Halo para pembaca yang budiman. Jika Anda tidak ingin ketinggalan kehidupan, untuk menjadi orang yang benar-benar bahagia dan sehat, Anda harus tahu tentang rahasia fisika modern kuantum, setidaknya sedikit gagasan tentang kedalaman alam semesta yang telah digali para ilmuwan hari ini. Anda tidak punya waktu untuk masuk ke detail ilmiah yang mendalam, tetapi Anda hanya ingin memahami esensinya, tetapi untuk melihat keindahan dunia yang tidak dikenal, maka artikel ini: fisika kuantum untuk boneka biasa atau, bisa dikatakan, untuk ibu rumah tangga, hanya untuk kamu. Saya akan mencoba menjelaskan apa itu fisika kuantum, tetapi dengan kata-kata sederhana, untuk menunjukkan dengan jelas.

"Apa hubungan antara kebahagiaan, kesehatan, dan fisika kuantum?" Anda bertanya.

Faktanya adalah membantu menjawab banyak pertanyaan yang tidak dapat dipahami terkait dengan kesadaran manusia, pengaruh kesadaran pada tubuh. Sayangnya, kedokteran, yang mengandalkan fisika klasik, tidak selalu membantu kita menjadi sehat. Dan psikologi tidak dapat dengan tepat memberi tahu Anda bagaimana menemukan kebahagiaan.

Hanya pengetahuan yang lebih dalam tentang dunia yang akan membantu kita memahami bagaimana benar-benar mengatasi penyakit dan di mana kebahagiaan hidup. Pengetahuan ini ditemukan di lapisan terdalam alam semesta. Fisika kuantum datang untuk menyelamatkan. Segera Anda akan tahu segalanya.

Apa yang dipelajari fisika kuantum dengan kata-kata sederhana

Ya, memang, fisika kuantum sangat sulit untuk dipahami karena mempelajari hukum-hukum dunia mikro. Artinya, dunia pada lapisan yang lebih dalam, pada jarak yang sangat kecil, di mana sangat sulit bagi seseorang untuk melihat.

Dan dunia, ternyata, berperilaku sangat aneh, misterius, dan tidak dapat dipahami, tidak seperti biasanya.

Oleh karena itu semua kompleksitas dan kesalahpahaman fisika kuantum.

Tetapi setelah membaca artikel ini, Anda akan memperluas cakrawala pengetahuan Anda dan melihat dunia dengan cara yang sama sekali berbeda.

Secara singkat tentang sejarah fisika kuantum

Semuanya dimulai pada awal abad ke-20, ketika fisika Newton tidak dapat menjelaskan banyak hal dan para ilmuwan menemui jalan buntu. Kemudian Max Planck memperkenalkan konsep kuantum. Albert Einstein mengambil ide ini dan membuktikan bahwa cahaya tidak merambat terus menerus, tetapi dalam porsi - kuanta (foton). Sebelum ini, diyakini bahwa cahaya memiliki sifat gelombang.

Tetapi ternyata kemudian, setiap partikel elementer bukan hanya kuantum, yaitu partikel padat, tetapi juga gelombang. Beginilah dualisme gelombang sel muncul dalam fisika kuantum, paradoks pertama dan awal penemuan fenomena misterius dunia mikro.

Paradoks yang paling menarik dimulai ketika eksperimen celah ganda yang terkenal dilakukan, setelah itu misteri menjadi jauh lebih banyak. Kita dapat mengatakan bahwa fisika kuantum dimulai dengan dia. Mari kita lihat itu.

Eksperimen celah ganda dalam fisika kuantum

Bayangkan sebuah piring dengan dua slot berbentuk garis-garis vertikal. Kami akan menempatkan layar di belakang piring ini. Jika kita mengarahkan cahaya ke pelat, kita akan melihat pola interferensi di layar. Yaitu, garis vertikal gelap dan cerah bergantian. Interferensi adalah hasil dari perilaku gelombang sesuatu, dalam kasus kami cahaya.

Jika Anda melewatkan gelombang air melalui dua lubang yang terletak berdampingan, Anda akan memahami apa itu interferensi. Artinya, cahaya itu ternyata seperti memiliki sifat gelombang. Tetapi seperti yang telah dibuktikan oleh fisika, atau lebih tepatnya Einstein, ia disebarkan oleh partikel foton. Sudah paradoks. Tapi tidak apa-apa, dualisme gelombang sel tidak akan mengejutkan kita lagi. Fisika kuantum memberi tahu kita bahwa cahaya berperilaku seperti gelombang tetapi terdiri dari foton. Tapi keajaiban baru saja dimulai.

Mari kita letakkan pistol di depan piring dengan dua slot, yang tidak memancarkan cahaya, tetapi elektron. Mari kita mulai menembak elektron. Apa yang akan kita lihat di layar di belakang piring?

Bagaimanapun, elektron adalah partikel, yang berarti bahwa aliran elektron, yang melewati dua celah, seharusnya hanya meninggalkan dua garis di layar, dua jejak di seberang celah. Pernahkah Anda membayangkan kerikil terbang melalui dua celah dan mengenai layar?

Tapi apa yang sebenarnya kita lihat? Semua pola interferensi yang sama. Apa kesimpulannya: elektron merambat dalam gelombang. Jadi elektron adalah gelombang. Tapi bagaimanapun juga itu adalah partikel elementer. Sekali lagi dualisme gelombang sel dalam fisika.

Tetapi kita dapat berasumsi bahwa pada tingkat yang lebih dalam, sebuah elektron adalah sebuah partikel, dan ketika partikel-partikel ini berkumpul, mereka mulai berperilaku seperti gelombang. Misalnya, gelombang laut adalah gelombang, tetapi terdiri dari tetesan air, dan pada tingkat yang lebih kecil, molekul, dan kemudian atom. Oke, logikanya kuat.

Kemudian mari kita menembak dari pistol bukan dengan aliran elektron, tetapi mari kita lepaskan elektron secara terpisah, setelah jangka waktu tertentu. Seolah-olah kami melewati celah-celah bukan gelombang laut, tetapi memuntahkan tetesan individu dari pistol air anak-anak.

Cukup logis bahwa dalam kasus ini tetesan air yang berbeda akan jatuh ke dalam lubang yang berbeda. Pada layar di belakang pelat, orang tidak dapat melihat pola interferensi dari gelombang, tetapi dua pinggiran tumbukan berbeda yang berlawanan di setiap celah. Kita akan melihat hal yang sama jika kita melempar batu kecil, mereka, terbang melalui dua celah, akan meninggalkan jejak, seperti bayangan dari dua lubang. Sekarang mari kita menembak elektron individu untuk melihat dua garis ini di layar dari tumbukan elektron. Mereka melepaskan satu, menunggu, yang kedua, menunggu, dan seterusnya. Fisikawan kuantum telah mampu melakukan eksperimen semacam itu.

Tapi horor. Alih-alih dua pinggiran ini, diperoleh pergantian interferensi yang sama dari beberapa pinggiran. Bagaimana? Hal ini dapat terjadi jika sebuah elektron terbang melalui dua celah pada saat yang sama, tetapi di belakang pelat, seperti gelombang, ia bertabrakan dengan dirinya sendiri dan berinterferensi. Tapi ini tidak mungkin, karena sebuah partikel tidak bisa berada di dua tempat pada waktu yang sama. Itu terbang melalui slot pertama atau melalui yang kedua.

Di sinilah hal-hal yang benar-benar fantastis dari fisika kuantum dimulai.

Superposisi dalam fisika kuantum

Dengan analisis yang lebih dalam, para ilmuwan menemukan bahwa setiap partikel kuantum dasar atau cahaya yang sama (foton) sebenarnya dapat berada di beberapa tempat pada waktu yang sama. Dan ini bukan keajaiban, tetapi fakta nyata dari mikrokosmos. Inilah yang dikatakan fisika kuantum. Itulah sebabnya, saat menembak partikel terpisah dari meriam, kita melihat hasil interferensi. Di belakang pelat, elektron bertabrakan dengan dirinya sendiri dan menciptakan pola interferensi.

Objek biasa dari makrokosmos selalu berada di satu tempat, memiliki satu keadaan. Misalnya, Anda sekarang duduk di kursi, menimbang, katakanlah, 50 kg, memiliki denyut nadi 60 denyut per menit. Tentu saja, indikasi ini akan berubah, tetapi akan berubah setelah beberapa waktu. Lagi pula, Anda tidak bisa berada di rumah dan di tempat kerja pada saat yang bersamaan, dengan berat 50 dan 100 kg. Semua ini bisa dimengerti, ini adalah akal sehat.

Dalam fisika mikrokosmos, semuanya berbeda.

Mekanika kuantum mengklaim, dan ini telah dikonfirmasi secara eksperimental, bahwa setiap partikel elementer dapat secara bersamaan tidak hanya di beberapa titik dalam ruang, tetapi juga memiliki beberapa keadaan pada saat yang sama, seperti spin.

Semua ini tidak sesuai dengan kepala, merusak gagasan biasa tentang dunia, hukum fisika lama, mengubah pemikiran, orang dapat dengan aman mengatakan itu membuat Anda gila.

Inilah cara kita memahami istilah "superposisi" dalam mekanika kuantum.

Superposisi berarti bahwa suatu objek mikrokosmos dapat secara bersamaan berada di titik ruang yang berbeda, dan juga memiliki beberapa keadaan pada saat yang bersamaan. Dan ini normal untuk partikel elementer. Begitulah hukum dunia mikro, tidak peduli betapa aneh dan fantastisnya kelihatannya.

Anda terkejut, tetapi ini hanyalah bunga, keajaiban, misteri, dan paradoks fisika kuantum yang paling tidak dapat dijelaskan masih akan datang.

Fungsi gelombang runtuh dalam fisika secara sederhana

Kemudian para ilmuwan memutuskan untuk mencari tahu dan melihat lebih tepat apakah elektron benar-benar melewati kedua celah tersebut. Tiba-tiba ia melewati satu celah dan kemudian entah bagaimana memisahkan dan menciptakan pola interferensi saat melewatinya. Yah, Anda tidak pernah tahu. Artinya, Anda perlu meletakkan beberapa perangkat di dekat celah, yang akan secara akurat merekam perjalanan elektron melaluinya. Tidak lebih cepat diucapkan daripada dilakukan. Tentu saja, ini sulit untuk diterapkan, Anda tidak memerlukan perangkat, tetapi sesuatu yang lain untuk melihat lintasan elektron. Tetapi para ilmuwan telah melakukannya.

Tetapi pada akhirnya, hasilnya mengejutkan semua orang.

Segera setelah kita mulai melihat melalui celah mana elektron melewati, ia mulai berperilaku tidak seperti gelombang, tidak seperti zat aneh yang terletak pada titik yang berbeda dalam ruang pada waktu yang sama, tetapi seperti partikel biasa. Artinya, ia mulai menunjukkan sifat-sifat spesifik kuantum: ia hanya terletak di satu tempat, ia melewati satu slot, ia memiliki satu nilai putaran. Apa yang muncul di layar bukanlah pola interferensi, melainkan jejak sederhana di seberang celah.

Tapi bagaimana mungkin. Seolah elektron sedang bercanda, bermain dengan kita. Pada awalnya, ia berperilaku seperti gelombang, dan kemudian, setelah kami memutuskan untuk melihat perjalanannya melalui celah, ia menunjukkan sifat-sifat partikel padat dan hanya melewati satu celah. Tapi begitulah dalam mikrokosmos. Ini adalah hukum fisika kuantum.

Para ilmuwan telah melihat sifat misterius lain dari partikel elementer. Ini adalah bagaimana konsep ketidakpastian dan keruntuhan fungsi gelombang muncul dalam fisika kuantum.

Ketika sebuah elektron terbang menuju celah, ia berada dalam keadaan tidak terbatas atau, seperti yang kami katakan di atas, dalam superposisi. Artinya, ia berperilaku seperti gelombang, terletak secara bersamaan di berbagai titik di ruang angkasa, ia memiliki dua nilai putaran (putaran hanya memiliki dua nilai). Jika kita tidak menyentuhnya, tidak mencoba melihatnya, tidak tahu persis di mana letaknya, jika kita tidak mengukur nilai putarannya, ia akan terbang seperti gelombang melalui dua celah di bersamaan, yang berarti akan menciptakan pola interferensi. Fisika kuantum menjelaskan lintasan dan parameternya menggunakan fungsi gelombang.

Setelah kita melakukan pengukuran (dan dimungkinkan untuk mengukur partikel dari dunia mikro hanya dengan berinteraksi dengannya, misalnya, dengan menumbuk partikel lain dengannya), maka fungsi gelombang runtuh.

Artinya, sekarang elektron berada tepat di satu tempat di ruang angkasa, memiliki satu nilai spin.

Seseorang dapat mengatakan bahwa partikel elementer seperti hantu, tampaknya ada, tetapi pada saat yang sama tidak berada di satu tempat, dan dengan kemungkinan tertentu ia dapat berada di mana saja dalam deskripsi fungsi gelombang. Tetapi segera setelah kita mulai menghubunginya, ia berubah dari objek hantu menjadi zat nyata nyata yang berperilaku seperti objek biasa dari dunia klasik yang kita kenal.

"Ini luar biasa," katamu. Tentu, tetapi keajaiban fisika kuantum baru saja dimulai. Yang paling luar biasa belum datang. Tapi mari kita istirahat dari kelimpahan informasi dan kembali ke petualangan kuantum lain kali, di artikel lain. Sementara itu, renungkan apa yang Anda pelajari hari ini. Apa yang menyebabkan keajaiban seperti itu? Bagaimanapun, mereka mengelilingi kita, ini adalah milik dunia kita, meskipun pada tingkat yang lebih dalam. Apakah kita masih berpikir bahwa kita hidup di dunia yang membosankan? Tapi kami akan menarik kesimpulan nanti.

Saya mencoba berbicara tentang dasar-dasar fisika kuantum secara singkat dan jelas.

Tetapi jika Anda tidak memahami sesuatu, maka tontonlah kartun tentang fisika kuantum ini, tentang eksperimen dengan dua celah, semuanya juga diceritakan di sana dalam bahasa yang sederhana dan dapat dimengerti.

Kartun tentang fisika kuantum:

Atau Anda dapat menonton video ini, semuanya akan terjadi, fisika kuantum sangat menarik.

Video tentang fisika kuantum:

Bagaimana Anda tidak tahu tentang ini sebelumnya?

Penemuan modern dalam fisika kuantum mengubah dunia material yang kita kenal.

Saya pikir aman untuk mengatakan bahwa tidak ada yang mengerti mekanika kuantum.

Fisikawan Richard Feynman

Tidak berlebihan untuk mengatakan bahwa penemuan perangkat semikonduktor adalah sebuah revolusi. Ini bukan hanya pencapaian teknologi yang mengesankan, tetapi juga membuka jalan bagi peristiwa-peristiwa yang akan mengubah masyarakat modern selamanya. Perangkat semikonduktor digunakan di semua jenis perangkat mikroelektronika, termasuk komputer, jenis peralatan diagnostik dan perawatan medis tertentu, dan perangkat telekomunikasi populer.

Namun di balik revolusi teknologi ini bahkan lebih, sebuah revolusi dalam ilmu umum: lapangan teori kuantum. Tanpa lompatan dalam memahami alam, pengembangan perangkat semikonduktor (dan perangkat elektronik yang lebih maju yang sedang dikembangkan) tidak akan pernah berhasil. Fisika kuantum adalah cabang sains yang sangat kompleks. Bab ini hanya memberikan gambaran singkat. Ketika ilmuwan seperti Feynman mengatakan "tidak ada yang mengerti [itu]", Anda dapat yakin bahwa ini adalah topik yang sangat sulit. Tanpa pemahaman dasar fisika kuantum, atau setidaknya pemahaman tentang penemuan ilmiah yang mengarah pada perkembangannya, mustahil untuk memahami bagaimana dan mengapa perangkat elektronik semikonduktor bekerja. Sebagian besar buku teks elektronik mencoba menjelaskan semikonduktor dalam istilah "fisika klasik", sehingga membuatnya semakin membingungkan untuk dipahami.

Banyak dari kita telah melihat diagram model atom yang terlihat seperti gambar di bawah ini.

Atom Rutherford: elektron negatif berputar di sekitar inti positif kecil

Partikel materi yang sangat kecil disebut proton dan neutron, membentuk pusat atom; elektron berputar seperti planet mengelilingi bintang. Inti membawa muatan listrik positif karena adanya proton (neutron tidak memiliki muatan listrik), sedangkan muatan negatif penyeimbang atom berada di elektron yang mengorbit. Elektron negatif tertarik ke proton positif seperti planet tertarik ke Matahari, tetapi orbitnya stabil karena pergerakan elektron. Model atom yang populer ini berasal dari karya Ernest Rutherford, yang secara eksperimental menentukan sekitar tahun 1911 bahwa muatan positif atom terkonsentrasi dalam inti kecil yang padat, dan tidak terdistribusi secara merata di sepanjang diameter, seperti yang diasumsikan oleh penjelajah J. J. Thomson sebelumnya. .

Eksperimen hamburan Rutherford terdiri dari membombardir foil emas tipis dengan partikel alfa bermuatan positif, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah. Mahasiswa pascasarjana muda H. Geiger dan E. Marsden mendapat hasil yang tidak terduga. Lintasan beberapa partikel alfa menyimpang dengan sudut yang besar. Beberapa partikel alfa dihamburkan ke belakang, dengan sudut hampir 180°. Sebagian besar partikel melewati foil emas tanpa mengubah lintasannya, seolah-olah tidak ada foil sama sekali. Fakta bahwa beberapa partikel alfa mengalami penyimpangan besar dalam lintasannya menunjukkan adanya inti dengan muatan positif yang kecil.

Hamburan Rutherford: seberkas partikel alfa dihamburkan oleh kertas emas tipis

Meskipun model atom Rutherford didukung oleh data eksperimen yang lebih baik daripada model Thomson, model itu masih belum sempurna. Upaya lebih lanjut dilakukan untuk menentukan struktur atom, dan upaya ini membantu membuka jalan bagi penemuan aneh fisika kuantum. Hari ini pemahaman kita tentang atom sedikit lebih kompleks. Namun, terlepas dari revolusi fisika kuantum dan kontribusinya terhadap pemahaman kita tentang struktur atom, penggambaran Rutherford tentang tata surya sebagai struktur atom telah berakar dalam kesadaran populer sejauh ia bertahan di bidang pendidikan, bahkan jika itu salah tempat.

Pertimbangkan deskripsi singkat tentang elektron dalam atom, yang diambil dari buku teks elektronik populer:

Elektron negatif yang berputar tertarik ke inti positif, yang membawa kita ke pertanyaan mengapa elektron tidak terbang ke inti atom. Jawabannya adalah elektron yang berputar tetap pada orbitnya yang stabil karena dua gaya yang sama besar tetapi berlawanan. Gaya sentrifugal yang bekerja pada elektron diarahkan ke luar, dan gaya tarik menarik muatan mencoba menarik elektron menuju inti.

Sesuai dengan model Rutherford, penulis menganggap elektron sebagai kepingan materi padat yang menempati orbit bulat, daya tariknya ke inti yang berlawanan diseimbangkan oleh pergerakannya. Penggunaan istilah "gaya sentrifugal" secara teknis tidak benar (bahkan untuk planet yang mengorbit), tetapi ini mudah dimaafkan karena penerimaan model yang populer: pada kenyataannya, tidak ada yang namanya gaya, menjijikkansetiap benda yang berputar dari pusat orbitnya. Hal ini tampaknya terjadi karena kelembaman benda cenderung membuatnya tetap bergerak dalam garis lurus, dan karena orbit adalah penyimpangan konstan (percepatan) dari gerak bujursangkar, ada reaksi kelembaman konstan terhadap gaya apa pun yang menarik benda ke pusat. orbit (sentripetal), baik gravitasi, tarik-menarik elektrostatik, atau bahkan ketegangan ikatan mekanis.

Namun, masalah sebenarnya dengan penjelasan ini di tempat pertama adalah gagasan elektron bergerak dalam orbit melingkar. Fakta terbukti bahwa muatan listrik yang dipercepat memancarkan radiasi elektromagnetik, fakta ini diketahui bahkan di zaman Rutherford. Karena gerak rotasi adalah bentuk percepatan (benda yang berputar dalam percepatan konstan, menarik benda menjauh dari gerak lurus normalnya), elektron dalam keadaan berputar harus memancarkan radiasi seperti lumpur dari roda yang berputar. Elektron dipercepat sepanjang lintasan melingkar dalam akselerator partikel yang disebut sinkrotron diketahui melakukan ini, dan hasilnya disebut radiasi sinkrotron. Jika elektron kehilangan energi dengan cara ini, orbitnya akhirnya akan terganggu, dan akibatnya mereka akan bertabrakan dengan inti bermuatan positif. Namun, di dalam atom ini biasanya tidak terjadi. Memang, "orbit" elektronik secara mengejutkan stabil pada berbagai kondisi.

Selain itu, eksperimen dengan atom "tereksitasi" telah menunjukkan bahwa energi elektromagnetik dipancarkan oleh atom hanya pada frekuensi tertentu. Atom "tertarik" oleh pengaruh eksternal seperti cahaya, diketahui menyerap energi dan mengembalikan gelombang elektromagnetik pada frekuensi tertentu, seperti garpu tala yang tidak berdering pada frekuensi tertentu sampai dipukul. Ketika cahaya yang dipancarkan oleh atom tereksitasi dibagi oleh prisma menjadi frekuensi komponennya (warna), garis warna individu dalam spektrum ditemukan, pola garis spektral unik untuk elemen kimia. Fenomena ini biasa digunakan untuk mengidentifikasi unsur-unsur kimia, bahkan untuk mengukur proporsi setiap unsur dalam suatu senyawa atau campuran kimia. Menurut tata surya model atom Rutherford (relatif terhadap elektron, sebagai potongan materi, berputar bebas dalam orbit dengan radius tertentu) dan hukum fisika klasik, atom yang tereksitasi harus mengembalikan energi dalam rentang frekuensi yang hampir tak terbatas, dan tidak pada frekuensi yang dipilih. Dengan kata lain, jika model Rutherford benar, maka tidak akan ada efek "garpu tala", dan spektrum warna yang dipancarkan oleh atom mana pun akan muncul sebagai pita warna yang berkesinambungan, bukan sebagai beberapa garis terpisah.

Model atom hidrogen Bohr (dengan orbit yang ditarik ke skala) mengasumsikan bahwa elektron hanya berada dalam orbit diskrit. Elektron bergerak dari n=3,4,5 atau 6 ke n=2 ditampilkan pada serangkaian garis spektral Balmer

Seorang peneliti bernama Niels Bohr mencoba memperbaiki model Rutherford setelah mempelajarinya di laboratorium Rutherford selama beberapa bulan pada tahun 1912. Mencoba mendamaikan hasil fisikawan lain (terutama Max Planck dan Albert Einstein), Bohr menyarankan bahwa setiap elektron memiliki jumlah energi tertentu, dan orbitnya didistribusikan sedemikian rupa sehingga masing-masing elektron dapat menempati tempat tertentu di sekitarnya. inti, seperti bola. , tetap pada jalur melingkar di sekitar inti, dan bukan sebagai satelit yang bergerak bebas, seperti yang diasumsikan sebelumnya (gambar di atas). Untuk menghormati hukum elektromagnetisme dan muatan yang mempercepat, Bohr mengacu pada "orbit" sebagai: keadaan stasioner untuk menghindari interpretasi bahwa mereka mobile.

Meskipun upaya ambisius Bohr untuk memikirkan kembali struktur atom, yang lebih konsisten dengan data eksperimen, merupakan tonggak sejarah dalam fisika, itu tidak selesai. Analisis matematisnya lebih baik dalam memprediksi hasil eksperimen daripada yang dilakukan oleh model sebelumnya, tetapi masih ada pertanyaan yang belum terjawab tentang apakah mengapa elektron harus berperilaku dengan cara yang aneh. Pernyataan bahwa elektron ada dalam keadaan kuantum stasioner di sekitar nukleus berkorelasi lebih baik dengan data eksperimen daripada model Rutherford, tetapi tidak mengatakan apa yang menyebabkan elektron mengambil keadaan khusus ini. Jawaban atas pertanyaan ini datang dari fisikawan lain, Louis de Broglie, sekitar sepuluh tahun kemudian.

De Broglie menyarankan bahwa elektron, seperti foton (partikel cahaya), memiliki sifat partikel dan sifat gelombang. Berdasarkan asumsi ini, ia menyarankan bahwa analisis elektron yang berputar dalam bentuk gelombang lebih baik daripada dalam hal partikel, dan dapat memberikan lebih banyak wawasan tentang sifat kuantumnya. Memang, terobosan lain dibuat dalam pemahaman.

Sebuah string bergetar pada frekuensi resonansi antara dua titik tetap membentuk gelombang berdiri

Atom, menurut de Broglie, terdiri dari gelombang berdiri, sebuah fenomena yang dikenal oleh fisikawan dalam berbagai bentuk. Seperti senar alat musik yang dipetik (gambar di atas), bergetar pada frekuensi resonansi, dengan "simpul" dan "anti-simpul" di tempat yang stabil sepanjangnya. De Broglie membayangkan elektron di sekitar atom sebagai gelombang melengkung menjadi lingkaran (gambar di bawah).

Elektron "berputar" seperti gelombang berdiri di sekitar inti, (a) dua siklus dalam orbit, (b) tiga siklus dalam orbit

Elektron hanya dapat eksis di "orbit" tertentu di sekitar inti, karena jarak tersebut adalah satu-satunya jarak di mana ujung gelombang bertepatan. Pada radius lain mana pun, gelombang akan bertabrakan secara destruktif dengan dirinya sendiri dan dengan demikian tidak ada lagi.

Hipotesis De Broglie memberikan kerangka matematika dan analogi fisik yang nyaman untuk menjelaskan keadaan kuantum elektron dalam atom, tetapi model atomnya masih belum lengkap. Selama beberapa tahun, fisikawan Werner Heisenberg dan Erwin Schrödinger, bekerja secara independen, telah mengerjakan konsep de Broglie tentang dualitas gelombang-partikel untuk menciptakan model matematika partikel subatom yang lebih teliti.

Kemajuan teoretis dari model gelombang berdiri primitif de Broglie ke model matriks Heisenberg dan persamaan diferensial Schrödinger telah diberi nama mekanika kuantum, dan ia telah memperkenalkan fitur yang agak mengejutkan ke dalam dunia partikel subatom: tanda probabilitas, atau ketidakpastian. Menurut teori kuantum baru, tidak mungkin untuk menentukan posisi yang tepat dan momentum yang tepat dari sebuah partikel pada satu saat. Penjelasan populer untuk "prinsip ketidakpastian" ini adalah bahwa ada kesalahan pengukuran (yaitu, dengan mencoba mengukur posisi elektron secara akurat, Anda mengganggu momentumnya, dan karena itu tidak dapat mengetahui apa itu sebelum Anda mulai mengukur posisi. , dan sebaliknya). Kesimpulan sensasional dari mekanika kuantum adalah bahwa partikel tidak memiliki posisi dan momentum eksak, dan karena hubungan kedua besaran ini, ketidakpastian gabungannya tidak akan pernah berkurang di bawah nilai minimum tertentu.

Bentuk koneksi "ketidakpastian" ini juga ada di bidang selain mekanika kuantum. Seperti yang dibahas dalam bab "Sinyal AC Frekuensi Campuran" dalam Volume 2 dari seri buku ini, ada hubungan yang saling eksklusif antara kepercayaan dalam data domain waktu dari bentuk gelombang dan data domain frekuensinya. Sederhananya, semakin kita mengetahui frekuensi komponennya, semakin kurang akurat kita mengetahui amplitudonya dari waktu ke waktu, dan sebaliknya. Mengutip diriku sendiri:

Sinyal dengan durasi tak terbatas (jumlah siklus tak terbatas) dapat dianalisis dengan akurasi mutlak, tetapi semakin sedikit siklus yang tersedia untuk analisis komputer, semakin kurang akurat analisisnya ... Semakin sedikit periode sinyal, semakin tidak akurat frekuensinya . Mengambil konsep ini ke logika ekstrimnya, pulsa pendek (bahkan bukan periode penuh sinyal) tidak benar-benar memiliki frekuensi yang ditentukan, itu adalah rentang frekuensi yang tak terbatas. Prinsip ini umum untuk semua fenomena gelombang, dan tidak hanya untuk tegangan dan arus yang berubah-ubah.

Untuk menentukan amplitudo sinyal yang berubah secara akurat, kita harus mengukurnya dalam waktu yang sangat singkat. Namun, melakukan hal ini membatasi pengetahuan kita tentang frekuensi gelombang (gelombang dalam mekanika kuantum tidak perlu serupa dengan gelombang sinus; kesamaan semacam itu adalah kasus khusus). Di sisi lain, untuk menentukan frekuensi gelombang dengan akurasi tinggi, kita harus mengukurnya selama sejumlah besar periode, yang berarti bahwa kita akan kehilangan amplitudonya pada saat tertentu. Dengan demikian, kita tidak dapat secara bersamaan mengetahui amplitudo sesaat dan semua frekuensi gelombang apa pun dengan akurasi tak terbatas. Keanehan lainnya, ketidakpastian ini jauh lebih besar daripada ketidaktepatan si pengamat; itu adalah sifat gelombang. Ini tidak terjadi, meskipun mungkin, dengan teknologi yang tepat, untuk memberikan pengukuran yang akurat dari amplitudo dan frekuensi sesaat secara bersamaan. Dalam arti harfiah, gelombang tidak dapat memiliki amplitudo sesaat yang tepat dan frekuensi yang tepat pada waktu yang sama.

Ketidakpastian minimum posisi partikel dan momentum yang diungkapkan oleh Heisenberg dan Schrödinger tidak ada hubungannya dengan batasan dalam pengukuran; melainkan, ini adalah sifat intrinsik dari sifat dualitas gelombang-partikel partikel. Oleh karena itu, elektron tidak benar-benar ada di "orbit" mereka sebagai partikel materi yang terdefinisi dengan baik, atau bahkan sebagai bentuk gelombang yang terdefinisi dengan baik, melainkan sebagai "awan" - istilah teknis. fungsi gelombang distribusi probabilitas, seolah-olah setiap elektron "tersebar" atau "dioleskan" pada rentang posisi dan momentum.

Pandangan radikal elektron sebagai awan tak tentu awalnya bertentangan dengan prinsip asli keadaan kuantum elektron: elektron ada dalam "orbit" diskrit dan pasti di sekitar inti atom. Bagaimanapun, pandangan baru ini adalah penemuan yang mengarah pada pembentukan dan penjelasan teori kuantum. Betapa anehnya teori yang dibuat untuk menjelaskan perilaku diskrit elektron pada akhirnya menyatakan bahwa elektron ada sebagai "awan" dan bukan sebagai bagian materi yang terpisah. Namun, perilaku kuantum elektron tidak bergantung pada elektron yang memiliki nilai koordinat dan momentum tertentu, tetapi pada sifat lain yang disebut bilangan kuantum. Intinya, mekanika kuantum membuang konsep umum posisi absolut dan momen absolut, dan menggantinya dengan konsep tipe absolut yang tidak memiliki analog dalam praktik umum.

Bahkan jika elektron diketahui ada dalam bentuk probabilitas terdistribusi "berawan" yang tidak berwujud, daripada bagian materi yang terpisah, "awan" ini memiliki karakteristik yang sedikit berbeda. Setiap elektron dalam atom dapat dijelaskan dengan empat ukuran numerik (bilangan kuantum yang disebutkan sebelumnya), yang disebut utama (radial), orbit (azimut), magnetis dan putaran angka. Di bawah ini adalah gambaran singkat tentang arti dari masing-masing angka tersebut:

Bilangan kuantum utama (radial): dilambangkan dengan huruf n, nomor ini menggambarkan kulit tempat elektron berada. "Kulit" elektron adalah wilayah ruang di sekitar inti atom di mana elektron dapat berada, sesuai dengan model "gelombang berdiri" de Broglie dan Bohr yang stabil. Elektron dapat "melompat" dari kulit ke kulit, tetapi tidak dapat berada di antara mereka.

Bilangan kuantum utama harus bilangan bulat positif (lebih besar dari atau sama dengan 1). Dengan kata lain, bilangan kuantum utama sebuah elektron tidak boleh 1/2 atau -3. Bilangan bulat ini tidak dipilih secara sewenang-wenang, tetapi melalui bukti eksperimental spektrum cahaya: frekuensi (warna) cahaya yang berbeda yang dipancarkan oleh atom hidrogen yang tereksitasi mengikuti hubungan matematis tergantung pada nilai bilangan bulat tertentu, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah.

Setiap kulit memiliki kemampuan untuk menahan banyak elektron. Sebuah analogi untuk kulit elektron adalah barisan kursi konsentris di amfiteater. Sama seperti seseorang yang duduk di amfiteater harus memilih baris untuk duduk (dia tidak bisa duduk di antara baris), elektron harus "memilih" kulit tertentu untuk "duduk". Seperti barisan di amfiteater, kulit terluar menahan lebih banyak elektron daripada kulit yang lebih dekat ke pusat. Selain itu, elektron cenderung menemukan cangkang terkecil yang tersedia, seperti halnya orang-orang di amfiteater mencari tempat yang paling dekat dengan panggung utama. Semakin tinggi nomor kulit, semakin banyak energi yang dimiliki elektron.

Jumlah maksimum elektron yang dapat ditampung oleh setiap kulit dijelaskan oleh persamaan 2n 2 , di mana n adalah bilangan kuantum utama. Jadi, kulit pertama (n = 1) dapat berisi 2 elektron; kulit kedua (n = 2) - 8 elektron; dan kulit ketiga (n = 3) - 18 elektron (gambar di bawah).

Bilangan kuantum utama n dan jumlah elektron maksimum dihubungkan dengan rumus 2(n 2). Orbit tidak untuk skala.

Kulit elektron dalam atom dilambangkan dengan huruf dan bukan angka. Kulit pertama (n = 1) disebut K, kulit kedua (n = 2) L, kulit ketiga (n = 3) M, kulit keempat (n = 4) N, kulit kelima (n = 5) O, kulit keenam ( n = 6) P, dan kulit ketujuh (n = 7) B.

Bilangan kuantum orbital (azimuth): kulit yang terdiri dari subkulit. Beberapa orang mungkin merasa lebih nyaman untuk menganggap subkulit sebagai bagian sederhana dari cangkang, seperti jalur yang membagi jalan. Subkulit jauh lebih aneh. Subkulit adalah wilayah ruang di mana elektron "awan" bisa ada, dan sebenarnya subkulit yang berbeda memiliki bentuk yang berbeda. Subkulit pertama berbentuk bola (Gambar di bawah (s)), yang masuk akal jika divisualisasikan sebagai awan elektron yang mengelilingi inti atom dalam tiga dimensi.

Subkulit kedua menyerupai halter, terdiri dari dua "kelopak" yang terhubung pada satu titik di dekat pusat atom (gambar di bawah (p)).

Subkulit ketiga biasanya menyerupai satu set empat "kelopak" berkerumun di sekitar inti atom. Bentuk subkulit ini menyerupai representasi grafis dari pola antena dengan lobus seperti bawang memanjang dari antena ke berbagai arah (Gambar di bawah (d)).

Orbital:
(s) simetri rangkap tiga;
(p) Ditampilkan: p x , salah satu dari tiga kemungkinan orientasi (p x , p y , p z), sepanjang sumbu masing-masing;
(d) Ditunjukkan: d x 2 -y 2 serupa dengan d xy , d yz , d xz . Ditampilkan: d z 2 . Jumlah orbital-d yang mungkin: lima.

Nilai yang valid untuk bilangan kuantum orbital adalah bilangan bulat positif, seperti halnya bilangan kuantum utama, tetapi juga termasuk nol. Bilangan kuantum untuk elektron dilambangkan dengan huruf l. Jumlah subkulit sama dengan bilangan kuantum utama kulit. Jadi, kulit pertama (n = 1) memiliki satu subkulit dengan angka 0; kulit kedua (n = 2) memiliki dua subkulit bernomor 0 dan 1; kulit ketiga (n = 3) memiliki tiga subkulit bernomor 0, 1 dan 2.

Konvensi subkulit lama menggunakan huruf daripada angka. Dalam format ini, subkulit pertama (l = 0) dilambangkan s, subkulit kedua (l = 1) dilambangkan p, subkulit ketiga (l = 2) dilambangkan d, dan subkulit keempat (l = 3) adalah dilambangkan f. Surat-surat itu berasal dari kata-kata: tajam, Kepala Sekolah, membaur dan Mendasar. Anda masih dapat melihat sebutan ini di banyak tabel periodik yang digunakan untuk menunjukkan konfigurasi elektron terluar ( valensi) kulit atom.

(a) representasi Bohr dari atom perak,
(b) Representasi orbital Ag dengan pembagian kulit menjadi subkulit (bilangan kuantum orbital l).
Diagram ini tidak menyiratkan apa pun tentang posisi sebenarnya dari elektron, tetapi hanya mewakili tingkat energi.

Bilangan kuantum magnetik: Bilangan kuantum magnetik untuk elektron mengklasifikasikan orientasi gambar subkulit elektron. "Kelopak" subkulit dapat diarahkan ke beberapa arah. Orientasi yang berbeda ini disebut orbital. Untuk subkulit pertama (s; l = 0), yang menyerupai bola, "arah" tidak ditentukan. Untuk satu detik (p; l = 1) subkulit di setiap kulit yang menyerupai halter yang menunjuk ke tiga arah yang mungkin. Bayangkan tiga halter berpotongan di titik asal, masing-masing menunjuk sepanjang sumbunya sendiri dalam sistem koordinat triaksial.

Nilai yang valid untuk bilangan kuantum tertentu terdiri dari bilangan bulat mulai dari -l hingga l, dan bilangan ini dilambangkan sebagai saya dalam fisika atom dan z dalam fisika nuklir. Untuk menghitung jumlah orbital dalam setiap subkulit, Anda perlu menggandakan jumlah subkulit dan menambahkan 1, (2∙l + 1). Misalnya, subkulit pertama (l = 0) di kulit mana pun berisi satu orbital bernomor 0; subkulit kedua (l = 1) di setiap kulit mengandung tiga orbital dengan angka -1, 0 dan 1; subkulit ketiga (l = 2) berisi lima orbital bernomor -2, -1, 0, 1 dan 2; dll.

Seperti bilangan kuantum utama, bilangan kuantum magnetik muncul langsung dari data eksperimen: efek Zeeman, pemisahan garis spektral dengan memaparkan gas terionisasi ke medan magnet, oleh karena itu disebut bilangan kuantum "magnetik".

Putar bilangan kuantum: seperti bilangan kuantum magnetik, sifat elektron atom ini ditemukan melalui eksperimen. Pengamatan yang cermat terhadap garis-garis spektral menunjukkan bahwa setiap garis sebenarnya adalah sepasang garis yang jaraknya sangat dekat. struktur halus adalah hasil dari setiap elektron "berputar" di sekitar porosnya sendiri, seperti sebuah planet. Elektron dengan "putaran" yang berbeda akan mengeluarkan frekuensi cahaya yang sedikit berbeda saat tereksitasi. Konsep elektron yang berputar sekarang sudah usang, karena lebih sesuai untuk pandangan (salah) elektron sebagai partikel materi individu daripada sebagai "awan", tetapi namanya tetap ada.

Bilangan kuantum spin dilambangkan sebagai MS dalam fisika atom dan sz dalam fisika nuklir. Setiap orbital di setiap subkulit dapat memiliki dua elektron di setiap kulit, satu dengan spin +1/2 dan yang lainnya dengan spin -1/2.

Fisikawan Wolfgang Pauli mengembangkan prinsip yang menjelaskan urutan elektron dalam atom menurut bilangan kuantum ini. Prinsipnya, disebut Prinsip pengecualian Pauli, menyatakan bahwa dua elektron dalam atom yang sama tidak dapat menempati keadaan kuantum yang sama. Artinya, setiap elektron dalam atom memiliki himpunan bilangan kuantum yang unik. Ini membatasi jumlah elektron yang dapat menempati orbital, subkulit, dan kulit tertentu.

Ini menunjukkan susunan elektron dalam atom hidrogen:

Dengan satu proton dalam nukleus, atom menerima satu elektron untuk keseimbangan elektrostatiknya (muatan positif proton seimbang dengan muatan negatif elektron). Elektron ini berada di kulit bawah (n = 1), subkulit pertama (l = 0), di satu-satunya orbital (orientasi spasial) dari subkulit ini (m l = 0), dengan nilai spin 1/2. Metode umum untuk menggambarkan struktur ini adalah dengan menghitung elektron menurut kulit dan subkulitnya, menurut konvensi yang disebut notasi spektroskopi. Dalam notasi ini, nomor kulit ditampilkan sebagai bilangan bulat, subkulit sebagai huruf (s,p,d,f), dan jumlah total elektron dalam subkulit (semua orbital, semua spin) sebagai superskrip. Jadi, hidrogen, dengan elektron tunggalnya ditempatkan pada tingkat dasar, digambarkan sebagai 1s 1 .

Pindah ke atom berikutnya (dalam urutan nomor atom), kita mendapatkan elemen helium:

Sebuah atom helium memiliki dua proton dalam intinya, yang membutuhkan dua elektron untuk menyeimbangkan muatan listrik positif ganda. Karena dua elektron - satu dengan spin 1/2 dan yang lainnya dengan spin -1/2 - berada dalam orbital yang sama, struktur elektronik helium tidak memerlukan subkulit atau kulit tambahan untuk menahan elektron kedua.

Namun, sebuah atom yang membutuhkan tiga elektron atau lebih akan membutuhkan subkulit tambahan untuk menampung semua elektron, karena hanya dua elektron yang dapat berada di kulit paling bawah (n = 1). Pertimbangkan atom berikutnya dalam urutan peningkatan nomor atom, lithium:

Atom lithium menggunakan bagian dari kapasitansi L cangkang (n = 2). Kulit ini sebenarnya memiliki kapasitas total delapan elektron (kapasitas kulit maksimum = 2n 2 elektron). Jika kita mempertimbangkan struktur atom dengan kulit L yang terisi penuh, kita melihat bagaimana semua kombinasi subkulit, orbital, dan spin ditempati oleh elektron:

Seringkali, ketika menetapkan notasi spektroskopi untuk sebuah atom, setiap cangkang yang terisi penuh dilewati, dan cangkang yang tidak terisi dan cangkang yang terisi tingkat atas dilambangkan. Misalnya, elemen neon (ditunjukkan pada gambar di atas), yang memiliki dua kulit yang terisi penuh, dapat digambarkan secara spektral sebagai 2p 6 daripada sebagai 1s 22 s 22 p 6 . Litium, dengan kulit K yang terisi penuh dan satu elektron pada kulit L, secara sederhana dapat digambarkan sebagai 2s 1 daripada 1s 22 s 1 .

Penghilangan shell tingkat rendah yang terisi penuh tidak hanya untuk kenyamanan notasi. Ini juga menggambarkan prinsip dasar kimia: perilaku kimia suatu unsur terutama ditentukan oleh kulitnya yang tidak terisi. Baik hidrogen dan litium memiliki satu elektron pada kulit terluarnya (masing-masing sebagai 1 dan 2s 1), yaitu, kedua elemen memiliki sifat yang serupa. Keduanya sangat reaktif, dan bereaksi dengan cara yang hampir sama (mengikat elemen serupa di bawah kondisi serupa). Tidak masalah bahwa litium memiliki cangkang K yang terisi penuh di bawah cangkang L yang hampir bebas: cangkang L yang tidak terisi adalah yang menentukan perilaku kimianya.

Unsur-unsur yang memiliki kulit terluar yang terisi penuh diklasifikasikan sebagai mulia dan dicirikan oleh hampir tidak adanya reaksi dengan unsur-unsur lain. Unsur-unsur ini diklasifikasikan sebagai lembam ketika mereka dianggap tidak bereaksi sama sekali, tetapi mereka diketahui dapat membentuk senyawa dengan unsur-unsur lain dalam kondisi tertentu.

Karena unsur-unsur dengan konfigurasi elektron yang sama di kulit terluarnya memiliki sifat kimia yang serupa, Dmitri Mendeleev mengatur unsur-unsur kimia dalam tabel yang sesuai. Tabel ini dikenal sebagai , dan tabel modern mengikuti tata letak umum ini, yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Tabel periodik unsur kimia

Dmitri Mendeleev, seorang ahli kimia Rusia, adalah orang pertama yang mengembangkan tabel periodik unsur. Meskipun Mendeleev mengatur tabelnya berdasarkan massa atom, bukan nomor atom, dan membuat tabel yang tidak berguna seperti tabel periodik modern, perkembangannya merupakan contoh bukti ilmiah yang sangat baik. Melihat pola periodisitas (sifat kimia yang serupa menurut massa atom), Mendeleev berhipotesis bahwa semua elemen harus sesuai dengan pola yang teratur ini. Ketika dia menemukan tempat "kosong" di meja, dia mengikuti logika tatanan yang ada dan mengasumsikan keberadaan elemen yang belum diketahui. Penemuan selanjutnya dari unsur-unsur ini mengkonfirmasi kebenaran ilmiah hipotesis Mendeleev, penemuan lebih lanjut mengarah pada bentuk tabel periodik yang kita gunakan sekarang.

Seperti ini Sebaiknya ilmu kerja: hipotesis mengarah pada kesimpulan logis dan diterima, diubah atau ditolak tergantung pada konsistensi data eksperimen dengan kesimpulannya. Setiap orang bodoh dapat merumuskan hipotesis setelah fakta untuk menjelaskan data eksperimen yang tersedia, dan banyak yang melakukannya. Apa yang membedakan hipotesis ilmiah dari spekulasi post hoc adalah prediksi data eksperimen masa depan yang belum dikumpulkan, dan kemungkinan penolakan data tersebut sebagai hasilnya. Dengan berani pimpin hipotesis ke kesimpulan logisnya dan upaya untuk memprediksi hasil eksperimen di masa depan bukanlah lompatan keyakinan dogmatis, melainkan uji publik terhadap hipotesis ini, tantangan terbuka bagi penentang hipotesis. Dengan kata lain, hipotesis ilmiah selalu "berisiko" karena mencoba memprediksi hasil eksperimen yang belum dilakukan, dan karenanya dapat dipalsukan jika eksperimen tidak berjalan seperti yang diharapkan. Jadi, jika hipotesis benar memprediksi hasil eksperimen berulang, itu tidak terbukti.

Mekanika kuantum, pertama sebagai hipotesis dan kemudian sebagai teori, telah sangat berhasil dalam memprediksi hasil eksperimen, dan karenanya telah menerima tingkat kredibilitas ilmiah yang tinggi. Banyak ilmuwan memiliki alasan untuk percaya bahwa ini adalah teori yang tidak lengkap, karena prediksinya lebih benar pada skala mikrofisika daripada skala makroskopik, namun demikian, teori ini sangat berguna untuk menjelaskan dan memprediksi interaksi partikel dan atom.

Seperti yang telah Anda lihat dalam bab ini, fisika kuantum sangat penting dalam menggambarkan dan memprediksi banyak fenomena yang berbeda. Pada bagian selanjutnya, kita akan melihat signifikansinya dalam konduktivitas listrik padatan, termasuk semikonduktor. Sederhananya, tidak ada dalam kimia atau fisika keadaan padat yang masuk akal dalam struktur teoretis populer elektron yang ada sebagai partikel individu materi yang berputar di sekitar inti atom seperti satelit mini. Ketika elektron dipandang sebagai "fungsi gelombang" yang ada dalam keadaan tertentu dan diskrit yang teratur dan periodik, maka perilaku materi dapat dijelaskan.

Menyimpulkan

Elektron dalam atom ada di "awan" dengan probabilitas terdistribusi, dan bukan sebagai partikel materi diskrit yang berputar di sekitar nukleus, seperti satelit mini, seperti yang ditunjukkan oleh contoh umum.

Elektron individu di sekitar inti atom cenderung "keadaan" unik yang dijelaskan oleh empat bilangan kuantum: bilangan kuantum utama (radial), dikenal sebagai kerang; bilangan kuantum orbital (azimuth), dikenal sebagai subkulit; bilangan kuantum magnetik menggambarkan orbit(orientasi subkulit); dan spin bilangan kuantum, atau sederhananya putaran. Keadaan ini adalah kuantum, yaitu, "di antara mereka" tidak ada kondisi untuk keberadaan elektron, kecuali untuk keadaan yang sesuai dengan skema penomoran kuantum.

Glanoe (radial) bilangan kuantum (n) menggambarkan tingkat dasar atau kulit di mana elektron berada. Semakin besar angka ini, semakin besar jari-jari awan elektron dari inti atom, dan semakin besar energi elektron. Bilangan kuantum utama adalah bilangan bulat (bilangan bulat positif)

Bilangan kuantum orbital (azimut) (l) menggambarkan bentuk awan elektron di kulit atau tingkat tertentu dan sering dikenal sebagai "subkulit". Dalam kulit apapun, ada banyak subkulit (bentuk awan elektron) sebagai nomor kuantum utama kulit. Bilangan kuantum azimut adalah bilangan bulat positif yang dimulai dari nol dan diakhiri dengan bilangan kurang dari bilangan kuantum utama dengan satu (n - 1).

Bilangan kuantum magnetik (ml) menjelaskan orientasi apa yang dimiliki subkulit (bentuk awan elektron). Subkulit dapat memiliki orientasi berbeda sebanyak dua kali nomor subkulit (l) ditambah 1, (2l+1) (yaitu, untuk l=1, m l = -1, 0, 1), dan setiap orientasi unik disebut orbital . Angka-angka ini adalah bilangan bulat dimulai dari nilai negatif dari nomor subkulit (l) sampai 0 dan diakhiri dengan nilai positif dari nomor subkulit.

Bilangan Kuantum Putar (m s) menjelaskan properti lain dari elektron dan dapat mengambil nilai +1/2 dan -1/2.

Prinsip pengecualian Pauli mengatakan bahwa dua elektron dalam sebuah atom tidak dapat berbagi himpunan bilangan kuantum yang sama. Oleh karena itu, paling banyak ada dua elektron di setiap orbital (spin=1/2 dan spin=-1/2), orbital 2l+1 di setiap subkulit, dan n subkulit di setiap kulit, dan tidak lebih.

Notasi spektroskopi adalah konvensi untuk struktur elektronik atom. Kulit ditampilkan sebagai bilangan bulat, diikuti oleh huruf subkulit (s, p, d, f) dengan nomor superskrip yang menunjukkan jumlah total elektron yang ditemukan di masing-masing subkulit.

Perilaku kimia atom ditentukan semata-mata oleh elektron dalam kulit yang tidak terisi. Cangkang tingkat rendah yang terisi penuh memiliki sedikit atau tidak ada efek pada karakteristik pengikatan kimia dari unsur-unsur.

Unsur dengan kulit elektron yang terisi penuh hampir seluruhnya inert, dan disebut bangsawan elemen (sebelumnya dikenal sebagai inert).

Kvantinė fizika statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. fisika kuantum vok. Quantenphysik, f rus. fisika kuantum, f pranc. fisik quantique, f … Fizikos terminų odynas

Istilah ini memiliki arti lain, lihat Keadaan diam. Keadaan diam (dari bahasa Latin stationarius berdiri diam, tidak bergerak) adalah keadaan sistem kuantum di mana energi dan dinamika lainnya ... Wikipedia

- ... Wikipedia

Ia memiliki subbagian berikut (daftar tidak lengkap): Mekanika kuantum Teori kuantum aljabar Teori medan kuantum Elektrodinamika kuantum Kromodinamika kuantum Termodinamika kuantum Gravitasi kuantum Teori superstring Lihat juga ... ... Wikipedia

Mekanika kuantum Prinsip ketidakpastian Pengantar ... Formulasi matematika ... Dasar ... Wikipedia

FISIKA. 1. Pokok bahasan dan struktur fisika F. ilmu yang mempelajari paling sederhana dan sekaligus paling banyak. sifat umum dan hukum gerak benda-benda dunia material di sekitar kita. Akibat keumuman ini, tidak ada fenomena alam yang tidak bersifat fisik. properti... Ensiklopedia Fisik

Fisika hipernuklir adalah cabang fisika di persimpangan fisika nuklir dan fisika partikel elementer, di mana subjek penelitiannya adalah sistem mirip nukleus yang mengandung, selain proton dan neutron, partikel elementer hiperon. Juga ... ... Wikipedia

Cabang fisika yang mempelajari dinamika partikel dalam akselerator, serta berbagai masalah teknis yang terkait dengan konstruksi dan pengoperasian akselerator partikel. Fisika akselerator mencakup masalah yang berkaitan dengan produksi dan akumulasi partikel ... Wikipedia

Fisika kristal Kristalografi kristal Kisi kristal Jenis kisi kristal Difraksi dalam kristal Kisi timbal balik Sel Wigner Seitz Zona Brillouin Faktor basis struktural Faktor hamburan atom Jenis ikatan dalam ... ... Wikipedia

Logika kuantum adalah cabang logika yang diperlukan untuk penalaran tentang kalimat yang memperhitungkan prinsip-prinsip teori kuantum. Bidang penelitian ini didirikan pada tahun 1936 oleh karya Garit Bierhof dan John von Neumann, yang mencoba ... ... Wikipedia

Buku

• Fisika Kuantum, Leonid Karlovich Martinson. Materi teoritis dan eksperimental yang mendasari fisika kuantum disajikan secara rinci. Banyak perhatian diberikan pada konten fisik dari konsep kuantum dasar dan matematika ...
• Fisika Kuantum, Sheddad Qaid-Sala Ferron. Seluruh dunia kita dan semua yang ada di dalamnya - rumah, pohon, dan bahkan manusia! - Terdiri dari partikel-partikel kecil. Buku "Fisika Kuantum" dari seri "Buku pertama tentang sains" akan menceritakan tentang yang tidak terlihat oleh ...

Ketika orang mendengar kata "fisika kuantum" mereka biasanya mengabaikannya: "Ini sesuatu yang sangat rumit." Sementara itu, ini sama sekali tidak terjadi, dan sama sekali tidak ada yang mengerikan dalam kata "kuantum". Tidak bisa dimengerti - cukup, menarik - banyak, tapi menakutkan - tidak.

Tentang rak buku, tangga, dan Ivan Ivanovich

Semua proses, fenomena, dan besaran di dunia di sekitar kita dapat dibagi menjadi dua kelompok: kontinu (secara ilmiah) kontinu ) dan diskontinu (secara ilmiah diskrit atau terkuantisasi ).

Bayangkan sebuah meja tempat Anda bisa meletakkan buku. Anda dapat meletakkan buku di mana saja di atas meja. Di kanan, di kiri, di tengah ... Di mana pun Anda mau - taruh di sana. Dalam hal ini, fisikawan mengatakan bahwa posisi buku di atas meja berubah terus menerus .

Sekarang bayangkan rak buku. Anda dapat meletakkan buku di rak pertama, di rak kedua, di rak ketiga, atau di rak keempat - tetapi Anda tidak dapat meletakkan buku itu "di antara rak ketiga dan keempat". Dalam hal ini, posisi buku berubah terputus-putus , secara diam-diam , terkuantisasi (Semua kata ini memiliki arti yang sama.)

Dunia di sekitar kita penuh dengan kuantitas yang terus menerus dan terkuantisasi. Inilah dua gadis - Katya dan Masha. Tinggi mereka adalah 135 dan 136 sentimeter. Apa nilai ini? Tingginya berubah terus menerus, bisa 135 setengah sentimeter, dan 135 sentimeter seperempat. Tetapi jumlah sekolah tempat para gadis belajar adalah nilai yang terkuantisasi! Katakanlah Katya belajar di sekolah nomor 135, dan Masha di sekolah nomor 136. Namun, tidak satupun dari mereka yang bisa belajar di sekolah nomor 135 setengah, bukan?

Contoh lain dari sistem terkuantisasi adalah papan catur. Ada 64 kotak di papan catur, dan setiap bidak hanya dapat menempati satu kotak. Bisakah kita meletakkan pion di suatu tempat di antara kotak atau meletakkan dua pion di satu kotak sekaligus? Sebenarnya kita bisa, tapi menurut aturan, tidak.

Turunan kontinu

Dan ini perosotan di taman bermain. Anak-anak meluncur turun darinya - karena ketinggian seluncuran berubah dengan lancar, terus menerus. Sekarang bayangkan bukit ini tiba-tiba (mengayunkan tongkat ajaib!) Berubah menjadi tangga. Tidak mungkin lagi berguling dari pantatnya. Anda harus berjalan dengan kaki Anda - satu langkah pertama, lalu yang kedua, lalu yang ketiga. Nilai (tinggi) telah kami ubah terus menerus - tetapi mulai berubah dalam langkah-langkah, yaitu, secara diam-diam, terkuantisasi .

Keturunan terkuantisasi

Mari kita periksa!

1. Seorang tetangga di desa, Ivan Ivanovich, pergi ke desa tetangga dan berkata, "Saya akan beristirahat di suatu tempat di sepanjang jalan."

2. Tetangga di pedesaan Ivan Ivanovich pergi ke desa tetangga dan berkata, "Saya akan naik bus."

Manakah dari dua situasi ini ("sistem") yang dapat dianggap kontinu, dan yang mana - terkuantisasi?

Menjawab:

Dalam kasus pertama, Ivan Ivanovich berjalan dan dapat berhenti untuk beristirahat kapan saja. Jadi sistem ini terus menerus.

Di detik, Ivan Ivanovich bisa naik bus yang berhenti. Dapat melewati dan menunggu bus berikutnya. Tapi dia tidak akan bisa duduk "di antara" bus. Jadi sistem ini terkuantisasi!

Ini semua tentang astronomi

Keberadaan besaran-besaran kontinu (kontinu) dan diskontinu (terkuantisasi, diskontinu, diskrit) sudah sangat dikenal bahkan oleh orang Yunani kuno. Dalam bukunya "Psammit" ("Perhitungan butir pasir") Archimedes bahkan membuat upaya pertama untuk membangun hubungan matematis antara kuantitas kontinu dan kuantitas. Namun, tidak ada fisika kuantum pada waktu itu.

Itu tidak ada sampai awal abad ke-20! Fisikawan hebat seperti Galileo, Descartes, Newton, Faraday, Jung, atau Maxwell belum pernah mendengar tentang fisika kuantum apa pun dan baik-baik saja tanpanya. Anda mungkin bertanya: mengapa para ilmuwan datang dengan fisika kuantum? Apa yang khusus dalam fisika terjadi? Bayangkan apa yang terjadi. Hanya tidak sama sekali dalam fisika, tetapi dalam astronomi!

Satelit misterius

Pada tahun 1844, astronom Jerman Friedrich Bessel mengamati bintang paling terang di langit malam kita, Sirius. Pada saat itu, para astronom sudah tahu bahwa bintang-bintang di langit kita tidak diam - mereka bergerak, hanya sangat, sangat lambat. Selain itu, setiap bintang itu penting! - bergerak dalam garis lurus. Jadi, saat mengamati Sirius, ternyata dia tidak bergerak lurus sama sekali. Bintang itu tampaknya "bergetar" pertama ke satu arah, lalu ke arah lain. Jalur Sirius di langit seperti garis berliku, yang oleh ahli matematika disebut "gelombang sinus".

Bintang Sirius dan satelitnya - Sirius B

Jelas bahwa bintang itu sendiri tidak bisa bergerak seperti itu. Untuk mengubah gerak garis lurus menjadi gerak sinusoidal, diperlukan semacam “gaya pengganggu”. Oleh karena itu, Bessel menyarankan agar satelit berat berputar di sekitar Sirius - ini adalah penjelasan yang paling alami dan masuk akal.

Namun, perhitungan menunjukkan bahwa massa satelit ini kira-kira sama dengan massa Matahari kita. Lalu mengapa kita tidak bisa melihat satelit ini dari Bumi? Sirius tidak jauh dari tata surya - sekitar dua setengah parsec, dan objek seukuran Matahari harus terlihat dengan sangat baik ...

Ternyata menjadi tugas yang sulit. Beberapa ilmuwan mengatakan bahwa satelit ini adalah bintang yang dingin dan dingin - oleh karena itu benar-benar hitam dan tidak terlihat dari planet kita. Yang lain mengatakan bahwa satelit ini tidak hitam, tetapi transparan, itulah sebabnya kami tidak dapat melihatnya. Para astronom di seluruh dunia melihat Sirius melalui teleskop dan mencoba "menangkap" satelit misterius yang tak terlihat, dan dia sepertinya mengejek mereka. Ada sesuatu yang mengejutkan, Anda tahu ...

Kami membutuhkan teleskop ajaib!

Dalam teleskop seperti itu, orang pertama kali melihat satelit Sirius

Di pertengahan abad ke-19, perancang teleskop terkemuka Alvin Clark tinggal dan bekerja di Amerika Serikat. Dengan profesi pertama dia adalah seorang seniman, tetapi secara kebetulan dia berubah menjadi seorang insinyur kelas satu, pembuat kaca dan astronom. Sejauh ini, belum ada yang mampu mengungguli teleskop lensanya yang menakjubkan! Salah satu lensa karya Alvin Clarke (diameter 76 sentimeter) dapat dilihat di St. Petersburg, di museum Observatorium Pulkovo...

Namun, kami menyimpang. Jadi, pada tahun 1867, Alvin Clark membangun teleskop baru - dengan lensa berdiameter 47 sentimeter; itu adalah teleskop terbesar di AS pada saat itu. Itu adalah Sirius misterius yang dipilih sebagai benda langit pertama yang diamati selama tes. Dan harapan para astronom sangat dibenarkan - pada malam pertama, satelit Sirius yang sulit dipahami, yang diprediksi oleh Bessel, ditemukan.

Keluar dari penggorengan ke dalam api...

Namun, setelah menerima data pengamatan Clark, para astronom tidak bersukacita lama. Memang, menurut perhitungan, massa satelit harus kira-kira sama dengan Matahari kita (333.000 kali massa Bumi). Tapi bukannya benda langit hitam besar (atau transparan), para astronom melihat ... sebuah bintang putih kecil! Tanda bintang ini sangat panas (25.000 derajat, bandingkan dengan 5.500 derajat Matahari kita) dan pada saat yang sama kecil (menurut standar kosmik), tidak lebih besar dari Bumi (kemudian bintang seperti itu disebut "katai putih"). Ternyata asterisk ini memiliki kepadatan yang benar-benar tak terbayangkan. Lalu bahan apa yang terkandung di dalamnya?

Di Bumi, kita mengenal bahan berdensitas tinggi, seperti timah (kubus dengan sisi satu sentimeter yang terbuat dari logam ini memiliki berat 11,3 gram) atau emas (19,3 gram per sentimeter kubik). Kepadatan substansi satelit Sirius (disebut "Sirius B") adalah juta (!!!) gram per sentimeter kubik - ini 52 ribu kali lebih berat dari emas!

Ambil, misalnya, kotak korek api biasa. Volumenya adalah 28 sentimeter kubik. Ini berarti kotak korek api yang diisi dengan substansi satelit Sirius akan memiliki berat ... 28 ton! Coba bayangkan - pada satu skala ada kotak korek api, dan pada skala kedua - sebuah tangki!

Ada masalah lain. Ada hukum dalam fisika yang disebut hukum Charles. Dia berpendapat bahwa dalam volume yang sama tekanan suatu zat semakin tinggi, semakin tinggi suhu zat ini. Ingat bagaimana tekanan uap panas merobek tutup ketel rebus - dan Anda akan segera mengerti tentang apa itu. Jadi, suhu zat satelit Sirius melanggar hukum Charles ini dengan cara yang paling tidak tahu malu! Tekanannya tidak terbayangkan dan suhunya relatif rendah. Akibatnya, hukum fisika "salah" dan, secara umum, fisika "salah" diperoleh. Seperti Winnie the Pooh - "lebah yang salah dan madu yang salah."

Benar-benar pusing...

Untuk "menyelamatkan" fisika, pada awal abad ke-20, para ilmuwan harus mengakui bahwa ada DUA fisika di dunia sekaligus - satu "klasik", yang dikenal selama dua ribu tahun. Yang kedua tidak biasa kuantum . Para ilmuwan telah menyarankan bahwa hukum fisika klasik bekerja pada tingkat "makroskopis" biasa di dunia kita. Tetapi pada tingkat terkecil, "mikroskopis", materi dan energi mematuhi hukum yang sama sekali berbeda - hukum kuantum.

Bayangkan planet Bumi kita. Lebih dari 15.000 berbagai benda buatan sekarang berputar di sekitarnya, masing-masing di orbitnya sendiri. Selain itu, orbit ini dapat diubah (dikoreksi) jika diinginkan - misalnya, orbit di Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS) dikoreksi secara berkala. Ini adalah tingkat makroskopik, hukum fisika klasik bekerja di sini (misalnya, hukum Newton).

Sekarang mari kita beralih ke tingkat mikroskopis. Bayangkan inti atom. Di sekelilingnya, seperti satelit, elektron berputar - namun, jumlahnya tidak boleh sembarangan (katakanlah, atom helium tidak lebih dari dua). Dan orbit elektron tidak lagi sewenang-wenang, tetapi terkuantisasi, "melangkah". Orbit fisika seperti itu juga disebut "tingkat energi yang diizinkan". Sebuah elektron tidak dapat “dengan mulus” berpindah dari satu tingkat yang diizinkan ke tingkat yang lain, ia hanya dapat secara instan “melompat” dari satu tingkat ke tingkat lainnya. Baru saja "disana", dan langsung muncul "disini". Dia tidak bisa berada di suatu tempat antara "di sana" dan "di sini". Itu mengubah lokasi secara instan.

Menakjubkan? Menakjubkan! Tapi itu tidak semua. Faktanya adalah, menurut hukum fisika kuantum, dua elektron identik tidak dapat menempati tingkat energi yang sama. Tidak pernah. Para ilmuwan menyebut fenomena ini "Larangan Pauli" (mengapa "larangan" ini berhasil, mereka masih belum bisa menjelaskannya). Yang terpenting, "larangan" ini menyerupai papan catur, yang kami kutip sebagai contoh sistem kuantum - jika ada pion di petak papan, pion lain tidak bisa lagi ditempatkan di petak ini. Hal yang persis sama terjadi dengan elektron!

Solusi dari masalah

Bagaimana, Anda bertanya, bagaimana fisika kuantum dapat menjelaskan fenomena yang tidak biasa seperti pelanggaran hukum Charles di dalam Sirius B? Tapi bagaimana caranya.

Bayangkan sebuah taman kota yang memiliki lantai dansa. Ada banyak orang berjalan di jalan, mereka pergi ke lantai dansa untuk menari. Biarkan jumlah orang di jalan mewakili tekanan, dan jumlah orang di disko mewakili suhu. Sejumlah besar orang dapat pergi ke lantai dansa - semakin banyak orang berjalan di taman, semakin banyak orang menari di lantai dansa, yaitu, semakin tinggi tekanan, semakin tinggi suhu. Beginilah cara kerja hukum fisika klasik - termasuk hukum Charles. Para ilmuwan menyebut zat semacam itu sebagai "gas ideal".

Orang-orang di lantai dansa - "gas ideal"

Namun, pada tingkat mikroskopis, hukum fisika klasik tidak berlaku. Hukum kuantum mulai bekerja di sana, dan ini secara radikal mengubah situasi.

Bayangkan sebuah kafe dibuka di lokasi lantai dansa di taman. Apa bedanya? Ya, faktanya di kafe, tidak seperti diskotik, orang "sebanyak yang Anda suka" tidak akan masuk. Segera setelah semua tempat di meja terisi, keamanan akan berhenti membiarkan orang masuk. Dan sampai salah satu tamu mengosongkan meja, keamanan tidak akan membiarkan siapa pun masuk! Semakin banyak orang berjalan di taman - dan berapa banyak orang yang berada di kafe, begitu banyak yang tersisa. Ternyata tekanannya meningkat, dan suhunya "berhenti".

Orang-orang di kafe - "gas kuantum"

Di dalam Sirius B, tentu saja, tidak ada orang, lantai dansa, dan kafe. Tetapi prinsipnya tetap sama: elektron mengisi semua tingkat energi yang diizinkan (seperti pengunjung - meja di kafe), dan mereka tidak bisa lagi "membiarkan siapa pun masuk" - persis sesuai dengan larangan Pauli. Akibatnya, tekanan besar yang tak terbayangkan diperoleh di dalam bintang, tetapi suhu pada saat yang sama tinggi, tetapi cukup biasa untuk bintang. Zat seperti itu dalam fisika disebut "gas kuantum yang merosot".

Kita lanjutkan?..

Kepadatan katai putih yang sangat tinggi secara anomali jauh dari satu-satunya fenomena dalam fisika yang membutuhkan penggunaan hukum kuantum. Jika topik ini menarik bagi Anda, dalam edisi Luchik berikutnya kita dapat berbicara tentang fenomena kuantum lainnya yang tidak kalah menarik. Menulis! Untuk saat ini, mari kita ingat hal utama:

1. Di dunia kita (Alam Semesta) pada tingkat makroskopik (yaitu "besar"), hukum fisika klasik beroperasi. Mereka menggambarkan sifat-sifat cairan dan gas biasa, gerakan bintang dan planet, dan banyak lagi. Ini adalah fisika yang Anda pelajari (atau akan pelajari) di sekolah.

2. Namun, pada tingkat mikroskopis (yaitu, sangat kecil, jutaan kali lebih kecil dari bakteri terkecil), hukum yang sama sekali berbeda berlaku - hukum fisika kuantum. Hukum-hukum ini dijelaskan oleh rumus matematika yang sangat kompleks, dan tidak dipelajari di sekolah. Namun, hanya fisika kuantum yang memungkinkan kita untuk menjelaskan secara relatif jelas struktur objek luar angkasa yang menakjubkan seperti katai putih (seperti Sirius B), bintang neutron, lubang hitam, dan sebagainya.

Tidak ada seorang pun di dunia ini yang mengerti apa itu mekanika kuantum. Ini mungkin hal yang paling penting untuk diketahui tentang dia. Tentu saja, banyak fisikawan telah belajar menggunakan hukum dan bahkan memprediksi fenomena berdasarkan komputasi kuantum. Tetapi masih belum jelas mengapa pengamat eksperimen menentukan perilaku sistem dan memaksanya mengambil salah satu dari dua keadaan.

Berikut adalah beberapa contoh eksperimen dengan hasil yang pasti akan berubah di bawah pengaruh pengamat. Mereka menunjukkan bahwa mekanika kuantum secara praktis berurusan dengan intervensi pemikiran sadar dalam realitas material.

Ada banyak interpretasi mekanika kuantum saat ini, tetapi interpretasi Kopenhagen mungkin yang paling terkenal. Pada tahun 1920-an, postulat umum dirumuskan oleh Niels Bohr dan Werner Heisenberg.

Dasar interpretasi Kopenhagen adalah fungsi gelombang. Ini adalah fungsi matematika yang berisi informasi tentang semua kemungkinan keadaan sistem kuantum di mana ia ada secara bersamaan. Menurut Interpretasi Kopenhagen, keadaan suatu sistem dan posisinya relatif terhadap keadaan lain hanya dapat ditentukan dengan pengamatan (fungsi gelombang hanya digunakan untuk menghitung secara matematis kemungkinan sistem berada dalam satu keadaan atau lainnya).

Dapat dikatakan bahwa setelah pengamatan, sistem kuantum menjadi klasik dan segera lenyap dalam keadaan selain yang diamati. Kesimpulan ini menemukan lawannya (ingat Einstein yang terkenal "Tuhan tidak bermain dadu"), tetapi keakuratan perhitungan dan prediksi masih memilikinya sendiri.

Namun demikian, jumlah pendukung interpretasi Kopenhagen menurun, dan alasan utamanya adalah runtuhnya fungsi gelombang secara misterius seketika selama percobaan. Eksperimen pemikiran terkenal Erwin Schrödinger dengan kucing malang seharusnya menunjukkan absurditas fenomena ini. Mari kita ingat detailnya.

Di dalam kotak hitam duduk seekor kucing hitam dan dengan itu sebotol racun dan mekanisme yang dapat melepaskan racun secara acak. Misalnya, atom radioaktif selama peluruhan dapat memecahkan gelembung. Waktu pasti peluruhan atom tidak diketahui. Hanya waktu paruh yang diketahui, di mana peluruhan terjadi dengan probabilitas 50%.

Jelas, untuk pengamat eksternal, kucing di dalam kotak berada dalam dua keadaan: baik hidup, jika semuanya berjalan dengan baik, atau mati, jika pembusukan telah terjadi dan botol pecah. Kedua keadaan ini dijelaskan oleh fungsi gelombang kucing, yang berubah seiring waktu.

Semakin banyak waktu berlalu, semakin besar kemungkinan peluruhan radioaktif telah terjadi. Tapi begitu kita membuka kotaknya, fungsi gelombangnya runtuh dan kita langsung melihat hasil eksperimen yang tidak manusiawi ini.

Bahkan, sampai pengamat membuka kotak itu, kucing akan terus-menerus menyeimbangkan antara hidup dan mati, atau hidup dan mati. Nasibnya hanya dapat ditentukan sebagai hasil dari tindakan pengamat. Absurditas ini ditunjukkan oleh Schrödinger.

Menurut survei fisikawan terkenal oleh The New York Times, eksperimen difraksi elektron adalah salah satu studi paling menakjubkan dalam sejarah sains. Apa sifatnya? Ada sumber yang memancarkan sinar elektron ke layar fotosensitif. Dan ada hambatan di jalan elektron ini, pelat tembaga dengan dua slot.

Gambar apa yang dapat kita harapkan di layar jika elektron biasanya direpresentasikan kepada kita sebagai bola bermuatan kecil? Dua garis berlawanan dengan slot di pelat tembaga. Namun kenyataannya, pola garis-garis putih dan hitam yang jauh lebih kompleks muncul di layar. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa ketika melewati celah, elektron mulai berperilaku tidak hanya sebagai partikel, tetapi juga sebagai gelombang (foton atau partikel cahaya lain yang dapat menjadi gelombang pada saat yang sama berperilaku dengan cara yang sama).

Gelombang-gelombang ini berinteraksi di ruang angkasa, bertabrakan dan saling menguatkan, dan sebagai hasilnya, sebuah pola kompleks dari garis-garis terang dan gelap yang berselang-seling ditampilkan di layar. Pada saat yang sama, hasil percobaan ini tidak berubah, bahkan jika elektron melewati satu per satu - bahkan satu partikel dapat menjadi gelombang dan melewati dua celah pada saat yang sama. Postulat ini adalah salah satu yang utama dalam interpretasi Kopenhagen tentang mekanika kuantum, ketika partikel dapat secara bersamaan menunjukkan sifat fisik "biasa" dan sifat eksotis seperti gelombang.

Tapi bagaimana dengan pengamat? Dialah yang membuat cerita membingungkan ini semakin membingungkan. Ketika fisikawan dalam eksperimen seperti ini mencoba menggunakan instrumen untuk menentukan celah mana yang sebenarnya dilalui elektron, gambar di layar berubah secara dramatis dan menjadi "klasik": dengan dua bagian yang diterangi tepat di seberang celah, tanpa garis-garis bergantian.

Elektron tampak enggan mengungkapkan sifat gelombang mereka ke mata pengamat yang waspada. Itu tampak seperti misteri yang diselimuti kegelapan. Tetapi ada penjelasan yang lebih sederhana: pengamatan sistem tidak dapat dilakukan tanpa pengaruh fisik terhadapnya. Kami akan membahas ini nanti.

2. Fullerene yang dipanaskan

Eksperimen difraksi partikel dilakukan tidak hanya dengan elektron, tetapi juga dengan objek lain yang jauh lebih besar. Misalnya, fullerene digunakan, molekul besar dan tertutup yang terdiri dari beberapa puluh atom karbon. Baru-baru ini, sekelompok ilmuwan dari Universitas Wina, yang dipimpin oleh Profesor Zeilinger, mencoba memasukkan unsur observasi dalam eksperimen ini. Untuk melakukan ini, mereka menyinari molekul fullerene yang bergerak dengan sinar laser. Kemudian, dipanaskan oleh sumber eksternal, molekul-molekul mulai bersinar dan tak terhindarkan memantulkan kehadiran mereka kepada pengamat.

Seiring dengan inovasi ini, perilaku molekul juga berubah. Sebelum pengamatan komprehensif seperti itu, fullerene berhasil menghindari rintangan (menunjukkan sifat gelombang), mirip dengan contoh sebelumnya dengan elektron mengenai layar. Tetapi dengan kehadiran seorang pengamat, fullerene mulai berperilaku seperti partikel fisik yang taat hukum.

3. Pengukuran pendinginan

Salah satu hukum paling terkenal di dunia fisika kuantum adalah prinsip ketidakpastian Heisenberg, yang menurutnya tidak mungkin untuk menentukan kecepatan dan posisi objek kuantum pada saat yang bersamaan. Semakin akurat kita mengukur momentum suatu partikel, semakin kurang akurat kita dapat mengukur posisinya. Namun, di dunia nyata makroskopik kita, validitas hukum kuantum yang bekerja pada partikel kecil biasanya tidak diperhatikan.

Eksperimen terbaru oleh Prof. Schwab dari Amerika Serikat memberikan kontribusi yang sangat berharga untuk bidang ini. Efek kuantum dalam percobaan ini tidak ditunjukkan pada tingkat elektron atau molekul fullerene (yang memiliki diameter perkiraan 1 nm), tetapi pada objek yang lebih besar, pita aluminium kecil. Pita ini dipasang di kedua sisi sehingga bagian tengahnya dalam keadaan tersuspensi dan dapat bergetar di bawah pengaruh luar. Selain itu, sebuah perangkat yang mampu merekam posisi kaset secara akurat ditempatkan di dekatnya. Dari percobaan tersebut, ditemukan beberapa hal menarik. Pertama, setiap pengukuran yang berkaitan dengan posisi objek dan pengamatan pita mempengaruhinya, setelah setiap pengukuran posisi pita berubah.

Eksperimen menentukan koordinat pita dengan akurasi tinggi, dan dengan demikian, sesuai dengan prinsip Heisenberg, mengubah kecepatannya, dan karenanya posisi berikutnya. Kedua, dan secara tak terduga, beberapa pengukuran menyebabkan kaset menjadi dingin. Dengan demikian, seorang pengamat dapat mengubah karakteristik fisik objek hanya dengan kehadirannya.

4. Partikel beku

Seperti yang Anda ketahui, partikel radioaktif yang tidak stabil membusuk tidak hanya dalam eksperimen dengan kucing, tetapi juga dengan sendirinya. Setiap partikel memiliki masa hidup rata-rata, yang ternyata dapat meningkat di bawah pengawasan seorang pengamat. Efek kuantum ini diprediksi pada tahun 60-an, dan bukti eksperimentalnya yang brilian muncul dalam makalah yang diterbitkan oleh kelompok yang dipimpin oleh peraih Nobel dalam bidang fisika Wolfgang Ketterle dari Massachusetts Institute of Technology.

Dalam karya ini, peluruhan atom rubidium tereksitasi yang tidak stabil dipelajari. Segera setelah persiapan sistem, atom-atom dieksitasi menggunakan sinar laser. Pengamatan berlangsung dalam dua mode: kontinu (sistem terus-menerus terkena pulsa cahaya kecil) dan berdenyut (sistem disinari dari waktu ke waktu dengan pulsa yang lebih kuat).

Hasil yang diperoleh sepenuhnya sesuai dengan prediksi teoritis. Efek cahaya eksternal memperlambat peluruhan partikel, mengembalikannya ke keadaan semula, yang jauh dari keadaan peluruhan. Besarnya efek ini juga bertepatan dengan prediksi. Masa hidup maksimum atom rubidium tereksitasi tidak stabil meningkat dengan faktor 30.

5. Mekanika kuantum dan kesadaran

Elektron dan fullerene berhenti menunjukkan sifat gelombangnya, pelat aluminium mendingin, dan partikel yang tidak stabil memperlambat peluruhannya. Mata yang waspada dari yang melihatnya benar-benar mengubah dunia. Mengapa ini tidak bisa menjadi bukti keterlibatan pikiran kita dalam pekerjaan dunia? Mungkin Carl Jung dan Wolfgang Pauli (fisikawan Austria, peraih Nobel, pelopor mekanika kuantum) benar, bagaimanapun juga, ketika mereka mengatakan bahwa hukum fisika dan kesadaran harus dianggap saling melengkapi?

Kita selangkah lagi untuk menyadari bahwa dunia di sekitar kita hanyalah produk ilusi dari pikiran kita. Idenya menakutkan dan menggoda. Mari kita coba beralih ke fisikawan lagi. Terutama dalam beberapa tahun terakhir, ketika semakin sedikit orang yang percaya interpretasi Kopenhagen tentang mekanika kuantum dengan fungsi gelombang misteriusnya runtuh, beralih ke dekoherensi yang lebih biasa dan andal.

Faktanya adalah bahwa dalam semua eksperimen dengan pengamatan ini, para peneliti pasti memengaruhi sistem. Mereka menyalakannya dengan laser dan memasang alat ukur. Mereka disatukan oleh prinsip penting: Anda tidak dapat mengamati suatu sistem atau mengukur sifat-sifatnya tanpa berinteraksi dengannya. Setiap interaksi adalah proses memodifikasi properti. Terutama ketika sistem kuantum kecil terkena objek kuantum kolosal. Beberapa pengamat Buddhis yang netral selamanya pada prinsipnya tidak mungkin. Dan di sini istilah "dekoherensi" berperan, yang tidak dapat diubah dari sudut pandang termodinamika: sifat kuantum suatu sistem berubah ketika berinteraksi dengan sistem besar lainnya.

Selama interaksi ini, sistem kuantum kehilangan sifat aslinya dan menjadi klasik, seolah-olah "mematuhi" sistem besar. Ini juga menjelaskan paradoks kucing Schrödinger: kucing adalah sistem yang terlalu besar, sehingga tidak dapat diisolasi dari bagian dunia lainnya. Rancangan eksperimen pemikiran ini tidak sepenuhnya benar.

Bagaimanapun, jika kita menganggap realitas tindakan penciptaan oleh kesadaran, dekoherensi tampaknya menjadi pendekatan yang jauh lebih nyaman. Bahkan mungkin terlalu nyaman. Dengan pendekatan ini, seluruh dunia klasik menjadi salah satu konsekuensi besar dari dekoherensi. Dan seperti yang dinyatakan oleh penulis salah satu buku paling terkenal di bidangnya, pendekatan semacam itu secara logis mengarah pada pernyataan seperti "tidak ada partikel di dunia" atau "tidak ada waktu pada tingkat dasar".

Apa kebenarannya: dalam pencipta-pengamat atau dekoherensi yang kuat? Kita harus memilih di antara dua kejahatan. Namun demikian, para ilmuwan semakin yakin bahwa efek kuantum adalah manifestasi dari proses mental kita. Dan di mana pengamatan berakhir dan kenyataan dimulai tergantung pada kita masing-masing.