Στο λύκειο, έχουμε συνηθίσει να μελετάμε φυσική. Ωστόσο, υπάρχει ένα είδος φυσικής με το οποίο μπορεί να μην είστε εξοικειωμένοι και όλοι θα πρέπει να το γνωρίζουν: η κβαντική φυσική . Πολλοί άνθρωποι δεν γνωρίζουν τι είναι η κβαντική φυσική. Είναι ένα πολυσυζητημένο και συναρπαστικό θέμα που θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην κατανόησή μας για το σύμπαν γύρω μας. Είναι η θεωρία της φυσικής που περιγράφει τη συμπεριφορά της ύλης και έχει επίσης πολλές εφαρμογές στην καθημερινή ζωή.
Επομένως, σε αυτό το άρθρο θα σας πούμε τι είναι η κβαντική φυσική και ποια είναι τα χαρακτηριστικά της.
Τι είναι η κβαντική φυσική
Η κβαντική φυσική ονομάζεται επίσης κβαντική ή μηχανική θεωρία. Διότι βασίζεται σε μια μηχανική θεωρία που εστιάζει στην κλίμακα των μηκών και στα φαινόμενα ατομικής και υποατομικής ενέργειας, δίνοντας νέα πνοή σε προηγούμενες θεωρίες, που θεωρούνται πλέον ξεπερασμένες.
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ της κλασικής φυσικής και της κβαντικής φυσικής; Η τελευταία περιγράφει την ακτινοβολία και την ύλη ως δυϊκά φαινόμενα: κύματα και σωματίδια. Επομένως, η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου μπορεί να θεωρηθεί ένα από τα καθοριστικά χαρακτηριστικά αυτής της μηχανικής. Η σχέση μεταξύ κυμάτων και σωματιδίων μελετάται και επιβεβαιώνεται μέσω δύο αρχών:
- Η αρχή της συμπληρωματικότητας
- Η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg (η δεύτερη επισημοποιεί την πρώτη).
Μπορούμε σίγουρα να είμαστε βέβαιοι ότι, μετά την ανακάλυψη της θεωρίας της σχετικότητας και τη γέννηση της κλασικής φυσικής, αυτή η γνώση σηματοδότησε την αρχή μιας νέας εποχής: της σύγχρονης φυσικής. Για να μελετηθεί η κβαντομηχανική ολοκληρωμένα, απαιτείται η ενσωμάτωση διαφορετικών τομέων της φυσικής:
- Ατομική φυσική
- Φυσικά σωματίδια
- Φυσική της ύλης
- Πυρηνική φυσική
Καταγωγή
Η κλασική φυσική δεν ήταν σε θέση να μελετήσει την ύλη σε μικροεπίπεδο μέχρι τα τέλη του 19ου αιώνα, κάτι που αναμφισβήτητα είναι πέρα από τις δυνατότητες της ατομικής μέτρησης. Επομένως, είναι αδύνατο να μελετηθεί η πειραματική πραγματικότητα, ειδικά τα φαινόμενα που σχετίζονται με το φως και τα ηλεκτρόνια. Αλλά οι άνθρωποι θέλουν πάντα να πάνε παραπέρα, και η έμφυτη περιέργειά τους τους ωθεί να εξερευνήσουν περισσότερο.
Στις αρχές του XNUMXου αιώνα, οι ανακαλύψεις που προέκυψαν από την ατομική κλίμακα αμφισβήτησαν παλιές υποθέσεις. Η κβαντική θεωρία γεννήθηκε χάρη σε έναν όρο που επινοήθηκε από τον ακαδημαϊκό Max Planck στις αρχές του XNUMXου αιώνα. Η βασική ιδέα είναι ότι το μικροσκοπικό μέγεθος και η ποσότητα ορισμένων φυσικών συστημάτων μπορεί ακόμη και να αλλάζει ασυνεχώς αλλά διακριτά.
Αυτές είναι οι μελέτες και έρευνες που κατέστησαν δυνατή την εξαγωγή αυτών των συμπερασμάτων:
- 1803: αναγνώριση των ατόμων ως συστατικού στοιχείου των μορίων
- 1860: Ο περιοδικός πίνακας ομαδοποιεί τα άτομα κατά χημικές ιδιότητες
- 1874: ανακάλυψη του ηλεκτρονίου και του πυρήνα
- 1887: μελέτες για την υπεριώδη ακτινοβολία
Η τελευταία ημερομηνία μπορεί να σηματοδοτήσει την κύρια διαχωριστική γραμμή. Για συχνότητες ακτινοβολίας κάτω από το όριο, το φαινόμενο αλληλεπίδρασης (φωτοηλεκτρικό φαινόμενο) μεταξύ ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και ύλης εξαφανίζεται. Λόγω του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, η ενέργεια των ηλεκτρονίων είναι ανάλογη με τη συχνότητα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η κυματική θεωρία του Maxwell δεν επαρκεί πλέον για να εξηγήσει ορισμένα φαινόμενα. Μπορείτε να εμβαθύνετε σε αυτήν την ιστορία στο άρθρο μας σχετικά με το τι είναι το φως.
Κβαντική θεωρία
Για να συνοψίσουμε τους παράγοντες που συνέβαλαν στη γέννηση της κβαντικής φυσικής, μπορούμε να απαριθμήσουμε πιο σημαντικές ημερομηνίες που σχετίζονται με ανακαλύψεις και γνώσεις που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση της ιστορίας της κβαντικής μηχανικής:
- 1900: Ο Planck εισάγει την ιδέα ότι η ενέργεια κβαντίζεται, απορροφάται και εκπέμπεται.
- 1905: Αϊνστάιν δείχνει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (η ενέργεια του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου μεταφέρεται από κβάντα φωτός (φωτόνια)
- 1913: Bohr ποσοτικοποιεί την τροχιακή κίνηση του ηλεκτρονίου.
- 1915: Summerfeld εισάγει νέους κανόνες, γενικεύοντας τις μεθόδους ποσοτικοποίησης.
Αλλά από το 1924 και μετά, η κβαντική θεωρία, όπως την γνωρίζουμε σήμερα, πήρε μορφή. Εκείνη την ημέρα, η Louise de Broggie ανέπτυξε τη θεωρία των κυμάτων της ύλης. Την επόμενη χρονιά, ο Heinsburg ανέλαβε, διατυπώνοντας τη μηχανική των πινάκων, και στη συνέχεια ο Dirac πρότεινε την ειδική θεωρία της σχετικότητας το 1927. Μέχρι το 1982, όταν το Ινστιτούτο Οπτικής Orsay ολοκλήρωσε την έρευνά του σχετικά με την παραβίαση της ανισότητας Bell, αυτές οι ανακαλύψεις συνεχίστηκαν η μία μετά την άλλη. Είναι ενδιαφέρον ότι μια βιογραφία του Max Planck μπορεί να σας προσφέρει περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τις συνεισφορές του.
Αρχές κβαντικής φυσικής
Μεταξύ των πιο συναρπαστικών ανακαλύψεων βρίσκουμε:
- Δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου
- Αρχή της συμπληρωματικότητας
- Έναρξη αβεβαιότητας
Δυϊσμός κύματος-σωματιδίου
Πριν, υπήρχε μόνο η κλασική φυσική. Αυτό χωρίστηκε σε δύο ομάδες νόμων:
- Νόμοι του Νεύτωνα
- Νόμοι του Μάξγουελ
Το πρώτο σύνολο νόμων περιγράφει την κίνηση και τη δυναμική των μηχανικών αντικειμένων, ενώ το δεύτερο σύνολο νόμων περιγράφει τις τάσεις και τις συνδέσεις μεταξύ αντικειμένων που αποτελούν μέρος των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων: για παράδειγμα, το φως και τα ραδιοκύματα.
Μερικά πειράματα δείχνουν ότι το φως μπορεί να θεωρηθεί ως κύμα. Όμως δεν έχουν επιβεβαιωθεί. Από την άλλη πλευρά, το φως έχει σωματιδιακή φύση (από τον Αϊνστάιν και τον Πλανκ) και, ως εκ τούτου, η ιδέα ότι αποτελείται από φωτόνια αποκτά όλο και μεγαλύτερη νομιμότητα. Χάρη στον Bohr έγινε κατανοητό ότι η φύση της ύλης και της ακτινοβολίας ήταν:
- Κάντε το κύμα
- Κάντε το σώμα
Δεν ήταν πλέον δυνατό να σκεφτόμαστε από τη μία ή την άλλη οπτική γωνία, αλλά μάλλον από μια συμπληρωματική. Η συμπληρωματική αρχή του Bohr απλώς τονίζει αυτό το σημείο. Δηλαδή, τα φαινόμενα που συμβαίνουν σε ατομική κλίμακα έχουν τις διπλές ιδιότητες τόσο των κυμάτων όσο και των σωματιδίων. Για να κατανοήσετε περαιτέρω αυτό το φαινόμενο, μπορείτε να συμβουλευτείτε το άρθρο σχετικά με την κβαντική υπέρθεση.
Αρχή της αβεβαιότητας του Heinsenberg
Όπως αναφέραμε νωρίτερα, το 1927, ο Heisenberg απέδειξε ότι ορισμένα ζεύγη φυσικών μεγεθών, όπως η ταχύτητα και η θέση, δεν μπορούν να καταγραφούν ταυτόχρονα χωρίς σφάλμα . Η ακρίβεια μπορεί να επηρεάσει μία από τις δύο μετρήσεις, αλλά όχι και τις δύο ταυτόχρονα, επειδή φαινόμενα όπως η ταχύτητα θα επηρεάσουν το αποτέλεσμα της άλλης μέτρησης και θα ακυρώσουν τη μέτρηση.
Για να εντοπιστεί ένα ηλεκτρόνιο, πρέπει να εκπεμφθεί ένα φωτόνιο. Όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος του φωτονίου, τόσο πιο ακριβής είναι η μέτρηση της θέσης του ηλεκτρονίου. Στην κβαντική φυσική, τα φωτόνια χαμηλής συχνότητας φέρουν περισσότερη ενέργεια και ταχύτητα από όση μπορούν να απορροφήσουν τα ηλεκτρόνια. Ωστόσο, αυτές οι μετρήσεις δεν μπορούν να προσδιοριστούν με ακρίβεια. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για αυτήν την αρχή στο άρθρο σχετικά με τη βιογραφία του Heisenberg.
Ελπίζω ότι με αυτές τις πληροφορίες μπορείτε να μάθετε περισσότερα για το τι είναι η κβαντική φυσική και ποια είναι τα χαρακτηριστικά της.
