Olá queridos leitores. Se você não quer ficar para trás na vida, ser uma pessoa verdadeiramente feliz e saudável, você deve conhecer os segredos da física quântica moderna, pelo menos uma pequena ideia das profundezas do universo que os cientistas cavaram hoje. Você não tem tempo para entrar em detalhes científicos profundos, mas quer compreender apenas a essência, mas ver a beleza do mundo desconhecido, então este artigo: física quântica para manequins comuns ou, pode-se dizer, para donas de casa, é apenas para você. Vou tentar explicar o que é a física quântica, mas em palavras simples, para mostrar com clareza.

"Qual é a conexão entre felicidade, saúde e física quântica?", você pergunta.

O fato é que ajuda a responder muitas questões incompreensíveis relacionadas à consciência humana, a influência da consciência no corpo. Infelizmente, a medicina, baseada na física clássica, nem sempre nos ajuda a sermos saudáveis. E a psicologia não pode dizer adequadamente como encontrar a felicidade.

Somente um conhecimento mais profundo do mundo nos ajudará a entender como realmente lidar com a doença e onde mora a felicidade. Este conhecimento é encontrado nas camadas profundas do Universo. A física quântica vem em socorro. Em breve você saberá de tudo.

O que a física quântica estuda em palavras simples

Sim, de fato, a física quântica é muito difícil de entender porque estuda as leis do micromundo. Ou seja, o mundo em suas camadas mais profundas, em distâncias muito pequenas, onde é muito difícil para uma pessoa olhar.

E o mundo, ao que parece, se comporta lá de forma muito estranha, misteriosa e incompreensível, não como estamos acostumados.

Daí toda a complexidade e mal-entendido da física quântica.

Mas depois de ler este artigo, você expandirá os horizontes do seu conhecimento e verá o mundo de uma maneira completamente diferente.

Brevemente sobre a história da física quântica

Tudo começou no início do século 20, quando a física newtoniana não conseguia explicar muitas coisas e os cientistas chegaram a um beco sem saída. Então Max Planck introduziu o conceito de quantum. Albert Einstein pegou essa ideia e provou que a luz não se propaga continuamente, mas em porções - quanta (fótons). Antes disso, acreditava-se que a luz tinha uma natureza ondulatória.

Mas, como se viu mais tarde, qualquer partícula elementar não é apenas um quantum, isto é, uma partícula sólida, mas também uma onda. Foi assim que o dualismo de ondas corpusculares apareceu na física quântica, o primeiro paradoxo e o início das descobertas de fenômenos misteriosos do micromundo.

Os paradoxos mais interessantes começaram quando o famoso experimento da dupla fenda foi realizado, após o qual os mistérios se tornaram muito mais. Podemos dizer que a física quântica começou com ele. Vamos dar uma olhada nisso.

Experiência de dupla fenda na física quântica

Imagine uma placa com duas ranhuras na forma de listras verticais. Vamos colocar uma tela atrás desta placa. Se direcionarmos a luz para a placa, veremos um padrão de interferência na tela. Ou seja, alternando listras verticais escuras e brilhantes. A interferência é o resultado do comportamento ondulatório de algo, no nosso caso a luz.

Se você passar uma onda de água por dois orifícios localizados lado a lado, entenderá o que é interferência. Ou seja, a luz acaba sendo como se tivesse uma natureza ondulatória. Mas, como a física, ou melhor, Einstein, provou, ela é propagada por partículas de fótons. Já um paradoxo. Mas tudo bem, o dualismo de ondas corpusculares não nos surpreenderá mais. A física quântica nos diz que a luz se comporta como uma onda, mas é composta de fótons. Mas os milagres estão apenas começando.

Vamos colocar uma arma na frente de uma placa com dois slots, que emitirão não luz, mas elétrons. Vamos começar a disparar elétrons. O que veremos na tela atrás da placa?

Afinal, elétrons são partículas, o que significa que o fluxo de elétrons, passando por duas fendas, deve deixar apenas duas listras na tela, dois traços opostos às fendas. Você já imaginou pedrinhas voando por dois slots e atingindo a tela?

Mas o que realmente vemos? Todos o mesmo padrão de interferência. Qual é a conclusão: os elétrons se propagam em ondas. Portanto, os elétrons são ondas. Mas afinal é uma partícula elementar. Novamente o dualismo de onda corpuscular na física.

Mas podemos supor que, em um nível mais profundo, um elétron é uma partícula e, quando essas partículas se juntam, começam a se comportar como ondas. Por exemplo, uma onda do mar é uma onda, mas é composta de gotículas de água e, em um nível menor, de moléculas e depois de átomos. Ok, a lógica é sólida.

Então vamos atirar de uma arma não com um fluxo de elétrons, mas vamos liberar elétrons separadamente, após um certo período de tempo. Como se estivéssemos passando pelas fendas não uma onda do mar, mas cuspindo gotas individuais de uma pistola de água infantil.

É bastante lógico que, neste caso, diferentes gotas de água caiam em diferentes slots. Na tela atrás da placa, podia-se ver não um padrão de interferência da onda, mas duas franjas de impacto distintas opostas a cada fenda. Veremos a mesma coisa se atirarmos pedrinhas, elas, voando por duas frestas, deixariam um rastro, como uma sombra de dois buracos. Vamos agora disparar elétrons individuais para ver essas duas listras na tela de impactos de elétrons. Eles soltaram um, esperaram, o segundo, esperaram e assim por diante. Os físicos quânticos foram capazes de fazer tal experimento.

Mas terror. Em vez dessas duas franjas, obtêm-se as mesmas alternâncias de interferência de várias franjas. Como assim? Isso pode acontecer se um elétron passar por duas fendas ao mesmo tempo, mas atrás da placa, como uma onda, ele colide consigo mesmo e interfere. Mas isso não pode ser, porque uma partícula não pode estar em dois lugares ao mesmo tempo. Ele voa pelo primeiro slot ou pelo segundo.

É aqui que começam as coisas verdadeiramente fantásticas da física quântica.

Superposição na física quântica

Com uma análise mais profunda, os cientistas descobrem que qualquer partícula quântica elementar ou a mesma luz (fóton) pode estar em vários lugares ao mesmo tempo. E estes não são milagres, mas os fatos reais do microcosmo. Isso é o que diz a física quântica. É por isso que, ao disparar uma partícula separada de um canhão, vemos o resultado da interferência. Atrás da placa, o elétron colide consigo mesmo e cria um padrão de interferência.

Objetos comuns do macrocosmo estão sempre em um lugar, têm um estado. Por exemplo, agora você está sentado em uma cadeira, pesa, digamos, 50 kg, tem uma pulsação de 60 batimentos por minuto. É claro que essas indicações mudarão, mas mudarão depois de algum tempo. Afinal, você não pode estar em casa e no trabalho ao mesmo tempo, pesando 50 e 100 kg. Tudo isso é compreensível, isso é senso comum.

Na física do microcosmo, tudo é diferente.

A mecânica quântica afirma, e isso já foi confirmado experimentalmente, que qualquer partícula elementar pode estar simultaneamente não apenas em vários pontos do espaço, mas também ter vários estados ao mesmo tempo, como o spin.

Tudo isso não cabe na cabeça, mina a ideia usual do mundo, as velhas leis da física, vira o pensamento, pode-se dizer com segurança que te deixa louco.

É assim que passamos a entender o termo "superposição" na mecânica quântica.

A superposição significa que um objeto do microcosmo pode estar simultaneamente em diferentes pontos do espaço e também ter vários estados ao mesmo tempo. E isso é normal para partículas elementares. Essa é a lei do micromundo, por mais estranho e fantástico que possa parecer.

Você está surpreso, mas estas são apenas flores, os mais inexplicáveis ​​milagres, mistérios e paradoxos da física quântica ainda estão por vir.

A função de onda colapsa na física em termos simples

Então os cientistas decidiram descobrir e ver com mais precisão se o elétron realmente passa pelas duas fendas. De repente, ele passa por uma fenda e, de alguma forma, se separa e cria um padrão de interferência à medida que passa. Bem, você nunca sabe. Ou seja, você precisa colocar algum dispositivo próximo à fenda, que registraria com precisão a passagem de um elétron por ela. Não antes de dizer que acabou. Claro, isso é difícil de implementar, você não precisa de um dispositivo, mas de outra coisa para ver a passagem de um elétron. Mas os cientistas fizeram isso.

Mas no final, o resultado surpreendeu a todos.

Assim que começamos a olhar por qual fenda passa um elétron, ele começa a se comportar não como uma onda, não como uma substância estranha que está localizada em diferentes pontos do espaço ao mesmo tempo, mas como uma partícula comum. Ou seja, começa a mostrar as propriedades específicas de um quantum: está localizado apenas em um lugar, passa por um slot, tem um valor de spin. O que aparece na tela não é um padrão de interferência, mas um simples traço oposto à fenda.

Mas como isso é possível. Como se o elétron estivesse brincando, brincando conosco. A princípio, ela se comporta como uma onda e, depois que decidimos observar sua passagem por uma fenda, ela apresenta as propriedades de uma partícula sólida e passa por apenas uma fenda. Mas é assim que é no microcosmo. Estas são as leis da física quântica.

Os cientistas viram outra propriedade misteriosa das partículas elementares. Foi assim que os conceitos de incerteza e colapso da função de onda apareceram na física quântica.

Quando um elétron voa em direção ao gap, está em um estado indefinido ou, como dissemos acima, em uma superposição. Ou seja, ele se comporta como uma onda, está localizado simultaneamente em diferentes pontos do espaço, possui dois valores de rotação (uma rotação tem apenas dois valores). Se não o tocássemos, não tentássemos olhar para ele, não descobrissemos exatamente onde ele está, se não medissemos o valor de seu spin, ele voaria como uma onda através de duas fendas na mesmo tempo, o que significa que criaria um padrão de interferência. A física quântica descreve sua trajetória e parâmetros usando a função de onda.

Depois de termos feito uma medição (e é possível medir uma partícula do micromundo apenas interagindo com ela, por exemplo, colidindo outra partícula com ela), então a função de onda entra em colapso.

Ou seja, agora o elétron está exatamente em um lugar no espaço, tem um valor de spin.

Pode-se dizer que uma partícula elementar é como um fantasma, parece existir, mas ao mesmo tempo não está em um lugar, e com certa probabilidade pode estar em qualquer lugar dentro da descrição da função de onda. Mas assim que começamos a contatá-lo, ele se transforma de um objeto fantasmagórico em uma substância tangível real que se comporta como objetos comuns do mundo clássico que nos são familiares.

"Isso é fantástico", você diz. Claro, mas as maravilhas da física quântica estão apenas começando. O mais incrível ainda está por vir. Mas vamos fazer uma pausa na abundância de informações e retornar às aventuras quânticas em outro momento, em outro artigo. Enquanto isso, reflita sobre o que você aprendeu hoje. A que tais milagres podem levar? Afinal, eles nos cercam, isso é uma propriedade do nosso mundo, embora em um nível mais profundo. Ainda achamos que vivemos em um mundo chato? Mas tiraremos conclusões mais tarde.

Tentei falar sobre os fundamentos da física quântica de forma breve e clara.

Mas se você não entende alguma coisa, assista a este desenho sobre física quântica, sobre o experimento com duas fendas, tudo também é contado em uma linguagem compreensível e simples.

Desenho animado sobre física quântica:

Ou você pode assistir a este vídeo, tudo vai se encaixar, a física quântica é muito interessante.

Vídeo sobre física quântica:

Como você não sabia disso antes?

Descobertas modernas na física quântica estão mudando nosso mundo material familiar.

Acho que é seguro dizer que ninguém entende de 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 suas contribuições 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 educacionais, mesmo que está 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 era melhor para prever os resultados de experimentos do que aqueles realizados por 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, devido à 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 um computador puder analisar, 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.

Embora 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, sugeriu-se 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). Esta 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, provou ser 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 na química ou na 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).

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Quando as pessoas ouvem as palavras "física quântica", geralmente ignoram: "É algo terrivelmente complicado". Enquanto isso, isso não é absolutamente o caso, e não há absolutamente nada de terrível na palavra “quântico”. Incompreensível - o suficiente, interessante - muito, mas assustador - não.

Sobre estantes, escadas e Ivan Ivanovich

Todos os processos, fenômenos e quantidades no mundo ao nosso redor podem ser divididos em dois grupos: contínuos (cientificamente contínuo ) e descontínuo (cientificamente discreto ou quantificado ).

Imagine uma mesa na qual você pode colocar um livro. Você pode colocar o livro em qualquer lugar na mesa. À direita, à esquerda, no meio ... Onde você quiser - coloque lá. Nesse caso, os físicos dizem que a posição do livro na mesa muda continuamente .

Agora imagine estantes. Você pode colocar um livro na primeira prateleira, na segunda, na terceira ou na quarta - mas não pode colocar o livro "em algum lugar entre a terceira e a quarta". Neste caso, a posição do livro muda descontinuamente , discretamente , quantificado (Todas essas palavras significam a mesma coisa.)

O mundo ao nosso redor está cheio de quantidades contínuas e quantizadas. Aqui estão duas meninas - Katya e Masha. Sua altura é de 135 e 136 centímetros. Qual é este valor? A altura muda continuamente, pode ser de 135 centímetros e meio e 135 centímetros e um quarto. Mas o número da escola onde as meninas estudam é um valor quantizado! Digamos que Katya estude na escola número 135, e Masha na escola número 136. No entanto, nenhum deles pode estudar na escola número 135 e meio, certo?

Outro exemplo de sistema quantizado é um tabuleiro de xadrez. Existem 64 casas em um tabuleiro de xadrez, e cada peça pode ocupar apenas uma casa. Podemos colocar um peão em algum lugar entre as casas ou colocar dois peões em uma casa ao mesmo tempo? Na verdade, podemos, mas de acordo com as regras, não.

Descida contínua

E aqui está o slide no playground. As crianças deslizam para baixo - porque a altura do escorregador muda suavemente, continuamente. Agora imagine que essa colina de repente (acenando com uma varinha mágica!) se transformou em uma escada. Não será mais possível rolar de sua bunda. Você tem que andar com os pés - primeiro um passo, depois o segundo, depois o terceiro. O valor (altura) que alteramos continuamente - mas começou a mudar em etapas, ou seja, discretamente, quantificado .

Descida Quantizada

Vamos checar!

1. Um vizinho do campo, Ivan Ivanovich, foi a uma aldeia vizinha e disse: "Vou descansar em algum lugar ao longo do caminho".

2. O vizinho de campo Ivan Ivanovich foi a uma aldeia vizinha e disse: "Vou de ônibus".

Qual dessas duas situações ("sistemas") pode ser considerada contínua e qual - quantizada?

Responda:

No primeiro caso, Ivan Ivanovich caminha e pode parar para descansar em absolutamente qualquer ponto. Portanto, este sistema é contínuo.

Na segunda, Ivan Ivanovich pode entrar em um ônibus que parou. Pode pular e esperar pelo próximo ônibus. Mas ele não poderá se sentar “em algum lugar entre” os ônibus. Então este sistema é quantizado!

É tudo sobre astronomia

A existência de quantidades contínuas (contínuas) e descontínuas (quantizadas, descontínuas, discretas) era bem conhecida até mesmo pelos antigos gregos. Em seu livro "Psammit" ("Cálculo de grãos de areia") Arquimedes fez a primeira tentativa de estabelecer uma relação matemática entre quantidades contínuas e quantizadas. No entanto, não existia física quântica naquela época.

Não existia até o início do século 20! Grandes físicos como Galileu, Descartes, Newton, Faraday, Jung ou Maxwell nunca tinham ouvido falar de qualquer física quântica e viviam muito bem sem ela. Você pode perguntar: por que então os cientistas criaram a física quântica? O que é especial na física aconteceu? Imagina o que aconteceu. Só que não em física, mas em astronomia!

Satélite misterioso

Em 1844, o astrônomo alemão Friedrich Bessel observou a estrela mais brilhante em nosso céu noturno, Sirius. Naquela época, os astrônomos já sabiam que as estrelas em nosso céu não são estacionárias - elas se movem, apenas muito, muito lentamente. Além disso, cada estrela é importante! - move-se em linha reta. Então, ao observar Sirius, descobriu-se que ele não se move em linha reta. A estrela parecia "tremer" primeiro em uma direção, depois na outra. O caminho de Sirius no céu era como uma linha sinuosa, que os matemáticos chamam de "onda senoidal".

A estrela Sirius e seu satélite - Sirius B

Ficou claro que a própria estrela não poderia se mover assim. Para transformar o movimento em linha reta em movimento senoidal, é necessário algum tipo de “força perturbadora”. Portanto, Bessel sugeriu que um satélite pesado girasse em torno de Sirius - essa era a explicação mais natural e razoável.

No entanto, os cálculos mostraram que a massa deste satélite deveria ser aproximadamente a mesma do nosso Sol. Então por que não podemos ver este satélite da Terra? Sirius não está longe do sistema solar - cerca de dois parsecs e meio, e um objeto do tamanho do Sol deve ser muito bem visível ...

Acabou sendo uma tarefa difícil. Alguns cientistas disseram que este satélite é uma estrela fria e resfriada - portanto, é absolutamente preta e invisível do nosso planeta. Outros disseram que este satélite não é preto, mas transparente, e é por isso que não podemos vê-lo. Astrônomos de todo o mundo olharam para Sirius através de telescópios e tentaram "pegar" o misterioso satélite invisível, e ele parecia zombar deles. Havia algo para se surpreender, você sabe...

Precisamos de um telescópio milagroso!

Em tal telescópio, as pessoas viram pela primeira vez o satélite de Sirius

Em meados do século 19, o notável designer de telescópios Alvin Clark viveu e trabalhou nos Estados Unidos. De primeira profissão foi artista, mas por acaso tornou-se engenheiro de primeira classe, vidraceiro e astrônomo. Até agora, ninguém conseguiu superar seus incríveis telescópios de lentes! Uma das lentes de Alvin Clarke (76 centímetros de diâmetro) pode ser vista em São Petersburgo, no museu do Observatório Pulkovo...

No entanto, divagamos. Assim, em 1867, Alvin Clark construiu um novo telescópio - com uma lente de 47 centímetros de diâmetro; era o maior telescópio dos EUA na época. Foi o misterioso Sirius que foi escolhido como o primeiro objeto celeste a ser observado durante os testes. E as esperanças dos astrônomos foram brilhantemente justificadas - na primeira noite, o indescritível satélite de Sirius, previsto por Bessel, foi descoberto.

Sair da frigideira para o fogo...

No entanto, tendo recebido os dados observacionais de Clark, os astrônomos não se alegraram por muito tempo. De fato, de acordo com os cálculos, a massa do satélite deve ser aproximadamente a mesma do nosso Sol (333.000 vezes a massa da Terra). Mas em vez de um enorme corpo celeste preto (ou transparente), os astrônomos viram... uma pequena estrela branca! Este asterisco era muito quente (25.000 graus, compare com 5.500 graus do nosso Sol) e ao mesmo tempo minúsculo (pelos padrões cósmicos), não maior que a Terra (mais tarde essas estrelas foram chamadas de "anãs brancas"). Descobriu-se que esse asterisco tinha uma densidade absolutamente inimaginável. De que substância consiste então?

Na Terra, conhecemos materiais de alta densidade, como chumbo (um cubo com um centímetro de lado feito desse metal pesa 11,3 gramas) ou ouro (19,3 gramas por centímetro cúbico). A densidade da substância do satélite de Sirius (foi chamado de "Sirius B") é milhão (!!!) gramas por centímetro cúbico - é 52 mil vezes mais pesado que o ouro!

Tomemos, por exemplo, uma caixa de fósforos comum. Seu volume é de 28 centímetros cúbicos. Isso significa que uma caixa de fósforos cheia da substância do satélite de Sirius pesará... 28 toneladas! Tente imaginar - em uma escala há uma caixa de fósforos e na segunda - um tanque!

Havia outro problema. Existe uma lei na física chamada lei de Charles. Ele argumenta que no mesmo volume a pressão de uma substância é maior, quanto maior a temperatura dessa substância. Lembre-se de como a pressão do vapor quente arranca a tampa de uma chaleira fervida - e você entenderá imediatamente do que se trata. Então, a temperatura da substância do satélite de Sirius violou essa mesma lei de Charles da maneira mais vergonhosa! A pressão era inimaginável e a temperatura relativamente baixa. Como resultado, foram obtidas leis físicas “erradas” e, em geral, física “errada”. Como o Ursinho Pooh - "as abelhas erradas e o mel errado".

Completamente tonto...

Para "salvar" a física, no início do século 20, os cientistas tiveram que admitir que existem DUAS físicas no mundo ao mesmo tempo - uma "clássica", conhecida há dois mil anos. O segundo é incomum quântico . Os cientistas sugeriram que as leis da física clássica funcionam no nível “macroscópico” usual do nosso mundo. Mas no menor nível "microscópico", matéria e energia obedecem a leis completamente diferentes - as quânticas.

Imagine o nosso planeta Terra. Mais de 15.000 vários objetos artificiais estão agora girando em torno dele, cada um em sua própria órbita. Além disso, esta órbita pode ser alterada (corrigida) se desejado - por exemplo, a órbita na Estação Espacial Internacional (ISS) é corrigida periodicamente. Este é um nível macroscópico, as leis da física clássica funcionam aqui (por exemplo, as leis de Newton).

Agora vamos passar para o nível microscópico. Imagine o núcleo de um átomo. Em torno dele, como satélites, os elétrons giram - no entanto, não pode haver arbitrariamente muitos deles (digamos, um átomo de hélio não tem mais do que dois). E as órbitas dos elétrons não serão mais arbitrárias, mas quantizadas, "escalonadas". Essas órbitas da física também são chamadas de "níveis de energia permitidos". Um elétron não pode mover-se "suavemente" de um nível permitido para outro, ele só pode "saltar" instantaneamente de um nível para outro. Acabei de estar "lá" e instantaneamente apareceu "aqui". Ele não pode estar em algum lugar entre "lá" e "aqui". Ele muda de local instantaneamente.

Maravilhoso? Maravilhoso! Mas isso não é tudo. O fato é que, de acordo com as leis da física quântica, dois elétrons idênticos não podem ocupar o mesmo nível de energia. Nunca. Os cientistas chamam esse fenômeno de "proibição de Pauli" (por que essa "proibição" funciona, eles ainda não conseguem explicar). Acima de tudo, essa "proibição" se assemelha a um tabuleiro de xadrez, que citamos como exemplo de sistema quântico - se houver um peão em uma casa do tabuleiro, outro peão não poderá mais ser colocado nessa casa. Exatamente a mesma coisa acontece com os elétrons!

A solução do problema

Como, você pergunta, a física quântica explica fenômenos tão incomuns como a violação da lei de Charles dentro de Sirius B? Mas como.

Imagine um parque da cidade que tem uma pista de dança. Tem muita gente andando na rua, vão para a pista dançar. Deixe que o número de pessoas na rua represente a pressão e o número de pessoas na discoteca a temperatura. Um grande número de pessoas pode ir à pista de dança - quanto mais pessoas andam no parque, mais pessoas dançam na pista de dança, ou seja, quanto maior a pressão, maior a temperatura. É assim que funcionam as leis da física clássica - incluindo a lei de Charles. Os cientistas chamam essa substância de “gás ideal”.

Pessoas na pista de dança - "gás ideal"

No entanto, no nível microscópico, as leis da física clássica não funcionam. Leis quânticas começam a operar lá, e isso muda radicalmente a situação.

Imagine que um café foi aberto no local da pista de dança do parque. Qual é a diferença? Sim, no fato de que em um café, ao contrário de uma discoteca, “quantos você quiser” as pessoas não entrarão. Assim que todos os lugares nas mesas estiverem ocupados, a segurança deixará de deixar as pessoas entrarem. E até que um dos convidados desocupar a mesa, a segurança não deixará ninguém entrar! Mais e mais pessoas estão andando no parque - e quantas pessoas estavam no café, muitas permaneceram. Acontece que a pressão aumenta e a temperatura “fica parada”.

Pessoas em um café - "gás quântico"

Dentro do Sirius B, claro, não há pessoas, pistas de dança e cafés. Mas o princípio continua o mesmo: os elétrons preenchem todos os níveis de energia permitidos (como visitantes - mesas em um café), e não podem mais “deixar ninguém entrar” - exatamente de acordo com a proibição de Pauli. Como resultado, uma pressão inimaginavelmente enorme é obtida dentro da estrela, mas a temperatura ao mesmo tempo é alta, mas bastante comum para estrelas. Tal substância na física é chamada de "gás quântico degenerado".

Devemos continuar?..

A densidade anormalmente alta de anãs brancas está longe de ser o único fenômeno da física que exige o uso de leis quânticas. Se este assunto lhe interessa, nas próximas edições de "Luchik" podemos falar de outros fenômenos quânticos não menos interessantes. Escrever! Por enquanto, vamos lembrar o principal:

1. Em nosso mundo (o Universo) no nível macroscópico (ou seja, "grande"), as leis da física clássica operam. Eles descrevem as propriedades de líquidos e gases comuns, os movimentos de estrelas e planetas e muito mais. Essa é a física que você estuda (ou vai estudar) na escola.

2. No entanto, no nível microscópico (isto é, incrivelmente pequeno, milhões de vezes menor que a menor bactéria), leis completamente diferentes operam - as leis da física quântica. Essas leis são descritas por fórmulas matemáticas muito complexas e não são estudadas na escola. No entanto, apenas a física quântica nos permite explicar de forma relativamente clara a estrutura de objetos espaciais tão incríveis como anãs brancas (como Sirius B), estrelas de nêutrons, buracos negros e assim por diante.

Ninguém neste mundo entende o que é a mecânica quântica. Esta é talvez a coisa mais importante a saber sobre ela. Claro, muitos físicos aprenderam a usar as leis e até mesmo prever fenômenos baseados na computação quântica. Mas ainda não está claro por que o observador do experimento determina o comportamento do sistema e o força a assumir um de dois estados.

Aqui estão alguns exemplos de experimentos com resultados que inevitavelmente mudarão sob a influência do observador. Eles mostram que a mecânica quântica lida praticamente com a intervenção do pensamento consciente na realidade material.

Existem muitas interpretações da mecânica quântica hoje, mas a interpretação de Copenhague é talvez a mais conhecida. Na década de 1920, seus postulados gerais foram formulados por Niels Bohr e Werner Heisenberg.

A base da interpretação de Copenhague foi a função de onda. Esta é uma função matemática que contém informações sobre todos os estados possíveis de um sistema quântico no qual ele existe simultaneamente. De acordo com a Interpretação de Copenhague, o estado de um sistema e sua posição em relação a outros estados só podem ser determinados por observação (a função de onda é usada apenas para calcular matematicamente a probabilidade do sistema estar em um estado ou outro).

Pode-se dizer que após a observação, um sistema quântico torna-se clássico e imediatamente deixa de existir em estados diferentes daquele em que foi observado. Essa conclusão encontrou seus oponentes (lembre-se do famoso "Deus não joga dados" de Einstein), mas a precisão dos cálculos e previsões ainda tinha suas próprias.

No entanto, o número de defensores da interpretação de Copenhague está diminuindo, e a principal razão para isso é o misterioso colapso instantâneo da função de onda durante o experimento. O famoso experimento mental de Erwin Schrödinger com um pobre gato deve demonstrar o absurdo desse fenômeno. Vamos relembrar os detalhes.

Dentro da caixa preta está um gato preto e com ele um frasco de veneno e um mecanismo que pode liberar o veneno aleatoriamente. Por exemplo, um átomo radioativo durante o decaimento pode quebrar uma bolha. O tempo exato do decaimento do átomo é desconhecido. Apenas a meia-vida é conhecida, durante a qual o decaimento ocorre com uma probabilidade de 50%.

Obviamente, para um observador externo, o gato dentro da caixa está em dois estados: ou está vivo, se tudo correu bem, ou morto, se ocorreu a decomposição e o frasco quebrou. Ambos os estados são descritos pela função de onda do gato, que muda com o tempo.

Quanto mais o tempo passou, mais provável é que tenha ocorrido decaimento radioativo. Mas assim que abrimos a caixa, a função de onda entra em colapso e imediatamente vemos os resultados desse experimento desumano.

Na verdade, até que o observador abra a caixa, o gato se equilibrará infinitamente entre a vida e a morte, ou estará vivo e morto. Seu destino só pode ser determinado como resultado das ações do observador. Esse absurdo foi apontado por Schrödinger.

De acordo com uma pesquisa de físicos famosos do The New York Times, o experimento de difração de elétrons é um dos estudos mais surpreendentes da história da ciência. Qual é a sua natureza? Existe uma fonte que emite um feixe de elétrons em uma tela fotossensível. E há um obstáculo no caminho desses elétrons, uma placa de cobre com dois slots.

Que imagem podemos esperar na tela se os elétrons são geralmente representados para nós como pequenas bolas carregadas? Duas listras opostas às ranhuras na placa de cobre. Mas, na verdade, um padrão muito mais complexo de listras brancas e pretas alternadas aparece na tela. Isso se deve ao fato de que, ao passar pela fenda, os elétrons começam a se comportar não apenas como partículas, mas também como ondas (fótons ou outras partículas de luz que podem ser uma onda ao mesmo tempo se comportam da mesma maneira).

Essas ondas interagem no espaço, colidindo e reforçando umas às outras e, como resultado, um padrão complexo de faixas claras e escuras alternadas é exibido na tela. Ao mesmo tempo, o resultado desse experimento não muda, mesmo que os elétrons passem um a um - mesmo uma partícula pode ser uma onda e passar por duas fendas ao mesmo tempo. Este postulado foi um dos principais na interpretação de Copenhague da mecânica quântica, quando as partículas podem demonstrar simultaneamente suas propriedades físicas "comuns" e propriedades exóticas como uma onda.

Mas e o observador? É ele quem torna essa história confusa ainda mais confusa. Quando os físicos em experimentos como esse tentaram usar instrumentos para determinar por qual fenda um elétron estava realmente passando, a imagem na tela mudou drasticamente e tornou-se “clássica”: com duas seções iluminadas diretamente opostas às fendas, sem listras alternadas.

Os elétrons pareciam relutantes em revelar sua natureza ondulatória ao olhar atento dos espectadores. Parece um mistério envolto em escuridão. Mas há uma explicação mais simples: a observação do sistema não pode ser realizada sem influência física sobre ele. Discutiremos isso mais tarde.

2. Fulerenos aquecidos

Experimentos de difração de partículas foram realizados não apenas com elétrons, mas também com outros objetos muito maiores. Por exemplo, foram usados ​​fulerenos, moléculas grandes e fechadas que consistem em várias dezenas de átomos de carbono. Recentemente, um grupo de cientistas da Universidade de Viena, liderados pelo professor Zeilinger, tentou incluir um elemento de observação nesses experimentos. Para fazer isso, eles irradiaram moléculas de fulereno em movimento com feixes de laser. Então, aquecidas por uma fonte externa, as moléculas começaram a brilhar e inevitavelmente refletir sua presença para o observador.

Junto com essa inovação, o comportamento das moléculas também mudou. Antes de uma observação tão abrangente, os fulerenos evitaram um obstáculo com bastante sucesso (exibindo propriedades de onda), semelhante ao exemplo anterior com elétrons atingindo uma tela. Mas com a presença de um observador, os fulerenos começaram a se comportar como partículas físicas perfeitamente cumpridoras da lei.

3. Medição de resfriamento

Uma das leis mais famosas do mundo da física quântica é o princípio da incerteza de Heisenberg, segundo o qual é impossível determinar a velocidade e a posição de um objeto quântico ao mesmo tempo. Quanto mais precisamente medimos o momento de uma partícula, menos precisamente podemos medir sua posição. No entanto, em nosso mundo real macroscópico, a validade das leis quânticas que atuam em partículas minúsculas geralmente passa despercebida.

Experiências recentes do Prof. Schwab dos EUA dão uma contribuição muito valiosa para esta área. Os efeitos quânticos nesses experimentos foram demonstrados não no nível de elétrons ou moléculas de fulereno (que têm um diâmetro aproximado de 1 nm), mas em objetos maiores, uma minúscula fita de alumínio. Esta fita foi fixada em ambos os lados para que seu meio ficasse em estado suspenso e pudesse vibrar sob influência externa. Além disso, um dispositivo capaz de registrar com precisão a posição da fita foi colocado nas proximidades. Como resultado do experimento, várias coisas interessantes foram descobertas. Em primeiro lugar, qualquer medição relacionada à posição do objeto e observação da fita o afetava, após cada medição a posição da fita mudava.

Os experimentadores determinaram as coordenadas da fita com alta precisão e, assim, de acordo com o princípio de Heisenberg, mudaram sua velocidade e, portanto, a posição subsequente. Em segundo lugar, e inesperadamente, algumas medições levaram a um resfriamento da fita. Assim, um observador pode alterar as características físicas dos objetos por sua mera presença.

4. Partículas congeladas

Como você sabe, partículas radioativas instáveis ​​decaem não apenas em experimentos com gatos, mas também por conta própria. Cada partícula tem um tempo de vida médio, que, como se vê, pode aumentar sob o olhar atento de um observador. Esse efeito quântico foi previsto nos anos 60, e sua brilhante prova experimental apareceu em um artigo publicado por um grupo liderado pelo prêmio Nobel de física Wolfgang Ketterle, do Massachusetts Institute of Technology.

Neste trabalho, foi estudado o decaimento de átomos de rubídio excitados instáveis. Imediatamente após a preparação do sistema, os átomos foram excitados usando um feixe de laser. A observação ocorreu em dois modos: contínuo (o sistema foi constantemente exposto a pequenos pulsos de luz) e pulsado (o sistema foi irradiado de tempos em tempos com pulsos mais potentes).

Os resultados obtidos foram totalmente de acordo com as previsões teóricas. Efeitos de luz externa retardam o decaimento das partículas, devolvendo-as ao seu estado original, que está longe do estado de decaimento. A magnitude desse efeito também coincidiu com as previsões. O tempo de vida máximo de átomos de rubídio excitados instáveis ​​aumentou por um fator de 30.

5. Mecânica quântica e consciência

Elétrons e fulerenos deixam de mostrar suas propriedades ondulatórias, placas de alumínio esfriam e partículas instáveis ​​retardam seu decaimento. O olhar atento do observador literalmente muda o mundo. Por que isso não pode ser uma evidência do envolvimento de nossas mentes no trabalho do mundo? Talvez Carl Jung e Wolfgang Pauli (físico austríaco, ganhador do Nobel, pioneiro da mecânica quântica) estivessem certos, afinal, quando disseram que as leis da física e da consciência deveriam ser consideradas complementares uma à outra?

Estamos a um passo de reconhecer que o mundo ao nosso redor é simplesmente um produto ilusório de nossa mente. A ideia é assustadora e tentadora. Vamos tentar voltar aos físicos novamente. Especialmente nos últimos anos, quando cada vez menos pessoas acreditam que a interpretação de Copenhague da mecânica quântica com sua misteriosa função de onda entra em colapso, transformando-se em uma decoerência mais mundana e confiável.

O fato é que em todos esses experimentos com observações, os experimentadores inevitavelmente influenciaram o sistema. Eles o acenderam com um laser e instalaram instrumentos de medição. Eles estavam unidos por um princípio importante: você não pode observar um sistema ou medir suas propriedades sem interagir com ele. Qualquer interação é um processo de modificação de propriedades. Especialmente quando um pequeno sistema quântico é exposto a objetos quânticos colossais. Algum observador budista eternamente neutro é impossível em princípio. E aqui entra em jogo o termo "decoerência", que é irreversível do ponto de vista da termodinâmica: as propriedades quânticas de um sistema mudam ao interagir com outro grande sistema.

Durante essa interação, o sistema quântico perde suas propriedades originais e se torna clássico, como se estivesse “obedecendo” a um grande sistema. Isso também explica o paradoxo do gato de Schrödinger: o gato é um sistema muito grande, então não pode ser isolado do resto do mundo. O próprio projeto deste experimento mental não é inteiramente correto.

De qualquer forma, se assumirmos a realidade do ato de criação pela consciência, a decoerência parece ser uma abordagem muito mais conveniente. Talvez até conveniente demais. Com esta abordagem, todo o mundo clássico torna-se uma grande consequência da decoerência. E, como afirmou o autor de um dos livros mais famosos da área, essa abordagem logicamente leva a declarações como "não há partículas no mundo" ou "não há tempo em um nível fundamental".

Qual é a verdade: no observador-criador ou na decoerência poderosa? Precisamos escolher entre dois males. No entanto, os cientistas estão cada vez mais convencidos de que os efeitos quânticos são uma manifestação de nossos processos mentais. E onde termina a observação e começa a realidade depende de cada um de nós.