A física é a teoria de tudo. Emaranhamento quântico: teoria, princípio, efeito. A física quântica não é local

A folhagem dourada das árvores brilhava intensamente. Os raios do sol da tarde tocavam os topos finos. A luz atravessou os galhos e encenou um espetáculo de figuras bizarras piscando na parede da universidade "kapterka".

O olhar pensativo de Sir Hamilton moveu-se lentamente, observando o jogo do claro-escuro. Na cabeça do matemático irlandês havia um verdadeiro caldeirão de pensamentos, ideias e conclusões. Ele estava bem ciente de que a explicação de muitos fenômenos com a ajuda da mecânica newtoniana é como o jogo de sombras na parede, entrelaçando figuras enganosamente e deixando muitas perguntas sem resposta. “Talvez seja uma onda... ou talvez seja um fluxo de partículas”, o cientista meditou, “ou a luz é uma manifestação de ambos os fenômenos. Como figuras tecidas de sombra e luz.

O início da física quântica

É interessante observar grandes pessoas e tentar entender como nascem grandes ideias que mudam o curso da evolução de toda a humanidade. Hamilton é um daqueles que estiveram nas origens da física quântica. Cinquenta anos depois, no início do século XX, muitos cientistas estavam engajados no estudo das partículas elementares. O conhecimento adquirido era inconsistente e não compilado. No entanto, os primeiros passos trêmulos foram dados.

Entendendo o micromundo no início do século 20

Em 1901, o primeiro modelo do átomo foi apresentado e sua falha foi mostrada, do ponto de vista da eletrodinâmica comum. Durante o mesmo período, Max Planck e Niels Bohr publicaram muitos trabalhos sobre a natureza do átomo. Apesar de sua compreensão completa da estrutura do átomo não existia.

Alguns anos depois, em 1905, o pouco conhecido cientista alemão Albert Einstein publicou um relatório sobre a possibilidade da existência de um quantum de luz em dois estados - onda e corpuscular (partículas). Em seu trabalho, foram apresentados argumentos explicando o motivo do fracasso do modelo. No entanto, a visão de Einstein era limitada pela antiga compreensão do modelo do átomo.

Após inúmeros trabalhos de Niels Bohr e seus colegas em 1925, uma nova direção nasceu - uma espécie de mecânica quântica. Uma expressão comum - "mecânica quântica" apareceu trinta anos depois.

O que sabemos sobre quanta e suas peculiaridades?

Hoje, a física quântica já foi longe o suficiente. Muitos fenômenos diferentes foram descobertos. Mas o que realmente sabemos? A resposta é apresentada por um cientista moderno. "Pode-se acreditar na física quântica ou não entendê-la", é a definição. Pense nisso por si mesmo. Será suficiente mencionar um fenômeno como o emaranhamento quântico de partículas. Este fenômeno mergulhou o mundo científico em uma posição de completa perplexidade. Ainda mais chocante foi que o paradoxo resultante é incompatível com Einstein.

O efeito do emaranhamento quântico de fótons foi discutido pela primeira vez em 1927 no quinto Congresso Solvay. Uma discussão acalorada surgiu entre Niels Bohr e Einstein. O paradoxo do emaranhamento quântico mudou completamente a compreensão da essência do mundo material.

Sabe-se que todos os corpos consistem em partículas elementares. Assim, todos os fenômenos da mecânica quântica são refletidos no mundo comum. Niels Bohr disse que se não olharmos para a lua, então ela não existe. Einstein considerou isso irracional e acreditava que o objeto existe independentemente do observador.

Ao estudar os problemas da mecânica quântica, deve-se entender que seus mecanismos e leis estão interligados e não obedecem à física clássica. Vamos tentar entender a área mais controversa - o emaranhamento quântico de partículas.

A teoria do entrelaçamento quântico

Para começar, vale a pena entender que a física quântica é como um poço sem fundo no qual você pode encontrar o que quiser. O fenômeno do emaranhamento quântico no início do século passado foi estudado por Einstein, Bohr, Maxwell, Boyle, Bell, Planck e muitos outros físicos. Ao longo do século XX, milhares de cientistas em todo o mundo estudaram e experimentaram ativamente.

O mundo está sujeito às leis estritas da física

Por que tanto interesse nos paradoxos da mecânica quântica? Tudo é muito simples: vivemos, obedecendo a certas leis do mundo físico. A capacidade de “ignorar” a predestinação abre uma porta mágica atrás da qual tudo se torna possível. Por exemplo, o conceito de "Gato de Schrödinger" leva ao controle da matéria. Também será possível teletransportar informações, o que causa o emaranhamento quântico. A transmissão de informações será instantânea, independente da distância.
Esta questão ainda está em estudo, mas tem uma tendência positiva.

Analogia e compreensão

O que há de único no emaranhamento quântico, como entendê-lo e o que acontece com ele? Vamos tentar descobrir. Isso exigirá algum experimento mental. Imagine que você tem duas caixas em suas mãos. Cada um deles contém uma bola com uma faixa. Agora damos uma caixa ao astronauta e ele voa para Marte. Assim que você abrir a caixa e ver que a faixa da bola é horizontal, na outra caixa a bola terá automaticamente uma faixa vertical. Este será o emaranhamento quântico expresso em palavras simples: um objeto predetermina a posição de outro.

No entanto, deve-se entender que esta é apenas uma explicação superficial. Para obter o emaranhamento quântico, é necessário que as partículas tenham a mesma origem, como gêmeos.

É muito importante entender que o experimento será interrompido se alguém antes de você tiver a oportunidade de olhar pelo menos um dos objetos.

Onde o emaranhamento quântico pode ser usado?

O princípio do emaranhamento quântico pode ser usado para transmitir informações a longas distâncias instantaneamente. Tal conclusão contradiz a teoria da relatividade de Einstein. Diz que a velocidade máxima do movimento é inerente apenas à luz - trezentos mil quilômetros por segundo. Tal transferência de informações possibilita a existência de teletransporte físico.

Tudo no mundo é informação, incluindo a matéria. Os físicos quânticos chegaram a essa conclusão. Em 2008, com base em um banco de dados teórico, foi possível ver o emaranhamento quântico a olho nu.

Isso indica mais uma vez que estamos à beira de grandes descobertas - movimento no espaço e no tempo. O tempo no Universo é discreto, então o movimento instantâneo em grandes distâncias torna possível entrar em diferentes densidades de tempo (com base nas hipóteses de Einstein, Bohr). Talvez no futuro seja uma realidade tal como o telemóvel é hoje.

Dinâmica do éter e emaranhamento quântico

De acordo com alguns cientistas importantes, o emaranhamento quântico é explicado pelo fato de que o espaço é preenchido com algum tipo de éter - matéria negra. Qualquer partícula elementar, como sabemos, existe na forma de uma onda e de um corpúsculo (partícula). Alguns cientistas acreditam que todas as partículas estão na "tela" da energia escura. Isso não é fácil de entender. Vamos tentar descobrir de outra maneira - o método de associação.

Imagine-se à beira-mar. Brisa leve e uma brisa leve. Veja as ondas? E em algum lugar ao longe, nos reflexos dos raios do sol, vê-se um veleiro.
O navio será nossa partícula elementar, e o mar será o éter (energia escura).
O mar pode estar em movimento na forma de ondas visíveis e gotas de água. Da mesma forma, todas as partículas elementares podem ser apenas um mar (sua parte integrante) ou uma partícula separada - uma gota.

Este é um exemplo simplificado, tudo é um pouco mais complicado. Partículas sem a presença de um observador estão em forma de onda e não possuem uma localização específica.

O veleiro branco é um objeto distinto, difere da superfície e estrutura da água do mar. Da mesma forma, existem "picos" no oceano de energia que podemos perceber como uma manifestação das forças conhecidas por nós que moldaram a parte material do mundo.

O micromundo vive por suas próprias leis

O princípio do emaranhamento quântico pode ser entendido se levarmos em conta o fato de que as partículas elementares estão na forma de ondas. Sem uma localização e características específicas, ambas as partículas estão em um oceano de energia. No momento em que o observador aparece, a onda “se transforma” em um objeto acessível ao toque. A segunda partícula, observando o sistema de equilíbrio, adquire propriedades opostas.

O artigo descrito não visa descrições científicas amplas do mundo quântico. A capacidade de compreender uma pessoa comum baseia-se na disponibilidade de compreensão do material apresentado.

A física das partículas elementares estuda o emaranhamento de estados quânticos com base no spin (rotação) de uma partícula elementar.

Na linguagem científica (simplificada) - o emaranhamento quântico é definido por diferentes spins. No processo de observação de objetos, os cientistas viram que apenas dois giros podem existir - ao longo e transversalmente. Curiosamente, em outras posições, as partículas não “posam” para o observador.

Nova hipótese - uma nova visão do mundo

O estudo do microcosmo - o espaço das partículas elementares - deu origem a muitas hipóteses e suposições. O efeito do emaranhamento quântico levou os cientistas a pensar na existência de algum tipo de micro-rede quântica. Na opinião deles, em cada nó - o ponto de interseção - existe um quantum. Toda energia é uma rede integral, e a manifestação e o movimento das partículas só são possíveis através dos nós da rede.

O tamanho da "janela" de tal grade é bastante pequeno e a medição com equipamentos modernos é impossível. No entanto, para confirmar ou refutar essa hipótese, os cientistas decidiram estudar o movimento dos fótons em uma rede quântica espacial. A linha inferior é que um fóton pode se mover em linha reta ou em ziguezagues - ao longo da diagonal da rede. No segundo caso, tendo superado uma distância maior, ele gastará mais energia. Consequentemente, será diferente de um fóton movendo-se em linha reta.

Talvez, com o tempo, aprendamos que vivemos em uma grade quântica espacial. Ou pode dar errado. No entanto, é o princípio do emaranhamento quântico que indica a possibilidade da existência de uma rede.

Em termos simples, em um “cubo” espacial hipotético, a definição de uma faceta carrega consigo um claro significado oposto da outra. Este é o princípio de preservação da estrutura do espaço - tempo.

Epílogo

Para entender o mundo mágico e misterioso da física quântica, vale a pena dar uma olhada no desenvolvimento da ciência nos últimos quinhentos anos. Antigamente a Terra era plana, não esférica. A razão é óbvia: se você tomar sua forma redonda, a água e as pessoas não serão capazes de resistir.

Como podemos ver, o problema existia na ausência de uma visão completa de todas as forças atuantes. É possível que a ciência moderna não tenha uma visão de todas as forças atuantes para entender a física quântica. As lacunas de visão dão origem a um sistema de contradições e paradoxos. Talvez o mundo mágico da mecânica quântica contenha as respostas para as questões colocadas.

Este texto apresenta novos resultados no campo da neurologia e a solução de muitos problemas não resolvidos em física. Não trata de questões metafísicas e se baseia em dados cientificamente verificáveis, mas aborda temas filosóficos relacionados à vida, à morte e à origem do universo.
Dada a estratificação e saturação das informações, pode ser necessário lê-las várias vezes para entender, apesar de nossos esforços, simplificar conceitos científicos complexos.



Capítulo 1
Deus está nos neurônios







O cérebro humano é uma rede de aproximadamente cem bilhões de neurônios. Sensações diferentes formam conexões neurais que reproduzem emoções diferentes. Dependendo da estimulação dos neurônios, algumas conexões se tornam mais fortes e eficazes, enquanto outras enfraquecem. É chamado neuroplasticidade.

Um estudante de música cria conexões neurais mais fortes entre os dois hemisférios do cérebro para desenvolver a criatividade musical. Quase qualquer talento ou habilidade pode ser desenvolvido por meio de treinamento.

Rudiger Gamm se considerava um estudante sem esperança e não conseguia lidar nem com matemática elementar. Ele começou a desenvolver suas habilidades e se transformou em uma calculadora humana, capaz de cálculos extremamente complexos. A racionalidade e a estabilidade emocional funcionam da mesma maneira. As conexões nervosas podem ser fortalecidas.

Quando você faz alguma coisa, você está mudando fisicamente seu cérebro para alcançar melhores resultados. Por ser o mecanismo principal e básico do cérebro, a autoconsciência pode enriquecer muito nossa experiência de vida.



neurociência social



Neurônios e neurotransmissores especiais, como a norepinefrina, acionam um mecanismo de defesa quando sentimos que nossos pensamentos precisam ser protegidos de influências externas. Se a opinião de alguém for diferente da nossa, entram no cérebro as mesmas substâncias químicas que garantem nossa sobrevivência em situações perigosas.








Nesse estado de proteção, mais parte primitiva do cérebro interfere com o pensamento racional, e sistema límbico pode bloquear nossa memória de trabalho, causando fisicamente "limitações de pensamento".

Isso pode ser visto quando o bullying, ou ao jogar poker, ou quando alguém é teimoso em uma discussão.

Por mais valiosa que seja a ideia, nesse estado o cérebro não é capaz de processá-la. Em um nível neural, ele percebe isso como uma ameaça, mesmo que sejam opiniões ou fatos inofensivos com os quais poderíamos concordar.

Mas quando nos expressamos e nossos pontos de vista são apreciados, o nível de substâncias protetoras no cérebro diminui e a transferência de dopamina ativa os neurônios de recompensa e sentimos nossa força e confiança. Nossas crenças afetam significativamente a química do nosso corpo. É nisso que se baseia o efeito placebo. A autoestima e a autoconfiança estão ligadas ao neurotransmissor serotonina.

A deficiência grave geralmente leva à depressão, comportamento autodestrutivo e até suicídio. Quando a sociedade nos aprecia, aumenta os níveis de dopamina e serotonina no cérebro e nos permite liberar a fixação emocional e aumentar nosso nível de autoconsciência.



Neurônios espelho e consciência



A psicologia social muitas vezes aborda a necessidade humana básica de "encontrar seu lugar" e chama isso de "influência social normativa". À medida que envelhecemos, nossa bússola moral e ética é quase inteiramente moldada pelo nosso ambiente externo. Assim, nossas ações são muitas vezes baseadas em como a sociedade nos avalia.








Mas novas descobertas na neurociência estão nos dando uma compreensão mais clara da cultura e da individualidade. Novas pesquisas neurológicas confirmaram a existência de neurônios-espelho empáticos.

Quando experimentamos emoções ou realizamos ações, certos neurônios disparam. Mas quando vemos alguém fazendo ou imaginando, muitos dos mesmos neurônios disparam como se estivéssemos fazendo isso nós mesmos. Esses neurônios empáticos nos conectam a outras pessoas e nos permitem sentir o que os outros sentem.

Como esses mesmos neurônios respondem à nossa imaginação, recebemos feedback emocional deles da mesma forma que de outra pessoa. Este sistema nos dá a possibilidade de introspecção.

Os neurônios-espelho não discriminam entre si e os outros. Portanto, somos tão dependentes da avaliação dos outros e do desejo de cumprir.

Estamos constantemente sujeitos à dualidade entre como nos vemos e como os outros nos percebem. Pode interferir na nossa individualidade e autoestima.






As varreduras do cérebro mostram que experimentamos essas emoções negativas antes mesmo de estarmos cientes delas. Mas quando somos autoconscientes, podemos mudar as emoções erradas porque podemos controlar os pensamentos que as causam.

Esta é uma consequência neuroquímica de como as memórias desaparecem e como elas são restauradas através da síntese de proteínas.

A introspecção afeta muito o funcionamento do cérebro, ativando áreas neocorticais de autorregulação que nos permitem controlar claramente nossos próprios sentimentos. Sempre que fazemos isso, nossa racionalidade e estabilidade emocional são aprimoradas. Sem autocontrole, a maioria de nossos pensamentos e ações são impulsivos, e o fato de reagirmos aleatoriamente e não fazermos uma escolha consciente,

instintivamente nos incomoda.






Para eliminar isso, o cérebro procura justificar nosso comportamento e reescreve fisicamente as memórias por meio da reconsolidação da memória, fazendo-nos acreditar que estávamos no controle de nossas ações. Isso é chamado de racionalização retrospectiva, que deixa a maioria de nossas emoções negativas não resolvidas, e elas podem explodir a qualquer momento. Eles alimentam o desconforto interior enquanto o cérebro continua a justificar nosso comportamento irracional. Todo esse comportamento complexo e quase esquizofrênico do subconsciente é obra de vastos sistemas paralelos distribuídos em nosso cérebro.



A consciência não tem um centro definido. A aparente unidade se deve ao fato de que cada circuito individual é ativado e se manifesta em um determinado momento no tempo. Nossa experiência está constantemente mudando nossas conexões neurais, mudando fisicamente o sistema paralelo de nossa consciência. Intervir diretamente nisso pode ter efeitos surreais, o que levanta a questão do que é a consciência e onde ela está localizada.



Se o hemisfério esquerdo do cérebro estiver separado do hemisfério direito, como no caso de pacientes que sofreram uma divisão cerebral, você manterá a capacidade de falar e pensar com a ajuda do hemisfério esquerdo, enquanto as habilidades cognitivas do cérebro hemisfério direito será severamente limitado. O hemisfério esquerdo não sofrerá com a ausência do direito, embora isso mude seriamente sua percepção.

Por exemplo, você não será capaz de descrever o lado direito do rosto de alguém, mas notará isso, não verá isso como um problema e nem perceberá que algo mudou. Como isso afeta não apenas sua percepção do mundo real, mas também suas imagens mentais, isso não é apenas um problema de percepção, mas uma mudança fundamental na consciência.



Deus está nos neurônios



Cada neurônio tem uma voltagem elétrica que muda quando os íons

entrar ou sair da célula. Quando a voltagem atinge um determinado nível, o neurônio envia um sinal elétrico para outras células, onde o processo se repete.

Quando muitos neurônios emitem um sinal ao mesmo tempo, podemos medi-lo como uma onda.

As ondas cerebrais são responsáveis ​​por quase tudo o que acontece em nosso cérebro, incluindo memória, atenção e até inteligência.

As oscilações de diferentes frequências são classificadas como ondas alfa, beta e gama. Cada tipo de onda está associado a diferentes tarefas. As ondas permitem que as células cerebrais sintonizem a frequência apropriada para a tarefa, ignorando sinais estranhos.

Assim como um rádio sintoniza uma estação de rádio. A transferência de informações entre os neurônios torna-se ótima quando sua atividade é sincronizada.

É por isso que experimentamos a dissonância cognitiva - irritação causada por duas ideias incompatíveis. Vontade é o desejo de reduzir a dissonância entre cada um dos circuitos neurais ativos.



A evolução pode ser vista como o mesmo processo onde a natureza tenta se adaptar, ou seja, “ressoar” com o meio ambiente. Então ela se desenvolveu até o nível em que ganhou autoconsciência e começou a pensar sobre sua própria existência.

Quando uma pessoa se depara com o paradoxo de lutar por um objetivo e pensar que a existência não tem sentido, ocorre a dissonância cognitiva.






Por isso, muitas pessoas se voltam para a espiritualidade e a religião, rejeitando a ciência, que não é capaz de responder às questões existenciais: quem sou eu? e para que eu sirvo?



EU...



“Os neurônios-espelho não discriminam entre si e os outros. „

O hemisfério esquerdo é o grande responsável pela criação de um sistema de crenças coerente que mantém um senso de continuidade em nossas vidas.

A nova experiência é comparada com o sistema de crenças existente e, se não se encaixa nele, é simplesmente rejeitada. O equilíbrio é desempenhado pelo hemisfério direito do cérebro, que desempenha o papel oposto.



Enquanto o hemisfério esquerdo se esforça para manter o padrão, o hemisfério direito continuamente

questiona o status quo. Se as discrepâncias são muito grandes, o hemisfério direito nos força a reconsiderar nossa visão de mundo. Mas se nossas crenças são muito fortes, o cérebro direito pode não superar nossa rejeição. Isso pode criar grande dificuldade em refletir os outros.

Quando as conexões neurais que determinam nossas crenças não estão desenvolvidas ou ativas, nossa consciência, a unidade de todos os circuitos ativos, está repleta de atividade de neurônios-espelho, assim como quando estamos com fome, nossa consciência está repleta de processos neuronais associados à nutrição.



Este não é o resultado do "eu" central emitindo comandos para diferentes áreas do cérebro.

Todas as partes do cérebro podem estar ativas ou inativas e interagir sem um núcleo central. Assim como os pixels em uma tela podem formar uma imagem reconhecível, um grupo de interações neurais pode se expressar como consciência.

A qualquer momento somos uma imagem diferente. Quando refletimos os outros, quando estamos com fome, quando assistimos a esse filme. A cada segundo nos tornamos uma pessoa diferente, passando por diferentes estados.

Quando nos olhamos através dos neurônios-espelho, criamos a ideia de individualidade.

Mas quando fazemos isso com conhecimento científico, vemos algo completamente diferente.






As interações neurais que criam nossa consciência se estendem muito além de nossos neurônios. Somos o resultado de interações eletroquímicas entre os hemisférios do cérebro e nossos sentidos, conectando nossos neurônios com outros neurônios em nosso ambiente. Não há nada externo. Esta não é uma filosofia hipotética, esta é a propriedade básica dos neurônios-espelho que nos permite entender a nós mesmos através dos outros.



Considerar essa atividade neural como própria, com exclusão do ambiente, seria errado. A evolução também reflete nosso lado do superorganismo, onde nossa sobrevivência, como primatas, dependia de habilidades coletivas.

Com o tempo, as regiões neocorticais evoluíram para permitir a mudança instintiva e a supressão de impulsos hedonistas em benefício do grupo. Nossos genes começaram a desenvolver comportamento social mútuo nas estruturas de um superorganismo, abandonando assim a ideia de “sobrevivência do mais apto”.



O cérebro funciona com mais eficiência quando não há dissonância entre as áreas avançadas do cérebro e as mais antigas e primitivas. O que chamamos de "tendências egoístas" é apenas uma interpretação limitada do comportamento egoísta, quando as características de uma pessoa são percebidas através de um paradigma incorreto de individualidade...

… em vez de uma visão científica de quem somos, uma imagem instantânea e em constante mudança

um todo sem centro.



A consequência psicológica desse sistema de crenças é a autoconsciência sem referência ao "eu" imaginário, o que leva a uma maior clareza mental, consciência social, autocontrole e o que muitas vezes é chamado de "estar aqui e agora".






Há uma opinião de que precisamos da história, uma visão cronológica de nossas vidas, para formar valores morais.

Mas nossa compreensão atual da natureza empática e social do cérebro mostra que uma visão puramente científica, sem referência à individualidade e "história", fornece um sistema de conceitos muito mais preciso, construtivo e ético do que nossos valores díspares.



Isso é lógico porque nossa tendência normal de nos definirmos como uma constante individual imaginária leva o cérebro a distúrbios cognitivos, como estereótipos intrusivos e a necessidade de definir expectativas.






O desejo de classificar está no centro de todas as nossas formas de interação. Mas ao classificar o ego como interno e o ambiente como externo, limitamos nossos próprios processos neuroquímicos e experimentamos uma aparente sensação de desconexão.

O crescimento pessoal e seus efeitos colaterais como felicidade e satisfação são estimulados quando não somos estereotipados em nossas interações.



Podemos ter opiniões diferentes e discordar uns dos outros, mas as interações que nos aceitam como somos sem julgamento tornam-se catalisadores neuropsicológicos que estimulam o cérebro.

aceitar os outros e aceitar sistemas de crença racionalmente demonstráveis ​​sem dissonância cognitiva.

Estimular essa atividade e interação neural libera a necessidade de distrações e entretenimento e cria ciclos de comportamento construtivo em nosso ambiente. Os sociólogos descobriram que fenômenos como fumar e comer demais, emoções e ideias são distribuídos na sociedade da mesma forma que os sinais elétricos dos neurônios são transmitidos quando sua atividade é sincronizada.






Somos uma rede global de reações neuroquímicas. Um ciclo auto-evolutivo de valorização e reconhecimento, sustentado por decisões diárias, é a reação em cadeia que, em última análise, determina nossa capacidade coletiva de superar divisões aparentes e olhar a vida em sua estrutura universal.

Capítulo 2
estrutura universal



Durante a pesquisa de Chiren, fiz uma revisão simplista, mas abrangente, de seus resultados atuais.

Esta é uma das interpretações do trabalho de unificação física quântica e a teoria da relatividade.

Este tópico é complexo e pode ser difícil de entender. Ele também contém algumas conclusões filosóficas que serão abordadas no epílogo.



Ao longo do século passado, houve muitas conquistas surpreendentes que levaram a uma mudança no sistema científico de compreensão do mundo. A teoria da relatividade de Einstein mostrou que tempo e espaço formam um único tecido. MAS Niels Bohr revelou os componentes básicos da matéria, graças à física quântica - um campo que existe apenas como uma "descrição física abstrata".








Depois disso, Louis de Broglie descobriu que toda a matéria, não apenas fótons e elétrons, tem uma dualidade onda-partícula . Isso levou ao surgimento de novas escolas de pensamento sobre a natureza da realidade, bem como teorias metafísicas e pseudocientíficas populares.

Por exemplo, que a mente humana pode controlar o universo através do pensamento positivo. Essas teorias são atraentes, mas não são verificáveis ​​e podem atrapalhar o progresso científico.



As leis da relatividade especial e geral de Einstein são usadas na tecnologia moderna, como os satélites GPS, onde a precisão dos cálculos pode se desviar em mais de 10 km por dia, se efeitos como a dilatação do tempo não forem levados em consideração. Ou seja, para um relógio em movimento, o tempo passa mais devagar do que para um estacionário.








Outros efeitos da relatividade são a contração do comprimento para objetos em movimento e a relatividade da simultaneidade, o que torna impossível dizer com certeza que dois eventos ocorrem ao mesmo tempo se estiverem separados no espaço.

Nada se move mais rápido que a velocidade da luz. Isso significa que, se um tubo de 10 segundos-luz de comprimento for empurrado para frente, 10 segundos se passarão antes que a ação ocorra do outro lado. Sem um intervalo de tempo de 10 segundos, o pipe não existe em sua totalidade.

A questão não está nas limitações de nossas observações, mas em uma consequência direta da teoria da relatividade, onde tempo e espaço estão interligados, e um não pode existir sem o outro.

A física quântica fornece uma descrição matemática de muitas questões da dualidade onda-partícula e da interação de energia e matéria. Ela difere da física clássica principalmente no nível atômico e subatômico. Essas formulações matemáticas são abstratas e suas deduções muitas vezes não são intuitivas.



Um quantum é a menor unidade de qualquer entidade física envolvida em uma interação. Partículas elementares são os componentes básicos do universo. Estas são as partículas que compõem todas as outras partículas. Na física clássica, sempre podemos dividir um objeto em partes menores; na física quântica, isso é impossível.

Portanto, o mundo quântico é um conjunto de fenômenos únicos que são inexplicáveis ​​de acordo com as leis clássicas. Por exemplo, emaranhamento quântico, efeito fotoelétrico , espalhamento Compton e muito mais.








O mundo quântico tem muitas interpretações incomuns. Entre as mais reconhecidas estão a Interpretação de Copenhague e a Interpretação dos Muitos Mundos. Atualmente, interpretações alternativas como o "universo holográfico" estão ganhando força.



equações de Broglie



Embora a física quântica e as leis da relatividade de Einstein sejam igualmente essenciais para a compreensão científica do universo, existem muitos problemas científicos não resolvidos e nenhuma teoria unificadora ainda.

Algumas das questões atuais são: Por que há mais matéria observável no universo do que antimatéria? Qual é a natureza do eixo do tempo? Qual é a origem da massa?

Uma das pistas mais importantes para esses problemas são as equações de de Broglie, pelas quais ele recebeu o Prêmio Nobel de Física.

Esta fórmula mostra que toda a matéria tem dualismo corpuscular-onda, ou seja, em alguns casos se comporta como uma onda e em outros - como uma partícula. A fórmula combina a equação de Einstein E = mc^2 com a natureza quântica da energia.



Evidências experimentais incluem a interferência de moléculas de fulereno C60 no experimento de dupla fenda. O fato de nossa própria consciência ser composta de partículas quânticas é objeto de inúmeras teorias místicas.



E embora a relação entre a mecânica quântica e a consciência não seja tão mágica quanto os filmes e livros esotéricos afirmam, as implicações são bastante sérias.

Como as equações de de Broglie se aplicam a toda a matéria, podemos dizer que C = hf, onde C é a consciência, h é a constante de Planck e f é a frequência. "C" é responsável pelo que percebemos como "agora", quântico, ou seja , a unidade mínima de interação.

A soma de todos os momentos "C" até o momento atual é o que molda nossa visão da vida. Esta não é uma afirmação filosófica ou teórica, mas uma consequência direta da natureza quântica de toda matéria e energia.

A fórmula mostra que a vida e a morte são agregados abstratos "C".

Outra consequência das equações de Broglie é que a taxa de oscilação da matéria ou energia e seu comportamento como onda ou partícula depende da frequência do referencial.

A frequência aumenta devido à correlação da velocidade com outras e leva a fenômenos como a dilatação do tempo.

A razão para isso é que a percepção do tempo não muda em relação ao referencial, onde espaço e tempo são propriedades dos quanta, e não vice-versa.



Antimatéria e tempo imperturbável



O Grande Colisor de Hádrons. Suíça

Antipartículas são criadas em todos os lugares do universo onde ocorrem colisões de alta energia entre partículas. Este processo é modelado artificialmente em aceleradores de partículas.

Ao mesmo tempo que a matéria, a antimatéria também é criada. Assim, a falta de antimatéria no universo ainda é um dos maiores problemas não resolvidos da física.

Ao prender antipartículas em campos eletromagnéticos, podemos explorar suas propriedades. Os estados quânticos de partículas e antipartículas são mutuamente intercambiáveis ​​se os operadores de conjugação de carga ©, paridade (P) e reversão de tempo (T) forem aplicados a eles.

Ou seja, se um físico, constituído de antimatéria, realizar experimentos em laboratório, também de antimatéria, usando compostos químicos e substâncias constituídas por antipartículas, ele obterá exatamente os mesmos resultados que sua contraparte "real". Mas se eles se combinarem, haverá uma enorme liberação de energia proporcional à sua massa.

Recentemente, o Fermi Labs descobriu que quanta como os mésons se movem da matéria para a antimatéria e vice-versa a uma taxa de três trilhões de vezes por segundo.

Considerando o universo no referencial quântico "C", é necessário levar em conta todos os resultados experimentais aplicáveis ​​aos quanta. Incluindo como matéria e antimatéria são criadas em aceleradores de partículas e como os mésons passam de um estado para outro.



Para C, isso tem sérias implicações. Do ponto de vista quântico, cada instante de "C" tem um anti-C. Isso explica a falta de simetria, ou seja, antimatéria, no universo e também está relacionado à escolha arbitrária de emissor e absorvedor na teoria de absorção de Wheeler-Feynman.

O tempo não perturbado T no princípio da incerteza é o tempo ou ciclo necessário para a existência de quanta.

Assim como no caso dos mésons, o limite de nossa percepção pessoal do tempo, ou seja, o alcance do momento atual, é a transição de "C" para "anti-C". Este momento de auto-aniquilação e sua interpretação de "C" estão incluídos no quadro do eixo abstrato do tempo.



Se definirmos a interação e considerarmos as propriedades básicas da dualidade onda-partícula do quantum, todas as interações consistem em interferência e ressonância.

Mas como isso não é suficiente para explicar as forças fundamentais, modelos diferentes devem ser usados. Isso inclui o Modelo Padrão, que medeia entre a dinâmica de partículas subatômicas conhecidas através de portadores de força, e a relatividade geral, que descreve fenômenos macroscópicos, como órbitas planetárias que seguem uma elipse no espaço e espirais no espaço-tempo. Mas o modelo de Einstein não se aplica ao nível quântico, e o Modelo Padrão precisa de portadores de força adicionais para explicar a origem da massa. Combinando dois modelos ou Teoria de tudo

tem sido objeto de muitos estudos ainda sem sucesso.



Teoria de tudo



A mecânica quântica são descrições puramente matemáticas cujas implicações práticas muitas vezes contradizem a intuição. Conceitos clássicos como comprimento, tempo, massa e energia podem ser descritos de forma semelhante.

Com base nas equações de de Broglie, podemos substituir esses conceitos por vetores abstratos. Essa abordagem probabilística dos principais conceitos existentes na física permite combinar a mecânica quântica com a teoria da relatividade de Einstein.



As equações de De Broglie mostram que todos os referenciais são quânticos, incluindo toda matéria e energia. Os aceleradores de partículas mostraram que matéria e antimatéria são sempre criadas ao mesmo tempo.

O paradoxo de como a realidade emerge de componentes abstratos que se cancelam pode ser explicado usando quanta como um quadro de referência.

Simplificando, devemos olhar as coisas através dos olhos de um fóton. O quadro de referência é sempre quântico e determina como o espaço-tempo é quantizado.

Quando um sistema "aumenta" ou "diminui", a mesma coisa acontece com o espaço-tempo. Na mecânica quântica, isso é descrito matematicamente como a amplitude de probabilidade da função de onda e, na teoria de Einstein, como dilatação do tempo e contração do comprimento.

Para um referencial quântico, massa e energia só podem ser definidas como probabilidades abstratas ou, para ser mais específico e criar um fundamento matemático, como vetores que só existem quando assumimos um eixo do tempo. Eles podem ser definidos como interferência ou ressonância com um quadro de referência que define a unidade mínima ou constante espaço-tempo "c", equivalente à constante de Planck na mecânica quântica.

Experimentos mostram que a conversão de matéria em energia através de antimatéria gera raios gama com momento oposto. O que parece ser uma transformação é uma relação entre vetores opostos, interpretados como distância e tempo, matéria e antimatéria, massa e energia, ou interferência e ressonância dentro do eixo abstrato do tempo "C".

A soma dos vetores opostos é sempre zero. Isso é o que causa a simetria ou as leis de conservação na física, ou por que na velocidade "c" o tempo e o espaço são zero devido à contração do comprimento e à dilatação do tempo. Uma consequência disso é o Princípio da Incerteza de Heisenberg, que afirma que alguns pares de propriedades físicas, como posição e momento, não podem ser conhecidos simultaneamente com alta precisão.



Em certo sentido, uma partícula individual é seu próprio campo. Isso não explica nosso senso de continuidade, onde "C" se destrói dentro de seu próprio alcance exigido. Mas quando esses vetores são exponencialmente impulsionados ou acelerados em torno e dentro do eixo do tempo, os algoritmos matemáticos subjacentes que descrevem as forças fundamentais podem dar origem a uma realidade contínua.

de componentes abstratos.

Portanto, as equações do movimento harmônico são usadas em muitas áreas da física que lidam com fenômenos periódicos, como mecânica quântica e eletrodinâmica. E assim o princípio de equivalência de Einstein, do qual o modelo espaço-tempo é derivado, afirma que não há diferença entre gravidade e aceleração.

Porque a gravidade é uma força apenas quando considerada em um referencial oscilante.

Isso é ilustrado pela espiral logarítmica, que se reduz a uma espiral helicoidal no referencial, fazendo com que os objetos girem e se movam em órbitas. Por exemplo, duas maçãs em crescimento em um quadro de referência crescente parecem estar se atraindo, enquanto o tamanho parece ser o mesmo.

O oposto ocorre com a interferência. Simplificando, o aumento ou diminuição do tamanho dos objetos à medida que nos aproximamos ou nos afastamos é determinado pela mudança no quadro de referência, como um rádio que sintoniza diferentes ondas para captar uma estação de rádio.



Isso também se aplica à gravidade. De fato, independentemente de qualquer quadro de referência, não existem forças fundamentais. Todas as interações em nossa continuidade abstrata podem ser descritas matematicamente em termos de interferência e ressonância, se a unidade mínima ou quantum sempre mutável e oscilante for levada em conta.

A prova experimental inclui um efeito invisível no Modelo Padrão onde vemos a ação das forças, mas não os portadores da força.



superposição quântica



A continuidade da realidade não exige que os quanta tenham uma sequência no tempo. Um quantum não é sujeito de nenhum conceito de espaço e tempo e pode ocupar simultaneamente todos os seus possíveis estados quânticos. Isso é chamado de superposição quântica e é demonstrado, por exemplo, no experimento da fenda dupla ou teletransporte quântico, onde cada elétron no universo pode ser o mesmo elétron. O único requisito para um eixo de tempo abstrato e continuidade consistente da realidade é um algoritmo para descrever um modelo ou uma sequência abstrata de vetores.

Como essa continuidade determina nossa capacidade de autoconsciência, ela nos sujeita às suas consequências matemáticas - as leis fundamentais da física.

A interação é apenas uma interpretação de um modelo abstrato. É por isso que a mecânica quântica fornece apenas descrições matemáticas - ela só pode descrever padrões dentro de probabilidades infinitas.

Quando a probabilidade é expressa como "C", a informação necessária para descrever o momento atual, ou a faixa probabilística "C", também incorpora o eixo do tempo. A natureza do eixo do tempo é uma das maiores questões não resolvidas da física, o que levou a muitas novas interpretações populares.

Por exemplo, o princípio holográfico - parte da gravidade quântica e da teoria das cordas - sugere que todo o universo pode ser visto apenas como uma estrutura de informação bidimensional.



Tempo



Tradicionalmente, associamos o conceito de eixo do tempo à sequência de eventos que vivenciamos por meio de uma sequência de memórias de curto e longo prazo. Só podemos ter lembranças do passado, não do futuro, e sempre assumimos que isso reflete a passagem do tempo.

Os cientistas começaram a duvidar dessa lógica apenas quando descobertas em mecânica quântica demonstraram que alguns fenômenos não estão relacionados ao nosso conceito de tempo e que nosso conceito de tempo é apenas uma percepção de mudanças em parâmetros observáveis.

Isso também se reflete na dilatação do tempo e na contração do comprimento, que é uma das razões pelas quais Einstein estabeleceu que tempo e espaço são um único tecido.

Em sentido absoluto, o conceito de tempo não é diferente do conceito de distância.

Segundos são iguais a segundos-luz, mas mutuamente exclusivos. Simplificando: como distância e tempo são opostos, a passagem do tempo pode ser interpretada como a distância percorrida pelos ponteiros de um relógio, pois eles se movem na direção oposta do tempo.

Ao avançar na distância, eles estão realmente se movendo para trás no que é chamado de tempo. É por isso que cada unidade mínima de experiência é imediatamente absorvida no eterno agora.

Essa interpretação elimina o desacordo entre o colapso da função de onda e a decoerência quântica. Conceitos como "vida" e "morte" são construções puramente intelectuais. E qualquer raciocínio religioso sobre a vida após a morte ocorrendo em um mundo que não está sujeito às leis matemáticas dessa realidade também é fictício.



Outra consequência importante é que a teoria do Big Bang, onde o universo se origina de um ponto, é um mal-entendido. A visão tradicional do espaço-tempo, onde o espaço é tridimensional e o tempo desempenha o papel da quarta dimensão, está errada. Se quisermos estudar a origem do universo, devemos olhar para frente, pois o vetor de tempo "C" é oposto ao vetor de distância a partir do qual percebemos o universo em expansão. Embora este mapa temporal do universo dê apenas conceitos abstratos sem levar em conta sua base quântica.



A evidência experimental inclui a aceleração da expansão do universo, bem como a métrica inversa ou regressiva dos buracos negros, e muitos problemas associados à

com a teoria do Big Bang, por exemplo, o problema do horizonte.



Consequências neurológicas



Essas inferências podem levantar questões sobre o livre-arbítrio, pois parece que em nossa percepção do tempo vem primeiro a ação e depois a consciência.

A maioria das pesquisas que lançam luz sobre essa questão mostra que a ação realmente ocorre antes de ser realizada. Mas o ponto de vista determinista baseia-se em uma concepção errônea do tempo, como mostram as descrições matemáticas da probabilidade na mecânica quântica.



Essas interpretações serão importantes para futuras pesquisas neurológicas, pois mostram que qualquer circuito neural é um vetor que determina dissonância cognitiva e interferência ou ressonância em "C". A capacidade de entender e mudar conscientemente esses vetores, adquiridos ao longo de bilhões de anos de evolução, confirma a importância de nossos sistemas de crenças na expansão de nossa consciência e como eles afetam nossa memória de trabalho, responsável por nossa capacidade de fazer conexões e por os processos neurais que formam o significado. Também explica que a consciência artificial exigiria uma rede

processadores independentes, em vez de uma sequência linear de algoritmos complexos.



Interpretação limitada



Athene Unified Theory é uma solução que combina física quântica e relatividade. Embora responda a muitas das questões de física listadas aqui, esta é minha interpretação limitada dos primeiros meses de sua pesquisa científica.

Independentemente do resultado, é claro que entramos em uma era em que a ciência está aberta a todos. E se mantivermos a internet acessível e neutra, podemos testar a validade de nossas ideias, desenvolver nossa imaginação criando novos relacionamentos e continuar desenvolvendo nossa compreensão.

universo e mente.



Epílogo



Na mecânica quântica, aprendemos a ter uma abordagem diferente da realidade e ver tudo como probabilidades em vez de certezas. Em um sentido matemático, tudo é possível.

Tanto na ciência quanto em nossas vidas diárias, nossa capacidade de calcular ou adivinhar probabilidades é determinada por nossa capacidade intelectual de reconhecer padrões.

Quanto mais abertos somos, mais claramente podemos ver esses padrões e basear nossas ações em probabilidades razoáveis.

Como é da própria natureza de nosso hemisfério esquerdo rejeitar ideias que não se encaixam em nossas visões atuais, quanto mais apegados estivermos às nossas crenças, menos capazes seremos de fazer escolhas conscientes por nós mesmos. Mas controlando esse processo, expandimos nossa autoconsciência e aumentamos nosso livre arbítrio.

Dizem que a sabedoria vem com a idade. Mas com abertura e ceticismo - princípios científicos fundamentais - não precisamos de décadas de tentativa e erro para determinar quais de nossas crenças podem estar erradas.

A questão não é se nossas crenças são verdadeiras ou não, mas se nosso apego emocional a elas fará bem ou mal.



O livre arbítrio não existe enquanto estivermos emocionalmente ligados a um sistema de crenças. Uma vez que tenhamos autoconsciência suficiente para entender isso, podemos trabalhar juntos para entender as probabilidades do que realmente nos beneficiará mais.

“O desenvolvimento da mecânica quântica submeteu nossas visões científicas clássicas a críticas sem precedentes. A autoconsciência e a vontade de revisar nossas hipóteses, que estão constantemente sendo testadas pela ciência e pela humanidade, determinarão o grau em que alcançamos uma compreensão mais profunda da mente e do universo.

Acho que é seguro dizer que ninguém entende a mecânica quântica.

Físico Richard Feynman

Não é exagero dizer que a invenção dos dispositivos semicondutores foi uma revolução. Não é apenas uma conquista tecnológica impressionante, mas também abriu caminho para eventos que mudarão a sociedade moderna para sempre. Dispositivos semicondutores são usados ​​em todos os tipos de dispositivos microeletrônicos, incluindo computadores, certos tipos de equipamentos médicos de diagnóstico e tratamento e dispositivos de telecomunicações populares.

Mas por trás dessa revolução tecnológica está ainda mais, uma revolução na ciência geral: o campo teoria quântica. Sem esse salto na compreensão do mundo natural, o desenvolvimento de dispositivos semicondutores (e dispositivos eletrônicos mais avançados em desenvolvimento) nunca teria sido bem-sucedido. A física quântica é um ramo incrivelmente complexo da ciência. Este capítulo fornece apenas uma breve visão geral. Quando cientistas como Feynman dizem "ninguém entende [isso]", você pode ter certeza de que esse é um tópico realmente difícil. Sem uma compreensão básica da física quântica, ou pelo menos uma compreensão das descobertas científicas que levaram ao seu desenvolvimento, é impossível entender como e por que os dispositivos eletrônicos semicondutores funcionam. A maioria dos livros didáticos de eletrônica tenta explicar os semicondutores em termos de "física clássica", tornando-os ainda mais confusos de entender como resultado.

Muitos de nós já vimos diagramas de modelos atômicos que se parecem com a imagem abaixo.

Átomo de Rutherford: elétrons negativos giram em torno de um pequeno núcleo positivo

Pequenas partículas de matéria chamadas prótons e nêutrons, compõem o centro do átomo; elétrons giram como planetas em torno de uma estrela. O núcleo carrega uma carga elétrica positiva devido à presença de prótons (os nêutrons não têm carga elétrica), enquanto a carga negativa de equilíbrio de um átomo reside nos elétrons em órbita. Elétrons negativos são atraídos por prótons positivos como os planetas são atraídos pelo Sol, mas as órbitas são estáveis ​​devido ao movimento dos elétrons. Devemos esse modelo popular do átomo ao trabalho de Ernest Rutherford, que determinou experimentalmente por volta de 1911 que as cargas positivas dos átomos estão concentradas em um núcleo minúsculo e denso, e não distribuídas uniformemente ao longo do diâmetro, como o explorador J. J. Thomson havia assumido anteriormente. .

O experimento de espalhamento de Rutherford consiste em bombardear uma fina folha de ouro com partículas alfa carregadas positivamente, conforme mostrado na figura abaixo. Os jovens estudantes de pós-graduação H. Geiger e E. Marsden obtiveram resultados inesperados. A trajetória de algumas partículas alfa foi desviada por um grande ângulo. Algumas partículas alfa foram espalhadas para trás, em um ângulo de quase 180°. A maioria das partículas passou pela folha de ouro sem alterar sua trajetória, como se não houvesse nenhuma folha. O fato de várias partículas alfa apresentarem grandes desvios em sua trajetória indica a presença de núcleos com pequena carga positiva.

Espalhamento Rutherford: um feixe de partículas alfa é espalhado por uma fina folha de ouro

Embora o modelo do átomo de Rutherford fosse apoiado por dados experimentais melhores do que o de Thomson, ainda era imperfeito. Outras tentativas foram feitas para determinar a estrutura do átomo, e esses esforços ajudaram a preparar o caminho para as estranhas descobertas da física quântica. Hoje nossa compreensão do átomo é um pouco mais complexa. No entanto, apesar da revolução da física quântica e de sua contribuição para nossa compreensão da estrutura do átomo, a representação de Rutherford do sistema solar como a estrutura de um átomo se enraizou na consciência popular na medida em que persiste nos campos da educação. mesmo que seja mal colocado.

Considere esta breve descrição dos elétrons em um átomo, tirada de um livro popular de eletrônica:

Os elétrons negativos giratórios são atraídos para o núcleo positivo, o que nos leva à questão de por que os elétrons não voam para o núcleo do átomo. A resposta é que os elétrons em rotação permanecem em sua órbita estável devido a duas forças iguais, mas opostas. A força centrífuga que atua sobre os elétrons é direcionada para fora, e a força atrativa das cargas está tentando puxar os elétrons em direção ao núcleo.

De acordo com o modelo de Rutherford, o autor considera os elétrons como pedaços sólidos de matéria ocupando órbitas redondas, sua atração para dentro do núcleo de carga oposta é equilibrada por seu movimento. O uso do termo "força centrífuga" é tecnicamente incorreto (mesmo para planetas em órbita), mas isso é facilmente perdoado devido à aceitação popular do modelo: na verdade, não existe força, repulsivoalgum corpo girando a partir do centro de sua órbita. Isso parece ser assim porque a inércia do corpo tende a mantê-lo se movendo em linha reta, e como a órbita é um desvio (aceleração) constante do movimento retilíneo, há uma reação inercial constante a qualquer força que atraia o corpo para o centro. da órbita (centrípeta), seja gravidade, atração eletrostática, ou mesmo a tensão de uma ligação mecânica.

No entanto, o verdadeiro problema com essa explicação em primeiro lugar é a ideia de elétrons se movendo em órbitas circulares. Um fato comprovado de que cargas elétricas aceleradas emitem radiação eletromagnética, esse fato era conhecido ainda na época de Rutherford. Como o movimento rotacional é uma forma de aceleração (um objeto girando em aceleração constante, afastando o objeto de seu movimento retilíneo normal), os elétrons em estado de rotação devem emitir radiação como a lama de uma roda giratória. Elétrons acelerados ao longo de caminhos circulares em aceleradores de partículas chamados síncrotrons são conhecidos por fazer isso, e o resultado é chamado radiação síncrotron. Se os elétrons perdessem energia dessa maneira, suas órbitas acabariam sendo interrompidas e, como resultado, colidiriam com um núcleo carregado positivamente. No entanto, dentro dos átomos isso geralmente não acontece. De fato, as "órbitas" eletrônicas são surpreendentemente estáveis ​​em uma ampla gama de condições.

Além disso, experimentos com átomos "excitados" mostraram que a energia eletromagnética é emitida por um átomo apenas em certas frequências. Os átomos são "excitados" por influências externas, como a luz, conhecida por absorver energia e retornar ondas eletromagnéticas em certas frequências, bem como um diapasão que não toca em uma determinada frequência até ser atingido. Quando a luz emitida por um átomo excitado é dividida por um prisma em suas frequências componentes (cores), são encontradas linhas individuais de cores no espectro, o padrão de linha espectral é exclusivo de um elemento químico. Esse fenômeno é comumente usado para identificar elementos químicos e até mesmo para medir as proporções de cada elemento em um composto ou mistura química. De acordo com o sistema solar do modelo atômico de Rutherford (relativo aos elétrons, como pedaços de matéria, girando livremente em uma órbita com algum raio) e as leis da física clássica, os átomos excitados devem retornar energia em uma faixa de frequência quase infinita, e não em frequências selecionadas. Em outras palavras, se o modelo de Rutherford estivesse correto, então não haveria efeito "diapasão" e o espectro de cores emitido por qualquer átomo apareceria como uma faixa contínua de cores, em vez de várias linhas separadas.

O modelo de Bohr do átomo de hidrogênio (com as órbitas desenhadas em escala) assume que os elétrons estão apenas em órbitas discretas. Os elétrons movendo-se de n=3,4,5 ou 6 para n=2 são exibidos em uma série de linhas espectrais de Balmer

Um pesquisador chamado Niels Bohr tentou melhorar o modelo de Rutherford depois de estudá-lo no laboratório de Rutherford por vários meses em 1912. Tentando conciliar os resultados de outros físicos (principalmente Max Planck e Albert Einstein), Bohr sugeriu que cada elétron tinha uma certa quantidade específica de energia e que suas órbitas eram distribuídas de tal forma que cada um deles poderia ocupar certos lugares ao redor. o núcleo, como bolas. , fixados em trajetórias circulares ao redor do núcleo, e não como satélites em movimento livre, como se supunha anteriormente (figura acima). Em deferência às leis do eletromagnetismo e das cargas aceleradas, Bohr se referiu às "órbitas" como estados estacionários para evitar a interpretação de que eram móveis.

Embora a tentativa ambiciosa de Bohr de repensar a estrutura do átomo, que era mais consistente com os dados experimentais, tenha sido um marco na física, ela não foi concluída. Sua análise matemática previu os resultados dos experimentos melhor do que aqueles realizados de acordo com os modelos anteriores, mas ainda havia perguntas sem resposta sobre se Por quê os elétrons devem se comportar de uma maneira tão estranha. A afirmação de que os elétrons existiam em estados quânticos estacionários ao redor do núcleo correlacionava-se melhor com os dados experimentais do que o modelo de Rutherford, mas não disse o que faz com que os elétrons assumam esses estados especiais. A resposta a essa pergunta viria de outro físico, Louis de Broglie, cerca de dez anos depois.

De Broglie sugeriu que os elétrons, como os fótons (partículas de luz), têm tanto as propriedades das partículas quanto as propriedades das ondas. Com base nessa suposição, ele sugeriu que a análise de elétrons em rotação em termos de ondas é melhor do que em termos de partículas e pode fornecer mais informações sobre sua natureza quântica. De fato, outro avanço foi feito na compreensão.

Uma corda vibrando em uma frequência de ressonância entre dois pontos fixos forma uma onda estacionária

O átomo, de acordo com de Broglie, consistia em ondas estacionárias, um fenômeno bem conhecido pelos físicos em várias formas. Como a corda dedilhada de um instrumento musical (foto acima), vibrando em uma frequência ressonante, com “nós” e “antinós” em lugares estáveis ​​ao longo de seu comprimento. De Broglie imaginou os elétrons ao redor dos átomos como ondas curvadas em um círculo (figura abaixo).

Elétrons "rotantes" como uma onda estacionária ao redor do núcleo, (a) dois ciclos em uma órbita, (b) três ciclos em uma órbita

Os elétrons só podem existir em certas "órbitas" específicas ao redor do núcleo, porque são as únicas distâncias onde as extremidades da onda coincidem. Em qualquer outro raio, a onda colidirá destrutivamente consigo mesma e, assim, deixará de existir.

A hipótese de De Broglie forneceu tanto uma estrutura matemática quanto uma analogia física conveniente para explicar os estados quânticos dos elétrons dentro de um átomo, mas seu modelo do átomo ainda estava incompleto. Por vários anos, os físicos Werner Heisenberg e Erwin Schrödinger, trabalhando independentemente, trabalharam no conceito de dualidade onda-partícula de de Broglie para criar modelos matemáticos mais rigorosos de partículas subatômicas.

Esse avanço teórico do modelo primitivo de onda estacionária de de Broglie para os modelos da matriz de Heisenberg e da equação diferencial de Schrödinger recebeu o nome de mecânica quântica e introduziu uma característica bastante chocante no mundo das partículas subatômicas: o sinal de probabilidade, ou incerteza. De acordo com a nova teoria quântica, era impossível determinar a posição exata e o momento exato de uma partícula em um momento. Uma explicação popular para esse "princípio da incerteza" era que havia um erro de medição (ou seja, ao tentar medir com precisão a posição de um elétron, você interfere em seu momento e, portanto, não pode saber o que era antes de começar a medir a posição , e vice versa). A conclusão sensacional da mecânica quântica é que as partículas não têm posições e momentos exatos e, por causa da relação dessas duas quantidades, sua incerteza combinada nunca diminuirá abaixo de um determinado valor mínimo.

Essa forma de conexão de "incerteza" também existe em outros campos além da mecânica quântica. Conforme discutido no capítulo "Sinais CA de Frequência Mista" no Volume 2 desta série de livros, existem relações mutuamente exclusivas entre a confiança nos dados no domínio do tempo de uma forma de onda e seus dados no domínio da frequência. Simplificando, quanto mais conhecemos suas frequências componentes, menos precisamente conhecemos sua amplitude ao longo do tempo e vice-versa. Citando-me:

Um sinal de duração infinita (um número infinito de ciclos) pode ser analisado com absoluta precisão, mas quanto menos ciclos disponíveis ao computador para análise, menos precisa será a análise... Quanto menos períodos do sinal, menos precisa será sua frequência . Levando este conceito ao seu extremo lógico, um pulso curto (nem mesmo um período completo de um sinal) não tem uma frequência definida, é uma gama infinita de frequências. Este princípio é comum a todos os fenômenos ondulatórios, e não apenas a tensões e correntes variáveis.

Para determinar com precisão a amplitude de um sinal em mudança, devemos medi-lo em um período de tempo muito curto. No entanto, isso limita nosso conhecimento da frequência da onda (uma onda na mecânica quântica não precisa ser semelhante a uma onda senoidal; essa semelhança é um caso especial). Por outro lado, para determinar a frequência de uma onda com grande precisão, devemos medi-la em um grande número de períodos, o que significa que perderemos de vista sua amplitude a qualquer momento. Assim, não podemos conhecer simultaneamente a amplitude instantânea e todas as frequências de qualquer onda com precisão ilimitada. Outra estranheza, essa incerteza é muito maior que a imprecisão do observador; está na própria natureza da onda. Este não é o caso, embora fosse possível, dada a tecnologia apropriada, fornecer medições precisas de amplitude e frequência instantâneas simultaneamente. Em um sentido literal, uma onda não pode ter a amplitude instantânea exata e a frequência exata ao mesmo tempo.

A incerteza mínima da posição e do momento da partícula expressa por Heisenberg e Schrödinger não tem nada a ver com uma limitação na medição; antes, é uma propriedade intrínseca da natureza da dualidade onda-partícula da partícula. Portanto, os elétrons não existem realmente em suas "órbitas" como partículas de matéria bem definidas, ou mesmo como formas de onda bem definidas, mas sim como "nuvens" - um termo técnico. função de onda distribuições de probabilidade, como se cada elétron estivesse "espalhado" ou "espalhado" em uma variedade de posições e momentos.

Essa visão radical dos elétrons como nuvens indeterminadas contradiz inicialmente o princípio original dos estados quânticos dos elétrons: os elétrons existem em "órbitas" discretas e definidas ao redor do núcleo de um átomo. Essa nova visão, afinal, foi a descoberta que levou à formação e explicação da teoria quântica. Como parece estranho que uma teoria criada para explicar o comportamento discreto dos elétrons acabe declarando que os elétrons existem como "nuvens" e não como pedaços separados de matéria. No entanto, o comportamento quântico dos elétrons não depende de elétrons com certos valores de coordenadas e momento, mas de outras propriedades chamadas Números quânticos. Em essência, a mecânica quântica dispensa os conceitos comuns de posição absoluta e momento absoluto e os substitui por conceitos absolutos de tipos que não têm análogos na prática comum.

Mesmo que se saiba que os elétrons existem em formas desencarnadas e "nubladas" de probabilidade distribuída, em vez de pedaços separados de matéria, essas "nuvens" têm características ligeiramente diferentes. Qualquer elétron em um átomo pode ser descrito por quatro medidas numéricas (os números quânticos mencionados anteriormente), chamadas principal (radial), orbital (azimute), magnético e rodar números. Abaixo está uma breve visão geral do significado de cada um desses números:

Número quântico principal (radial): indicado por uma letra n, esse número descreve a camada na qual o elétron reside. A "camada" do elétron é uma região do espaço ao redor do núcleo de um átomo na qual os elétrons podem existir, correspondendo aos modelos estáveis ​​de "onda estacionária" de De Broglie e Bohr. Os elétrons podem "saltar" de uma casca para outra, mas não podem existir entre elas.

O número quântico principal deve ser um número inteiro positivo (maior ou igual a 1). Em outras palavras, o número quântico principal de um elétron não pode ser 1/2 ou -3. Esses inteiros não foram escolhidos arbitrariamente, mas por meio de evidências experimentais do espectro de luz: as diferentes frequências (cores) da luz emitida por átomos de hidrogênio excitados seguem uma relação matemática dependendo de valores inteiros específicos, conforme mostrado na figura abaixo.

Cada camada tem a capacidade de conter vários elétrons. Uma analogia para as camadas de elétrons são as fileiras concêntricas de assentos em um anfiteatro. Assim como uma pessoa sentada em um anfiteatro deve escolher uma fileira para se sentar (ela não pode se sentar entre as fileiras), os elétrons devem “escolher” uma determinada camada para “sentar-se”. Como as fileiras de um anfiteatro, as camadas externas contêm mais elétrons do que as camadas mais próximas do centro. Além disso, os elétrons tendem a encontrar a menor camada disponível, assim como as pessoas em um anfiteatro procuram o local mais próximo do palco central. Quanto maior o número da camada, mais energia os elétrons têm sobre ela.

O número máximo de elétrons que qualquer camada pode conter é descrito pela equação 2n 2 , onde n é o número quântico principal. Assim, a primeira camada (n = 1) pode conter 2 elétrons; a segunda camada (n = 2) - 8 elétrons; e a terceira camada (n = 3) - 18 elétrons (figura abaixo).

O número quântico principal n e o número máximo de elétrons estão relacionados pela fórmula 2(n 2). As órbitas não estão em escala.

As camadas de elétrons no átomo foram denotadas por letras em vez de números. A primeira casca (n = 1) foi designada K, a segunda casca (n = 2) L, a terceira casca (n = 3) M, a quarta casca (n = 4) N, a quinta casca (n = 5) O, a sexta casca (n = 6) P, e a sétima casca (n = 7) B.

Número quântico orbital (azimute): um shell composto de subshells. Alguns podem achar mais conveniente pensar em subcamadas como simples seções de cascas, como faixas que dividem uma estrada. Subshells são muito mais estranhos. Subcamadas são regiões do espaço onde podem existir "nuvens" de elétrons e, de fato, diferentes subcamadas têm formas diferentes. A primeira subcamada tem a forma de uma esfera (Figura abaixo (s)), o que faz sentido quando visualizado como uma nuvem de elétrons ao redor do núcleo de um átomo em três dimensões.

A segunda subcamada se assemelha a um haltere, consistindo de duas "pétalas" conectadas em um ponto próximo ao centro do átomo (figura abaixo (p)).

A terceira subcamada geralmente se assemelha a um conjunto de quatro "pétalas" agrupadas em torno do núcleo de um átomo. Essas formas de subconcha se assemelham a representações gráficas de padrões de antenas com lóbulos semelhantes a cebolas que se estendem da antena em várias direções (Figura abaixo (d)).

Orbitais:
(s) tripla simetria;
(p) Mostrado: p x , uma das três orientações possíveis (p x , p y , p z), ao longo dos respectivos eixos;
(d) Mostrado: d x 2 -y 2 é semelhante a d xy , d yz , d xz . Mostrado: d z 2 . Número de orbitais d possíveis: cinco.

Os valores válidos para o número quântico orbital são inteiros positivos, como para o número quântico principal, mas também incluem zero. Esses números quânticos para elétrons são indicados pela letra l. O número de subcamadas é igual ao número quântico principal da casca. Assim, a primeira camada (n = 1) tem uma subcamada com número 0; a segunda camada (n = 2) tem duas subcamadas numeradas 0 e 1; a terceira camada (n = 3) tem três subcamadas numeradas 0, 1 e 2.

A antiga convenção do subshell usava letras em vez de números. Nesse formato, o primeiro subnível (l = 0) foi denotado s, o segundo subnível (l = 1) foi denotado p, o terceiro subnível (l = 2) foi denotado d e o quarto subnível (l = 3) foi denotado f. As letras vieram das palavras: focado, diretor, difuso e Fundamental. Você ainda pode ver essas designações em muitas tabelas periódicas usadas para denotar a configuração eletrônica do externo ( valência) conchas de átomos.

(a) a representação de Bohr do átomo de prata,
(b) Representação orbital de Ag com divisão de camadas em subcamadas (número quântico orbital l).
Este diagrama não implica nada sobre a posição real dos elétrons, mas apenas representa os níveis de energia.

Número quântico magnético: O número quântico magnético para o elétron classifica a orientação da figura da subcamada do elétron. As "pétalas" das subconchas podem ser direcionadas em várias direções. Essas diferentes orientações são chamadas de orbitais. Para a primeira subcamada (s; l = 0), que se assemelha a uma esfera, "direção" não é especificada. Por um segundo (p; l = 1) subnível em cada concha que se assemelha a um haltere apontando em três direções possíveis. Imagine três halteres se cruzando na origem, cada um apontando ao longo de seu próprio eixo em um sistema de coordenadas triaxial.

Os valores válidos para um determinado número quântico consistem em inteiros que variam de -l a l, e esse número é denotado como ml em física atômica e z em física nuclear. Para calcular o número de orbitais em qualquer subcamada, você precisa dobrar o número da subcamada e adicionar 1, (2∙l + 1). Por exemplo, o primeiro subshell (l = 0) em qualquer shell contém um orbital numerado 0; a segunda subcamada (l = 1) em qualquer camada contém três orbitais com números -1, 0 e 1; a terceira subcamada (l = 2) contém cinco orbitais numerados -2, -1, 0, 1 e 2; etc.

Como o número quântico principal, o número quântico magnético surgiu diretamente de dados experimentais: o efeito Zeeman, a separação de linhas espectrais pela exposição de um gás ionizado a um campo magnético, daí o nome número quântico "magnético".

Gire o número quântico: como o número quântico magnético, essa propriedade dos elétrons de um átomo foi descoberta por meio de experimentos. A observação cuidadosa das linhas espectrais mostrou que cada linha era de fato um par de linhas muito próximas, foi sugerido que este chamado boa estrutura foi o resultado de cada elétron "girando" em torno de seu próprio eixo, como um planeta. Elétrons com "spins" diferentes emitiriam frequências de luz ligeiramente diferentes quando excitados. O conceito de elétron giratório agora está obsoleto, sendo mais apropriado para a visão (incorreta) de elétrons como partículas individuais de matéria do que como "nuvens", mas o nome permanece.

Os números quânticos de spin são indicados como EM em física atômica e sz em física nuclear. Cada orbital em cada subcamada pode ter dois elétrons em cada camada, um com spin +1/2 e outro com spin -1/2.

O físico Wolfgang Pauli desenvolveu um princípio que explica a ordenação dos elétrons em um átomo de acordo com esses números quânticos. Seu princípio, chamado Princípio de exclusão de Pauli, afirma que dois elétrons no mesmo átomo não podem ocupar os mesmos estados quânticos. Ou seja, cada elétron em um átomo tem um conjunto único de números quânticos. Isso limita o número de elétrons que podem ocupar qualquer orbital, subcamada e camada.

Isso mostra o arranjo de elétrons em um átomo de hidrogênio:

Com um próton no núcleo, o átomo aceita um elétron para seu equilíbrio eletrostático (a carga positiva do próton é exatamente equilibrada pela carga negativa do elétron). Esse elétron está na camada inferior (n = 1), a primeira subcamada (l = 0), no único orbital (orientação espacial) dessa subcamada (m l = 0), com valor de spin de 1/2. O método geral de descrever essa estrutura é enumerar os elétrons de acordo com suas camadas e subcamadas, de acordo com uma convenção chamada notação espectroscópica. Nesta notação, o número da camada é mostrado como um número inteiro, a subcamada como uma letra (s,p,d,f) e o número total de elétrons na subcamada (todos os orbitais, todos os spins) como um sobrescrito. Assim, o hidrogênio, com seu único elétron colocado no nível da base, é descrito como 1s 1 .

Passando para o próximo átomo (em ordem de número atômico), obtemos o elemento hélio:

Um átomo de hélio tem dois prótons em seu núcleo, o que requer dois elétrons para equilibrar a carga elétrica dupla positiva. Como dois elétrons - um com spin 1/2 e outro com spin -1/2 - estão no mesmo orbital, a estrutura eletrônica do hélio não requer subcamadas ou camadas adicionais para conter o segundo elétron.

No entanto, um átomo que requer três ou mais elétrons precisará de subcamadas adicionais para conter todos os elétrons, pois apenas dois elétrons podem estar na camada inferior (n = 1). Considere o próximo átomo na sequência de números atômicos crescentes, o lítio:

O átomo de lítio usa parte da capacitância L do invólucro (n = 2). Essa camada na verdade tem uma capacidade total de oito elétrons (capacidade máxima da camada = 2n 2 elétrons). Se considerarmos a estrutura de um átomo com uma camada L completamente preenchida, veremos como todas as combinações de subcamadas, orbitais e spins são ocupadas por elétrons:

Freqüentemente, ao atribuir uma notação espectroscópica a um átomo, quaisquer conchas totalmente preenchidas são ignoradas e as conchas não preenchidas e as conchas preenchidas de nível superior são indicadas. Por exemplo, o elemento neon (mostrado na figura acima), que tem duas camadas completamente preenchidas, pode ser descrito espectralmente simplesmente como 2p 6 ao invés de 1s 22 s 22 p 6 . O lítio, com sua camada K totalmente preenchida e um único elétron na camada L, pode ser simplesmente descrito como 2s 1 em vez de 1s 22 s 1 .

A omissão de shells de nível inferior totalmente preenchidos não é apenas por conveniência de notação. Também ilustra um princípio básico da química: o comportamento químico de um elemento é determinado principalmente por suas cascas não preenchidas. Tanto o hidrogênio quanto o lítio têm um elétron em suas camadas externas (como 1 e 2s 1, respectivamente), ou seja, ambos os elementos têm propriedades semelhantes. Ambos são altamente reativos e reagem de maneiras quase idênticas (ligando-se a elementos semelhantes sob condições semelhantes). Não importa realmente que o lítio tenha uma camada K totalmente preenchida sob uma camada L quase livre: a camada L não preenchida é aquela que determina seu comportamento químico.

Elementos que têm conchas externas completamente preenchidas são classificados como nobres e são caracterizados por uma quase completa falta de reação com outros elementos. Esses elementos foram classificados como inertes quando considerados não reagirem, mas são conhecidos por formar compostos com outros elementos sob certas condições.

Como os elementos com a mesma configuração de elétrons em suas camadas externas têm propriedades químicas semelhantes, Dmitri Mendeleev organizou os elementos químicos em uma tabela de acordo. Esta tabela é conhecida como , e as tabelas modernas seguem esse layout geral, mostrado na figura abaixo.

tabela periódica de elementos químicos

Dmitri Mendeleev, um químico russo, foi o primeiro a desenvolver a tabela periódica dos elementos. Embora Mendeleev tenha organizado sua tabela de acordo com a massa atômica, não o número atômico, e tenha criado uma tabela que não era tão útil quanto as tabelas periódicas modernas, seu desenvolvimento é um excelente exemplo de prova científica. Vendo padrões de periodicidade (propriedades químicas semelhantes de acordo com a massa atômica), Mendeleev levantou a hipótese de que todos os elementos devem se encaixar nesse padrão ordenado. Quando descobriu lugares "vazios" na mesa, seguiu a lógica da ordem existente e assumiu a existência de elementos ainda desconhecidos. A descoberta subsequente desses elementos confirmou a correção científica da hipótese de Mendeleev, outras descobertas levaram à forma da tabela periódica que usamos agora.

Assim deve ciência do trabalho: as hipóteses levam a conclusões lógicas e são aceitas, alteradas ou rejeitadas dependendo da consistência dos dados experimentais com suas conclusões. Qualquer tolo pode formular uma hipótese após o fato para explicar os dados experimentais disponíveis, e muitos o fazem. O que distingue uma hipótese científica de especulação post hoc é a previsão de dados experimentais futuros que ainda não foram coletados e, possivelmente, a refutação desses dados como resultado. Conduza corajosamente a hipótese à(s) sua(s) conclusão(ões) lógica(s) e a tentativa de prever os resultados de experimentos futuros não é um salto de fé dogmático, mas sim um teste público dessa hipótese, um desafio aberto aos oponentes da hipótese. Em outras palavras, as hipóteses científicas são sempre "arriscadas" por tentarem prever os resultados de experimentos que ainda não foram feitos e, portanto, podem ser falsificadas se os experimentos não saírem conforme o esperado. Assim, se uma hipótese prediz corretamente os resultados de experimentos repetidos, ela é refutada.

A mecânica quântica, primeiro como hipótese e depois como teoria, foi extremamente bem-sucedida em prever os resultados de experimentos e, portanto, recebeu um alto grau de credibilidade científica. Muitos cientistas têm motivos para acreditar que esta é uma teoria incompleta, pois suas previsões são mais verdadeiras em escalas microfísicas do que macroscópicas, mas, no entanto, é uma teoria extremamente útil para explicar e prever a interação de partículas e átomos.

Como você viu neste capítulo, a física quântica é essencial para descrever e prever muitos fenômenos diferentes. Na próxima seção, veremos sua importância na condutividade elétrica de sólidos, incluindo semicondutores. Simplificando, nada em química ou física do estado sólido faz sentido na estrutura teórica popular dos elétrons existentes como partículas individuais de matéria circulando ao redor do núcleo de um átomo como satélites em miniatura. Quando os elétrons são vistos como "funções de onda" existentes em certos estados discretos que são regulares e periódicos, então o comportamento da matéria pode ser explicado.

Resumindo

Os elétrons nos átomos existem em "nuvens" de probabilidade distribuída, e não como partículas discretas de matéria girando em torno do núcleo, como satélites em miniatura, como mostram exemplos comuns.

Elétrons individuais ao redor do núcleo de um átomo tendem a "estados" únicos descritos por quatro números quânticos: número quântico principal (radial), conhecido como Concha; número quântico orbital (azimute), conhecido como subcamada; número quântico magnético descrevendo orbital(orientação da subcamada); e spin número quântico, ou simplesmente rodar. Esses estados são quânticos, ou seja, “entre eles” não há condições para a existência de um elétron, exceto para estados que se enquadram no esquema de numeração quântica.

Glanoe (radial) número quântico (n) descreve o nível de base ou camada em que o elétron reside. Quanto maior este número, maior o raio da nuvem de elétrons do núcleo do átomo, e maior a energia do elétron. Os números quânticos principais são inteiros (inteiros positivos)

Número quântico orbital (azimutal) (l) descreve a forma de uma nuvem de elétrons em uma camada ou nível específico e é frequentemente conhecido como "subcamada". Em qualquer camada, existem tantas subcamadas (formas de uma nuvem de elétrons) quanto o número quântico principal da camada. Os números quânticos azimutais são inteiros positivos começando em zero e terminando com um número menor que o número quântico principal em um (n - 1).

Número quântico magnético (m l) descreve qual orientação a subcamada (forma de nuvem de elétrons) tem. As subcamadas podem ter tantas orientações diferentes quanto o dobro do número da subcamada (l) mais 1, (2l+1) (ou seja, para l=1, m l = -1, 0, 1), e cada orientação única é chamada de orbital . Esses números são inteiros começando com um valor negativo do número do subshell (l) até 0 e terminando com um valor positivo do número do subshell.

Número quântico de rotação (m s) descreve outra propriedade do elétron e pode assumir os valores +1/2 e -1/2.

Princípio de exclusão de Pauli diz que dois elétrons em um átomo não podem compartilhar o mesmo conjunto de números quânticos. Portanto, pode haver no máximo dois elétrons em cada orbital (spin=1/2 e spin=-1/2), 2l+1 orbitais em cada subcamada e n subcamadas em cada camada, e nada mais.

Notação espectroscópicaé uma convenção para a estrutura eletrônica de um átomo. As camadas são mostradas como números inteiros, seguidas por letras de subcamadas (s, p, d, f) com números sobrescritos indicando o número total de elétrons encontrados em cada subcamada respectiva.

O comportamento químico de um átomo é determinado apenas por elétrons em camadas não preenchidas. Cascas de baixo nível que são completamente preenchidas têm pouco ou nenhum efeito sobre as características de ligação química dos elementos.

Elementos com camadas eletrônicas completamente preenchidas são quase completamente inertes e são chamados de nobre elementos (anteriormente conhecidos como inertes).

A física é a mais misteriosa de todas as ciências. A física nos dá uma compreensão do mundo ao nosso redor. As leis da física são absolutas e se aplicam a todos, sem exceção, independentemente da pessoa e do status social.

Este artigo destina-se a maiores de 18 anos.

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Descobertas fundamentais em física quântica

Isaac Newton, Nikola Tesla, Albert Einstein e muitos outros são os grandes guias da humanidade no maravilhoso mundo da física, que, como profetas, revelaram à humanidade os maiores segredos do universo e a capacidade de controlar os fenômenos físicos. Suas cabeças brilhantes cortavam a escuridão da ignorância da maioria irracional e, como uma estrela guia, mostravam o caminho para a humanidade na escuridão da noite. Um desses condutores no mundo da física foi Max Planck, o pai da física quântica.

Max Planck não é apenas o fundador da física quântica, mas também o autor da mundialmente famosa teoria quântica. A teoria quântica é o componente mais importante da física quântica. Em termos simples, esta teoria descreve o movimento, comportamento e interação das micropartículas. O fundador da física quântica também nos trouxe muitos outros trabalhos científicos que se tornaram os pilares da física moderna:

• teoria da radiação térmica;
• teoria da relatividade especial;
• investigação na área da termodinâmica;
• pesquisa na área de óptica.

A teoria da física quântica sobre o comportamento e interação das micropartículas tornou-se a base para a física da matéria condensada, física de partículas elementares e física de altas energias. A teoria quântica nos explica a essência de muitos fenômenos do nosso mundo - desde o funcionamento dos computadores eletrônicos até a estrutura e o comportamento dos corpos celestes. Max Planck, o criador desta teoria, graças à sua descoberta permitiu-nos compreender a verdadeira essência de muitas coisas ao nível das partículas elementares. Mas a criação dessa teoria está longe de ser o único mérito do cientista. Ele foi o primeiro a descobrir a lei fundamental do universo - a lei da conservação da energia. A contribuição para a ciência de Max Planck é difícil de superestimar. Em suma, suas descobertas são inestimáveis ​​para física, química, história, metodologia e filosofia.

teoria quântica de campo

Em poucas palavras, a teoria quântica de campos é uma teoria da descrição de micropartículas, bem como seu comportamento no espaço, interação entre si e transformações mútuas. Essa teoria estuda o comportamento de sistemas quânticos dentro dos chamados graus de liberdade. Este nome bonito e romântico não diz nada para muitos de nós. Para dummies, graus de liberdade são o número de coordenadas independentes que são necessárias para indicar o movimento de um sistema mecânico. Em termos simples, os graus de liberdade são características do movimento. Descobertas interessantes no campo da interação de partículas elementares foram feitas por Steven Weinberg. Ele descobriu a chamada corrente neutra - o princípio da interação entre quarks e léptons, pelo qual recebeu o Prêmio Nobel em 1979.

A Teoria Quântica de Max Planck

Nos anos noventa do século XVIII, o físico alemão Max Planck iniciou o estudo da radiação térmica e acabou recebendo uma fórmula para a distribuição de energia. A hipótese quântica, que nasceu no decorrer desses estudos, marcou o início da física quântica, assim como a teoria quântica de campos, descoberta no ano 1900. A teoria quântica de Planck é que durante a radiação térmica, a energia produzida é emitida e absorvida não constantemente, mas episodicamente, quanticamente. O ano de 1900, graças a esta descoberta feita por Max Planck, tornou-se o ano do nascimento da mecânica quântica. Também vale a pena mencionar a fórmula de Planck. Em suma, sua essência é a seguinte - é baseada na proporção da temperatura corporal e sua radiação.

Teoria da mecânica quântica da estrutura do átomo

A teoria da mecânica quântica da estrutura do átomo é uma das teorias básicas dos conceitos da física quântica e, de fato, da física em geral. Essa teoria nos permite entender a estrutura de tudo o que é material e abre o véu do segredo sobre em que as coisas realmente consistem. E as conclusões baseadas nesta teoria são muito inesperadas. Considere brevemente a estrutura do átomo. Então, do que um átomo é realmente feito? Um átomo consiste em um núcleo e uma nuvem de elétrons. A base do átomo, seu núcleo, contém quase toda a massa do próprio átomo - mais de 99%. O núcleo sempre tem uma carga positiva e determina o elemento químico do qual o átomo faz parte. A coisa mais interessante sobre o núcleo de um átomo é que ele contém quase toda a massa do átomo, mas ao mesmo tempo ocupa apenas um décimo de milésimo de seu volume. O que se segue disso? E a conclusão é muito inesperada. Isso significa que a matéria densa no átomo é apenas um décimo de milésimo. E o que dizer de todo o resto? Tudo o mais no átomo é uma nuvem de elétrons.

A nuvem de elétrons não é uma substância permanente e nem mesmo material. Uma nuvem de elétrons é apenas a probabilidade de elétrons aparecerem em um átomo. Ou seja, o núcleo ocupa apenas um décimo de milésimo no átomo, e todo o resto é vazio. E se levarmos em conta que todos os objetos ao nosso redor, de partículas de poeira a corpos celestes, planetas e estrelas, consistem em átomos, verifica-se que tudo o que é material de fato consiste em mais de 99% de vazio. Essa teoria parece completamente inacreditável, e seu autor, no mínimo, uma pessoa iludida, porque as coisas que existem ao redor têm uma consistência sólida, têm peso e podem ser sentidas. Como pode consistir em vazio? Um erro se infiltrou nessa teoria da estrutura da matéria? Mas não há erro aqui.

Todas as coisas materiais parecem densas apenas devido à interação entre os átomos. As coisas têm uma consistência sólida e densa apenas devido à atração ou repulsão entre os átomos. Isso garante a densidade e a dureza da rede cristalina dos produtos químicos, dos quais consiste todo o material. Mas, um ponto interessante, quando, por exemplo, as condições de temperatura do ambiente mudam, as ligações entre os átomos, ou seja, sua atração e repulsão, podem enfraquecer, o que leva ao enfraquecimento da rede cristalina e até mesmo à sua destruição. Isso explica a mudança nas propriedades físicas das substâncias quando aquecidas. Por exemplo, quando o ferro é aquecido, torna-se líquido e pode ser moldado em qualquer formato. E quando o gelo derrete, a destruição da rede cristalina leva a uma mudança no estado da matéria, e ela passa de sólido para líquido. Estes são exemplos claros do enfraquecimento das ligações entre os átomos e, como resultado, o enfraquecimento ou destruição da rede cristalina, e permitem que a substância se torne amorfa. E a razão para essas metamorfoses misteriosas é precisamente que as substâncias consistem em matéria densa apenas por um décimo de milésimo, e todo o resto é vazio.

E as substâncias parecem ser sólidas apenas por causa das fortes ligações entre os átomos, com o enfraquecimento dos quais, a substância muda. Assim, a teoria quântica da estrutura do átomo nos permite ter uma visão completamente diferente do mundo ao nosso redor.

O fundador da teoria do átomo, Niels Bohr, apresentou um conceito interessante de que os elétrons no átomo não irradiam energia constantemente, mas apenas no momento de transição entre as trajetórias de seu movimento. A teoria de Bohr ajudou a explicar muitos processos intra-atômicos e também fez um grande avanço na ciência da química, explicando o limite da tabela criada por Mendeleev. Segundo , o último elemento que pode existir no tempo e no espaço tem o número de série cento e trinta e sete, e elementos a partir de cento e trinta e oito não podem existir, pois sua existência contraria a teoria da relatividade. Além disso, a teoria de Bohr explicava a natureza de tal fenômeno físico como espectros atômicos.

Estes são os espectros de interação de átomos livres que surgem quando a energia é emitida entre eles. Tais fenômenos são típicos para substâncias gasosas, vaporosas e substâncias no estado de plasma. Assim, a teoria quântica fez uma revolução no mundo da física e permitiu que os cientistas avançassem não apenas no campo dessa ciência, mas também no campo de muitas ciências afins: química, termodinâmica, óptica e filosofia. E também permitiu à humanidade penetrar nos segredos da natureza das coisas.

Ainda há muito a ser feito pela humanidade em sua consciência para perceber a natureza dos átomos, entender os princípios de seu comportamento e interação. Tendo entendido isso, seremos capazes de entender a natureza do mundo ao nosso redor, porque tudo o que nos rodeia, começando com partículas de poeira e terminando com o próprio sol, e nós mesmos - tudo consiste em átomos, cuja natureza é misteriosa e incrível e repleto de muitos segredos.

Como os físicos teóricos modernos desenvolvem novas teorias que descrevem o mundo? O que eles acrescentam à mecânica quântica e à relatividade geral para construir uma "teoria de tudo"? Que limitações são discutidas em artigos que falam sobre a ausência de “nova física”? Todas essas perguntas podem ser respondidas se você entender o que é açao- o objeto subjacente a todas as teorias físicas existentes. Neste artigo, explicarei o que os físicos entendem por ação e também mostrarei como ela pode ser usada para construir uma teoria física real, usando apenas algumas suposições simples sobre as propriedades do sistema em consideração.

Eu aviso imediatamente: o artigo conterá fórmulas e até cálculos simples. No entanto, eles podem ser ignorados sem muito prejuízo para a compreensão. De um modo geral, dou fórmulas aqui apenas para aqueles leitores interessados ​​que certamente querem descobrir tudo por conta própria.

Equações

A física descreve nosso mundo com equações que ligam várias quantidades físicas - velocidade, força, intensidade do campo magnético e assim por diante. Quase todas essas equações são diferenciais, ou seja, contêm não apenas funções que dependem de quantidades, mas também suas derivadas. Por exemplo, uma das equações mais simples que descrevem o movimento de um corpo pontual contém a segunda derivada de sua coordenada:

Aqui denotei a segunda derivada temporal com dois pontos (respectivamente, um ponto denotará a primeira derivada). Claro, esta é a segunda lei de Newton, descoberta por ele no final do século XVII. Newton foi um dos primeiros a reconhecer a necessidade de escrever as equações de movimento nesta forma, e também desenvolveu o cálculo diferencial e integral necessário para resolvê-las. É claro que a maioria das leis físicas são muito mais complicadas do que a segunda lei de Newton. Por exemplo, o sistema de equações hidrodinâmicas é tão complexo que os cientistas ainda não sabem se é geralmente solúvel ou não. O problema da existência e lisura de soluções para este sistema está inclusive incluído na lista dos “problemas do milênio”, e o Clay Mathematical Institute indicou um prêmio de um milhão de dólares para sua solução.

Mas como os físicos encontram essas equações diferenciais? Por muito tempo, a única fonte de novas teorias era o experimento. Em outras palavras, em primeiro lugar, o cientista mediu várias quantidades físicas, e só então tentou determinar como elas estão relacionadas. Por exemplo, foi assim que Kepler descobriu as três famosas leis da mecânica celeste, que mais tarde levaram Newton à sua teoria clássica da gravidade. Descobriu-se que o experimento parecia "correr à frente da teoria".

Na física moderna, as coisas são organizadas de maneira um pouco diferente. Claro, o experimento ainda desempenha um papel muito importante na física. Sem confirmação experimental, qualquer teoria é apenas um modelo matemático - um brinquedo para a mente que nada tem a ver com o mundo real. No entanto, os físicos agora obtêm equações que descrevem nosso mundo não por generalização empírica de fatos experimentais, mas as derivam “de primeiros princípios”, isto é, com base em suposições simples sobre as propriedades do sistema descrito (por exemplo, espaço-tempo ou eletromagnetismo). campo). Em última análise, apenas os parâmetros da teoria são determinados a partir do experimento - coeficientes arbitrários que entram na equação derivada pelo teórico. Ao mesmo tempo, o papel fundamental na física teórica é desempenhado por princípio da menor ação, formulado pela primeira vez por Pierre Maupertuis em meados do século XVIII e finalmente generalizado por William Hamilton no início do século XIX.

Açao

O que é uma ação? Na formulação mais geral, uma ação é um funcional que associa as trajetórias do sistema (ou seja, funções de coordenadas e tempo) a um determinado número. O princípio da menor ação afirma que verdadeiro ação de trajetória será mínima. Para entender o significado dessas palavras-chave, considere o seguinte exemplo ilustrativo, retirado das Palestras Feynman sobre Física.

Suponha que queremos saber qual trajetória um corpo colocado em um campo gravitacional percorrerá. Por simplicidade, vamos supor que o movimento é completamente descrito pela altura x(t), ou seja, o corpo se move ao longo de uma linha vertical. Suponha que só sabemos sobre o movimento que o corpo começa no ponto x 1 de vez t 1 e chega a um ponto x 2 por momento t 2, e o tempo total de viagem é T = t 2 − t 1 . Considere a função eu igual à diferença de energia cinética Para e energia potencial P: eu = Para − P. Assumimos que a energia potencial depende apenas da coordenada da partícula x(t), e cinética - apenas em sua velocidade ẋ (t). Também definimos açao- funcionalidade S, igual ao valor médio eu para toda a viagem: S = ∫ eu(x, ẋ , t) d t.

Obviamente o valor S dependerá significativamente da forma da trajetória x(t) - na verdade, é por isso que a chamamos de funcional, não de função. Se o corpo subir muito alto (trajetória 2), a energia potencial média aumentará, e se ele fizer loops com muita frequência (trajetória 3), a energia cinética aumentará - afinal, assumimos que o tempo total do movimento é exatamente igual a T, o que significa que o corpo precisa aumentar sua velocidade para ter tempo de percorrer todas as curvas. Na verdade, a funcionalidade S atinge um mínimo em alguma trajetória ótima, que é um segmento de uma parábola que passa pelos pontos x 1 e x 2 (trajetória 1). Por uma feliz coincidência, essa trajetória coincide com a trajetória prevista pela segunda lei de Newton.

Exemplos de caminhos conectando pontos x 1 e x 2. Cinza marca a trajetória obtida por uma variação da trajetória verdadeira. A direção vertical corresponde ao eixo x, horizontal - eixos t

Isso é uma coincidência? Claro, não por acaso. Para mostrar isso, suponha que conhecemos a trajetória verdadeira e a consideremos variações. Variação δ x(t) é uma adição à trajetória x(t), que muda de forma, mas deixa os pontos inicial e final em seus lugares (veja a figura). Vamos ver que valor a ação assume em trajetórias que diferem da trajetória verdadeira por uma variação infinitesimal. Função de expansão eu e calculando a integral por partes, obtemos que a mudança S proporcional à variação δ x:

Aqui o fato de que a variação nos pontos x 1 e x 2 é zero - isso nos permitiu descartar os termos que aparecem após a integração por partes. A expressão resultante é muito semelhante à fórmula da derivada, escrita em termos de diferenciais. De fato, a expressão δ S/δ xàs vezes chamado de derivada variacional. Continuando esta analogia, concluímos que com a adição de um pequeno aditivo δ x para a trajetória verdadeira, a ação não deve mudar, ou seja, δ S= 0. Como a adição pode ser praticamente arbitrária (fixamos apenas suas extremidades), isso significa que o integrando também se anula. Assim, conhecendo a ação, pode-se obter uma equação diferencial que descreve o movimento do sistema, a equação de Euler-Lagrange.

Voltemos ao nosso problema com um corpo se movendo no campo de gravidade. Lembre-se de que definimos uma função eu como a diferença entre a energia cinética e potencial do corpo. Substituindo essa expressão na equação de Euler-Lagrange, na verdade obtemos a segunda lei de Newton. De fato, nosso palpite sobre a forma da função eu fez muito sucesso:

Acontece que com a ajuda da ação é possível escrever as equações de movimento de uma forma bem curta, como se estivesse “empacotando” todas as características do sistema dentro da função eu. Isso por si só já é bastante interessante. No entanto, a ação não é apenas uma abstração matemática, tem um significado físico profundo. Em geral, um físico teórico moderno primeiro escreve a ação, e só então deriva as equações do movimento e as investiga. Em muitos casos, uma ação para um sistema pode ser construída fazendo apenas as suposições mais simples sobre suas propriedades. Vamos ver como isso pode ser feito com alguns exemplos.

Partícula relativística livre

Quando Einstein estava construindo a teoria da relatividade especial (STR), ele postulou algumas afirmações simples sobre as propriedades do nosso espaço-tempo. Primeiro, é homogêneo e isotrópico, ou seja, não muda com deslocamentos e rotações finitos. Em outras palavras, não importa onde você esteja - na Terra, em Júpiter ou na galáxia da Pequena Nuvem de Magalhães - em todos esses pontos, as leis da física funcionam da mesma maneira. Além disso, você não notará nenhuma diferença se se mover em uma linha reta uniforme - esse é o princípio da relatividade de Einstein. Em segundo lugar, nenhum corpo pode exceder a velocidade da luz. Isso leva ao fato de que as regras usuais para recalcular velocidades e tempo ao alternar entre diferentes sistemas de referência - transformações de Galileu - precisam ser substituídas por transformações de Lorentz mais corretas. Como resultado, uma quantidade verdadeiramente relativista, a mesma em todos os referenciais, torna-se não a distância, mas o intervalo - o tempo próprio da partícula. Intervalo s 1 − s 2 entre dois pontos dados pode ser encontrado usando a seguinte fórmula, onde c- velocidade da luz:

Como vimos na parte anterior, basta escrever a ação de uma partícula livre para encontrar sua equação de movimento. É razoável supor que a ação é uma invariante relativística, ou seja, parece a mesma em diferentes referenciais, uma vez que as leis físicas neles são as mesmas. Além disso, gostaríamos que a ação fosse escrita da forma mais simples possível (expressões complexas serão deixadas para mais tarde). O invariante relativístico mais simples que pode ser associado a uma partícula pontual é o comprimento de sua linha do mundo. Escolhendo esse invariante como uma ação (para que a dimensão da expressão seja correta, multiplicamos pelo coeficiente − mc) e variando, obtemos a seguinte equação:

Simplificando, a aceleração 4 de uma partícula relativística livre deve ser igual a zero. A 4-aceleração, como a 4-velocidade, é uma generalização dos conceitos de aceleração e velocidade para um espaço-tempo quadridimensional. Como resultado, uma partícula livre só pode se mover ao longo de uma determinada linha reta com uma velocidade constante de 4. No limite de baixas velocidades, a mudança no intervalo praticamente coincide com a mudança no tempo, e portanto a equação que obtivemos passa para a segunda lei de Newton já discutida acima: mẍ= 0. Por outro lado, a condição de zero 4-aceleração também é cumprida para uma partícula livre na teoria da relatividade geral, só que nele o espaço-tempo já começa a se curvar e a partícula não necessariamente se moverá ao longo de uma linha reta mesmo na ausência de forças externas.

Campo eletromagnetico

Como você sabe, o campo eletromagnético se manifesta na interação com corpos carregados. Normalmente, essa interação é descrita usando vetores de intensidade de campo elétrico e magnético, que são relacionados por um sistema de quatro equações de Maxwell. A forma praticamente simétrica das equações de Maxwell sugere que esses campos não são entidades independentes - o que nos parece um campo elétrico em um referencial pode se transformar em campo magnético se mudarmos para outro referencial.

De fato, considere um fio ao longo do qual os elétrons correm com a mesma velocidade constante. No referencial associado aos elétrons, existe apenas um campo elétrico constante, que pode ser encontrado usando a lei de Coulomb. No entanto, no referencial original, o movimento dos elétrons cria uma corrente elétrica constante, que por sua vez induz um campo magnético constante (lei de Biot-Savart). Ao mesmo tempo, de acordo com o princípio da relatividade, nos referenciais escolhidos por nós, as leis da física devem coincidir. Isso significa que os campos elétrico e magnético são partes de uma entidade única e mais geral.

Tensores

Antes de nos voltarmos para a formulação covariante da eletrodinâmica, vale a pena dizer algumas palavras sobre a matemática da relatividade especial e geral. O papel mais importante nessas teorias é desempenhado pelo conceito de tensor (e em outras teorias modernas também, para ser honesto). Grosso modo, o tensor de posto ( n, m) pode ser considerado como ( n+m)-dimensional matriz cujos componentes dependem de coordenadas e tempo. Além disso, o tensor deve mudar de uma maneira astuta ao passar de um sistema de referência para outro ou quando a grade de coordenadas muda. Como exatamente, determina o número de índices contravariantes e covariantes ( n e m respectivamente). Ao mesmo tempo, o próprio tensor, como uma entidade física, não muda sob tais transformações, assim como o 4-vetor, que é um caso especial de um tensor de posto 1, não muda sob elas.

Os componentes do tensor são numerados usando índices. Por conveniência, os sobrescritos e subscritos são diferenciados para ver imediatamente como o tensor se transforma ao alterar coordenadas ou sistemas de referência. Por exemplo, o componente tensor T rank (3, 0) é escrito como Tαβγ e o tensor você classificação (2, 1) - como vocêαβγ. De acordo com a tradição estabelecida, os componentes dos tensores quadridimensionais são numerados em letras gregas e tridimensionais - em latim. No entanto, alguns físicos preferem fazer o oposto (por exemplo, Landau).

Além disso, por brevidade, Einstein sugeriu não escrever o sinal de soma "Σ" ao dobrar expressões de tensor. Convolução é a soma de um tensor sobre dois índices dados, e um deles deve ser "superior" (contravariante) e o outro deve ser "inferior" (covariante). Por exemplo, para calcular o traço de uma matriz - o tensor de posto (1, 1) - você precisa reduzi-lo sobre os dois índices disponíveis: Tr[ UMA μ ν ] = Σ UMA μ μ = UMAμμ. Você pode aumentar e diminuir índices usando o tensor métrico: T αβ γ = T αβμ g μγ .

Finalmente, é conveniente introduzir um pseudotensor absolutamente antisimétrico ε μνρσ - um tensor que muda de sinal para qualquer permutação dos índices (por exemplo, ε μνρσ = −ε νμρσ) e cujo componente ε 1234 = +1. Também é chamado de tensor de Levi-Civita. Sob rotações do sistema de coordenadas, ε μνρσ se comporta como um tensor normal, mas sob inversões (uma mudança como x → −x) é convertido de forma diferente.

De fato, os vetores dos campos elétrico e magnético são combinados em uma estrutura que é invariante sob as transformações de Lorentz - ou seja, não muda durante a transição entre diferentes referenciais (inerciais). Este é o chamado tensor de campo eletromagnético Fμν. É melhor escrevê-lo na forma da seguinte matriz:

Aqui, as componentes do campo elétrico são indicadas pela letra E, e os componentes do campo magnético - pela letra H. É fácil ver que o tensor de campo eletromagnético é antisimétrico, ou seja, suas componentes em lados opostos da diagonal são iguais em valor absoluto e possuem sinais opostos. Se queremos obter as equações de Maxwell "dos primeiros princípios", precisamos escrever a ação da eletrodinâmica. Para fazer isso, devemos construir a combinação escalar mais simples de objetos tensores que temos, de alguma forma relacionada às propriedades de campo ou espaço-tempo.

Se você pensar sobre isso, temos pouca escolha - apenas o tensor de campo pode atuar como "blocos de construção" Fμν , tensor métrico gμν e tensor absolutamente antisimétrico ε μνρσ . Destas, você pode coletar apenas duas combinações escalares, e uma delas é uma derivada total, ou seja, pode ser ignorada ao derivar as equações de Euler-Lagrange - após a integração, essa parte simplesmente se transformará em zero. Escolhendo a combinação restante como uma ação e variando-a, obtemos um par de equações de Maxwell - metade do sistema (primeira linha). Parece que perdemos duas equações. No entanto, não precisamos escrever a ação para derivar as equações restantes - elas seguem diretamente da antisimetria do tensor Fμν (segunda linha):

Mais uma vez, obtivemos as equações de movimento corretas escolhendo a combinação mais simples possível como ação. É verdade que, como não levamos em conta a existência de cargas em nosso espaço, obtivemos equações para um campo livre, ou seja, para uma onda eletromagnética. Ao adicionar cargas à teoria, sua influência também deve ser levada em consideração. Isso é feito incluindo um vetor de 4 correntes em ação.

gravidade

O verdadeiro triunfo do princípio da menor ação em seu tempo foi a construção da teoria da relatividade geral (GR). Graças a ele, as leis do movimento foram derivadas pela primeira vez, o que os cientistas não conseguiram obter analisando dados experimentais. Ou podiam, mas não o fizeram. Em vez disso, Einstein (e Hilbert, se preferir) derivou as equações em termos de métricas com base em suposições sobre as propriedades do espaço-tempo. A partir deste momento, a física teórica começou a “ultrapassar” a experimental.

Em GR, a métrica deixa de ser constante (como no SRT) e passa a depender da densidade da energia nela colocada. Observo que é mais correto falar em energia e não em massa, embora essas duas grandezas estejam relacionadas pela relação E = mc 2 em seu próprio quadro de referência. Deixe-me lembrá-lo de que a métrica define as regras pelas quais a distância entre dois pontos (estritamente falando, pontos infinitamente próximos) é calculada. É importante que a métrica não dependa da escolha do sistema de coordenadas. Por exemplo, um espaço tridimensional plano pode ser descrito usando um sistema de coordenadas cartesianas ou esféricas, mas em ambos os casos a métrica do espaço será a mesma.

Para escrever a ação da gravidade, precisamos construir algum tipo de invariante da métrica, que não mudará quando a grade de coordenadas mudar. O mais simples de tal invariante é o determinante métrico. No entanto, se apenas o habilitarmos, não obteremos diferencial equação, uma vez que esta expressão não contém derivadas da métrica. E se a equação não for diferencial, ela não pode descrever situações em que a métrica muda ao longo do tempo. Portanto, precisamos adicionar o invariante mais simples à ação, que contém derivadas gμν. Tal invariante é o chamado escalar de Ricci R, que é obtido por convolução do tensor de Riemann Rμνρσ , que descreve a curvatura do espaço-tempo:

Robert Couse-Baker/flickr.com

Teoria de tudo

Finalmente, é hora de falar sobre a “teoria de tudo”. Este é o nome de várias teorias que tentam combinar a relatividade geral e o modelo padrão - as duas principais teorias físicas conhecidas no momento. Os cientistas fazem tais tentativas não apenas por razões estéticas (quanto menos teorias forem necessárias para entender o mundo, melhor), mas também por razões mais convincentes.

Tanto o GR quanto o Modelo Padrão possuem limites de aplicabilidade, após os quais deixam de funcionar. Por exemplo, a relatividade geral prevê a existência de singularidades - pontos em que a densidade de energia e, portanto, a curvatura do espaço-tempo, tende ao infinito. Os infinitos não são apenas desagradáveis ​​- além desse problema, o Modelo Padrão afirma que a energia não pode ser localizada em um ponto, ela deve ser distribuída por algum volume, ainda que pequeno. Portanto, próximo à singularidade, os efeitos tanto do GR quanto do Modelo Padrão devem ser grandes. Ao mesmo tempo, a relatividade geral ainda não foi quantizada, e o Modelo Padrão é construído na suposição de um espaço-tempo plano. Se quisermos entender o que acontece em torno das singularidades, precisamos desenvolver uma teoria que inclua ambas as teorias.

Tendo em mente o sucesso do princípio do menor efeito no passado, os cientistas baseiam todas as suas tentativas de construir uma nova teoria nele. Lembre-se, consideramos apenas as combinações mais simples quando construímos a ação para várias teorias? Então nossas ações foram coroadas de sucesso, mas isso não significa que a ação mais simples seja a mais correta. De um modo geral, a natureza não precisa ajustar suas leis para facilitar nossa vida.

Portanto, é razoável incluir as seguintes quantidades invariantes mais complexas em ação e ver onde isso leva. De certa forma, isso se assemelha à aproximação sucessiva de uma função por polinômios de graus cada vez mais altos. O único problema aqui é que todas essas correções entram em jogo com alguns coeficientes desconhecidos que não podem ser calculados teoricamente. Além disso, como o Modelo Padrão e a relatividade geral ainda funcionam bem, esses coeficientes devem ser muito pequenos - portanto, difíceis de determinar a partir de experimentos. Numerosos artigos relatando "restrições à nova física" são exatamente os mesmos destinados a determinar os coeficientes em ordens mais altas da teoria. Até agora, eles só conseguiram encontrar limites superiores.

Além disso, existem abordagens que introduzem conceitos novos e não triviais. Por exemplo, a teoria das cordas sugere que as propriedades do nosso mundo podem ser descritas com a ajuda de vibrações não pontuais, mas de objetos estendidos - cordas. Infelizmente, a confirmação experimental da teoria das cordas ainda não foi encontrada. Por exemplo, ela previu algumas excitações nos aceleradores, mas elas nunca apareceram.

Em geral, não parece que os cientistas tenham chegado perto de descobrir uma “teoria de tudo”. Provavelmente, os teóricos ainda precisam apresentar algo essencialmente novo. No entanto, não há dúvida de que a primeira coisa que eles fazem é escrever uma ação para a nova teoria.

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Se todos esses argumentos lhe pareceram complicados e você percorreu o artigo sem ler, aqui está um breve resumo dos fatos que foram discutidos nele. Primeiro, todas as teorias físicas modernas, de uma forma ou de outra, baseiam-se na noção ações- uma quantidade que descreve o quanto o sistema “gosta” desta ou daquela trajetória de movimento. Em segundo lugar, as equações de movimento do sistema podem ser obtidas procurando a trajetória na qual a ação ocorre. ao menos significado. Em terceiro lugar, a ação pode ser construída usando apenas algumas suposições elementares sobre as propriedades do sistema. Por exemplo, sobre o fato de que as leis da física são as mesmas em referenciais que se movem em velocidades diferentes. Quarto, alguns dos candidatos a uma "teoria de tudo" são obtidos simplesmente adicionando termos à operação do Modelo Padrão e GR que violam alguns dos pressupostos dessas teorias. Por exemplo, invariância de Lorentz. Se depois de ler o artigo você se lembrar das afirmações acima, isso é bom. E se você também entender de onde eles vêm - simplesmente maravilhoso.

Dmitry Trunin