienia się pod nimi.

Składowe tensorowe są ponumerowane za pomocą indeksów. Dla wygody rozróżnia się indeksy górne i dolne, aby natychmiast zobaczyć, jak tensor przekształca się podczas zmiany współrzędnych lub systemów odniesienia. Na przykład składnik tensorowy T ranga (3, 0) zapisywana jest jako Tαβγ i tensor U ranga (2, 1) - as Uαβγ . Zgodnie z ustaloną tradycją, składowe czterowymiarowych tensorów są ponumerowane literami greckimi, a trójwymiarowe - po łacinie. Jednak niektórzy fizycy wolą robić coś przeciwnego (na przykład Landau).

Ponadto, dla zwięzłości, Einstein zasugerował, aby nie pisać znaku sumy „Σ” podczas składania wyrażeń tensorowych. Splot jest sumą tensora nad dwoma danymi indeksami, z których jeden musi być „górny” (kontrawariant), a drugi „dolny” (kowariantny). Na przykład, aby obliczyć ślad macierzy - tensor rang (1, 1) - należy go zwinąć na dwa dostępne wskaźniki: Tr[ A μ ν ] = Σ A μ μ = Aμ μ . Możesz podnosić i obniżać indeksy za pomocą tensora metrycznego: T αβ γ = T αβμ g μγ .

Wreszcie wygodnie jest wprowadzić absolutnie antysymetryczny pseudotensor ε μνρσ - tensor, który zmienia znak dla dowolnej permutacji indeksów (np. ε μνρσ = −ε νμρσ) i którego składowa ε 1234 = +1. Jest również nazywany tensorem Levi-Civita. Przy obrotach układu współrzędnych ε μνρσ zachowuje się jak normalny tensor, ale przy inwersjach (zmiana jak x → −x) jest konwertowany w inny sposób.

Rzeczywiście, wektory pola elektrycznego i magnetycznego są połączone w strukturę, która jest niezmienna w transformacjach Lorentza - to znaczy nie zmienia się podczas przechodzenia między różnymi (inercyjnymi) układami odniesienia. Jest to tak zwany tensor pola elektromagnetycznego Fμν . Najlepiej zapisać to w postaci poniższej macierzy:

Tutaj składowe pola elektrycznego są oznaczone literą mi, a składowe pola magnetycznego - literami H. Łatwo zauważyć, że tensor pola elektromagnetycznego jest antysymetryczny, to znaczy jego składowe po przeciwnych stronach przekątnej są równe w wartościach bezwzględnych i mają przeciwne znaki. Chcąc otrzymać równania Maxwella „z pierwszych zasad”, musimy zapisać działanie elektrodynamiki. Aby to zrobić, musimy skonstruować najprostszą kombinację skalarną obiektów tensorowych, jaką mamy, w jakiś sposób powiązaną z właściwościami pola lub czasoprzestrzeni.

Jeśli się nad tym zastanowić, nie mamy wielkiego wyboru – tylko tensor pola może pełnić rolę „cegiełek” Fμν , tensor metryczny gμν i absolutnie antysymetryczny tensor ε μνρσ . Spośród nich można zebrać tylko dwie kombinacje skalarne, a jedna z nich jest pochodną całkowitą, to znaczy można ją zignorować przy wyprowadzaniu równań Eulera-Lagrange'a - po scałkowaniu ta część po prostu zmieni się na zero. Wybierając pozostałą kombinację jako akcję i zmieniając ją, otrzymujemy parę równań Maxwella - połowę układu (pierwszy wiersz). Wydawałoby się, że przeoczyliśmy dwa równania. Jednak tak naprawdę nie musimy wypisywać akcji, aby wyprowadzić pozostałe równania - wynikają one bezpośrednio z antysymetrii tensora Fμν (druga linia):

Po raz kolejny uzyskaliśmy poprawne równania ruchu, wybierając jako działanie najprostszą możliwą kombinację. To prawda, ponieważ nie wzięliśmy pod uwagę istnienia ładunków w naszej przestrzeni, otrzymaliśmy równania dla pola swobodnego, czyli dla fali elektromagnetycznej. Dodając zarzuty do teorii, należy również wziąć pod uwagę ich wpływ. Odbywa się to poprzez włączenie 4-prądowego wektora w działaniu.

powaga

Prawdziwym triumfem zasady najmniejszego działania w swoim czasie była konstrukcja ogólnej teorii względności (GR). Dzięki niemu najpierw wyprowadzono prawa ruchu, których naukowcy nie mogli uzyskać, analizując dane eksperymentalne. Albo mogli, ale nie zrobili. Zamiast tego Einstein (i Hilbert, jeśli wolisz) wyprowadzili równania w kategoriach metryk opartych na założeniach dotyczących właściwości czasoprzestrzeni. Od tego momentu fizyka teoretyczna zaczęła „wyprzedzić” eksperymentalną.

W GR metryka przestaje być stała (jak w SRT) i zaczyna zależeć od gęstości umieszczonej w niej energii. Zaznaczam, że słuszniej jest mówić o energii, a nie o masie, chociaż te dwie wielkości są powiązane relacją mi = mc 2 we własnym układzie odniesienia. Przypomnę, że metryka wyznacza zasady, według których obliczana jest odległość między dwoma punktami (ściśle mówiąc, nieskończenie zbliżonymi punktami). Ważne jest, aby metryka nie zależała od wyboru układu współrzędnych. Na przykład płaską przestrzeń trójwymiarową można opisać za pomocą kartezjańskiego lub sferycznego układu współrzędnych, ale w obu przypadkach metryka przestrzeni będzie taka sama.

Aby zapisać działanie grawitacji, musimy z metryki zbudować jakiś niezmiennik, który nie zmieni się, gdy zmieni się siatka współrzędnych. Najprostszym takim niezmiennikiem jest wyznacznik metryki. Jeśli jednak tylko go włączymy, nie dostaniemy mechanizm różnicowy równanie, ponieważ to wyrażenie nie zawiera pochodnych metryki. A jeśli równanie nie jest różniczkowe, nie może opisywać sytuacji, w których metryka zmienia się w czasie. Dlatego musimy dodać do akcji najprostszy niezmiennik, który zawiera pochodne gμν . Takim niezmiennikiem jest tzw. skalar Ricciego R, który otrzymujemy przez splot tensora Riemanna Rμνρσ , który opisuje krzywiznę czasoprzestrzeni:

Robert Couse-Baker/flickr.com

Teoria wszystkiego

Wreszcie pora porozmawiać o „teorii wszystkiego”. Tak nazywa się kilka teorii, które próbują połączyć ogólną teorię względności i model standardowy - dwie główne znane obecnie teorie fizyczne. Naukowcy podejmują takie próby nie tylko ze względów estetycznych (im mniej teorii potrzebnych do zrozumienia świata, tym lepiej), ale także z bardziej przekonujących powodów.

Zarówno GR, jak i Model Standardowy mają granice zastosowania, po których przestają działać. Na przykład ogólna teoria względności przewiduje istnienie osobliwości – punktów, w których gęstość energii, a tym samym krzywizna czasoprzestrzeni, dąży do nieskończoności. Nieskończoności same w sobie są nieprzyjemne - oprócz tego problemu Model Standardowy stwierdza, że ​​energii nie można zlokalizować w punkcie, musi ona być rozłożona na pewną, choć niewielką objętość. Dlatego w pobliżu osobliwości efekty zarówno GR, jak i Modelu Standardowego powinny być duże. Jednocześnie ogólna teoria względności nie została jeszcze skwantowana, a Model Standardowy jest zbudowany na założeniu płaskiej czasoprzestrzeni. Jeśli chcemy zrozumieć, co dzieje się wokół osobliwości, musimy opracować teorię obejmującą obie te teorie.

Mając na uwadze sukces zasady najmniejszego efektu w przeszłości, naukowcy opierają na niej wszelkie próby budowania nowej teorii. Pamiętasz, że budując akcję dla różnych teorii rozważaliśmy tylko najprostsze kombinacje? Wtedy nasze działania zostały ukoronowane sukcesem, ale to wcale nie znaczy, że najprostsze działanie jest najbardziej poprawne. Ogólnie rzecz biorąc, natura nie musi dostosowywać swoich praw, aby ułatwić nam życie.

Dlatego rozsądne jest uwzględnienie w działaniu następujących, bardziej złożonych, niezmiennych wielkości i zobaczenie, do czego to prowadzi. Pod pewnymi względami przypomina to kolejne przybliżanie funkcji przez wielomiany o coraz wyższych stopniach. Jedynym problemem jest to, że wszystkie takie poprawki wchodzą w grę z pewnymi nieznanymi współczynnikami, których nie można obliczyć teoretycznie. Ponadto, ponieważ Model Standardowy i ogólna teoria względności nadal dobrze działają, współczynniki te muszą być bardzo małe - stąd trudne do ustalenia na podstawie eksperymentu. Liczne artykuły donoszące o „ograniczeniach nowej fizyki” dotyczą właśnie wyznaczania współczynników wyższych rzędów teorii. Do tej pory udało im się znaleźć tylko górne granice.

Ponadto istnieją podejścia, które wprowadzają nowe, nietrywialne koncepcje. Na przykład teoria strun sugeruje, że właściwości naszego świata można opisać za pomocą drgań nie punktowych, ale rozciągniętych obiektów - strun. Niestety nie znaleziono jeszcze eksperymentalnego potwierdzenia teorii strun. Na przykład przewidziała pewne wzbudzenia przy akceleratorach, ale one nigdy się nie pojawiły.

Ogólnie rzecz biorąc, nie wydaje się, aby naukowcy zbliżyli się do odkrycia „teorii wszystkiego”. Prawdopodobnie teoretycy nadal muszą wymyślić coś zasadniczo nowego. Jednak nie ma wątpliwości, że pierwszą rzeczą, jaką robią, jest napisanie działania dla nowej teorii.

***

Jeśli wszystkie te argumenty wydawały ci się skomplikowane i przewinąłeś artykuł bez czytania, oto krótkie podsumowanie faktów, które zostały w nim omówione. Po pierwsze, wszystkie współczesne teorie fizyczne w taki czy inny sposób opierają się na pojęciu: działania- wielkość, która opisuje, jak bardzo system „lubi” tę lub inną trajektorię ruchu. Po drugie, równania ruchu układu można uzyskać, szukając trajektorii, po której przebiega akcja najmniej oznaczający. Po trzecie, działanie można skonstruować, wykorzystując tylko kilka elementarnych założeń dotyczących właściwości systemu. Na przykład o tym, że prawa fizyki są takie same w układach odniesienia poruszających się z różnymi prędkościami. Po czwarte, niektórych kandydatów na „teorię wszystkiego” uzyskuje się przez proste dodanie do działania Modelu Standardowego i GR warunków, które naruszają niektóre założenia tych teorii. Na przykład niezmienność Lorentza. Jeśli po przeczytaniu artykułu pamiętasz powyższe stwierdzenia, to dobrze. A jeśli również rozumiesz, skąd się biorą – po prostu cudownie.

Dmitrij Trunin