Fizyka kwantowa. Czy kiedykolwiek będziemy mieli „teorię wszystkiego”? Fizyka kwantowa teoria wszystkiego

W tekście przedstawiono nowe wyniki z zakresu neuronauki oraz rozwiązania wielu nierozwiązanych problemów fizyki. Nie zajmuje się zagadnieniami metafizyki i opiera się na danych weryfikowalnych naukowo, ale porusza tematy filozoficzne związane z życiem, śmiercią i pochodzeniem wszechświata.
Biorąc pod uwagę warstwy i bogactwo informacji, zrozumienie może wymagać kilkukrotnego przeczytania, pomimo naszych największych wysiłków na rzecz uproszczenia złożonych koncepcji naukowych.



Rozdział 1
Bóg jest w neuronach







Ludzki mózg to sieć złożona z około stu miliardów neuronów. Różne doznania tworzą połączenia neuronowe, które odtwarzają różne emocje. W zależności od pobudzenia neuronów niektóre połączenia stają się mocniejsze i skuteczniejsze, a inne słabną. Nazywa się to neuroplastyczność.

Ci, którzy uczą się muzyki, tworzą silniejsze połączenia neuronowe między dwiema półkulami mózgu, aby rozwijać kreatywność muzyczną. Dzięki szkoleniom możesz rozwinąć niemal każdy talent i umiejętność.

Rudiger Hamm uważał się za ucznia beznadziejnego i nie radził sobie nawet z elementarną 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 działał lepiej. Ponieważ jest to główny i podstawowy mechanizm mózgu, samoświadomość może znacznie wzbogacić nasze doświadczenie życiowe.



Neuronauka społeczna



Specjalne neurony i neuroprzekaźniki, takie jak noradrenalina, uruchamiają mechanizm obronny, gdy czujemy, że nasze myśli wymagają ochrony przed wpływami zewnętrznymi. Jeśli czyjeś zdanie różni się od naszego, do mózgu uwalniane są te same substancje chemiczne, które zapewniają nam przetrwanie w niebezpiecznych sytuacjach.








W tym stanie ochronnym, więcej prymitywna część mózgu zakłóca racjonalne myślenie i układ limbiczny może blokować naszą pamięć roboczą, fizycznie powodując „zamknięcie myślenia”.

Można to zaobserwować podczas zastraszania, gry w pokera lub gdy ktoś jest uparty w kłótni.

Bez względu na to, jak cenny jest pomysł, w tym stanie mózg nie jest w stanie go przetworzyć. Na poziomie neuronalnym postrzega to jako zagrożenie, nawet jeśli są to nieszkodliwe opinie lub fakty, z którymi w przeciwnym razie moglibyśmy się zgodzić.

Ale kiedy wyrażamy siebie i nasze poglądy są cenione, 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 serotoniną.

Jej poważny brak często prowadzi do depresji, zachowań autodestrukcyjnych, a nawet samobójstwa. Kiedy jesteśmy doceniani przez społeczeństwo, zwiększa to poziom dopaminy i serotoniny w mózgu i pozwala nam uwolnić się od emocjonalnej fiksacji i zwiększyć poziom samoświadomości.



Neurony lustrzane i świadomość



Psychologia społeczna często odwołuje się do podstawowej ludzkiej potrzeby „znalezienia swojego miejsca” i nazywa to „normatywnym wpływem społecznym”. W miarę dorastania nasz kompas moralny i etyczny jest kształtowany niemal wyłącznie przez środowisko zewnętrzne. Dlatego nasze działania często opierają się na tym, jak ocenia nas społeczeństwo.








Jednak nowe odkrycia neuronauki pozwalają nam lepiej zrozumieć kulturę i osobowość. Nowe badania neurologiczne potwierdziły istnienie empatycznych neuronów lustrzanych.

Kiedy doświadczamy emocji lub wykonujemy czynności, niektóre neurony uruchamiają się. Ale kiedy widzimy, jak ktoś inny to robi lub wyobrażamy sobie to, wiele z tych samych neuronów uruchamia się, jakbyśmy robili to sami. Te neurony empatii łączą nas z innymi ludźmi i pozwalają nam czuć to, co czują inni.

Ponieważ te same neurony reagują na naszą wyobraźnię, otrzymujemy od nich emocjonalne informacje zwrotne w taki sam sposób, jak od innej osoby. System ten daje nam możliwość samoanalizy.

Neurony lustrzane nie rozróżniają siebie i innych. Dlatego tak bardzo jesteśmy zależni od oceny innych i chęci dostosowania się.

Stale podlegamy dwoistości pomiędzy tym, jak siebie postrzegamy, a tym, jak postrzegają nas inni. Może to zakłócać naszą indywidualność i poczucie własnej wartości.






Obrazowanie mózgu pokazuje, że doświadczamy tych negatywnych emocji, zanim w ogóle zdamy sobie z nich sprawę. Ale kiedy jesteśmy samoświadomi, możemy zmienić niewłaściwe emocje, ponieważ możemy kontrolować myśli, które je powodują.

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

Samoświadomość ma ogromny wpływ na działanie mózgu. Aktywuje obszary kory nowej samoregulacji, które pozwalają nam wyraźnie kontrolować własne uczucia. Za każdym razem, gdy to robimy, wzmacnia się nasza racjonalność i stabilność emocjonalna. Bez samokontroli większość naszych myśli i działań ma charakter impulsywny, a fakt, że reagujemy losowo i nie dokonujemy świadomych wyborów

instynktownie nas irytuje.






Aby to wyeliminować, mózg stara się usprawiedliwić nasze zachowanie i fizycznie przepisuje wspomnienia poprzez ich ponowną konsolidację, sprawiając, że wierzymy, że mamy kontrolę nad naszymi działaniami. Nazywa się to racjonalizacją retrospektywną, która pozostawia większość naszych negatywnych emocji nierozwiązanych i mogą one wybuchnąć w dowolnym momencie. Podsycają wewnętrzny dyskomfort, podczas gdy mózg nadal usprawiedliwia nasze irracjonalne zachowanie. Całe to złożone i niemal schizofreniczne zachowanie podświadomości jest dziełem rozległych, równoległych, rozproszonych systemów w naszym mózgu.



Świadomość nie ma określonego centrum. Pozorna jedność wynika z faktu, że każdy indywidualny obwód jest aktywowany i objawia się w określonym momencie. Nasze doświadczenia nieustannie zmieniają nasze połączenia neuronowe, fizycznie zmieniając równoległy system naszej świadomości. Bezpośrednia interwencja w tę kwestię może mieć surrealistyczne skutki, podnosząc pytanie, czym jest świadomość i gdzie się ona znajduje.



Jeśli lewa półkula mózgu zostanie oddzielona od prawej, jak ma to miejsce w przypadku pacjentów z rozszczepionym mózgiem, zachowasz zdolność mówienia i myślenia za pomocą lewej półkuli, podczas gdy zdolności poznawcze prawej półkuli będą poważnie ograniczone. Lewa półkula nie ucierpi z powodu braku prawej, chociaż poważnie zmieni to twoje postrzeganie.

Na przykład możesz nie być w stanie opisać prawej strony czyjejś twarzy, ale zauważysz to i nie uznasz tego za problem lub nawet nie zdasz sobie sprawy, że coś się zmieniło. Ponieważ wpływa to nie tylko na twoje postrzeganie prawdziwego świata, ale także na twoje obrazy mentalne, nie jest to tylko problem percepcji, ale fundamentalna zmiana w świadomości.



Bóg jest w neuronach



Każdy neuron ma napięcie elektryczne, które zmienia się pod wpływem jonów

wejść lub wyjść z celi. Kiedy 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 w postaci fali.

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 dzieli się na fale alfa, beta i gamma. Każdy rodzaj fali wiąże się z różnymi zadaniami. Fale pozwalają komórkom mózgowym dostroić się do częstotliwości odpowiedniej do zadania, ignorując sygnały zewnętrzne.

Podobnie jak odbiornik radiowy dostraja się do stacji radiowej. Transfer informacji pomiędzy neuronami staje się optymalny, gdy ich aktywność jest zsynchronizowana.

Dlatego doświadczamy dysonansu poznawczego – irytacji spowodowanej dwoma niezgodnymi ze sobą ideami. Wola to chęć zmniejszenia dysonansu pomiędzy każdym z aktywnych obwodów neuronowych.



Ewolucję można postrzegać jako ten sam proces, podczas którego natura próbuje się przystosować, to znaczy „rezonować” ze środowiskiem. Tak więc rozwinęła się do tego stopnia, że ​​stała się świadoma siebie i zaczęła myśleć o własnym istnieniu.

Kiedy człowiek staje przed paradoksem dążenia do celu i myślą, 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 egzystencjalne pytania: kim jestem? i dlaczego tu jestem?



I...



„Neurony lustrzane nie odróżniają siebie od innych. „

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

Nowe doświadczenie porównuje się z istniejącym systemem wierzeń i jeśli do niego nie pasuje, zostaje po prostu odrzucone. Równowagą jest prawa półkula mózgu, która pełni odwrotną rolę.



Podczas gdy lewa półkula stara się utrzymać model, prawa półkula w sposób ciągły

kwestionuje status quo. Jeśli rozbieżności są zbyt duże, prawa półkula zmusza nas do ponownego rozważenia naszego światopoglądu. Ale jeśli nasze przekonania są zbyt mocne, prawa półkula może nie przezwyciężyć naszej odmowy. Może to powodować duże trudności w odpieraniu innych.

Kiedy ścieżki neuronowe definiujące nasze przekonania nie są rozwinięte ani aktywne, nasza świadomość, czyli jedność wszystkich aktywnych obwodów, wypełniona jest aktywnością neuronów lustrzanych, tak jak wtedy, gdy jesteśmy głodni, nasza świadomość jest wypełniona procesami neuronowymi związanymi z odżywianiem.



Nie jest to wynikiem centralnego, samodzielnego wydawania poleceń różnym obszarom mózgu.

Wszystkie części mózgu mogą być aktywne lub nieaktywne i komunikować się bez centralnego rdzenia. Tak jak piksele na ekranie mogą ułożyć się w rozpoznawalny obraz, tak grupa interakcji neuronowych może wyrazić się jako świadomość.

W każdej chwili prezentujemy inny obraz. Kiedy odbijamy się na innych, kiedy jesteśmy głodni, kiedy oglądamy ten film. W każdej sekundzie stajemy się inną osobą, przechodząc przez różne stany.

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

Kiedy jednak zrobimy to z naukowym zrozumieniem, zobaczymy coś zupełnie innego.






Interakcje neuronowe tworzące naszą świadomość wykraczają daleko poza nasze neurony. Jesteśmy wynikiem interakcji elektrochemicznych pomiędzy półkulami mózgu i naszymi zmysłami, łączącymi 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 poprzez innych.



Uznawanie tej aktywności neuronowej za swoją własną, z wyłączeniem środowiska, byłoby błędne. Ewolucja odzwierciedla także naszą stronę superorganizmu, w której nasze przetrwanie jako naczelnych zależało od zbiorowych zdolności.

Z biegiem czasu obszary kory nowej ewoluowały, aby zmieniać instynkty i tłumić impulsy hedoniczne na korzyść grupy. Nasze geny zaczęły rozwijać wzajemne zachowania społeczne w strukturach superorganizmu, porzucając w ten sposób ideę „przetrwania najsilniejszego”.



Mózg działa najskuteczniej, gdy nie ma dysonansu między zaawansowanymi obszarami mózgu a starszymi, bardziej prymitywnymi obszarami. To, co nazywamy „skłonnościami samolubnymi”, jest jedynie ograniczoną interpretacją egoistycznego zachowania, gdy cechy danej osoby są postrzegane poprzez błędny paradygmat indywidualności…

... zamiast naukowego spojrzenia na to, kim jesteśmy - natychmiastowy, ciągle zmieniający się obraz

pojedynczą całość bez środka.



Psychologiczną konsekwencją tego systemu przekonań jest samoświadomość bez przywiązania do wyimaginowanego „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 nam historia, chronologiczny pogląd na nasze życie.

Jednak nasze współczesne rozumienie empatycznej i społecznej natury mózgu pokazuje, że czysto naukowy pogląd, bez odniesienia do indywidualności i „historii”, zapewnia znacznie dokładniejszy, konstruktywny i etyczny system pojęć niż nasze fragmentaryczne wartości.



Ma to sens, ponieważ nasza nawykowa tendencja do definiowania siebie jako wyimaginowanej, indywidualnej stałej popycha mózg w kierunku zaburzeń poznawczych, takich jak obsesyjne stereotypy i potrzeba ustalania oczekiwań.






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

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



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

akceptowanie innych i akceptowanie racjonalnie dających się wykazać systemów przekonań bez dysonansu poznawczego.

Stymulowanie tej aktywności neuronowej i interakcji uwalnia nas od potrzeby rozpraszania uwagi i rozrywki oraz tworzy cykle konstruktywnych zachowań w naszym otoczeniu. Socjolodzy odkryli, że takie rzeczy jak palenie i objadanie się, emocje i idee rozprzestrzeniają się w społeczeństwie w taki sam sposób, w jaki przesyłane są sygnały elektryczne z neuronów, gdy ich aktywność jest zsynchronizowana.






Jesteśmy globalną siecią reakcji neurochemicznych. Samonapędzający się cykl oceny i uznania, wspierany codziennymi decyzjami, jest reakcją łańcuchową, która ostatecznie determinuje naszą zbiorową zdolność do przezwyciężania dostrzeganych różnic i patrzenia na życie w jego uniwersalnej strukturze.

Rozdział 2
Uniwersalna konstrukcja



Podczas badań Chirena przedstawiłem uproszczony, ale kompleksowy przegląd jego bieżących odkryć.

Jest to jedna z interpretacji dzieła zjednoczenia fizyka kwantowa i teoria względności.

Temat jest złożony i może być trudny do zrozumienia. Zawiera także pewne implikacje filozoficzne, które zostaną poruszone w epilogu.



W ciągu ostatniego stulecia dokonano wielu niesamowitych postępów, które doprowadziły do ​​zmian w naukowym sposobie rozumienia świata. Teoria względności Einsteina pokazał, że czas i przestrzeń tworzą jedną tkaninę. A Nielsa Bohra odkrył podstawowe składniki materii dzięki fizyce kwantowej, która istnieje jedynie jako „abstrakcyjny opis fizyczny”.








Potem Louis de Broglie odkryli, że cała materia, nie tylko fotony i elektrony, ma właściwości kwantowe dualizm cząstkowo-falowy . Doprowadziło to 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 można ich przetestować i mogą utrudniać postęp naukowy.



Prawa szczególnej i ogólnej teorii względności Einsteina mają zastosowanie do nowoczesnych technologii, takich jak satelity GPS, gdzie dokładność obliczeń może odbiegać o ponad 10 km dziennie, jeśli nie zostaną uwzględnione konsekwencje takie jak dylatacja czasu. Oznacza to, że w przypadku zegara poruszającego się czas płynie wolniej niż w przypadku zegara stacjonarnego.








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

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

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

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 formuły matematyczne są abstrakcyjne, a wnioski z nich często nieintuicyjne.



Kwant to minimalna jednostka dowolnej jednostki fizycznej uczestniczącej w interakcji. Cząstki elementarne - główne składniki wszechświata. Są to cząstki, z których zbudowane są wszystkie inne cząstki. W fizyce klasycznej zawsze możemy podzielić obiekt na mniejsze części, ale w fizyce kwantowej jest to niemożliwe.

Dlatego świat kwantowy reprezentuje wiele unikalnych zjawisk, których nie da się wytłumaczyć klasycznymi prawami. Na przykład, splątanie kwantowe, efekt fotoelektryczny , rozpraszanie Comptona i wiele innych.








Świat kwantowy ma wiele niezwykłych interpretacji. Do najpowszechniej akceptowanych należą interpretacja kopenhaska i interpretacja wielu światów. Obecnie alternatywne interpretacje, takie jak „holograficzny wszechświat”, nabierają tempa.



Równania de Broglie'a



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: Dlaczego we wszechświecie jest więcej obserwowalnej materii niż antymaterii? Jaka jest natura osi czasu? Jakie jest pochodzenie masy?

Do najważniejszych wskazówek dotyczących tych problemów należą równania de Broglie’a, za które otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Wzór ten pokazuje, że cała materia ma dualizm korpuskularno-falowy, to znaczy w niektórych przypadkach zachowuje się jak fala, a w 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 sama nasza świadomość składa się z cząstek kwantowych, jest przedmiotem licznych teorii mistycznych.



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

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

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

Wzór pokazuje, że życie i śmierć są abstrakcyjnymi agregatami „C”.

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

Wzrosty częstotliwości spowodowane prędkością korelują z innymi i prowadzą do takich zjawisk, jak dylatacja czasu.

Dzieje się tak dlatego, że postrzeganie czasu nie zmienia się w stosunku do układu odniesienia, w którym 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 pomiędzy cząstkami. Proces ten jest sztucznie symulowany w akceleratorach cząstek.

W tym samym czasie co materia powstaje antymateria. Zatem brak antymaterii we wszechświecie nadal pozostaje jednym z największych nierozwiązanych problemów fizyki.

Wychwytując antycząstki w polach elektromagnetycznych, możemy badać ich właściwości. Stany kwantowe cząstek i antycząstek są wzajemnie wymienne, jeśli zastosujemy do nich operatory koniugacji ładunku ©, parzystości (P) i odwrócenia czasu (T).

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

Niedawno Fermilab odkrył, że kwanty takie jak mezony przemieszczają się z materii do antymaterii i z powrotem z prędkością trzech bilionów razy na sekundę.

Rozpatrując wszechświat w kwantowym układzie odniesienia „C”, należy wziąć pod uwagę wszystkie wyniki eksperymentów mające zastosowanie do kwantów. Włącznie z tym, jak materia i antymateria powstają w akceleratorach cząstek oraz jak mezony zmieniają się z jednego stanu w drugi.



W przypadku „C” ma to poważne konsekwencje. Z kwantowego punktu widzenia każdy moment „C” ma również anty-C. Wyjaśnia to brak symetrii, czyli antymaterii we wszechświecie, a także wiąże się z arbitralnym wyborem emitera i absorbera w teorii absorpcji Wheelera-Feynmana.

Czas niezakłócony T w zasadzie nieoznaczoności to czas lub cykl niezbędny do istnienia kwantów.

Podobnie jak w przypadku mezonów, granicą naszego osobistego postrzegania czasu, czyli zakresu chwili obecnej, jest przejście „C” do „anty-C”. Ten moment samounicestwienia i jego interpretacja „S” jest ujęta w abstrakcyjną oś czasu.



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

Ponieważ jednak to nie wystarczy do wyjaśnienia sił podstawowych, konieczne jest zastosowanie różnych modeli. Obejmuje to model standardowy, który pośredniczy między dynamiką znanych cząstek subatomowych poprzez nośniki siły a ogólną teorią względności, która opisuje zjawiska makroskopowe, takie jak orbity planet, które poruszają się po elipsie w przestrzeni i spirali w czasoprzestrzeni. Jednak model Einsteina nie ma zastosowania na poziomie kwantowym, a model standardowy potrzebuje dodatkowych nośników siły, aby wyjaśnić pochodzenie masy. Połączenie dwóch modeli czyli Teoria wszystkiego

jest przedmiotem wielu, dotychczas nieudanych, badań.



Teoria wszystkiego



Mechanika kwantowa to opisy czysto matematyczne, których praktyczne implikacje są często sprzeczne z intuicją. W podobny sposób można opisać klasyczne pojęcia, takie jak długość, czas, masa i energia.

Bazując na równaniach de Broglie’a, możemy zastąpić te pojęcia wektorami abstrakcyjnymi. To probabilistyczne podejście do podstawowych istniejących pojęć w fizyce pozwala nam połączyć mechanikę kwantową z teorią względności Einsteina.



Równania de Broglie'a pokazują, że wszystkie układy odniesienia są kwantowe, łącznie z całą materią i energią. Akceleratory cząstek wykazały, że materia i antymateria zawsze powstają jednocześnie.

Paradoks wyłaniania się rzeczywistości z abstrakcyjnych, wzajemnie unicestwiających się elementów można wyjaśnić wykorzystując kwanty jako układ odniesienia.

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

Kiedy system „rośnie” lub „zmniejsza się”, czasoprzestrzeń również. W mechanice kwantowej opisuje się to matematycznie jako amplitudę prawdopodobieństwa funkcji falowej, a w teorii Einsteina jako dylatację czasu i skrócenie długości.

W przypadku kwantowego układu odniesienia masę i energię można zdefiniować jedynie jako abstrakcyjne prawdopodobieństwa lub, mówiąc ściślej i tworząc podstawę matematyczną, jako wektory, które istnieją tylko wtedy, gdy przyjmiemy oś czasu. Można je zdefiniować jako interferencję lub rezonans z układem odniesienia, który definiuje minimalną jednostkę lub stałą czasoprzestrzenną „c”, równoważną stałej Plancka w mechanice kwantowej.

Eksperymenty pokazują, że konwersja materii w energię przez antymaterię wytwarza promienie gamma o przeciwnym pędzie. To, co wydaje się być transformacją, to relacja pomiędzy przeciwstawnymi wektorami, interpretowana jako odległość i czas, materia i antymateria, masa i energia lub interferencja i rezonans w abstrakcyjnej osi czasu „C”.

Suma przeciwnych wektorów jest zawsze równa zero. To jest powód symetrii lub praw zachowania w fizyce lub tego, dlaczego przy prędkości „c” czas i przestrzeń wynoszą zero z powodu skrócenia długości i dylatacji czasu. Następstwem tego jest zasada nieoznaczoności Heisenberga, która stwierdza, że ​​niektórych par właściwości fizycznych, takich jak położenie i pęd, nie można poznać jednocześnie z dużą precyzją.



W pewnym sensie pojedyncza cząstka jest swoim własnym polem. To nie wyjaśnia naszego poczucia ciągłości, gdzie „C” unicestwia się w swoim własnym niezbędnym zakresie. Ale kiedy te wektory są wykładniczo wzmacniane lub przyspieszane względem osi czasu i w jej obrębie, podstawowe algorytmy matematyczne opisujące siły podstawowe mogą dać początek ciągłej rzeczywistości

z abstrakcyjnych komponentów.

Dlatego równania ruchu harmonicznego znajdują zastosowanie 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 pomiędzy grawitacją a przyspieszeniem.

Ponieważ grawitacja jest siłą tylko wtedy, gdy patrzy się na nią w oscylującym układzie odniesienia.

Ilustruje to spirala logarytmiczna, która w układzie odniesienia sprowadza się do spirali helikalnej, która powoduje, że obiekty obracają się i poruszają po orbitach. Na przykład dwa rosnące jabłka w rosnącym układzie odniesienia sprawiają wrażenie, jakby się przyciągały, podczas gdy ich wielkość wydaje się stała.

Odwrotnie dzieje się w przypadku zakłóceń. Mówiąc najprościej, wzrost lub zmniejszenie rozmiaru obiektów w miarę zbliżania się lub oddalania zależy od przemieszczenia układu odniesienia, podobnie jak radio, które dostraja się do różnych fal w celu odbioru stacji radiowej.



Dotyczy to również grawitacji. Zasadniczo, niezależnie od układu odniesienia, siły podstawowe nie istnieją. Wszystkie interakcje w naszej abstrakcyjnej ciągłości można opisać matematycznie poprzez interferencję i rezonans, jeśli weźmie się pod uwagę stale zmieniającą się i oscylującą minimalną jednostkę lub kwant.

Dowody eksperymentalne obejmują niewidoczny efekt w modelu standardowym, w którym widzimy skutki sił, ale nie nośniki 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 możliwe stany kwantowe. Nazywa się to superpozycją kwantową i można ją wykazać na przykład w eksperymencie z podwójną szczeliną lub teleportacją kwantową, gdzie każdy elektron we wszechświecie może być tym samym elektronem. Jedynym wymogiem abstrakcyjnej osi czasu i sekwencyjnej ciągłości rzeczywistości jest algorytm opisu modelu lub abstrakcyjnego ciągu wektorów.

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

Interakcja to po prostu interpretacja abstrakcyjnego modelu. Dlatego mechanika kwantowa dostarcza jedynie opisów matematycznych – może opisywać jedynie wzorce w obrębie nieskończonych prawdopodobieństw.

Kiedy prawdopodobieństwo wyraża się jako „C”, informacja potrzebna do opisania aktualnej chwili lub zakresu probabilistycznego „C” również ucieleśnia oś czasu. Natura osi czasu jest jedną z największych nierozwiązanych kwestii w fizyce, która doprowadziła do wielu nowych, popularnych interpretacji.

Na przykład zasada holograficzna – grawitacja kwantowa będąca częścią teorii strun – sugeruje, że cały wszechświat można postrzegać jedynie jako dwuwymiarową strukturę informacyjną.



Czas



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

Naukowcy zaczęli kwestionować tę logikę dopiero wtedy, gdy odkrycia w mechanice kwantowej wykazały, że niektóre zjawiska nie są powiązane z naszą koncepcją czasu i że nasze koncepcje czasu są jedynie postrzeganiem 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 stanowią jedną tkaninę.

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

Sekundy są równe sekundom świetlnym, ale wzajemnie się wykluczają. Mówiąc najprościej: ponieważ odległość i czas są przeciwieństwami, upływ czasu można interpretować jako odległość, którą przemierzają wskazówki zegara, poruszając się w przeciwnym kierunku czasu.

Posuwając się do przodu na odległość, w rzeczywistości cofają się w tak zwanym czasie. Dlatego każda minimalna jednostka doświadczenia jest natychmiast wchłaniana w wieczne „teraz”.

Ta interpretacja rozwiązuje rozbieżność między zapadnięciem się funkcji falowej a dekoherencją kwantową. Pojęcia takie jak „życie” i „śmierć” są konstruktami czysto intelektualnymi. A wszelkie spekulacje religijne na temat życia pozagrobowego rozgrywającego się w świecie niepodlegającym matematycznym prawom tej rzeczywistości są również fikcyjne.



Inną ważną konsekwencją jest to, że teoria Wielkiego Wybuchu, według której wszechświat pochodzi z jednego punktu, jest nieporozumieniem. Tradycyjna reprezentacja czasoprzestrzeni, gdzie przestrzeń jest trójwymiarowa, a czas pełni rolę czwartego wymiaru, jest błędna. 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 tym razem mapa wszechświata poda jedynie abstrakcyjne pojęcia bez uwzględnienia jej podstawy kwantowej.



Dowody eksperymentalne obejmują przyspieszenie ekspansji Wszechświata, a także odwrotną lub regresywną metrykę czarnych dziur i wiele problemów z tym związanych

z teorią Wielkiego Wybuchu, na przykład z problemem horyzontu.



Konsekwencje neurologiczne



Wnioski te mogą rodzić pytania o wolną wolę, ponieważ w naszym doświadczeniu czasu wydaje się, że najpierw pojawia się działanie, a świadomość dopiero na drugim miejscu.

Większość badań rzucających światło na tę kwestię pokazuje, że działanie faktycznie ma miejsce przed świadomością. Jednak pogląd deterministyczny opiera się na błędnym pojęciu czasu, czego dowodem są matematyczne opisy prawdopodobieństwa w mechanice kwantowej.



Interpretacje te będą ważne dla przyszłych badań neurologicznych, ponieważ pokazują, że każdy obwód nerwowy jest wektorem determinującym dysonans poznawczy i interferencję lub rezonans w „C”. Zdolność 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 tworzenia połączeń, oraz procesy neuronowe tworzące znaczenie. To wyjaśnia również, że sztuczna świadomość wymagałaby sieci

niezależne procesory, a nie liniową sekwencję złożonych algorytmów.



Ograniczona interpretacja



Zunifikowana Teoria Ateny to rozwiązanie łączące fizykę kwantową i teorię względności. Chociaż odpowiada na wiele wymienionych tutaj pytań z fizyki, jest to moja ograniczona interpretacja pierwszych miesięcy jego badań naukowych.

Niezależnie od wyniku jasne jest, że wkroczyliśmy w erę, w której nauka jest otwarta dla każdego. A jeśli sprawimy, że Internet będzie dostępny i neutralny, będziemy mogli sprawdzić słuszność naszych pomysłów, rozwinąć naszą wyobraźnię, tworząc nowe połączenia, i będziemy mogli nadal rozwijać nasze zrozumienie

wszechświat i umysł.



Epilog



W mechanice kwantowej nauczyliśmy się innego podejścia do rzeczywistości i postrzegania wszystkiego jako prawdopodobieństwa, a nie pewności. W sensie matematycznym wszystko jest możliwe.

Zarówno w nauce, jak i w życiu codziennym nasza zdolność do obliczania lub odgadywania prawdopodobieństw zależy od naszej intelektualnej zdolności rozpoznawania wzorców.

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

Ponieważ naturą naszej lewej półkuli jest odrzucanie pomysłów, które nie pasują do naszych obecnych poglądów, im bardziej jesteśmy przywiązani do naszych przekonań, tym mniej jesteśmy zdolni do dokonywania świadomych wyborów. Ale kontrolując ten proces, poszerzamy naszą samoświadomość i zwiększamy naszą wolną wolę.

Mówią, że mądrość przychodzi z wiekiem. Ale dzięki otwartości i sceptycyzmowi – kluczowym zasadom nauki – nie potrzebujemy dziesięcioleci prób i błędów, aby ustalić, które z naszych przekonań może być błędne.

Pytaniem nie jest, czy nasze przekonania są prawdziwe, czy nie, ale czy nasze emocjonalne przywiązanie do nich przyniesie nam korzyść, czy też zaszkodzi.



Wolny wybór nie istnieje, dopóki jesteśmy emocjonalnie przywiązani do systemu przekonań. Kiedy już będziemy mieli wystarczającą samoświadomość, aby to zrozumieć, możemy wspólnie pracować nad zrozumieniem prawdopodobieństwa tego, co faktycznie przyniesie nam największe korzyści.

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

Jest wiele miejsc, w których można rozpocząć tę dyskusję, a ten jest równie dobry jak każdy inny: wszystko w naszym Wszechświecie ma naturę zarówno cząstkową, jak i falową. Gdyby można było powiedzieć o magii: „To wszystko fale i tylko fale”, byłby to cudownie poetycki opis fizyki kwantowej. Tak naprawdę wszystko w tym wszechświecie ma naturę falową.

Oczywiście, także wszystko we Wszechświecie ma naturę cząstek. Brzmi to dziwnie, ale tak jest.

Opisywanie rzeczywistych obiektów jednocześnie jako cząstek i fal będzie nieco niedokładne. Ściśle rzecz biorąc, obiekty opisywane przez fizykę kwantową nie są cząstkami i falami, lecz należą raczej do trzeciej kategorii, która dziedziczy właściwości fal (częstotliwość i długość fali wraz z propagacją w przestrzeni) oraz pewne właściwości cząstek (można je policzyć i w pewnym stopniu zlokalizowane). Prowadzi to do ożywionej debaty w środowisku fizyków na temat tego, czy w ogóle słuszne jest mówienie o świetle jako cząstce; nie dlatego, że istnieją kontrowersje co do tego, czy światło ma naturę cząsteczkową, ale dlatego, że nazywanie fotonów „cząstkami”, a nie „wzbudzeniami pola kwantowego”, wprowadza uczniów w błąd. Dotyczy to jednak również tego, czy elektrony można nazwać cząstkami, ale takie spory pozostaną w kręgach czysto akademickich.

Ta „trzecia” natura obiektów kwantowych znajduje odzwierciedlenie w czasami mylącym języku fizyków omawiających zjawiska kwantowe. Bozon Higgsa odkryto w Wielkim Zderzaczu Hadronów w postaci cząstki, ale prawdopodobnie słyszałeś określenie „pole Higgsa” – zdelokalizowana rzecz, która wypełnia całą przestrzeń. Dzieje się tak, ponieważ w pewnych warunkach, takich jak eksperymenty zderzeń cząstek, bardziej właściwe jest omówienie wzbudzeń pola Higgsa niż definiowanie charakterystyk cząstki, podczas gdy w innych warunkach, takich jak ogólne dyskusje na temat tego, dlaczego określone cząstki mają masę, właściwsze jest omawianie fizyki w kategoriach oddziaływań z polem kwantowym o uniwersalnych proporcjach. Są to po prostu różne języki opisujące te same obiekty matematyczne.

Fizyka kwantowa jest dyskretna

Wszystko w imię fizyki – słowo „kwant” pochodzi od łacińskiego „ile” i odzwierciedla fakt, że modele kwantowe zawsze uwzględniają coś, co pojawia się w dyskretnych ilościach. Energia zawarta w polu kwantowym jest wielokrotnością pewnej energii podstawowej. W przypadku światła jest to związane z częstotliwością i długością fali światła — światło o wysokiej częstotliwości i krótkiej długości fali ma ogromną energię charakterystyczną, podczas gdy światło o niskiej częstotliwości i dużej długości fali ma niewielką energię charakterystyczną.

W obu przypadkach jednak całkowita energia zawarta w oddzielnym polu świetlnym jest całkowitą wielokrotnością tej energii – 1, 2, 14, 137 razy – i nie ma tu żadnych dziwnych ułamków typu półtora, „pi” czy kwadrat pierwiastek z dwóch. Właściwość tę obserwuje się również w dyskretnych poziomach energii atomów, a strefy energetyczne są specyficzne - niektóre wartości energii są dozwolone, inne nie. Zegary atomowe działają dzięki dyskretności fizyki kwantowej, wykorzystując częstotliwość światła związaną z przejściem pomiędzy dwoma dozwolonymi stanami cezu, co pozwala na utrzymanie czasu na poziomie niezbędnym do wystąpienia „drugiego skoku”.

Ultraprecyzyjną spektroskopię można również wykorzystać do poszukiwania takich obiektów jak ciemna materia, co stanowi część motywacji Instytutu Fizyki Podstawowej Niskich Energii.

Nie zawsze jest to oczywiste – nawet niektóre rzeczy, które w zasadzie są kwantowe, jak promieniowanie ciała doskonale czarnego, są powiązane z rozkładami ciągłymi. Jednak po bliższym zbadaniu i zaangażowaniu głębokiego aparatu matematycznego teoria kwantowa staje się jeszcze dziwniejsza.

Fizyka kwantowa jest probabilistyczna

Jednym z najbardziej zaskakujących i (przynajmniej historycznie) kontrowersyjnych aspektów fizyki kwantowej jest to, że nie można z całą pewnością przewidzieć wyniku pojedynczego eksperymentu z układem kwantowym. Kiedy fizycy przewidują wynik konkretnego eksperymentu, ich przewidywania przyjmują formę prawdopodobieństwa znalezienia każdego z konkretnych możliwych wyników, a porównania między teorią a eksperymentem zawsze wymagają wyprowadzenia rozkładu prawdopodobieństwa z wielu powtarzanych eksperymentów.

Matematyczny opis układu kwantowego zazwyczaj przyjmuje formę „funkcji falowej” reprezentowanej przez greckie równania psi buka: Ψ. Toczy się wiele debat na temat tego, czym dokładnie jest funkcja falowa, i podzieliła ona fizyków na dwa obozy: tych, którzy postrzegają funkcję falową jako rzeczywistą rzecz fizyczną (teoretycy ontyki) i tych, którzy uważają, że funkcja falowa jest wyłącznie wyraz naszej wiedzy (lub jej braku) niezależnie od podstawowego stanu pojedynczego obiektu kwantowego (teoretycy epistemologii).

W każdej klasie modelu prawdopodobieństwo znalezienia wyniku jest określone nie bezpośrednio przez funkcję falową, ale przez kwadrat funkcji falowej (z grubsza rzecz biorąc, wszystko jest takie samo; funkcja falowa jest złożonym obiektem matematycznym (i dlatego obejmuje liczby urojone, takie jak pierwiastek kwadratowy lub jego ujemny wariant), a operacja obliczania prawdopodobieństwa jest nieco bardziej skomplikowana, ale „kwadrat funkcji falowej” wystarczy, aby zrozumieć podstawową istotę pomysłu). Jest to znane jako reguła Borna, od nazwiska niemieckiego fizyka Maxa Borna, który jako pierwszy ją obliczył (w przypisie do artykułu z 1926 r.) i zaskoczył wielu ludzi swoim brzydkim wcieleniem. Trwają aktywne prace mające na celu wyprowadzenie reguły Borna z bardziej fundamentalnej zasady; ale jak dotąd żaden z nich nie zakończył się sukcesem, chociaż przyniosły wiele interesujących rzeczy dla nauki.

Ten aspekt teorii prowadzi nas również do tego, że cząstki znajdują się w wielu stanach jednocześnie. Wszystko, co możemy przewidzieć, to prawdopodobieństwo, a przed pomiarem z określonym wynikiem mierzony układ znajduje się w stanie pośrednim – stanie superpozycji, który obejmuje wszystkie możliwe prawdopodobieństwa. Ale to, czy system rzeczywiście istnieje w wielu stanach, czy w jednej niewiadomej, zależy od tego, czy wolisz model ontyczny, czy epistemiczny. Obydwa prowadzą nas do następnego punktu.

Fizyka kwantowa nie jest lokalna

Ten ostatni nie został powszechnie zaakceptowany jako taki, głównie dlatego, że się mylił. W artykule z 1935 roku, wraz ze swoimi młodymi kolegami Borisem Podolkym i Nathanem Rosenem (praca w EPR), Einstein przedstawił jasne matematyczne stwierdzenie czegoś, co nie dawało mu spokoju od jakiegoś czasu, a co nazywamy „splątaniem”.

Prace EPR dowodziły, że fizyka kwantowa uznaje istnienie systemów, w których pomiary wykonane w bardzo odległych lokalizacjach mogą być ze sobą skorelowane, w związku z czym wynik jednego determinuje drugi. Argumentowali, że oznacza to, że wyniki pomiarów muszą być określone z góry przez jakiś wspólny czynnik, gdyż w przeciwnym razie wynik jednego pomiaru musiałby zostać przesłany do miejsca innego z prędkością większą niż prędkość światła. Zatem fizyka kwantowa musi być niepełna, będąca przybliżeniem głębszej teorii (teorii „ukrytej zmiennej lokalnej”, w której wyniki poszczególnych pomiarów nie są zależne od czegoś, co jest dalej od miejsca pomiaru niż sygnał poruszający się z prędkością światła może pokryć (lokalnie), ale jest raczej zdeterminowana przez jakiś czynnik wspólny dla obu systemów w splątanej parze (zmienna ukryta).

Przez ponad 30 lat wszystko to uważano za niejasny przypis, ponieważ wydawało się, że nie ma sposobu, aby to przetestować, ale w połowie lat 60. irlandzki fizyk John Bell bardziej szczegółowo opracował implikacje EPR. Bell pokazał, że można znaleźć okoliczności, w których mechanika kwantowa będzie przewidywać korelacje między odległymi pomiarami, które będą silniejsze niż jakakolwiek możliwa teoria, taka jak te zaproponowane przez E, P i R. Zostało to przetestowane eksperymentalnie w latach 70. przez Johna Klosera i Alaina Aspecta w na początku lat 80. x - pokazali, że tych splątanych układów nie da się potencjalnie wyjaśnić żadną teorią lokalnych zmiennych ukrytych.

Najbardziej powszechnym podejściem do zrozumienia tego wyniku jest założenie, że mechanika kwantowa jest nielokalna: że wyniki pomiarów dokonanych w określonym miejscu mogą zależeć od właściwości odległego obiektu w sposób, którego nie da się wytłumaczyć sygnałami przemieszczającymi się z prędkością światło. Nie pozwala to jednak na przesyłanie informacji z prędkością ponadświetlną, chociaż podjęto wiele prób przezwyciężenia tego ograniczenia za pomocą nielokalności kwantowej.

Fizyka kwantowa zajmuje się (prawie zawsze) bardzo małymi zjawiskami

Fizyka kwantowa ma reputację dziwnej, ponieważ jej przewidywania radykalnie różnią się od naszego codziennego doświadczenia. Dzieje się tak dlatego, że im większy obiekt, jego efekty stają się mniej wyraźne – prawie nie widać falowego zachowania cząstek i tego, jak długość fali zmniejsza się wraz ze wzrostem momentu obrotowego. Długość fali makroskopowego obiektu, takiego jak spacerujący pies, jest tak śmiesznie mała, że ​​jeśli powiększymy każdy atom w pomieszczeniu do rozmiarów Układu Słonecznego, długość fali psa będzie miała wielkość jednego atomu w tym Układzie Słonecznym.

Oznacza to, że zjawiska kwantowe ograniczają się najczęściej do skali atomów i cząstek elementarnych, których masy i przyspieszenia są na tyle małe, że długość fali pozostaje na tyle mała, że ​​nie można jej bezpośrednio zaobserwować. Jednakże podejmuje się wiele wysiłków, aby zwiększyć rozmiar układu wykazującego efekty kwantowe.

Fizyka kwantowa to nie magia

Poprzedni punkt prowadzi nas do tego w sposób całkiem naturalny: niezależnie od tego, jak dziwna może się wydawać fizyka kwantowa, z pewnością nie jest ona magią. To, co postuluje, jest dziwne jak na standardy fizyki codziennej, ale jest ściśle ograniczone przez dobrze rozumiane reguły i zasady matematyczne.

Zatem jeśli ktoś przychodzi do ciebie z „kwantowym” pomysłem, który wydaje się niemożliwy – nieskończoną energią, magicznymi mocami uzdrawiania, niemożliwymi silnikami kosmicznymi – jest to prawie na pewno niemożliwe. Nie oznacza to, że nie możemy wykorzystać fizyki kwantowej do niesamowitych rzeczy: stale piszemy o niesamowitych przełomach wykorzystujących zjawiska kwantowe, które już zaskoczyły ludzkość, oznacza to po prostu, że nie wyjdziemy poza prawa termodynamiki i zdrowego rozsądku .

Jeśli powyższe punkty nie wydają Ci się wystarczające, potraktuj je jako przydatny punkt wyjścia do dalszej dyskusji.

Można 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 zmieniły współczesne społeczeństwo. Urządzenia półprzewodnikowe znajdują zastosowanie we wszelkiego rodzaju urządzeniach mikroelektronicznych, w tym w komputerach, niektórych typach medycznego sprzętu diagnostycznego i terapeutycznego 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 rozumieniu świata przyrody rozwój urządzeń półprzewodnikowych (i powstających coraz bardziej zaawansowanych urządzeń elektronicznych) nigdy by się nie powiódł. Fizyka kwantowa to niezwykle złożona dziedzina nauki. W tym rozdziale przedstawiono jedynie krótki przegląd. Kiedy naukowcy pokroju Feynmana mówią, że „nikt [tego nie rozumie]”, można być pewnym, że jest to naprawdę złożony temat. Bez podstawowego zrozumienia fizyki kwantowej lub przynajmniej zrozumienia odkryć naukowych, które doprowadziły do ​​​​jego rozwoju, nie da się zrozumieć, jak i dlaczego działają półprzewodnikowe urządzenia elektroniczne. Większość podręczników do elektroniki próbuje wyjaśniać półprzewodniki w kategoriach „fizyki klasycznej”, co w rezultacie czyni je jeszcze bardziej zagmatwanymi w zrozumieniu.

Wielu z nas widziało diagramy modeli atomowych, które wyglądają jak na poniższym rysunku.

Atom Rutherforda: elektrony ujemne krążące wokół małego dodatniego jądra

Maleńkie cząstki materii tzw protony I neutrony, tworzą środek atomu; elektrony krążą jak planety wokół gwiazdy. Jądro ma dodatni ładunek elektryczny ze względu na obecność protonów (neutrony nie mają ładunku elektrycznego), podczas gdy równoważący ładunek ujemny atomu znajduje się w krążących na orbicie elektronach. Elektrony ujemne są przyciągane przez dodatnie protony, tak jak planety przyciągane są do Słońca przez grawitację, ale orbity są stabilne ze względu na ruch elektronów. Ten popularny model atomu zawdzięczamy pracom Ernesta Rutherforda, który około 1911 roku ustalił eksperymentalnie, że ładunki dodatnie atomów skupiają się w maleńkim, gęstym jądrze, a nie są równomiernie rozłożone na średnicy, jak to wcześniej stwierdził badacz J. J. Thomson. przypuszczalny.

Eksperyment Rutherforda z rozpraszaniem polega na bombardowaniu cienkiej złotej folii dodatnio naładowanymi cząsteczkami alfa, jak pokazano na poniższym rysunku. Młodzi doktoranci H. Geiger i E. Marsden uzyskali nieoczekiwane wyniki. Trajektoria niektórych cząstek alfa została odchylona pod dużym kątem. Część cząstek alfa została rozproszona w przeciwnym kierunku, pod kątem prawie 180°. Większość cząstek przeszła przez złotą folię, nie zmieniając swojej ścieżki, tak jakby folii w ogóle nie było. 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 lepiej wspierany przez dane eksperymentalne niż model Thomsona, nadal nie był idealny. Podejmowano dalsze próby określenia struktury atomu, które pomogły utorować drogę dziwnym odkryciom fizyki kwantowej. Dziś nasze rozumienie atomu jest nieco bardziej złożone. Jednak pomimo rewolucji w fizyce kwantowej i jej wkładu w nasze zrozumienie struktury atomu, obraz Układu Słonecznego Rutherforda jako struktury atomu zakorzenił się w powszechnej świadomości do tego stopnia, że ​​utrzymuje się w dziedzinach edukacji, nawet jeśli jest to niewłaściwe.

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

Wirujące elektrony ujemne przyciągają dodatnie jądro, co prowadzi nas do pytania, dlaczego elektrony nie wlatują do jądra atomu. Odpowiedź jest taka, że ​​wirujące elektrony pozostają na swojej stabilnej orbicie dzięki dwóm równym, ale przeciwnym siłom. Siła odśrodkowa działająca na elektrony jest skierowana na zewnątrz, a siła przyciągania pomiędzy ładunkami próbuje przyciągnąć elektrony w kierunku jądra.

Zgodnie z modelem Rutherforda autor uważa elektrony za stałe kawałki materii zajmujące orbity kołowe, a ich wewnętrzne przyciąganie w kierunku przeciwnie naładowanego jądra równoważy ich ruch. Użycie terminu „siła odśrodkowa” jest technicznie niepoprawne (nawet w przypadku planet krążących wokół orbit), ale można to łatwo wybaczyć ze względu na powszechną akceptację modelu: w rzeczywistości siła nie istnieje. odpychającykażdy obracające się ciało od środka swojej orbity. Wydaje się, że dzieje się tak dlatego, że bezwładność ciała dąży do utrzymania jego ruchu po linii prostej, a ponieważ orbita jest ciągłym odchyleniem (przyspieszeniem) od ruchu prostoliniowego, zatem zachodzi stała bezwładna reakcja na każdą siłę przyciągającą ciało do środek orbity (dośrodkowy), czy to grawitacja, przyciąganie elektrostatyczne, czy nawet napięcie połączenia mechanicznego.

Jednak prawdziwym problemem związanym z tym wyjaśnieniem jest przede wszystkim koncepcja elektronów poruszających się po orbitach kołowych. Udowodniono, że przyspieszone ładunki elektryczne emitują promieniowanie elektromagnetyczne, co było znane już w czasach Rutherforda. Ponieważ ruch wirujący jest formą przyspieszenia (wirujący obiekt ze stałym przyspieszeniem, oddalający obiekt od normalnego ruchu po linii prostej), elektrony w stanie wirującym powinny emitować promieniowanie, podobnie jak brud z ślizgającego się koła. Elektrony przyspieszane po torach kołowych w akceleratorach cząstek tzw synchrotrony wiadomo, że to robią, a wynik jest nazywany promieniowanie synchrotronowe. Gdyby elektrony traciły w ten sposób energię, ich orbity ostatecznie uległyby zakłóceniu, powodując zderzenie z dodatnio naładowanym jądrem. Jednak zwykle nie dzieje się to wewnątrz atomów. Rzeczywiście, „orbity” elektronów są niezwykle stabilne w szerokim zakresie warunków.

Ponadto eksperymenty z „wzbudzonymi” atomami wykazały, że energia elektromagnetyczna jest emitowana przez atom tylko przy określonych częstotliwościach. Atomy są, jak wiadomo, „wzbudzane” przez bodźce zewnętrzne, takie jak światło, w celu pochłaniania energii i zwracania fal elektromagnetycznych o określonych częstotliwościach, podobnie jak kamerton, który nie dzwoni z określoną częstotliwością, dopóki nie zostanie uderzony. Kiedy światło emitowane przez wzbudzony atom jest dzielone przez pryzmat na częstotliwości składowe (kolory), wykrywane są w widmie poszczególne linie kolorów, czyli układ linii widmowych unikalny dla pierwiastka chemicznego. Zjawisko to jest powszechnie stosowane do identyfikacji pierwiastków chemicznych, a nawet do pomiaru proporcji każdego pierwiastka w związku lub mieszaninie chemicznej. Zgodnie z modelem atomowym Układu Słonecznego Rutherforda (odnoszącym się do elektronów jako kawałków materii swobodnie obracających się po orbicie o pewnym promieniu) i prawami fizyki klasycznej, wzbudzone atomy powinny oddawać energię w niemal nieskończonym zakresie częstotliwości, a nie w wybranych częstotliwościach. Innymi słowy, gdyby model Rutherforda był poprawny, nie występowałby efekt „kamertonu”, a widmo kolorów emitowane przez dowolny atom wyglądałoby jako ciągłe pasmo kolorów, a nie kilka pojedynczych linii.

Model atomu wodoru Bohra (z orbitami narysowanymi w odpowiedniej 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 podjął próbę ulepszenia modelu Rutherforda po kilkumiesięcznym badaniu go w laboratorium Rutherforda w 1912 roku. Próbując pogodzić wyniki innych fizyków (zwłaszcza Maxa Plancka i Alberta Einsteina), Bohr zaproponował, że każdy elektron ma określoną, określoną ilość energii, a jego orbity są rozmieszczone w taki sposób, że każdy z nich może zajmować określone miejsca wokół jądro, podobnie jak kulki, unieruchomione po kołowych ścieżkach wokół rdzenia, a nie tak swobodnie poruszające się satelity, jak wcześniej zakładano (rysunek powyżej). Ze względu na prawa elektromagnetyzmu i ładunków przyspieszających Bohr nazwał „orbity” tzw stany stacjonarne aby uniknąć interpretacji, że były mobilne.

Chociaż ambitna próba Bohra ponownego przemyślenia struktury atomu, tak aby była bardziej zgodna z danymi eksperymentalnymi, była ważnym kamieniem milowym w fizyce, nie została ona ukończona. Jego analiza matematyczna lepiej przewidywała wyniki eksperymentów niż analizy przeprowadzane według poprzednich modeli, ale wciąż pozostawały bez odpowiedzi pytania dotyczące Dlaczego elektrony muszą zachowywać się w ten dziwny sposób. Twierdzenie, że elektrony istnieją w stacjonarnych stanach kwantowych wokół jądra, pasuje do danych eksperymentalnych lepiej niż model Rutherforda, ale nie mówi, co spowodowało, że elektrony przyjęły te specjalne stany. Odpowiedzi na to pytanie miał udzielić inny fizyk, Louis de Broglie, około dziesięć lat później.

De Broglie zaproponował, że elektrony, podobnie jak fotony (cząstki światła), mają zarówno właściwości cząstek, jak i właściwości fal. Opierając się na tym założeniu, zasugerował, że analizowanie wirujących elektronów pod kątem fal jest lepiej dostosowane niż pod kątem cząstek i może zapewnić lepszy wgląd w ich kwantową naturę. I rzeczywiście nastąpił kolejny przełom w zrozumieniu.

Struna wibrująca z częstotliwością rezonansową pomiędzy dwoma stałymi punktami wytwarza falę stojącą

Według de Broglie'a atom składał się z fal stojących, zjawiska dobrze znanego fizykom w różnych postaciach. Podobnie jak szarpana struna instrumentu muzycznego (zdjęcie powyżej), wibrująca z częstotliwością rezonansową, z „węzłami” i „antysękami” w stabilnych miejscach na całej długości. De Broglie wyobraził sobie elektrony wokół atomów jako fale zakrzywione w okrąg (zdjęcie poniżej).

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

Elektrony mogą istnieć tylko na określonych, specyficznych „orbitach” wokół jądra, ponieważ są to jedyne odległości, w których zbiegają się końce fali. Przy każdym innym promieniu fala zderzy się ze sobą destrukcyjnie i w ten sposób przestanie istnieć.

Hipoteza de Broglie dostarczyła zarówno matematyki, jak i wygodnej analogii fizycznej do wyjaśnienia stanów kwantowych elektronów w atomie, ale jego model atomu był nadal niekompletny. Przez kilka lat fizycy Werner Heisenberg i Erwin Schrödinger, pracując niezależnie od siebie, pracowali nad koncepcją dualności falowo-cząsteczkowej de Broglie'a, aby stworzyć bardziej rygorystyczne modele matematyczne cząstek subatomowych.

Ten teoretyczny postęp od prymitywnego modelu fali stojącej de Broglie'a do macierzy Heisenberga i modeli równań różniczkowych Schrödingera otrzymał nazwę mechaniki kwantowej i wprowadził do świata cząstek subatomowych dość szokującą cechę: znak prawdopodobieństwa, czyli niepewności. Według nowej teorii kwantowej niemożliwe było określenie dokładnego położenia 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, zakłóca się jego pęd i dlatego nie można wiedzieć, co było przed rozpoczęciem pomiaru położenia, i wzajemnie). Sensacyjnym wnioskiem mechaniki kwantowej jest to, że cząstki nie mają dokładnych położeń 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 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 pomiędzy pewnością danych w dziedzinie czasu przebiegu i danymi w dziedzinie częstotliwości. Mówiąc najprościej, im lepiej znamy częstotliwości składowe, tym mniej dokładnie znamy ich amplitudę w czasie i odwrotnie. Cytuję siebie:

Sygnał o nieskończonym czasie trwania (nieskończonej liczbie cykli) można analizować z absolutną dokładnością, ale im mniej cykli dostępnych komputerowi do analizy, tym mniej dokładna jest analiza... Im mniej okresów sygnału, tym mniej dokładna jest jego częstotliwość. Doprowadzając tę ​​koncepcję do logicznego ekstremum, krótki impuls (nawet nie cały okres sygnału) w rzeczywistości nie ma określonej częstotliwości, jest to nieskończony zakres częstotliwości. Zasada ta jest wspólna dla wszystkich zjawisk falowych, a nie tylko dla napięć i prądów przemiennych.

Aby dokładnie określić amplitudę zmieniającego się sygnału, musimy ją zmierzyć w bardzo krótkim czasie. Jednakże takie postępowanie ogranicza naszą wiedzę na temat częstotliwości fali (fala w mechanice kwantowej nie powinna przypominać fali sinusoidalnej; takie podobieństwo jest przypadkiem szczególnym). Z drugiej strony, aby określić częstotliwość fali z dużą dokładnością, musimy mierzyć ją w dużej liczbie okresów, co oznacza, że ​​w danym momencie stracimy z pola widzenia jej amplitudę. Zatem nie możemy jednocześnie poznać chwilowej amplitudy i wszystkich częstotliwości dowolnej fali z nieograniczoną dokładnością. Inną dziwną rzeczą jest to, że ta niepewność jest znacznie większa niż niepewność obserwatora; leży to w samej naturze fali. Nie jest to prawdą, chociaż przy odpowiedniej technologii byłoby możliwe zapewnienie dokładnych pomiarów zarówno chwilowej amplitudy, jak i częstotliwości jednocześnie. Dosłownie 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 nieodłączna właściwość natury dualizmu cząstkowo-falowego. Dlatego elektrony w rzeczywistości nie istnieją na swoich „orbitach” jako precyzyjnie określone cząstki materii lub nawet jako precyzyjnie określone kształty fal, ale raczej jako „chmury” – termin techniczny funkcja falowa rozkłady prawdopodobieństwa tak, jakby każdy elektron był „rozproszony” lub „rozproszony” w pewnym zakresie pozycji i pędów.

Ten radykalny pogląd na elektrony jako nieokreślone chmury początkowo zaprzecza pierwotnej zasadzie elektronowych stanów kwantowych: elektrony istnieją na dyskretnych, określonych „orbitach” wokół jądra atomu. W końcu to nowe odkrycie było odkryciem, które doprowadziło do powstania i wyjaśnienia teorii kwantowej. Jak dziwne wydaje się, że teoria stworzona w celu wyjaśnienia dyskretnego zachowania elektronów kończy się stwierdzeniem, że elektrony istnieją raczej jako „chmury”, a nie jako pojedyncze kawałki materii. Jednak zachowanie kwantowe elektronów nie zależy od tego, czy elektrony mają określone wartości współrzędnych i pędu, ale od innych właściwości zwanych liczby kwantowe. W istocie mechanika kwantowa rezygnuje z powszechnych pojęć położenia absolutnego i momentu absolutnego i zastępuje je pojęciami absolutnymi typów, które nie mają analogii w ogólnej praktyce.

Chociaż wiadomo, że elektrony istnieją w eterycznych „chmurach” o rozproszonym prawdopodobieństwie, a nie jako pojedyncze kawałki materii, „chmury” te mają nieco inne cechy. Każdy elektron w atomie można opisać czterema miarami numerycznymi (wspomnianymi wcześniej liczbami kwantowymi), które nazywane są główny (promieniowy), orbitalny (azymutalny), magnetyczny I kręcić się liczby. Poniżej znajduje się krótki przegląd znaczenia każdej z tych liczb:

Główna (promieniowa) liczba kwantowa: oznaczone literą N, liczba ta opisuje powłokę, w której znajduje się elektron. „Powłoka” elektronowa to obszar przestrzeni wokół jądra atomu, w którym mogą istnieć elektrony, co odpowiada stabilnym modelom „fali stojącej” de Broglie'a i Bohra. Elektrony mogą „przeskakiwać” z powłoki na powłokę, ale nie mogą istnieć pomiędzy 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 konkretnych wartości liczb całkowitych, jak pokazano na poniższym rysunku.

Każda powłoka może pomieścić kilka elektronów. Analogią do muszli elektronicznych są koncentryczne rzędy siedzeń w amfiteatrze. Tak jak osoba siedząca w amfiteatrze musi wybrać rząd, w którym chce usiąść (nie może siedzieć pomiędzy rzędami), tak elektrony muszą „wybrać” konkretną powłokę, aby „usiąść”. Podobnie jak rzędy w amfiteatrze, najbardziej zewnętrzne powłoki zawierają więcej elektronów w porównaniu do powłok znajdujących się bliżej środka. Ponadto elektrony szukają najmniejszej dostępnej powłoki, tak jak ludzie w amfiteatrze szukają miejsc najbliżej środkowej sceny. Im wyższy numer powłoki, tym więcej energii mają znajdujące się 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; i trzecia powłoka (n = 3) - 18 elektronów (zdjęcie poniżej).

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

Powłoki elektronowe w atomie oznaczono literami, a nie cyframi. Pierwszą powłokę (n = 1) oznaczono K, drugą powłokę (n = 2) L, trzecią powłokę (n = 3) M, czwartą powłokę (n = 4) N, piątą powłokę (n = 5) O, szósta powłoka ( n = 6) P i siódma powłoka (n = 7) B.

Orbitalna (azymutalna) liczba kwantowa: powłoka składająca się z podpowłok. Niektórym łatwiej będzie wyobrazić sobie podpowłoki jako proste fragmenty powłok, takie jak paski dzielące drogę. Podpowłoki są znacznie dziwniejsze. Podpowłoki to obszary przestrzeni, w których mogą istnieć „chmury” elektronów i w rzeczywistości różne podpowłoki mają różne kształty. Pierwsza podpowłoka jest kulista (rysunek poniżej (s)), co ma sens, gdy jest wizualizowana jako chmura elektronów otaczająca jądro atomowe w trzech wymiarach.

Druga podpowłoka przypomina hantle i składa się z dwóch „płatków” połączonych w jednym punkcie w pobliżu środka atomu (zdjęcie poniżej (p)).

Trzecia podpowłoka zwykle przypomina zestaw czterech „płatków” zgrupowanych wokół jądra atomu. Te kształty podpowłoki przypominają graficzną reprezentację wzorów anten z cebulowatymi płatkami wystającymi z anteny w różnych kierunkach (rysunek poniżej (d)).

Orbitale:
(s) potrójna symetria;
(p) Pokazano: px, jedna z trzech możliwych orientacji (px, py, pz), 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, podobnie jak w przypadku głównej liczby kwantowej, ale obejmują 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 ponumerowane 0, 1 i 2.

Stara konwencja opisu podpowłok wykorzystywała litery, a nie cyfry. W tym formacie pierwszą podpowłokę (l = 0) oznaczono s, drugą podpowłokę (l = 1) oznaczono p, trzecią podpowłokę (l = 2) oznaczono d, a czwartą podpowłokę (l = 3) oznaczony f. Litery pochodziły od słów: ostry, główny, rozproszony I fundamentalny. Nadal można zobaczyć te oznaczenia w wielu układach okresowych, używane do przedstawienia konfiguracji elektronowej układu zewnętrznego ( wartościowość) powłoki atomowe.

(a) Reprezentacja Bohra atomu srebra,
(b) orbitalna reprezentacja Ag z powłokami podzielonymi na podpowłoki (orbitalna liczba kwantowa l).
Ten diagram nie sugeruje niczego na temat rzeczywistej pozycji elektronów, a jedynie przedstawia poziomy energii.

Magnetyczna liczba kwantowa: Magnetyczna liczba kwantowa elektronu klasyfikuje orientację kształtu 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 skierowany w trzech możliwych kierunkach. Wyobraź sobie trzy hantle przecinające się w początku, każdy skierowany wzdłuż własnej osi 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 l w fizyce atomowej i l z w fizyce jądrowej. Aby obliczyć liczbę orbitali w dowolnej podpowłoce, należy podwoić liczbę podpowłok 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 liczbach -1, 0 i 1; trzecia podpowłoka (l = 2) zawiera pięć orbitali o liczbach -2, -1, 0, 1 i 2; i tak dalej.

Podobnie jak główna liczba kwantowa, magnetyczna liczba kwantowa powstała bezpośrednio na podstawie danych eksperymentalnych: efektu Zeemana, rozszczepienia linii widmowych w wyniku wystawienia zjonizowanego gazu na działanie pola magnetycznego, stąd nazwa „magnetyczna” liczba kwantowa.

Spinowa liczba kwantowa: Podobnie jak magnetyczna liczba kwantowa, tę właściwość elektronów atomu odkryto w drodze eksperymentów. Uważna obserwacja linii widmowych wykazała, że ​​każda linia jest w rzeczywistości parą bardzo blisko siebie rozmieszczonych linii. Założono, że jest to tzw. delikatna struktura był wynikiem „obracania się” każdego elektronu wokół własnej osi, jak planeta. Elektrony o różnym „spinie” po wzbudzeniu wytwarzałyby nieco inne częstotliwości światła. Koncepcja wirującego elektronu jest obecnie przestarzała i bardziej pasuje do (niepoprawnego) poglądu na elektrony jako pojedyncze cząstki materii, a nie jako „chmury”, ale nazwa pozostaje.

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

Fizyk Wolfgang Pauli opracował zasadę wyjaśniającą kolejność elektronów w atomie według tych liczb kwantowych. Jego zasada, tzw 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 dowolną orbitę, podpowłokę i powłokę.

To pokazuje rozmieszczenie elektronów w atomie wodoru:

Mając jeden proton w jądrze, atom przyjmuje jeden elektron do swojej równowagi elektrostatycznej (dodatni ładunek protonu jest dokładnie równoważony przez ujemny ładunek elektronu). Elektron ten znajduje się w dolnej powłoce (n = 1), pierwszej podpowłoce (l = 0), na jedynej orbicie (orientacja przestrzenna) tej podpowłoki (m l = 0), z wartością spinu 1/2. Ogólna metoda opisu tej struktury polega na umieszczeniu elektronów według ich powłok i podpowłok, zgodnie z konwencją zwaną oznaczenie spektroskopowe. 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. Zatem wodór z pojedynczym elektronem umieszczonym w poziomie podstawowym opisuje się jako 1s 1.

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

Atom helu ma w jądrze dwa protony, co wymaga dwóch elektronów, aby zrównoważyć podwójny dodatni ładunek elektryczny. 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 utrzymania drugiego elektronu.

Jednakże atom wymagający trzech lub więcej elektronów będzie potrzebował dodatkowych podpowłok, aby pomieścić wszystkie elektrony, ponieważ w dolnej powłoce znajdują się tylko dwa elektrony (n = 1). Rozważmy następny atom w kolejności rosnących liczb atomowych, lit:

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

Często przy przypisywaniu atomowi oznaczenia spektroskopowego pomija się wszelkie całkowicie wypełnione powłoki i wyznacza się niewypełnione powłoki i wypełnione powłoki wyższego poziomu. Na przykład element neon (pokazany na powyższym rysunku), który ma dwie całkowicie wypełnione powłoki, można opisać widmowo po prostu jako 2p 6, a nie 1s 22 s 22 p 6. Lit z całkowicie wypełnioną powłoką K i pojedynczym elektronem w powłoce L można opisać po prostu jako 2s 1, a nie 1s 22 s 1 .

Pomijanie całkowicie wypełnionych muszli niższego poziomu służy nie tylko wygodzie nagrywania. Ilustruje także podstawową zasadę chemii: o zachowaniu chemicznym pierwiastka decydują przede wszystkim jego niewypełnione otoczki. Zarówno wodór, jak i lit mają jeden elektron na swoich zewnętrznych powłokach (odpowiednio jako 1 i 2s 1), czyli oba pierwiastki mają podobne właściwości. Obydwa są wysoce reaktywne i reagują prawie w ten sam sposób (wiązanie z podobnymi pierwiastkami w podobnych warunkach). Tak naprawdę nie ma znaczenia, że ​​lit ma całkowicie wypełnioną powłokę K pod prawie pustą powłoką L: niewypełniona powłoka L określa jego zachowanie chemiczne.

Pierwiastki posiadające całkowicie wypełnione otoczki zewnętrzne zaliczane są do szlachetnych i charakteryzują się niemal całkowitym brakiem reakcji z innymi pierwiastkami. Pierwiastki te sklasyfikowano jako obojętne, gdy sądzono, że w ogóle nie reagują, ale wiadomo, że w pewnych warunkach tworzą związki z innymi pierwiastkami.

Ponieważ pierwiastki o podobnych konfiguracjach elektronowych na swoich zewnętrznych powłokach mają podobne właściwości chemiczne, Dmitri Mendelejew odpowiednio uporządkował pierwiastki chemiczne w tabeli. Ta tabela jest tzw , a nowoczesne tabele mają tę ogólną formę, pokazaną na poniższym rysunku.

Układ okresowy pierwiastków chemicznych

Dmitrij Mendelejew, rosyjski chemik, jako pierwszy opracował układ okresowy pierwiastków. Chociaż Mendelejew zorganizował swoją tablicę według masy atomowej, a nie liczby atomowej i stworzył tablicę, która nie była tak użyteczna jak współczesne tablice okresowe, jego opracowanie stanowi doskonały przykład dowodu naukowego. Widząc wzorce okresowości (podobne właściwości chemiczne w zależności od masy atomowej), Mendelejew postawił hipotezę, że wszystkie pierwiastki powinny pasować do tego uporządkowanego wzoru. Odkrywając „puste” miejsca w tabeli, kierował się logiką istniejącego porządku i zakładał istnienie nieznanych dotąd elementów. Późniejsze odkrycie tych pierwiastków potwierdziło naukową poprawność hipotezy Mendelejewa, a dalsze odkrycia doprowadziły do ​​powstania układu okresowego, którego używamy dzisiaj.

Lubię to musieć nauka o pracy: hipotezy prowadzą do logicznych wniosków i są akceptowane, modyfikowane 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 ex post facto, jest przewidywanie przyszłych danych eksperymentalnych, które nie zostały jeszcze zebrane, i w rezultacie możliwe niepotwierdzenie tych danych. Odważnie doprowadzaj hipotezę do jej logicznych wniosków, a próba przewidzenia wyników przyszłych eksperymentów nie jest dogmatycznym skokiem wiary, ale raczej publicznym testem tej hipotezy, otwartym wyzwaniem dla przeciwników hipotezy. Innymi słowy, hipotezy naukowe są zawsze „ryzykowne”, ponieważ próbują przewidzieć wyniki eksperymentów, które nie zostały jeszcze przeprowadzone, a zatem mogą zostać sfałszowane, jeśli eksperymenty nie pójdą zgodnie z oczekiwaniami. Zatem jeśli hipoteza prawidłowo przewiduje wyniki powtarzanych eksperymentów, zostaje obalona jako fałszywa.

Mechanika kwantowa, najpierw jako hipoteza, a następnie jako teoria, okazała się niezwykle skuteczna w przewidywaniu wyników eksperymentów, zyskując tym samym wysoki stopień wiarygodności naukowej. Wielu naukowców ma powody sądzić, że jest to teoria niekompletna, gdyż jej przewidywania są bardziej prawdziwe w skalach mikrofizycznych niż makroskopowych, niemniej jednak jest to teoria niezwykle użyteczna do wyjaśniania i przewidywania oddziaływań cząstek i atomów.

Jak widzieliście w tym rozdziale, fizyka kwantowa odgrywa ważną rolę w opisywaniu i przewidywaniu wielu różnych zjawisk. W następnej sekcji zobaczymy jego znaczenie w przewodnictwie elektrycznym ciał stałych, w tym półprzewodników. Mówiąc najprościej, nic w chemii ani fizyce ciała stałego nie ma sensu w popularnej teoretycznej strukturze elektronów istniejących jako pojedyncze cząstki materii krążące wokół jądra atomu niczym miniaturowe satelity. Kiedy elektrony postrzega się jako „funkcje falowe” występujące w określonych, dyskretnych stanach, które są regularne i okresowe, można wyjaśnić zachowanie materii.

Podsumujmy to

Elektrony w atomach istnieją w „chmurach” o rozproszonym prawdopodobieństwie, a nie jako dyskretne cząstki materii krążące wokół jądra niczym miniaturowe satelity, jak sugerują typowe przykłady.

Poszczególne elektrony wokół jądra atomu mają tendencję do osiągania unikalnych „stanów” opisanych czterema liczbami kwantowymi: główna (promieniowa) liczba kwantowa, znany jako powłoka; orbitalna (azymutalna) liczba kwantowa, znany jako podpowłoka; magnetyczna liczba kwantowa, opisując orbitalny(orientacja podpowłoki); I spinowa liczba kwantowa, lub po prostu kręcić się. Stany te są stanami kwantowymi, czyli „pomiędzy nimi” nie ma warunków na istnienie elektronu, z wyjątkiem stanów mieszczących się w schemacie numeracji kwantowej.

Lodowata (promieniowa) liczba kwantowa (n) opisuje poziom podstawowy lub powłokę, w której znajduje się elektron. Im większa jest ta liczba, tym większy promień chmury elektronów z jądra atomowego i tym większa energia elektronu. Główne liczby kwantowe są liczbami całkowitymi (dodatnimi liczbami całkowitymi)

Orbitalna (azymutalna) liczba kwantowa (l) opisuje kształt chmury elektronów na określonej powłoce lub poziomie i często jest nazywany „podpowłoką”. W każdej powłoce znajduje się tyle podpowłok (form chmur elektronów), ile jest głównej liczby kwantowej powłoki. Azymutalne liczby kwantowe to dodatnie liczby całkowite zaczynające się od zera i kończące się liczbą mniejszą o jeden od głównej liczby kwantowej (n - 1).

Magnetyczna liczba kwantowa (ml) opisuje, jaką orientację ma podpowłoka (kształt chmury elektronów). Podpowłoki mogą dopuszczać tyle różnych orientacji, ile wynosi dwukrotność liczby podpowłok (l) plus 1, (2l+1) (to znaczy dla l=1, m l = -1, 0, 1), a każda unikalna orientacja nazywana jest orbitą . Liczby te są liczbami całkowitymi, zaczynając od ujemnej wartości numeru podpowłoki (l) poprzez 0, a kończąc na dodatniej wartości numeru podpowłoki.

Spinowa liczba kwantowa (ms) 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. Zatem na każdym orbicie nie mogą znajdować się więcej niż dwa elektrony (spin=1/2 i spin=-1/2), 2l+1 orbitali na każdej podpowłoce i n podpowłok na każdej powłoce i nie więcej.

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

O chemicznym zachowaniu atomu decydują wyłącznie elektrony w niewypełnionych powłokach. Całkowicie wypełnione skorupy niskopoziomowe 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).

Witamy na blogu! Bardzo się cieszę, że cię widzę!

Prawdopodobnie słyszeliście to wiele razy o niewytłumaczalnych tajemnicach fizyki kwantowej i mechaniki kwantowej. Jej prawa fascynują mistycyzmem, a nawet sami fizycy przyznają, że nie do końca je rozumieją. Z jednej strony zrozumienie tych praw jest interesujące, ale z drugiej strony nie ma czasu na czytanie wielotomowych i skomplikowanych książek o fizyce. Rozumiem Cię bardzo, bo też kocham wiedzę i poszukiwanie prawdy, ale na wszystkie książki brakuje czasu. Nie jesteś sam, wiele ciekawskich osób wpisuje w wyszukiwarkę: „fizyka kwantowa dla manekinów, mechanika kwantowa dla manekinów, fizyka kwantowa dla początkujących, mechanika kwantowa dla początkujących, podstawy fizyki kwantowej, podstawy mechaniki kwantowej, fizyka kwantowa dla dzieci, czym jest mechanika kwantowa”. Ta publikacja jest właśnie dla Ciebie.

Zrozumiesz podstawowe pojęcia i paradoksy fizyki kwantowej. Z artykułu dowiesz się:

• Co to jest interferencja?
• Co to jest spin i superpozycja?
• Co to jest „pomiar” lub „załamanie funkcji falowej”?
• Co to jest splątanie kwantowe (lub teleportacja kwantowa dla opornych)? (zobacz artykuł)
• Na czym polega eksperyment myślowy Kot Schrödingera? (zobacz artykuł)

Co to jest fizyka kwantowa i mechanika kwantowa?

Mechanika kwantowa jest częścią fizyki kwantowej.

Dlaczego tak trudno zrozumieć te nauki? Odpowiedź jest prosta: fizyka kwantowa i mechanika kwantowa (część fizyki kwantowej) badają prawa mikroświata. A prawa te są zupełnie odmienne od praw naszego makrokosmosu. Dlatego trudno nam sobie wyobrazić, co dzieje się z elektronami i fotonami w mikrokosmosie.

Przykład różnicy pomiędzy prawami makro- i mikroświata: w naszym makroświecie, jeśli włożysz piłkę do jednego z 2 pudełek, to jedno z nich będzie puste, a drugie będzie zawierało kulkę. Ale w mikrokosmosie (jeśli zamiast kuli jest atom) atom może znajdować się w dwóch pudełkach jednocześnie. Zostało to wielokrotnie potwierdzone eksperymentalnie. Czy nie jest trudno sobie z tym poradzić? Ale z faktami nie można polemizować.

Jeszcze jeden przykład. Zrobiłeś zdjęcie szybkiego, wyścigowego czerwonego samochodu sportowego i na zdjęciu widziałeś rozmazany poziomy pasek, jakby w momencie robienia zdjęcia samochód znajdował się w kilku punktach przestrzeni. Pomimo tego, co widzisz na zdjęciu, nadal masz pewność, że samochód znajdował się w chwili, gdy go fotografowałeś. w jednym konkretnym miejscu w przestrzeni. W mikroświecie wszystko jest inne. Elektron obracający się wokół jądra atomu w rzeczywistości się nie obraca, ale znajduje się jednocześnie we wszystkich punktach kuli wokół jądra atomu. Jak luźno zwinięty kłębek puszystej wełny. To pojęcie w fizyce nazywa się „chmura elektroniczna” .

Krótka wycieczka do historii. Naukowcy po raz pierwszy pomyśleli o świecie kwantowym, gdy w 1900 roku niemiecki fizyk Max Planck próbował dowiedzieć się, dlaczego metale zmieniają kolor pod wpływem ciepła. To on wprowadził pojęcie kwantu. Do tego czasu naukowcy sądzili, że światło przemieszcza się w sposób ciągły. Pierwszą osobą, która poważnie potraktowała odkrycie Plancka, był nieznany wówczas Albert Einstein. Uświadomił sobie, że światło to nie tylko fala. Czasem zachowuje się jak cząsteczka. Einstein otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycie, że światło emitowane jest porcjami, kwantami. Kwant światła nazywany jest fotonem ( foton, Wikipedia) .

Aby ułatwić zrozumienie praw kwantowych fizycy I mechanika (Wikipedia), musimy w pewnym sensie abstrahować od znanych nam praw fizyki klasycznej. I wyobraź sobie, że zanurzyłeś się niczym Alicja w króliczej norze, w Krainie Czarów.

A oto kreskówka dla dzieci i dorosłych. Opisuje podstawowy eksperyment mechaniki kwantowej z 2 szczelinami i obserwatorem. Trwa tylko 5 minut. Obejrzyj, zanim zagłębimy się w podstawowe pytania i koncepcje fizyki kwantowej.

Fizyka kwantowa dla manekinów wideo. W kreskówce zwróć uwagę na „oko” obserwatora. Stało się to poważną zagadką dla fizyków.

Co to jest interferencja?

Na początku kreskówki, na przykładzie cieczy, pokazano, jak zachowują się fale - na ekranie za płytką ze szczelinami pojawiają się naprzemiennie ciemne i jasne pionowe paski. Natomiast w przypadku, gdy dyskretne cząstki (np. kamyki) zostaną „wystrzelone” w płytkę, przelatują one przez 2 szczeliny i lądują na ekranie dokładnie naprzeciwko szczelin. I „rysują” na ekranie tylko 2 pionowe paski.

Zakłócenia światła- Jest to „falowe” zachowanie światła, gdy na ekranie pojawia się wiele naprzemiennie jasnych i ciemnych pionowych pasków. Do tego te pionowe paski zwany wzorcem interferencyjnym.

W naszym makrokosmosie często obserwujemy, że światło zachowuje się jak fala. Jeśli położysz rękę przed świecą, to na ścianie nie będzie wyraźnego cienia twojej dłoni, ale z rozmytymi konturami.

Więc to wcale nie jest takie skomplikowane! Jest już dla nas całkiem jasne, że światło ma naturę falową i jeśli oświetlimy światłem 2 szczeliny, to na ekranie za nimi zobaczymy wzór interferencyjny. Przyjrzyjmy się teraz drugiemu doświadczeniu. To słynny eksperyment Sterna-Gerlacha (przeprowadzony w latach 20. ubiegłego wieku).

Instalacja opisana w kreskówce nie została oświetlona światłem, ale „wystrzelona” elektronami (jako pojedynczymi cząsteczkami). Następnie, na początku ubiegłego wieku, fizycy na całym świecie wierzyli, że elektrony są elementarnymi cząstkami materii i nie powinny mieć natury falowej, ale takiej samej jak kamyki. W końcu elektrony to elementarne cząstki materii, prawda? Oznacza to, że jeśli „wrzucimy” je w 2 szczeliny niczym kamyki, to na ekranie za szczelinami powinniśmy zobaczyć 2 pionowe paski.

Ale... Rezultat był oszałamiający. Naukowcy zaobserwowali wzór interferencyjny – wiele pionowych pasków. Oznacza to, że elektrony, podobnie jak światło, również mogą mieć charakter falowy i mogą zakłócać. Z drugiej strony stało się jasne, że światło to nie tylko fala, ale także odrobina cząstki – foton (z tła historycznego na początku artykułu dowiedzieliśmy się, że Einstein otrzymał za to odkrycie Nagrodę Nobla) .

Może pamiętacie, w szkole mówiono nam o tym na fizyce „dwoistość falowo-cząsteczkowa”? Oznacza to, że jeśli mówimy o bardzo małych cząsteczkach (atomach, elektronach) mikrokosmosu, to wtedy Są to zarówno fale, jak i cząstki

Dzisiaj ty i ja jesteśmy tacy mądrzy i rozumiemy, że dwa eksperymenty opisane powyżej – strzelanie elektronami i oświetlanie szczelin światłem – to to samo. Ponieważ strzelamy cząstkami kwantowymi w szczeliny. Wiemy teraz, że zarówno światło, jak i elektrony mają naturę kwantową, że są jednocześnie falami i cząsteczkami. A na początku XX wieku wyniki tego eksperymentu były sensacją.

Uwaga! Przejdźmy teraz do bardziej subtelnej kwestii.

Świecimy strumieniem fotonów (elektronów) na nasze szczeliny i widzimy wzór interferencyjny (pionowe paski) za szczelinami na ekranie. To zrozumiałe. Ale nas interesuje, jak każdy z elektronów przepływa przez szczelinę.

Prawdopodobnie jeden elektron wlatuje w lewą szczelinę, drugi w prawą. Ale wtedy na ekranie powinny pojawić się 2 pionowe paski bezpośrednio naprzeciw szczelin. Dlaczego pojawia się wzór interferencyjny? Być może elektrony w jakiś sposób oddziałują ze sobą już na ekranie po przelocie przez szczeliny. Rezultatem jest taki wzór fal. Jak możemy to śledzić?

Elektrony będziemy rzucać nie w wiązkę, ale pojedynczo. Wrzućmy, poczekajmy, wrzućmy następny. Teraz, gdy elektron leci sam, nie będzie już w stanie oddziaływać z innymi elektronami na ekranie. Po rzucie zarejestrujemy każdy elektron na ekranie. Jeden czy dwa oczywiście nie „namalują” dla nas jasnego obrazu. Ale kiedy wyślemy ich wiele do szczelin pojedynczo, zauważymy… och, znowu „narysowali” wzór fali interferencyjnej!

Powoli zaczynamy szaleć. W końcu spodziewaliśmy się, że naprzeciw szczelin będą 2 pionowe paski! Okazuje się, że gdy rzucaliśmy fotony pojedynczo, każdy z nich przeszedł niejako przez 2 szczeliny jednocześnie i interferował ze sobą. Fantastyczny! Powróćmy do wyjaśnienia tego zjawiska w następnej sekcji.

Co to jest spin i superpozycja?

Wiemy już, czym jest ingerencja. Tak wygląda falowe zachowanie mikrocząstek – fotonów, elektronów, innych mikrocząstek (dla uproszczenia będziemy je odtąd nazywać fotonami).

W wyniku eksperymentu, kiedy wrzuciliśmy 1 foton do 2 szczelin, zdaliśmy sobie sprawę, że wydawało się, że przelatuje on przez dwie szczeliny jednocześnie. W przeciwnym razie jak możemy wyjaśnić wzór zakłóceń na ekranie?

Ale jak możemy sobie wyobrazić foton przelatujący przez dwie szczeliny jednocześnie? Dostępne są 2 opcje.

• Pierwsza opcja: foton, niczym fala (jak woda) „unosi się” przez 2 szczeliny jednocześnie
• druga opcja: foton, podobnie jak cząstka, leci jednocześnie po 2 trajektoriach (nawet nie dwóch, ale wszystkie na raz)

W zasadzie stwierdzenia te są równoważne. Dotarliśmy do „całki po drodze”. To jest sformułowanie mechaniki kwantowej Richarda Feynmana.

Swoją drogą, dokładnie Richarda Feynmana jest takie znane powiedzenie Można śmiało powiedzieć, że nikt nie rozumie mechaniki kwantowej

Ale ten wyraz jego zadziałał na początku stulecia. Ale teraz jesteśmy mądrzy i wiemy, że foton może zachowywać się zarówno jak cząstka, jak i fala. Że potrafi w jakiś dla nas niezrozumiały sposób przelecieć przez 2 szczeliny jednocześnie. Dlatego łatwo będzie nam zrozumieć następujące ważne stwierdzenie mechaniki kwantowej:

Ściśle mówiąc, mechanika kwantowa mówi nam, że takie zachowanie fotonów jest regułą, a nie wyjątkiem. Każda cząstka kwantowa z reguły znajduje się w kilku stanach lub w kilku punktach przestrzeni jednocześnie.

Obiekty makroświata mogą znajdować się tylko w jednym określonym miejscu i w jednym określonym stanie. Ale cząstka kwantowa istnieje według własnych praw. I nie przejmuje się tym, że ich nie rozumiemy. O to chodzi.

Musimy tylko przyjąć jako aksjomat, że „superpozycja” obiektu kwantowego oznacza, że ​​może on znajdować się jednocześnie na 2 lub więcej trajektoriach, w 2 lub więcej punktach jednocześnie

To samo dotyczy innego parametru fotonu – spinu (własnego momentu pędu). Spin jest wektorem. Obiekt kwantowy można uważać za mikroskopijny magnes. Przyzwyczailiśmy się, że wektor magnesu (spin) jest skierowany w górę lub w dół. Ale elektron lub foton znowu mówi nam: „Chłopaki, nie obchodzi nas, do czego jesteście przyzwyczajeni, możemy znajdować się w obu stanach spinu jednocześnie (wektor w górę, wektor w dół), tak samo jak możemy być na 2 trajektoriach w w tym samym czasie lub w 2 punktach jednocześnie!

Co to jest „pomiar” lub „załamanie funkcji falowej”?

Niewiele pozostało nam do zrozumienia, czym jest „pomiar” i czym jest „załamanie funkcji falowej”.

Funkcja falowa jest opisem stanu obiektu kwantowego (naszego fotonu lub elektronu).

Załóżmy, że mamy elektron, leci on do siebie w stanie nieokreślonym jego obrót jest skierowany jednocześnie w górę i w dół. Musimy ocenić jego stan.

Zmierzmy za pomocą pola magnetycznego: elektrony, których spin był skierowany w stronę pola, będą odchylać się w jedną stronę, a elektrony, których spin jest skierowany w stronę pola - w drugą. Więcej fotonów można skierować do filtra polaryzacyjnego. Jeżeli spin (polaryzacja) fotonu wynosi +1, foton przechodzi przez filtr, natomiast jeśli wynosi -1, to nie.

Zatrzymywać się! Tutaj nieuchronnie będziesz mieć pytanie: Przed pomiarem elektron nie miał żadnego określonego kierunku spinu, prawda? Był we wszystkich stanach w tym samym czasie, prawda?

Na tym polega trik i sensacja mechaniki kwantowej. Dopóki nie mierzy się stanu obiektu kwantowego, może on obracać się w dowolnym kierunku (posiadać dowolny kierunek wektora własnego momentu pędu – spin). Ale w chwili, gdy mierzyłeś jego stan, wydaje się, że podejmuje on decyzję, który wektor spinowy przyjąć.

Ten obiekt kwantowy jest taki fajny - podejmuje decyzje o swoim stanie. Nie możemy też z góry przewidzieć, jaką decyzję podejmie, wlatując w pole magnetyczne, w którym go mierzymy. Prawdopodobieństwo, że zdecyduje się na wektor spinu „w górę” lub „w dół”, wynosi 50 do 50%. Ale gdy tylko podejmie decyzję, znajduje się w pewnym stanie z określonym kierunkiem wirowania. Powodem jego decyzji jest nasz „wymiar”!

To się nazywa " załamanie się funkcji falowej”. Funkcja falowa przed pomiarem była niepewna, tj. wektor spinu elektronu znajdował się jednocześnie we wszystkich kierunkach; po pomiarze elektron zarejestrował określony kierunek swojego wektora spinu.

Uwaga! Doskonałym przykładem zrozumienia jest skojarzenie z naszego makrokosmosu:

Zakręć monetą na stole jak bączkiem. Podczas gdy moneta się kręci, nie ma ona żadnego konkretnego znaczenia – orła czy reszki. Ale gdy tylko zdecydujesz się „zmierzyć” tę wartość i trzasniesz monetą ręką, wtedy poznasz konkretny stan monety – orzeł lub reszka. Teraz wyobraź sobie, że ta moneta decyduje, jaką wartość Ci „pokażesz” – orła czy reszkę. Elektron zachowuje się mniej więcej w ten sam sposób.

Przypomnij sobie teraz eksperyment pokazany na końcu kreskówki. Kiedy fotony przepuszczano przez szczeliny, zachowywały się jak fale i pokazywały na ekranie wzór interferencyjny. A kiedy naukowcy chcieli zarejestrować (zmierzyć) moment fotonów przelatujących przez szczelinę i umieścili „obserwatora” za ekranem, fotony zaczęły zachowywać się nie jak fale, ale jak cząstki. I „narysowali” na ekranie 2 pionowe paski. Te. W momencie pomiaru lub obserwacji obiekty kwantowe same wybierają, w jakim stanie powinny się znajdować.

Fantastyczny! Czyż nie?

Ale to nie wszystko. Wreszcie my Dotarliśmy do najciekawszej części.

Ale... wydaje mi się, że informacji będzie nadmiar, dlatego te 2 koncepcje rozważymy w osobnych postach:

• Co się stało ?
• Co to jest eksperyment myślowy.

Czy chcesz, aby informacje zostały uporządkowane? Obejrzyj dokument wyprodukowany przez Kanadyjski Instytut Fizyki Teoretycznej. W ciągu 20 minut zostaną w nim bardzo krótko i chronologicznie omówione wszystkie odkrycia fizyki kwantowej, począwszy od odkrycia Plancka w 1900 roku. A potem powiedzą ci, jakie praktyczne zmiany są obecnie przeprowadzane w oparciu o wiedzę z fizyki kwantowej: od najdokładniejszych zegarów atomowych po superszybkie obliczenia komputera kwantowego. Gorąco polecam obejrzenie tego filmu.

Do zobaczenia!

Życzę wszystkim inspiracji do realizacji wszelkich planów i projektów!

P.S.2 Napisz swoje pytania i przemyślenia w komentarzach. Napisz, jakie jeszcze pytania z fizyki kwantowej Cię interesują?

P.S.3 Subskrybuj bloga - formularz subskrypcji znajduje się pod artykułem.

Fizyka jest najbardziej tajemniczą ze wszystkich nauk. Fizyka pozwala nam zrozumieć otaczający nas świat. Prawa fizyki są absolutne i obowiązują każdego bez wyjątku, niezależnie od osoby i statusu społecznego.

Artykuł przeznaczony jest dla osób powyżej 18 roku życia

Skończyłeś już 18 lat?

Podstawowe odkrycia w dziedzinie fizyki kwantowej

Izaak Newton, Nikola Tesla, Albert Einstein i wielu innych to wielcy przewodnicy ludzkości po cudownym świecie fizyki, którzy niczym prorocy odsłonili przed ludzkością największe tajemnice wszechświata i możliwości kontrolowania zjawisk fizycznych. Ich jasne głowy przebiły się przez ciemność ignorancji nierozsądnej większości i niczym gwiazda przewodnia wskazały drogę ludzkości w ciemności nocy. Jednym z takich przewodników po świecie fizyki był Max Planck, ojciec fizyki kwantowej.

Max Planck jest nie tylko twórcą fizyki kwantowej, ale także autorem znanej na całym świecie teorii kwantowej. Teoria kwantowa jest najważniejszym elementem fizyki kwantowej. W prostych słowach teoria ta opisuje ruch, zachowanie i interakcję mikrocząstek. Twórca 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 z zakresu optyki.

Teorie fizyki kwantowej dotyczące zachowania i interakcji mikrocząstek stały się podstawą fizyki materii skondensowanej, fizyki cząstek i fizyki wysokich energii. Teoria kwantowa wyjaśnia nam istotę wielu zjawisk zachodzących w naszym świecie – od funkcjonowania komputerów elektronicznych po budowę i zachowanie ciał niebieskich. Twórca tej teorii Max Planck dzięki swojemu odkryciu pozwolił nam 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. Wkład Maxa Plancka w naukę jest trudny do przecenienia. Krótko mówiąc, jego odkrycia są bezcenne dla fizyki, chemii, historii, metodologii i filozofii.

Kwantowa teoria pola

W skrócie, kwantowa teoria pola to teoria opisująca mikrocząstki, a także ich zachowanie w przestrzeni, wzajemne oddziaływanie i wzajemną konwersję. Teoria ta bada zachowanie układów kwantowych w ramach tzw. stopni swobody. To piękne i romantyczne imię dla wielu z nas tak naprawdę nic nie znaczy. W przypadku manekinów stopnie swobody to liczba niezależnych współrzędnych potrzebnych do wskazania ruchu układu mechanicznego. Mówiąc najprościej, stopnie swobody są charakterystyką ruchu. Ciekawych odkryć w dziedzinie oddziaływań 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 rozpoczął badania promieniowania cieplnego i ostatecznie uzyskał wzór na rozkład energii. Hipoteza kwantowa, która narodziła się w toku tych badań, położyła podwaliny pod fizykę kwantową, a także odkrytą w 1900 roku kwantową teorię pola. Kwantowa teoria Plancka głosi, że w promieniowaniu cieplnym wytworzona energia nie jest emitowana i pochłaniana w sposób ciągły, ale epizodycznie, kwantowo. Rok 1900, dzięki odkryciu Maxa Plancka, stał się rokiem narodzin mechaniki kwantowej. Warto także wspomnieć o wzorze Plancka. W skrócie jego istota jest następująca - opiera się na związku między temperaturą ciała a jego promieniowaniem.

Kwantowa teoria budowy atomu

Mechanika kwantowa teoria budowy atomu jest jedną z podstawowych teorii pojęć w fizyce kwantowej i w fizyce w ogóle. Teoria ta pozwala nam zrozumieć strukturę wszystkich rzeczy materialnych i podnosi zasłonę tajemnicy nad tym, z czego faktycznie się składają. A wnioski oparte na tej teorii są dość nieoczekiwane. Przyjrzyjmy się pokrótce budowie atomu. Z czego więc właściwie składa się 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, a to określa pierwiastek chemiczny, którego częścią jest atom. Najciekawszą rzeczą 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, jaki się nasuwa, jest dość nieoczekiwany. Oznacza to, że w atomie znajduje się tylko jedna dziesięciotysięczna gęstej substancji. A co zajmuje wszystko inne? A wszystko inne w atomie to chmura elektronów.

Chmura elektroniczna nie jest substancją trwałą, a właściwie nawet materialną. Chmura elektronów to po prostu prawdopodobieństwo pojawienia się elektronów w atomie. Oznacza to, że jądro zajmuje tylko jedną dziesięciotysięczną w atomie, a reszta to pustka. A jeśli weźmiemy pod uwagę, że wszystkie otaczające nas obiekty, od drobinek kurzu po ciała niebieskie, planety i gwiazdy, zbudowane są z atomów, to okazuje się, że wszystko, co materialne, tak naprawdę składa się w ponad 99 procentach z pustki. Teoria ta wydaje się zupełnie niewiarygodna, a jej autor co najmniej mylony, bo to, co wokół istnieje, ma solidną konsystencję, ma wagę i można go dotknąć. Jak może składać się z pustki? Czy do tej teorii budowy materii wkradł się błąd? Ale nie ma tu żadnego 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 substancji chemicznych, z której składa się wszystko, co materia. Ale interesującym punktem jest to, że kiedy na przykład zmieniają się warunki temperaturowe otoczenia, wiązania między atomami, to znaczy ich przyciąganie i odpychanie, mogą zostać osłabione, 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 nadać dowolnemu kształtowi. A kiedy lód się topi, zniszczenie sieci krystalicznej prowadzi do zmiany stanu substancji, a ze stałego zamienia się w ciecz. Są to wyraźne przykłady osłabienia wiązań między atomami i w efekcie osłabienia lub zniszczenia sieci krystalicznej oraz pozwalają substancji stać się amorficzną. A powodem takich tajemniczych metamorfoz jest właśnie to, że substancje składają się tylko z jednej dziesięciotysięcznej gęstej materii, a reszta to pustka.

A substancje wydają się stałe tylko dzięki silnym wiązaniom między atomami, gdy są osłabione, substancja się zmienia. Tym samym kwantowa teoria budowy atomu pozwala nam spojrzeć na otaczający nas świat w zupełnie inny sposób.

Twórca teorii atomu, Niels Bohr, wysunął interesującą koncepcję, że elektrony w atomie nie emitują energii w sposób ciągły, lecz jedynie w momencie przejścia pomiędzy trajektoriami swojego ruchu. Teoria Bohra pomogła wyjaśnić wiele procesów wewnątrzatomowych, a także dokonała przełomu w dziedzinie nauk takich jak chemia, wyjaśniając granice tablicy stworzonej przez Mendelejewa. Według , ostatni element mogący istnieć w czasie i przestrzeni ma numer seryjny sto trzydzieści siedem, a elementy zaczynające się od stu trzydziestu ośmiu nie mogą istnieć, gdyż ich istnienie zaprzecza teorii względności. Teoria Bohra wyjaśniała także naturę takich zjawisk fizycznych, jak widma atomowe.

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

Jest jeszcze wiele rzeczy, które ludzkość musi przewrócić w swojej świadomości, aby uświadomić sobie naturę atomów i zrozumieć zasady ich zachowania i interakcji. Rozumiejąc to, będziemy w stanie zrozumieć naturę otaczającego nas świata, ponieważ wszystko, co nas otacza, od drobinek kurzu po samo słońce i my sami, wszystko składa się z atomów, których natura jest tajemnicza i niesamowita i skrywa wiele tajemnic.