Dobrý deň milí čitatelia. Ak nechcete zaostávať za životom, byť skutočne šťastným a zdravým človekom, mali by ste vedieť o tajomstvách kvantovej modernej fyziky, aspoň trochu tušiť, do akých hlbín vesmíru sa dnes vedci vyhrabali. Nemáte čas zachádzať do hlbokých vedeckých detailov, ale chcete pochopiť iba podstatu, ale vidieť krásu neznámeho sveta, potom je tento článok: kvantová fyzika pre obyčajné figuríny alebo, dalo by sa povedať, pre ženy v domácnosti, len pre teba. Pokúsim sa vysvetliť, čo je kvantová fyzika, ale jednoduchými slovami, aby som to názorne ukázal.

„Aká je súvislosť medzi šťastím, zdravím a kvantovou fyzikou?“ pýtate sa.

Faktom je, že pomáha odpovedať na mnohé nepochopiteľné otázky súvisiace s ľudským vedomím, vplyvom vedomia na telo. Bohužiaľ, medicína, opierajúca sa o klasickú fyziku, nám nie vždy pomáha byť zdravými. A psychológia vám nedokáže správne povedať, ako nájsť šťastie.

Len hlbšie poznanie sveta nám pomôže pochopiť, ako sa skutočne vyrovnať s chorobou a kde žije šťastie. Toto poznanie sa nachádza v hlbokých vrstvách vesmíru. Na pomoc prichádza kvantová fyzika. Čoskoro sa všetko dozviete.

Čo študuje kvantová fyzika jednoduchými slovami

Áno, skutočne, kvantová fyzika je veľmi ťažko pochopiteľná, pretože študuje zákonitosti mikrosveta. Teda svet v jeho hlbších vrstvách, vo veľmi malých vzdialenostiach, kam sa človek len veľmi ťažko pozerá.

A svet sa tam, ukazuje sa, správa veľmi zvláštne, tajomne a nepochopiteľne, nie tak, ako sme zvyknutí.

Preto všetka zložitosť a nepochopenie kvantovej fyziky.

Po prečítaní tohto článku si ale rozšírite obzory svojich vedomostí a pozriete sa na svet úplne inak.

Stručne o histórii kvantovej fyziky

Všetko sa to začalo na začiatku 20. storočia, keď newtonovská fyzika nevedela veľa vecí vysvetliť a vedci sa dostali do slepej uličky. Potom Max Planck predstavil koncept kvanta. Albert Einstein zachytil túto myšlienku a dokázal, že svetlo sa nešíri nepretržite, ale po častiach - kvantách (fotónoch). Predtým sa verilo, že svetlo má vlnovú povahu.

Ale ako sa neskôr ukázalo, akákoľvek elementárna častica nie je len kvantum, teda pevná častica, ale aj vlna. Tak sa v kvantovej fyzike objavil korpuskulárno-vlnový dualizmus, prvý paradox a začiatok objavov záhadných javov mikrosveta.

Najzaujímavejšie paradoxy sa začali, keď sa uskutočnil slávny experiment s dvojitou štrbinou, po ktorom sa záhad stalo oveľa viac. Dá sa povedať, že s ním začala kvantová fyzika. Poďme sa na to pozrieť.

Dvojštrbinový experiment v kvantovej fyzike

Predstavte si tanier s dvoma štrbinami vo forme zvislých pruhov. Za tento tanier dáme zástenu. Ak nasmerujeme svetlo na platňu, na obrazovke uvidíme interferenčný obrazec. Teda striedanie tmavých a jasných vertikálnych pruhov. Interferencia je výsledkom vlnového správania niečoho, v našom prípade svetla.

Ak prejdete vlnou vody cez dva otvory umiestnené vedľa seba, pochopíte, čo je rušenie. To znamená, že svetlo sa ukáže byť ako keby malo vlnovú povahu. Ale ako dokázala fyzika, či skôr Einstein, šíria sa fotónovými časticami. Už paradox. Ale to je v poriadku, dualizmus korpuskulárnych vĺn nás už neprekvapí. Kvantová fyzika nám hovorí, že svetlo sa správa ako vlna, ale pozostáva z fotónov. Ale zázraky sa ešte len začínajú.

Položme pištoľ pred tanier s dvoma štrbinami, ktoré budú vyžarovať nie svetlo, ale elektróny. Začnime strieľať elektróny. Čo uvidíme na obrazovke za tanierom?

Koniec koncov, elektróny sú častice, čo znamená, že tok elektrónov prechádzajúci cez dve štrbiny by mal na obrazovke zanechať iba dva pruhy, dve stopy oproti štrbinám. Predstavovali ste si, že kamienky prelietavajú cez dva otvory a dopadajú na obrazovku?

Čo však skutočne vidíme? Všetko rovnaký interferenčný vzor. Aký je záver: elektróny sa šíria vo vlnách. Takže elektróny sú vlny. Ale koniec koncov je to elementárna častica. Opäť korpuskulárno-vlnový dualizmus vo fyzike.

Ale môžeme predpokladať, že na hlbšej úrovni je elektrón časticou a keď sa tieto častice spoja, začnú sa správať ako vlny. Napríklad morská vlna je vlna, ale pozostáva z kvapiek vody a na menšej úrovni molekúl a potom atómov. Dobre, logika je pevná.

Potom strieľajme z pištole nie prúdom elektrónov, ale vypúšťajme elektróny po určitom čase samostatne. Akoby sme cez trhliny prechádzali nie morskou vlnou, ale pľuli jednotlivé kvapky z detskej vodnej pištole.

Je celkom logické, že v tomto prípade by rôzne kvapky vody dopadali do rôznych štrbín. Na obrazovke za platňou nebolo možné vidieť interferenčný vzor z vlny, ale dva zreteľné nárazové pruhy oproti každej štrbine. To isté uvidíme, ak budeme hádzať malé kamienky, tie, ktoré preletia cez dve trhliny, zanechajú stopu, ako tieň z dvoch dier. Poďme teraz strieľať jednotlivé elektróny, aby sme videli tieto dva pruhy na obrazovke z dopadov elektrónov. Pustili jedného, ​​čakali, druhého, čakali atď. Kvantoví fyzici dokázali urobiť takýto experiment.

Ale hrôza. Namiesto týchto dvoch prúžkov sa získajú rovnaké interferenčné striedania niekoľkých prúžkov. Ako to? To sa môže stať, ak elektrón preletí dvoma štrbinami súčasne, ale za platňou sa ako vlna zrazí sám so sebou a prekáža. Ale to nemôže byť, pretože častica nemôže byť na dvoch miestach súčasne. Buď letí cez prvý slot, alebo cez druhý.

Tu sa začínajú skutočne fantastické veci kvantovej fyziky.

Superpozícia v kvantovej fyzike

Pri hlbšom rozbore vedci zistia, že akákoľvek elementárna kvantová častica alebo to isté svetlo (fotón) môže byť v skutočnosti na viacerých miestach súčasne. A to nie sú zázraky, ale skutočné fakty mikrokozmu. Toto hovorí kvantová fyzika. Preto pri streľbe na samostatnú časticu z dela vidíme výsledok rušenia. Za platňou sa elektrón zrazí sám so sebou a vytvorí interferenčný obrazec.

Bežné objekty makrokozmu sú vždy na jednom mieste, majú jeden stav. Napríklad teraz sedíte na stoličke, vážite povedzme 50 kg a máte pulz 60 úderov za minútu. Tieto indikácie sa samozrejme zmenia, ale po určitom čase sa zmenia. Nemôžete byť predsa doma a zároveň v práci s váhou 50 a 100 kg. To všetko je pochopiteľné, toto je zdravý rozum.

Vo fyzike mikrokozmu je všetko inak.

Kvantová mechanika tvrdí, a to už bolo experimentálne potvrdené, že ktorákoľvek elementárna častica môže byť súčasne nielen vo viacerých bodoch v priestore, ale môže mať aj niekoľko stavov súčasne, ako napríklad spin.

To všetko sa nezmestí do hlavy, podkopáva obvyklú predstavu o svete, staré fyzikálne zákony, mení myslenie, dá sa pokojne povedať, že vás to privádza do šialenstva.

Takto chápeme pojem „superpozícia“ v kvantovej mechanike.

Superpozícia znamená, že objekt mikrokozmu môže byť súčasne v rôznych bodoch priestoru a tiež mať niekoľko stavov súčasne. A to je normálne pre elementárne častice. Taký je zákon mikrosveta, nech sa to zdá akokoľvek zvláštne a fantastické.

Čudujete sa, ale toto sú len kvety, tie najnevysvetliteľnejšie zázraky, záhady a paradoxy kvantovej fyziky ešte len prídu.

Zjednodušene povedané kolaps vlnovej funkcie vo fyzike

Potom sa vedci rozhodli zistiť a presnejšie vidieť, či elektrón skutočne prechádza oboma štrbinami. Zrazu to prejde jednou štrbinou a potom sa nejakým spôsobom oddelí a vytvorí interferenčný obrazec. No človek nikdy nevie. To znamená, že musíte blízko štrbiny umiestniť nejaké zariadenie, ktoré by presne zaznamenalo prechod elektrónu cez ňu. Len čo sa povie, tak urobí. Samozrejme, je to ťažké implementovať, nepotrebujete zariadenie, ale niečo iné, aby ste videli prechod elektrónu. Vedci to však dokázali.

Výsledok však nakoniec všetkých ohromil.

Len čo sa začneme pozerať, cez ktorú štrbinu elektrón prechádza, začne sa správať nie ako vlna, nie ako zvláštna látka, ktorá sa nachádza v rôznych bodoch priestoru súčasne, ale ako obyčajná častica. To znamená, že začína vykazovať špecifické vlastnosti kvanta: nachádza sa len na jednom mieste, prechádza cez jeden slot, má jednu hodnotu spinu. To, čo sa objaví na obrazovke, nie je interferenčný vzor, ​​ale jednoduchá stopa oproti štrbine.

Ale ako je to možné. Ako keby si elektrón robil srandu, hrá sa s nami. Najprv sa chová ako vlna a potom, keď sme sa rozhodli pozrieť sa na jej prechod cez štrbinu, vykazuje vlastnosti pevnej častice a prechádza len jednou štrbinou. Ale tak je to v mikrokozme. Toto sú zákony kvantovej fyziky.

Vedci videli ďalšiu záhadnú vlastnosť elementárnych častíc. Takto sa v kvantovej fyzike objavili pojmy neistoty a kolapsu vlnovej funkcie.

Keď elektrón letí smerom k medzere, je v neurčitom stave alebo, ako sme povedali vyššie, v superpozícii. To znamená, že sa správa ako vlna, nachádza sa súčasne v rôznych bodoch v priestore, má dve hodnoty rotácie (rotácia má iba dve hodnoty). Ak by sme sa ho nedotkli, nepokúšali sa naň pozrieť, nezistili, kde presne je, ak by sme nezmerali hodnotu jeho rotácie, preletel by ako vlna cez dve štrbiny na v rovnakom čase, čo znamená, že by to vytvorilo interferenčný obrazec. Kvantová fyzika popisuje jeho trajektóriu a parametre pomocou vlnovej funkcie.

Potom, čo sme vykonali meranie (a je možné zmerať časticu mikrosveta iba interakciou s ňou, napríklad zrážkou s inou časticou), potom vlnová funkcia skolabuje.

To znamená, že teraz je elektrón presne na jednom mieste v priestore, má jednu hodnotu spinu.

Dá sa povedať, že elementárna častica je ako duch, zdá sa, že existuje, no zároveň nie je na jednom mieste a s istou pravdepodobnosťou môže byť kdekoľvek v rámci popisu vlnovej funkcie. Akonáhle ho však začneme kontaktovať, zmení sa z strašidelného objektu na skutočnú hmotnú hmotu, ktorá sa správa ako bežné predmety klasického sveta, ktoré poznáme.

"To je fantastické," hovoríte. Iste, ale zázraky kvantovej fyziky sa len začínajú. To najneuveriteľnejšie ešte len príde. Poďme si však oddýchnuť od množstva informácií a vráťme sa ku kvantovým dobrodružstvám inokedy, v inom článku. Medzitým sa zamyslite nad tým, čo ste sa dnes naučili. K čomu môžu viesť takéto zázraky? Koniec koncov, obklopujú nás, to je vlastnosť nášho sveta, aj keď na hlbšej úrovni. Stále si myslíme, že žijeme v nudnom svete? Ale závery vyvodíme neskôr.

O základoch kvantovej fyziky som sa snažil rozprávať stručne a zrozumiteľne.

Ale ak niečomu nerozumiete, pozrite si túto karikatúru o kvantovej fyzike, o experimente s dvoma štrbinami, všetko je tam tiež povedané v zrozumiteľnom a jednoduchom jazyku.

Karikatúra o kvantovej fyzike:

Alebo si môžete pozrieť toto video, všetko do seba zapadne, kvantová fyzika je veľmi zaujímavá.

Video o kvantovej fyzike:

Ako to, že si o tom predtým nevedel?

Moderné objavy v kvantovej fyzike menia náš známy materiálny svet.

Myslím, že je bezpečné povedať, že nikto nerozumie kvantovej mechanike.

Fyzik Richard Feynman

Bez preháňania možno povedať, že vynález polovodičových zariadení bol revolúciou. Nielenže ide o pôsobivý technologický úspech, ale zároveň pripravil pôdu pre udalosti, ktoré navždy zmenia modernú spoločnosť. Polovodičové zariadenia sa používajú vo všetkých druhoch mikroelektronických zariadení vrátane počítačov, určitých typov lekárskych diagnostických a liečebných zariadení a populárnych telekomunikačných zariadení.

Ale za touto technologickou revolúciou je ešte viac, revolúcia vo všeobecnej vede: oblasť kvantová teória. Bez tohto skoku v chápaní prírodného sveta by vývoj polovodičových zariadení (a pokročilejších elektronických zariadení vo vývoji) nikdy nebol úspešný. Kvantová fyzika je neuveriteľne komplexná veda. Táto kapitola poskytuje len stručný prehľad. Keď vedci ako Feynman hovoria „nikto tomu nerozumie“, môžete si byť istí, že ide o skutočne náročnú tému. Bez základného pochopenia kvantovej fyziky alebo aspoň pochopenia vedeckých objavov, ktoré viedli k ich vývoju, nie je možné pochopiť, ako a prečo fungujú polovodičové elektronické zariadenia. Väčšina učebníc elektroniky sa pokúša vysvetliť polovodiče z hľadiska „klasickej fyziky“, vďaka čomu sú vo výsledku ešte mätšie na pochopenie.

Mnohí z nás videli diagramy atómových modelov, ktoré vyzerajú ako na obrázku nižšie.

Rutherfordov atóm: negatívne elektróny sa točia okolo malého kladného jadra

Drobné čiastočky hmoty tzv protóny a neutróny, tvoria stred atómu; elektróny sa točia ako planéty okolo hviezdy. Jadro nesie kladný elektrický náboj v dôsledku prítomnosti protónov (neutróny nemajú elektrický náboj), zatiaľ čo vyrovnávajúci záporný náboj atómu spočíva v obiehajúcich elektrónoch. Negatívne elektróny sú priťahované k pozitívnym protónom, ako sú planéty priťahované k Slnku, ale obežné dráhy sú stabilné v dôsledku pohybu elektrónov. Za tento populárny model atómu vďačíme práci Ernesta Rutherforda, ktorý okolo roku 1911 experimentálne určil, že kladné náboje atómov sú sústredené v malom, hustom jadre a nie sú rovnomerne rozložené pozdĺž priemeru, ako predtým predpokladal výskumník J. J. Thomson. .

Rutherfordov rozptylový experiment pozostáva z bombardovania tenkej zlatej fólie kladne nabitými časticami alfa, ako je znázornené na obrázku nižšie. Mladí postgraduálni študenti H. Geiger a E. Marsden dosiahli neočakávané výsledky. Trajektória niektorých častíc alfa bola odchýlená o veľký uhol. Niektoré častice alfa boli rozptýlené dozadu, pod uhlom takmer 180°. Väčšina častíc prešla zlatou fóliou bez toho, aby zmenila svoju trajektóriu, ako keby tam žiadna fólia nebola. Skutočnosť, že viaceré častice alfa zaznamenali veľké odchýlky vo svojej dráhe, naznačuje prítomnosť jadier s malým kladným nábojom.

Rutherfordov rozptyl: lúč alfa častíc je rozptýlený tenkou zlatou fóliou

Hoci Rutherfordov model atómu podporili experimentálne údaje lepšie ako Thomsonov, stále bol nedokonalý. Uskutočnili sa ďalšie pokusy určiť štruktúru atómu a tieto snahy pomohli pripraviť cestu pre podivné objavy kvantovej fyziky. Dnes je naše chápanie atómu o niečo zložitejšie. Napriek revolúcii kvantovej fyziky a jej príspevkom k nášmu chápaniu štruktúry atómu sa Rutherfordovo zobrazenie slnečnej sústavy ako štruktúry atómu zakorenilo v ľudovom povedomí do tej miery, že pretrváva vo vzdelávacích oblastiach, aj keď je to nesprávne umiestnené.

Zvážte tento stručný popis elektrónov v atóme, prevzatý z populárnej učebnice elektroniky:

Rotujúce záporné elektróny sú priťahované ku kladnému jadru, čo nás vedie k otázke, prečo elektróny nelietajú do jadra atómu. Odpoveď je, že rotujúce elektróny zostávajú na svojej stabilnej obežnej dráhe v dôsledku dvoch rovnakých, ale opačných síl. Odstredivá sila pôsobiaca na elektróny smeruje von a príťažlivá sila nábojov sa snaží pritiahnuť elektróny smerom k jadru.

V súlade s Rutherfordovým modelom autor považuje elektróny za pevné kusy hmoty okupujúce okrúhle dráhy, ich vnútorná príťažlivosť k opačne nabitému jadru je vyvážená ich pohybom. Použitie výrazu „odstredivá sila“ je technicky nesprávne (dokonca aj pre obiehajúce planéty), ale to sa dá ľahko odpustiť kvôli všeobecnému prijatiu modelu: v skutočnosti nič také ako sila neexistuje, odpudzujúceakýkoľvek rotujúce teleso zo stredu svojej obežnej dráhy. Zdá sa, že je to tak preto, lebo zotrvačnosť telesa má tendenciu udržiavať ho v priamom pohybe a keďže obežná dráha je konštantná odchýlka (zrýchlenie) od priamočiareho pohybu, dochádza k neustálej zotrvačnej reakcii na akúkoľvek silu, ktorá priťahuje telo do stredu. orbity (centripetálnej), či už gravitácie, elektrostatickej príťažlivosti alebo dokonca napätia mechanickej väzby.

Avšak skutočným problémom tohto vysvetlenia je v prvom rade myšlienka elektrónov pohybujúcich sa po kruhových dráhach. Dokázaný fakt, že zrýchlené elektrické náboje vyžarujú elektromagnetické žiarenie, tento fakt bol známy už za čias Rutherforda. Keďže rotačný pohyb je formou zrýchlenia (rotujúci objekt s konštantným zrýchlením, ktorý objekt ťahá preč z jeho normálneho priamočiareho pohybu), elektróny v rotačnom stave musia vyžarovať žiarenie ako blato z rotujúceho kolesa. Elektróny urýchľované po kruhových dráhach v urýchľovačoch častíc tzv synchrotróny je známe, že to robia, a výsledok sa nazýva synchrotrónové žiarenie. Ak by elektróny takto strácali energiu, ich obežné dráhy by sa nakoniec narušili a v dôsledku toho by sa zrazili s kladne nabitým jadrom. Vo vnútri atómov sa to však zvyčajne nedeje. Elektronické „orbity“ sú skutočne prekvapivo stabilné v širokom rozsahu podmienok.

Okrem toho experimenty s „excitovanými“ atómami ukázali, že elektromagnetickú energiu vyžaruje atóm len pri určitých frekvenciách. Atómy sú „vzrušené“ vonkajšími vplyvmi, ako je svetlo, o ktorom je známe, že absorbuje energiu a vracia elektromagnetické vlny na určitých frekvenciách, podobne ako ladička, ktorá nezazvoní pri určitej frekvencii, kým do nej neudrie. Keď sa svetlo vyžarované excitovaným atómom rozdelí hranolom na jeho jednotlivé frekvencie (farby), nájdu sa jednotlivé čiary farieb v spektre, vzor spektrálnej čiary je jedinečný pre chemický prvok. Tento jav sa bežne používa na identifikáciu chemických prvkov a dokonca aj na meranie podielov každého prvku v zlúčenine alebo chemickej zmesi. Podľa slnečnej sústavy Rutherfordovho atómového modelu (vzhľadom na elektróny, ako časti hmoty, voľne rotujúce na obežnej dráhe s určitým polomerom) a zákonov klasickej fyziky musia excitované atómy vracať energiu v takmer nekonečnom frekvenčnom rozsahu, a nie na vybraných frekvenciách. Inými slovami, ak by bol Rutherfordov model správny, nenastal by efekt „ladičky“ a farebné spektrum vyžarované ktorýmkoľvek atómom by sa javilo ako súvislý pás farieb, a nie ako niekoľko samostatných čiar.

Bohrov model atómu vodíka (s dráhami nakreslenými v mierke) predpokladá, že elektróny sú len na diskrétnych dráhach. Elektróny pohybujúce sa od n=3,4,5 alebo 6 do n=2 sú zobrazené na sérii Balmerových spektrálnych čiar

Výskumník menom Niels Bohr sa pokúsil vylepšiť Rutherfordov model po tom, čo ho v roku 1912 niekoľko mesiacov študoval v Rutherfordovom laboratóriu. V snahe zosúladiť výsledky iných fyzikov (najmä Maxa Plancka a Alberta Einsteina) Bohr navrhol, že každý elektrón má určité špecifické množstvo energie a že ich obežné dráhy sú rozdelené tak, že každý z nich môže zaberať určité miesta v okolí. jadro, ako gule, pripevnené na kruhových dráhach okolo jadra, a nie ako voľne sa pohybujúce satelity, ako sa predtým predpokladalo (obrázok vyššie). V súlade so zákonmi elektromagnetizmu a urýchľujúcich nábojov Bohr označil „obežné dráhy“ ako stacionárne stavy aby sa predišlo interpretácii, že boli mobilné.

Hoci Bohrov ambiciózny pokus prehodnotiť štruktúru atómu, ktorý bol viac v súlade s experimentálnymi údajmi, bol míľnikom vo fyzike, nebol dokončený. Jeho matematická analýza bola lepšia pri predpovedaní výsledkov experimentov ako tie, ktoré vykonali predchádzajúce modely, ale stále existovali nezodpovedané otázky o tom, či prečo elektróny sa musia správať takým zvláštnym spôsobom. Vyhlásenie, že elektróny existovali v stacionárnych kvantových stavoch okolo jadra, lepšie korelovalo s experimentálnymi údajmi ako Rutherfordov model, ale nehovorilo, čo spôsobuje, že elektróny nadobúdajú tieto špeciálne stavy. Odpoveď na túto otázku mal prísť od iného fyzika Louisa de Broglieho o približne desať rokov neskôr.

De Broglie navrhol, že elektróny, podobne ako fotóny (častice svetla), majú vlastnosti častíc aj vlastnosti vĺn. Na základe tohto predpokladu navrhol, že analýza rotujúcich elektrónov z hľadiska vĺn je lepšia ako z hľadiska častíc a môže poskytnúť lepší pohľad na ich kvantovú povahu. Skutočne, došlo k ďalšiemu prelomu v porozumení.

Struna vibrujúca na rezonančnej frekvencii medzi dvoma pevnými bodmi vytvára stojaté vlnenie

Atóm podľa de Broglieho pozostával zo stojatých vĺn, javu, ktorý fyzici dobre poznajú v rôznych podobách. Ako drnkacia struna hudobného nástroja (na obrázku vyššie), vibrujúca na rezonančnej frekvencii, s „uzlami“ a „protiuzlami“ na stabilných miestach po celej dĺžke. De Broglie si predstavil elektróny okolo atómov ako vlny zakrivené do kruhu (obrázok nižšie).

„Rotujúce“ elektróny ako stojaté vlny okolo jadra, (a) dva cykly na obežnej dráhe, (b) tri cykly na obežnej dráhe

Elektróny môžu existovať len na určitých, špecifických "obežných dráhach" okolo jadra, pretože sú to jediné vzdialenosti, kde sa konce vlny zhodujú. Na akomkoľvek inom polomere sa vlna deštruktívne zrazí sama so sebou a tým prestane existovať.

De Broglieho hypotéza poskytla matematický rámec aj vhodnú fyzikálnu analógiu na vysvetlenie kvantových stavov elektrónov v atóme, ale jeho model atómu bol stále neúplný. Fyzici Werner Heisenberg a Erwin Schrödinger už niekoľko rokov pracujú nezávisle na de Broglieho koncepte vlnovo-časticovej duality s cieľom vytvoriť presnejšie matematické modely subatomárnych častíc.

Tento teoretický pokrok od de Broglieho primitívneho modelu stojatých vĺn k modelom Heisenbergovej matice a Schrödingerovej diferenciálnej rovnice dostal názov kvantová mechanika a do sveta subatomárnych častíc vniesol dosť šokujúcu vlastnosť: znak pravdepodobnosti, alebo neistota. Podľa novej kvantovej teórie nebolo možné určiť presnú polohu a presnú hybnosť častice v jednom okamihu. Populárnym vysvetlením tohto „princípu neistoty“ bolo, že došlo k chybe merania (to znamená, že pokusom o presné meranie polohy elektrónu zasahujete do jeho hybnosti, a preto nemôžete vedieť, aká bola predtým, ako ste polohu začali merať. , a naopak). Senzačným záverom kvantovej mechaniky je, že častice nemajú presné polohy a hybnosť a kvôli vzťahu týchto dvoch veličín sa ich kombinovaná neistota nikdy nezníži pod určitú minimálnu hodnotu.

Táto forma spojenia „neistoty“ existuje aj v iných oblastiach ako kvantová mechanika. Ako je uvedené v kapitole "Zmiešané frekvenčné striedavé signály" vo zväzku 2 tejto série kníh, existujú vzájomne sa vylučujúce vzťahy medzi spoľahlivosťou údajov v časovej doméne tvaru vlny a údajmi v jej frekvenčnej oblasti. Jednoducho povedané, čím viac poznáme frekvencie jeho komponentov, tým menej presne poznáme jeho amplitúdu v čase a naopak. Citujem seba:

Signál s nekonečnou dobou trvania (nekonečný počet cyklov) možno analyzovať s absolútnou presnosťou, ale čím menej cyklov má počítač k dispozícii na analýzu, tým je analýza menej presná... Čím menej periód signálu, tým menej presná je jeho frekvencia. . Ak vezmeme tento koncept do jeho logického extrému, krátky impulz (ani celá perióda signálu) v skutočnosti nemá definovanú frekvenciu, je to nekonečný rozsah frekvencií. Tento princíp je spoločný pre všetky vlnové javy, nielen pre premenlivé napätia a prúdy.

Aby sme presne určili amplitúdu meniaceho sa signálu, musíme ju zmerať vo veľmi krátkom čase. Toto však obmedzuje naše znalosti o frekvencii vlny (vlna v kvantovej mechanike nemusí byť podobná sínusovej vlne; takáto podobnosť je špeciálny prípad). Na druhej strane, aby sme s veľkou presnosťou určili frekvenciu vlny, musíme ju merať vo veľkom počte periód, čo znamená, že v každom okamihu stratíme zo zreteľa jej amplitúdu. Nemôžeme teda súčasne poznať okamžitú amplitúdu a všetky frekvencie akejkoľvek vlny s neobmedzenou presnosťou. Ďalšia zvláštnosť, táto neistota je oveľa väčšia ako nepresnosť pozorovateľa; je to v samotnej podstate vlny. Nie je to tak, aj keď by bolo možné, vzhľadom na vhodnú technológiu, poskytnúť presné merania okamžitej amplitúdy a frekvencie súčasne. V doslovnom zmysle vlna nemôže mať presnú okamžitú amplitúdu a presnú frekvenciu súčasne.

Minimálna neistota polohy častice a hybnosti vyjadrená Heisenbergom a Schrödingerom nemá nič spoločné s obmedzením merania; skôr je to vnútorná vlastnosť povahy vlnovo-časticovej duality častice. Preto elektróny v skutočnosti neexistujú na svojich „obežných dráhach“ ako presne definované častice hmoty, či dokonca ako presne definované tvary vĺn, ale skôr ako „oblaky“ – odborný výraz. vlnová funkcia rozdelenia pravdepodobnosti, ako keby bol každý elektrón "rozptýlený" alebo "rozmazaný" cez rozsah polôh a momentov.

Tento radikálny pohľad na elektróny ako neurčité oblaky spočiatku odporuje pôvodnému princípu kvantových stavov elektrónov: elektróny existujú na diskrétnych, určitých „obežných dráhach“ okolo jadra atómu. Tento nový pohľad bol napokon objavom, ktorý viedol k vytvoreniu a vysvetleniu kvantovej teórie. Aké zvláštne sa zdá, že teória vytvorená na vysvetlenie diskrétneho správania elektrónov nakoniec vyhlási, že elektróny existujú ako „oblaky“ a nie ako oddelené časti hmoty. Kvantové správanie elektrónov však nezávisí od elektrónov, ktoré majú určité hodnoty súradníc a hybnosti, ale od iných vlastností tzv. kvantové čísla. Kvantová mechanika v podstate upúšťa od bežných pojmov absolútnej polohy a absolútneho momentu a nahrádza ich absolútnymi pojmami typov, ktoré v bežnej praxi nemajú obdobu.

Aj keď je známe, že elektróny existujú skôr v nehmotných, „oblačných“ formách distribuovanej pravdepodobnosti ako v samostatných častiach hmoty, tieto „oblaky“ majú mierne odlišné vlastnosti. Akýkoľvek elektrón v atóme možno opísať štyrmi numerickými mierami (kvantové čísla spomenuté vyššie), tzv hlavný (radiálny), orbitálny (azimut), magnetické a točiťčísla. Nižšie je uvedený stručný prehľad významu každého z týchto čísel:

Hlavné (radiálne) kvantové číslo: označené písmenom n, toto číslo popisuje obal, na ktorom sa nachádza elektrón. Elektrónová „škrupina“ je oblasť priestoru okolo jadra atómu, v ktorej môžu existovať elektróny, čo zodpovedá stabilným modelom „stojatých vĺn“ de Broglieho a Bohra. Elektróny môžu „skákať“ z obalu do obalu, ale nemôžu medzi nimi existovať.

Hlavné kvantové číslo musí byť kladné celé číslo (väčšie alebo rovné 1). Inými slovami, hlavné kvantové číslo elektrónu nemôže byť 1/2 alebo -3. Tieto celé čísla neboli zvolené svojvoľne, ale prostredníctvom experimentálneho dôkazu svetelného spektra: rôzne frekvencie (farby) svetla emitovaného excitovanými atómami vodíka sledujú matematický vzťah v závislosti od konkrétnych celočíselných hodnôt, ako je znázornené na obrázku nižšie.

Každá škrupina má schopnosť držať viacero elektrónov. Obdobou pre elektrónové škrupiny sú sústredné rady sedadiel v amfiteátri. Tak ako si človek sediaci v amfiteátri musí vybrať rad na sedenie (nemôže sedieť medzi radmi), elektróny si musia „vybrať“ konkrétny obal, aby si „sadli“. Ako rady v amfiteátri, vonkajšie obaly obsahujú viac elektrónov ako obaly bližšie k stredu. Elektróny majú tiež tendenciu nájsť najmenšiu dostupnú škrupinu, rovnako ako ľudia v amfiteátri hľadajú miesto najbližšie k centrálnemu pódiu. Čím vyššie je číslo obalu, tým viac energie na ňom majú elektróny.

Maximálny počet elektrónov, ktoré môže pojať akýkoľvek obal, je opísaný rovnicou 2n 2 , kde n je hlavné kvantové číslo. Prvý obal (n = 1) teda môže obsahovať 2 elektróny; druhý obal (n = 2) - 8 elektrónov; a tretí obal (n = 3) - 18 elektrónov (obrázok nižšie).

Hlavné kvantové číslo n a maximálny počet elektrónov súvisí so vzorcom 2(n 2). Obežné dráhy nie sú v mierke.

Elektrónové obaly v atóme boli označené skôr písmenami ako číslami. Prvý plášť (n = 1) bol označený K, druhý plášť (n = 2) L, tretí plášť (n = 3) M, štvrtý plášť (n = 4) N, piaty plášť (n = 5) O, šiesty obal (n = 6) P a siedmy obal (n = 7) B.

Orbitálne (azimutové) kvantové číslo: schránka zložená z podškrupín. Niekomu môže byť pohodlnejšie myslieť si, že čiastkové škrupiny sú jednoduché časti škrupín, ako sú pruhy rozdeľujúce cestu. Subshells sú oveľa divnejšie. Podškrupiny sú oblasti vesmíru, kde môžu existovať elektrónové „oblaky“ a v skutočnosti majú rôzne podškrupiny rôzne tvary. Prvá čiastková škrupina má tvar gule (obrázok nižšie (s)), čo dáva zmysel pri vizualizácii ako elektrónový oblak obklopujúci jadro atómu v troch rozmeroch.

Druhá podškrupina pripomína činku, ktorá pozostáva z dvoch „okvetných lístkov“ spojených v jednom bode blízko stredu atómu (obrázok nižšie (p)).

Tretia podškrupina zvyčajne pripomína súbor štyroch „okvetných lístkov“ zoskupených okolo jadra atómu. Tieto tvary podškrupiny pripomínajú grafické znázornenie vzorov antény s cibuľovitými lalokmi vybiehajúcimi z antény v rôznych smeroch (obrázok nižšie (d)).

Orbitály:
s) trojitá symetria;
(p) Zobrazené: p x, jedna z troch možných orientácií (p x, py, pz), pozdĺž príslušných osí;
(d) Zobrazené: dx2-y2 je podobné ako dxy, dyz, dxz. Zobrazené: d z 2 . Počet možných d-orbitálov: päť.

Platné hodnoty pre orbitálne kvantové číslo sú kladné celé čísla, ako pre hlavné kvantové číslo, ale zahŕňajú aj nulu. Tieto kvantové čísla pre elektróny sa označujú písmenom l. Počet podškrupín sa rovná hlavnému kvantovému číslu obalu. Prvý obal (n = 1) má teda jeden podplášť s číslom 0; druhá škrupina (n = 2) má dve podvrstvy očíslované 0 a 1; tretia škrupina (n = 3) má tri podvrstvy očíslované 0, 1 a 2.

Stará konvencia subshell používala skôr písmená ako čísla. V tomto formáte bola prvá podskupina (l = 0) označená s, druhá podskupina (l = 1) bola označená p, tretia podskupina (l = 2) bola označená d a štvrtá podskupina (l = 3) bola označené f. Písmená pochádzajú zo slov: ostrý, riaditeľ, difúzne a Základné. Tieto označenia môžete stále vidieť v mnohých periodických tabuľkách používaných na označenie elektrónovej konfigurácie vonkajšej ( valencia) obaly atómov.

a) Bohrova reprezentácia atómu striebra,
(b) Orbitálne znázornenie Ag s rozdelením schránok na podškrupiny (orbitálne kvantové číslo l).
Tento diagram nenaznačuje nič o skutočnej polohe elektrónov, ale predstavuje iba energetické hladiny.

Magnetické kvantové číslo: Magnetické kvantové číslo elektrónu klasifikuje orientáciu podobalu elektrónu. "Okvetné lístky" podškrupín môžu byť nasmerované niekoľkými smermi. Tieto rôzne orientácie sa nazývajú orbitály. Pre prvú čiastkovú škrupinu (s; l = 0), ktorá sa podobá na guľu, "smer" nie je špecifikovaný. Na sekundu (p; l = 1) škrupina v každej škrupine, ktorá pripomína činku smerujúcu do troch možných smerov. Predstavte si tri činky, ktoré sa pretínajú v počiatku, pričom každá smeruje pozdĺž svojej vlastnej osi v trojosovom súradnicovom systéme.

Platné hodnoty pre dané kvantové číslo pozostávajú z celých čísel v rozsahu od -l do l a toto číslo je označené ako m l v atómovej fyzike a z v jadrovej fyzike. Ak chcete vypočítať počet orbitálov v ktorejkoľvek čiastkovej škrupine, musíte zdvojnásobiť počet čiastkovej škrupiny a pridať 1, (2∙l + 1). Napríklad prvý podplášť (l = 0) v ľubovoľnom obale obsahuje jeden orbitál očíslovaný 0; druhá podplášť (l = 1) v ľubovoľnom obale obsahuje tri orbitály s číslami -1, 0 a 1; tretia podplášť (l = 2) obsahuje päť orbitálov očíslovaných -2, -1, 0, 1 a 2; atď.

Rovnako ako hlavné kvantové číslo, aj magnetické kvantové číslo vzišlo priamo z experimentálnych údajov: Zeemanov efekt, oddelenie spektrálnych čiar vystavením ionizovaného plynu magnetickému poľu, odtiaľ názov „magnetické“ kvantové číslo.

Spin kvantové číslo: Rovnako ako magnetické kvantové číslo bola táto vlastnosť elektrónov atómu objavená prostredníctvom experimentov. Starostlivé pozorovanie spektrálnych čiar ukázalo, že každá čiara bola v skutočnosti dvojicou veľmi blízko umiestnených čiar, bolo navrhnuté, že táto tzv. jemná štruktúra bol výsledkom toho, že každý elektrón sa „točil“ okolo svojej vlastnej osi ako planéta. Elektróny s rôznymi "spinami" by pri vzrušení vydávali mierne odlišné frekvencie svetla. Koncept rotujúcich elektrónov je teraz zastaraný a je vhodnejší pre (nesprávny) pohľad na elektróny ako na jednotlivé častice hmoty a nie ako na „oblaky“, ale názov zostáva.

Spinové kvantové čísla sú označené ako pani v atómovej fyzike a sz v jadrovej fyzike. Každý orbitál v každom podplášte môže mať v každom obale dva elektróny, jeden so spinom +1/2 a druhý so spinom -1/2.

Fyzik Wolfgang Pauli vyvinul princíp, ktorý vysvetľuje usporiadanie elektrónov v atóme podľa týchto kvantových čísel. Jeho princíp, tzv Pauliho vylučovací princíp uvádza, že dva elektróny v tom istom atóme nemôžu zaberať rovnaké kvantové stavy. To znamená, že každý elektrón v atóme má jedinečný súbor kvantových čísel. To obmedzuje počet elektrónov, ktoré môžu obsadiť daný orbitál, podplášť a obal.

Toto ukazuje usporiadanie elektrónov v atóme vodíka:

S jedným protónom v jadre prijme atóm jeden elektrón pre svoju elektrostatickú rovnováhu (kladný náboj protónu je presne vyvážený záporným nábojom elektrónu). Tento elektrón je v dolnom obale (n = 1), prvom podplášte (l = 0), v jedinom orbitále (priestorová orientácia) tohto podplášťa (ml = 0), s hodnotou spinu 1/2. Všeobecným spôsobom opisu tejto štruktúry je vymenovanie elektrónov podľa ich obalov a podplášťov, podľa konvencie tzv. spektroskopický zápis. V tomto zápise je číslo obalu zobrazené ako celé číslo, podplášť ako písmeno (s,p,d,f) a celkový počet elektrónov v podplášte (všetky orbitály, všetky spiny) ako horný index. Vodík so svojim jediným elektrónom umiestneným na základnej úrovni je teda opísaný ako 1s1.

Prechodom na ďalší atóm (v poradí podľa atómového čísla) dostaneme prvok hélium:

Atóm hélia má vo svojom jadre dva protóny, čo si vyžaduje dva elektróny na vyrovnanie dvojitého kladného elektrického náboja. Pretože dva elektróny - jeden so spinom 1/2 a druhý so spinom -1/2 - sú na rovnakom orbitále, elektrónová štruktúra hélia nevyžaduje ďalšie podobaly alebo obaly na uchytenie druhého elektrónu.

Avšak atóm vyžadujúci tri alebo viac elektrónov bude potrebovať ďalšie podobaly, aby udržal všetky elektróny, pretože na spodnom obale môžu byť iba dva elektróny (n = 1). Zvážte ďalší atóm v poradí rastúcich atómových čísel, lítium:

Atóm lítia využíva časť kapacity L obalu (n = 2). Tento obal má v skutočnosti celkovú kapacitu osem elektrónov (maximálna kapacita obalu = 2n 2 elektrónov). Ak vezmeme do úvahy štruktúru atómu s úplne vyplneným obalom L, vidíme, ako sú všetky kombinácie podplášťov, orbitálov a spinov obsadené elektrónmi:

Pri priraďovaní spektroskopickej notácie atómu sa často preskočia všetky úplne vyplnené obaly a označujú sa nevyplnené obaly a vyplnené obaly najvyššej úrovne. Napríklad prvok neón (zobrazený na obrázku vyššie), ktorý má dve úplne vyplnené škrupiny, možno opísať spektrálne jednoducho ako 2p6, a nie ako 1s22s22p6. Lítium s jeho plne naplneným K obalom a jediným elektrónom v obale L možno jednoducho opísať ako 2s 1 a nie 1 s 22 s 1 .

Vynechanie plne zaplnených škrupín nižšej úrovne nie je len pre pohodlie zápisu. Tiež ilustruje základný princíp chémie: chemické správanie prvku je primárne určené jeho nenaplnenými obalmi. Vodík aj lítium majú na svojich vonkajších obaloch jeden elektrón (ako 1 a 2s1), to znamená, že oba prvky majú podobné vlastnosti. Obidva sú vysoko reaktívne a reagujú takmer identickými spôsobmi (viažu sa na podobné prvky za podobných podmienok). Nezáleží na tom, že lítium má úplne naplnený K-plášť pod takmer voľným L-plášťom: nenaplnený L-plášť je ten, ktorý určuje jeho chemické správanie.

Prvky, ktoré majú úplne vyplnené vonkajšie škrupiny, sú klasifikované ako ušľachtilé a vyznačujú sa takmer úplnou absenciou reakcie s inými prvkami. Tieto prvky boli klasifikované ako inertné, keď sa usúdilo, že vôbec nereagujú, ale je známe, že za určitých podmienok tvoria zlúčeniny s inými prvkami.

Keďže prvky s rovnakou konfiguráciou elektrónov vo svojich vonkajších obaloch majú podobné chemické vlastnosti, Dmitri Mendeleev usporiadal chemické prvky podľa toho do tabuľky. Táto tabuľka je známa ako a moderné tabuľky sa riadia týmto všeobecným rozložením, ako je znázornené na obrázku nižšie.

Periodická tabuľka chemických prvkov

Dmitri Mendeleev, ruský chemik, bol prvým, kto vyvinul periodickú tabuľku prvkov. Aj keď Mendelejev usporiadal svoju tabuľku podľa atómovej hmotnosti, nie podľa atómového čísla, a vytvoril tabuľku, ktorá nebola taká užitočná ako moderné periodické tabuľky, jeho vývoj je vynikajúcim príkladom vedeckého dôkazu. Mendelejev, ktorý videl vzorce periodicity (podobné chemické vlastnosti podľa atómovej hmotnosti), vyslovil hypotézu, že všetky prvky musia zapadnúť do tohto usporiadaného vzoru. Keď objavil „prázdne“ miesta v tabuľke, riadil sa logikou existujúceho poriadku a predpokladal existenciu zatiaľ neznámych prvkov. Následný objav týchto prvkov potvrdil vedeckú správnosť Mendelejevovej hypotézy, ďalšie objavy viedli k podobe periodickej tabuľky, ktorú používame teraz.

Páči sa ti to by mal veda o práci: hypotézy vedú k logickým záverom a sú akceptované, zmenené alebo zamietnuté v závislosti od súladu experimentálnych údajov s ich závermi. Každý blázon môže formulovať hypotézu, aby vysvetlil dostupné experimentálne údaje, a mnohí to robia. To, čo odlišuje vedeckú hypotézu od post hoc špekulácií, je predpoveď budúcich experimentálnych údajov, ktoré ešte neboli zozbierané, a v dôsledku toho možno aj vyvrátenie týchto údajov. Odvážne doveďte hypotézu k jej logickému záveru (záverom) a pokus predpovedať výsledky budúcich experimentov nie je dogmatickým skokom viery, ale skôr verejným testom tejto hypotézy, otvorenou výzvou pre odporcov hypotézy. Inými slovami, vedecké hypotézy sú vždy „rizikové“, pretože sa snažia predpovedať výsledky experimentov, ktoré ešte neboli urobené, a preto môžu byť sfalšované, ak experimenty nejdú podľa očakávania. Ak teda hypotéza správne predpovedá výsledky opakovaných experimentov, je vyvrátená.

Kvantová mechanika, najprv ako hypotéza a potom ako teória, sa ukázala ako mimoriadne úspešná pri predpovedaní výsledkov experimentov, a preto získala vysoký stupeň vedeckej dôveryhodnosti. Mnoho vedcov má dôvod domnievať sa, že ide o neúplnú teóriu, pretože jej predpovede sú pravdivejšie v mikrofyzikálnom meradle ako makroskopické, no napriek tomu ide o mimoriadne užitočnú teóriu na vysvetlenie a predpovedanie interakcie častíc a atómov.

Ako ste videli v tejto kapitole, kvantová fyzika je nevyhnutná pri opise a predpovedaní mnohých rôznych javov. V ďalšej časti uvidíme jeho význam v elektrickej vodivosti pevných látok, vrátane polovodičov. Jednoducho povedané, nič v chémii alebo fyzike pevných látok nedáva zmysel v populárnej teoretickej štruktúre elektrónov existujúcich ako jednotlivé častice hmoty obiehajúce okolo jadra atómu ako miniatúrne satelity. Keď sú elektróny vnímané ako „vlnové funkcie“ existujúce v určitých, diskrétnych stavoch, ktoré sú pravidelné a periodické, potom možno vysvetliť správanie hmoty.

Zhrnutie

Elektróny v atómoch existujú v „oblakoch“ s rozloženou pravdepodobnosťou, a nie ako samostatné častice hmoty obiehajúce okolo jadra, ako sú miniatúrne satelity, ako ukazujú bežné príklady.

Jednotlivé elektróny okolo jadra atómu majú tendenciu k jedinečným „stavom“ opísaným štyrmi kvantovými číslami: hlavné (radiálne) kvantové číslo, známy ako škrupina; orbitálne (azimutové) kvantové číslo, známy ako subshell; magnetické kvantové číslo popisujúce orbitálny(orientácia pod škrupinou); a spinové kvantové číslo, alebo jednoducho točiť. Tieto stavy sú kvantové, to znamená, že „medzi nimi“ neexistujú žiadne podmienky pre existenciu elektrónu, okrem stavov, ktoré zapadajú do schémy kvantového číslovania.

Glanoe (radiálne) kvantové číslo (n) opisuje základnú úroveň alebo obal, v ktorom sa nachádza elektrón. Čím väčšie je toto číslo, tým väčší je polomer elektrónového oblaku od jadra atómu a tým väčšia je energia elektrónu. Hlavné kvantové čísla sú celé čísla (kladné celé čísla)

Orbitálne (azimutálne) kvantové číslo (l) opisuje tvar elektrónového oblaku v určitej škrupine alebo úrovni a je často známy ako "pod škrupina". V každom obale je toľko podškrupín (formy elektrónového oblaku), koľko je hlavné kvantové číslo obalu. Azimutálne kvantové čísla sú kladné celé čísla začínajúce od nuly a končiace číslom menším ako hlavné kvantové číslo o jednu (n - 1).

Magnetické kvantové číslo (m l) popisuje, akú orientáciu má podškrupina (tvar elektrónového oblaku). Podškrupiny môžu mať toľko rôznych orientácií, ako je dvojnásobok počtu podplášťov (l) plus 1, (2l+1) (to znamená, že pre l=1 m l = -1, 0, 1) a každá jedinečná orientácia sa nazýva orbitál. . Tieto čísla sú celé čísla začínajúce od zápornej hodnoty čísla čiastkového obalu (l) po 0 a končiace kladnou hodnotou čísla čiastkového obalu.

Kvantové číslo rotácie (m s) popisuje inú vlastnosť elektrónu a môže nadobúdať hodnoty +1/2 a -1/2.

Pauliho vylučovací princíp hovorí, že dva elektróny v atóme nemôžu zdieľať rovnakú sadu kvantových čísel. Preto môžu byť v každom orbitále najviac dva elektróny (spin=1/2 a spin=-1/2), 2l+1 orbitálov v každom podplášte a n podplášťov v každom obale a nie viac.

Spektroskopická notácia je konvencia pre elektrónovú štruktúru atómu. Škrupiny sú znázornené ako celé čísla, za ktorými nasledujú písmená podškrupiny (s, p, d, f) s hornými indexmi označujúcimi celkový počet elektrónov nájdených v každej príslušnej podškrupine.

Chemické správanie atómu je určené výlučne elektrónmi v nenaplnených obaloch. Nízkoúrovňové škrupiny, ktoré sú úplne naplnené, majú malý alebo žiadny vplyv na chemické väzbové vlastnosti prvkov.

Prvky s úplne naplnenými elektrónovými obalmi sú takmer úplne inertné a nazývajú sa ušľachtilý prvky (predtým známe ako inertné).

Kvantinė fizika statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. kvantová fyzika vok. Quantenphysik, f rus. kvantová fyzika, f pranc. physique quantique, f … Fizikos terminų žodynas

Tento výraz má iné významy, pozri Stacionárny stav. Stacionárny stav (z lat. stationarius nehybne stáť, nehybne) je stav kvantového systému, v ktorom je jeho energia a iné dynamické ... Wikipedia

- ... Wikipedia

Má nasledujúce podsekcie (zoznam je neúplný): Kvantová mechanika Algebraická kvantová teória Kvantová teória poľa Kvantová elektrodynamika Kvantová chromodynamika Kvantová termodynamika Kvantová gravitácia Teória superstrun Pozri tiež ... ... Wikipedia

Kvantová mechanika Princíp neistoty Úvod ... Matematická formulácia ... Základ ... Wikipedia

FYZIKA. 1. Predmet a štruktúra fyziky F. veda, ktorá študuje najjednoduchšie a zároveň najviac. všeobecné vlastnosti a zákony pohybu objektov hmotného sveta, ktorý nás obklopuje. V dôsledku tejto všeobecnosti neexistujú žiadne prírodné javy, ktoré by nemali fyzické. vlastnosti... Fyzická encyklopédia

Hypernukleárna fyzika je odvetvie fyziky na priesečníku jadrovej fyziky a fyziky elementárnych častíc, v ktorom sú predmetom skúmania systémy podobné jadru obsahujúce okrem protónov a neutrónov aj ďalšie hyperóny elementárnych častíc. Tiež ... ... Wikipedia

Oblasť fyziky, ktorá študuje dynamiku častíc v urýchľovačoch, ako aj početné technické problémy spojené s konštrukciou a prevádzkou urýchľovačov častíc. Fyzika urýchľovačov zahŕňa otázky súvisiace s produkciou a akumuláciou častíc ... Wikipedia

Fyzika kryštálov Kryštalografia kryštálov Kryštalická mriežka Typy kryštálových mriežok Difrakcia v kryštáloch Recipročná mriežka Wigner Seitzova bunka Brillouinova zóna Faktor štruktúry Atómový rozptylový faktor Typy väzieb v ... ... Wikipedia

Kvantová logika je časť logiky potrebná na uvažovanie o vetách, ktoré zohľadňujú princípy kvantovej teórie. Táto oblasť výskumu bola založená v roku 1936 prácou Garita Bierhofa a Johna von Neumanna, ktorí sa pokúsili ... ... Wikipedia

knihy

• Kvantová fyzika, Leonid Karlovich Martinson. Podrobne je prezentovaný teoretický a experimentálny materiál, ktorý je základom kvantovej fyziky. Veľká pozornosť sa venuje fyzickému obsahu základných kvantových pojmov a matematických ...
• Kvantová fyzika, Sheddad Qaid-Sala Ferron. Celý náš svet a všetko, čo je v ňom - ​​domy, stromy a dokonca aj ľudia! - skladá sa z drobných čiastočiek. Kniha "Kvantová fyzika" zo série "Prvé knihy o vede" povie o neviditeľnom pre naše ...

Keď ľudia počujú slová „kvantová fyzika“, zvyčajne to zmiznú: „Je to niečo strašne zložité.“ Medzitým to absolútne neplatí a v slove „kvantové“ nie je absolútne nič strašné. Nepochopiteľné - dosť, zaujímavé - veľa, ale strašidelné - nie.

O poličkách, rebríkoch a Ivanovi Ivanovičovi

Všetky procesy, javy a veličiny vo svete okolo nás možno rozdeliť do dvoch skupín: nepretržité (vedecky). nepretržitý ) a nespojité (vedecky diskrétne resp kvantované ).

Predstavte si stôl, na ktorý môžete položiť knihu. Knihu môžete položiť kdekoľvek na stole. Napravo, naľavo, v strede ... Kdekoľvek chcete - dajte to tam. V tomto prípade fyzici hovoria, že pozícia knihy na stole sa mení nepretržite .

Teraz si predstavte police na knihy. Knihu môžete položiť na prvú poličku, na druhú, tretiu alebo štvrtú – ale nemôžete ju umiestniť „niekam medzi tretiu a štvrtú“. V tomto prípade sa pozícia knihy zmení diskontinuálne , diskrétne , kvantované (Všetky tieto slová znamenajú to isté.)

Svet okolo nás je plný spojitých a kvantovaných veličín. Tu sú dve dievčatá - Katya a Masha. Ich výška je 135 a 136 centimetrov. Aká je táto hodnota? Výška sa plynule mení, môže to byť 135 a pol centimetra a 135 centimetrov a štvrť. Ale číslo školy, kde dievčatá študujú, je kvantovaná hodnota! Povedzme, že Káťa študuje v škole číslo 135 a Máša v škole číslo 136. Nikto z nich však nemôže študovať v škole číslo 135 a pol, však?

Ďalším príkladom kvantovaného systému je šachovnica. Na šachovnici je 64 polí a každá figúrka môže zaberať iba jedno pole. Môžeme postaviť pešiaka niekde medzi polia alebo postaviť dvoch pešiakov na jedno pole naraz? V skutočnosti môžeme, ale podľa pravidiel nie.

Zostup kontinua

A tu je šmykľavka na ihrisku. Deti sa z nej šmýkajú dole – výška šmykľavky sa totiž mení plynulo, plynulo. Teraz si predstavte, že sa tento kopec zrazu (mávnutím čarovného prútika!) zmenil na schodisko. Skočiť z jej zadku sa už nebude dať. Musíte kráčať nohami - najprv jeden krok, potom druhý, potom tretí. Hodnota (výška), ktorú sme zmenili nepretržite - ale začal sa meniť v krokoch, to znamená diskrétne, kvantované .

Kvantovaný zostup

Skontrolujme to!

1. Sused na vidieku Ivan Ivanovič išiel do susednej dediny a povedal: "Oddýchnem si niekde po ceste."

2. Sused v krajine Ivan Ivanovič odišiel do susednej dediny a povedal: "Pôjdem nejakým autobusom."

Ktorú z týchto dvoch situácií ("systémov") možno považovať za spojitú a ktorú - kvantovanú?

odpoveď:

V prvom prípade Ivan Ivanovič kráča a môže sa zastaviť na odpočinok v akomkoľvek bode. Takže tento systém je nepretržitý.

V druhom môže Ivan Ivanovič nastúpiť do autobusu, ktorý zastavil. Môžete preskočiť a počkať na ďalší autobus. Nebude si však môcť sadnúť „niekde medzi“ autobusy. Takže tento systém je kvantovaný!

Všetko je to o astronómii

Existenciu spojitých (spojitých) a nespojitých (kvantovaných, nespojitých, diskrétnych) veličín dobre poznali už starí Gréci. Archimedes vo svojej knihe „Psammit“ („Výpočet zŕn piesku“) dokonca urobil prvý pokus o stanovenie matematického vzťahu medzi spojitými a kvantovanými veličinami. V tom čase však ešte neexistovala kvantová fyzika.

Až do začiatku 20. storočia neexistoval! Takí veľkí fyzici ako Galileo, Descartes, Newton, Faraday, Jung alebo Maxwell nikdy nepočuli o žiadnej kvantovej fyzike a zaobišli sa bez nej dobre. Môžete sa opýtať: prečo potom vedci prišli s kvantovou fyzikou? Čo zvláštne sa stalo vo fyzike? Predstavte si, čo sa stalo. Len nie vo fyzike, ale v astronómii!

Tajomný satelit

V roku 1844 pozoroval nemecký astronóm Friedrich Bessel najjasnejšiu hviezdu našej nočnej oblohy, Sirius. V tom čase už astronómovia vedeli, že hviezdy na našej oblohe nie sú nehybné - pohybujú sa len veľmi, veľmi pomaly. Navyše, každá hviezda je dôležitá! - pohybuje sa v priamom smere. Takže pri pozorovaní Siriusa sa ukázalo, že sa vôbec nepohybuje v priamom smere. Zdalo sa, že hviezda sa „zatriasla“ najskôr jedným smerom, potom druhým. Dráha Siriusa na oblohe bola ako kľukatá čiara, ktorú matematici nazývajú "sínusoida".

Hviezda Sirius a jej satelit - Sirius B

Bolo jasné, že samotná hviezda sa takto pohybovať nemôže. Na premenu priamočiareho pohybu na sínusový pohyb je potrebná nejaká „rušivá sila“. Preto Bessel navrhol, že okolo Siriusa sa točí ťažký satelit - to bolo najprirodzenejšie a najrozumnejšie vysvetlenie.

Výpočty však ukázali, že hmotnosť tohto satelitu by mala byť približne rovnaká ako hmotnosť nášho Slnka. Prečo potom nemôžeme vidieť tento satelit zo Zeme? Sirius nie je ďaleko od Slnečnej sústavy - asi dva a pol parseku a objekt veľkosti Slnka by mal byť veľmi dobre viditeľný ...

Ukázalo sa, že je to náročná úloha. Niektorí vedci uviedli, že tento satelit je studená, chladená hviezda - preto je absolútne čierna a z našej planéty neviditeľná. Iní hovorili, že tento satelit nie je čierny, ale priehľadný, a preto ho nevidíme. Astronómovia z celého sveta sa na Siriusa pozerali cez teleskopy a pokúšali sa „chytiť“ záhadný neviditeľný satelit a on sa im zdalo, že sa im posmieva. Bolo čo prekvapiť, vieš...

Potrebujeme zázračný ďalekohľad!

V takomto ďalekohľade ľudia prvýkrát videli satelit Sirius

V polovici 19. storočia žil a pracoval v Spojených štátoch vynikajúci konštruktér ďalekohľadov Alvin Clark. Pôvodným povolaním bol výtvarník, no náhodou sa z neho stal prvotriedny inžinier, sklár a astronóm. Doteraz nikto nedokázal prekonať jeho úžasné šošovkové teleskopy! Jednu zo šošoviek od Alvina Clarkea (priemer 76 centimetrov) možno vidieť v Petrohrade, v múzeu hvezdárne Pulkovo...

To sme však odbočili. V roku 1867 teda Alvin Clark zostrojil nový ďalekohľad – s šošovkou s priemerom 47 centimetrov; bol v tom čase najväčším teleskopom v USA. Práve záhadný Sírius bol vybraný ako prvý nebeský objekt, ktorý bol počas testov pozorovaný. A nádeje astronómov boli brilantne opodstatnené - hneď v prvú noc bol objavený nepolapiteľný satelit Sirius, ktorý predpovedal Bessel.

Z panvice do ohňa...

Astronómovia sa však po obdržaní Clarkových pozorovacích údajov neradovali dlho. Podľa výpočtov by totiž mala byť hmotnosť satelitu približne rovnaká ako hmotnosť nášho Slnka (333 000-násobok hmotnosti Zeme). Ale namiesto obrovského čierneho (alebo priehľadného) nebeského telesa astronómovia videli ... malú bielu hviezdu! Táto hviezdička bola veľmi horúca (25 000 stupňov v porovnaní s 5 500 stupňami nášho Slnka) a zároveň maličká (podľa kozmických štandardov), nie väčšia ako Zem (neskôr sa takéto hviezdy nazývali „bieli trpaslíci“). Ukázalo sa, že táto hviezdička mala absolútne nepredstaviteľnú hustotu. Z akej látky sa teda skladá?

Na Zemi poznáme materiály s vysokou hustotou, ako je olovo (kocka so stranou centimetra vyrobená z tohto kovu váži 11,3 gramu) alebo zlato (19,3 gramu na centimeter kubický). Hustota substancie satelitu Sirius (nazývala sa „Sirius B“) je milión (!!!) gramov na kubický centimeter - je 52-tisíckrát ťažší ako zlato!

Vezmite si napríklad obyčajnú zápalkovú škatuľku. Jeho objem je 28 kubických centimetrov. To znamená, že zápalková škatuľka naplnená látkou zo satelitu Sirius bude vážiť ... 28 ton! Skúste si predstaviť - na jednej váhe je zápalková škatuľka a na druhej - nádrž!

Bol tu ďalší problém. Vo fyzike existuje zákon nazývaný Charlesov zákon. Tvrdí, že v rovnakom objeme je tlak látky tým vyšší, čím vyššia je teplota tejto látky. Spomeňte si, ako tlak horúcej pary odtrhne pokrievku z varenej kanvice – a hneď pochopíte, o čo ide. Takže teplota substancie satelitu Sirius porušila práve tento Charlesov zákon tým najnehanebnejším spôsobom! Tlak bol nepredstaviteľný a teplota relatívne nízka. Výsledkom boli „nesprávne“ fyzikálne zákony a vo všeobecnosti „nesprávna“ fyzika. Ako Macko Pú – „nesprávne včely a nesprávny med“.

Úplne závraty...

Aby sa fyzika „zachránila“, museli vedci na začiatku 20. storočia priznať, že na svete existujú DVE fyziky naraz – jedna „klasická“, známa už dvetisíc rokov. Tá druhá je nezvyčajná kvantový . Vedci sa domnievajú, že zákony klasickej fyziky fungujú na bežnej, „makroskopickej“ úrovni nášho sveta. Ale na najmenšej, „mikroskopickej“ úrovni sa hmota a energia riadia úplne inými zákonmi – kvantovými.

Predstavte si našu planétu Zem. Okolo nej sa teraz točí viac ako 15 000 rôznych umelých predmetov, každý na svojej vlastnej obežnej dráhe. Okrem toho sa táto dráha môže v prípade potreby zmeniť (opraviť) - napríklad dráha na Medzinárodnej vesmírnej stanici (ISS) sa pravidelne opravuje. Ide o makroskopickú úroveň, fungujú tu zákony klasickej fyziky (napríklad Newtonove zákony).

Teraz prejdime na mikroskopickú úroveň. Predstavte si jadro atómu. Okolo neho, podobne ako satelity, sa točia elektróny - nemôže ich však byť ľubovoľne veľa (povedzme, že atóm hélia má najviac dva). A dráhy elektrónov už nebudú ľubovoľné, ale kvantované, „schodovité“. Takéto dráhy fyziky sa tiež nazývajú „povolené energetické hladiny“. Elektrón sa nemôže „hladko“ pohybovať z jednej povolenej úrovne na druhú, môže iba okamžite „skákať“ z úrovne na úroveň. Práve som bol „tam“ a okamžite som sa objavil „tu“. Nemôže byť niekde medzi „tam“ a „tu“. Okamžite zmení polohu.

Podivuhodný? Podivuhodný! To však nie je všetko. Faktom je, že podľa zákonov kvantovej fyziky nemôžu dva rovnaké elektróny zaberať rovnakú energetickú hladinu. Nikdy. Vedci tento jav nazývajú „Pauliho zákaz“ (prečo tento „zákaz“ funguje, dodnes nevedia vysvetliť). Zo všetkého najviac tento „zákaz“ pripomína šachovnicu, ktorú sme uviedli ako príklad kvantového systému – ak je na poli šachovnice pešiak, na toto pole sa už nedá umiestniť ďalší pešiak. Presne to isté sa deje s elektrónmi!

Riešenie problému

Pýtate sa, ako môže kvantová fyzika vysvetliť také nezvyčajné javy, ako je porušenie Charlesovho zákona vo vnútri Sirius B? Ale ako.

Predstavte si mestský park, ktorý má tanečný parket. Po ulici chodí veľa ľudí, chodia tancovať na parket. Nech počet ľudí na ulici predstavuje tlak a počet ľudí na diskotéke teplotu. Na tanečný parket môže ísť obrovské množstvo ľudí – čím viac ľudí chodí v parku, tým viac ľudí tancuje na parkete, teda čím vyšší tlak, tým vyššia teplota. Takto fungujú zákony klasickej fyziky – vrátane Charlesovho zákona. Vedci nazývajú takúto látku „ideálny plyn“.

Ľudia na tanečnom parkete - "ideálny plyn"

Na mikroskopickej úrovni však zákony klasickej fyziky nefungujú. Začínajú tam fungovať kvantové zákony a to radikálne mení situáciu.

Predstavte si, že na mieste tanečného parketu v parku bola otvorená kaviareň. V čom je rozdiel? Áno, v tom, že do kaviarne, na rozdiel od diskotéky, nevstúpi ľudia „koľko chcete“. Akonáhle budú všetky miesta pri stoloch obsadené, ochranka prestane púšťať ľudí dovnútra. A kým jeden z hostí neuvoľní stôl, ochranka nikoho nepustí! V parku sa prechádza stále viac ľudí – a koľko ľudí bolo v kaviarni, toľko ich zostalo. Ukazuje sa, že tlak sa zvyšuje a teplota „stojí“.

Ľudia v kaviarni - "kvantový plyn"

Vo vnútri Sirius B, samozrejme, nie sú žiadni ľudia, tanečné parkety a kaviarne. Princíp však zostáva rovnaký: elektróny naplnia všetky povolené úrovne energie (ako návštevníci - stoly v kaviarni) a už nemôžu nikoho „pustiť“ - presne podľa Pauliho zákazu. Výsledkom je, že vo vnútri hviezdy sa získa nepredstaviteľne obrovský tlak, ale teplota je zároveň vysoká, ale pre hviezdy celkom bežná. Takáto látka sa vo fyzike nazýva „degenerovaný kvantový plyn“.

Ideme pokračovať?..

Anomálne vysoká hustota bielych trpaslíkov nie je zďaleka jediným javom vo fyzike vyžadujúcim použitie kvantových zákonov. Ak vás táto téma zaujíma, v ďalších číslach Luchika sa môžeme porozprávať o iných, nemenej zaujímavých, kvantových javoch. Napíšte! Zatiaľ si pripomeňme to hlavné:

1. V našom svete (Vesmíre) na makroskopickej (t.j. „veľkej“) úrovni fungujú zákony klasickej fyziky. Opisujú vlastnosti bežných kvapalín a plynov, pohyby hviezd a planét a mnoho iného. Toto je fyzika, ktorú študujete (alebo budete študovať) v škole.

2. Na mikroskopickej (teda neskutočne malej, miliónkrát menšej ako najmenšie baktérie) však fungujú úplne iné zákony – zákony kvantovej fyziky. Tieto zákony sú opísané veľmi zložitými matematickými vzorcami a v škole sa o nich neštuduje. Iba kvantová fyzika nám však umožňuje pomerne jasne vysvetliť štruktúru takých úžasných vesmírnych objektov, akými sú bieli trpaslíci (ako Sirius B), neutrónové hviezdy, čierne diery atď.

Nikto na tomto svete nechápe, čo je kvantová mechanika. To je možno to najdôležitejšie, čo o nej treba vedieť. Samozrejme, mnohí fyzici sa naučili používať zákony a dokonca predpovedať javy na základe kvantových výpočtov. Stále však nie je jasné, prečo pozorovateľ experimentu určuje správanie systému a núti ho zaujať jeden z dvoch stavov.

Tu je niekoľko príkladov experimentov s výsledkami, ktoré sa pod vplyvom pozorovateľa nevyhnutne zmenia. Ukazujú, že kvantová mechanika sa prakticky zaoberá zásahom vedomého myslenia do materiálnej reality.

V súčasnosti existuje veľa interpretácií kvantovej mechaniky, ale Kodanská interpretácia je snáď najznámejšia. V 20. rokoch 20. storočia sformulovali jeho všeobecné postuláty Niels Bohr a Werner Heisenberg.

Základom kodanskej interpretácie bola vlnová funkcia. Ide o matematickú funkciu obsahujúcu informácie o všetkých možných stavoch kvantového systému, v ktorom súčasne existuje. Podľa Kodanskej interpretácie stav systému a jeho polohu voči iným stavom možno určiť len pozorovaním (vlnová funkcia sa používa iba na matematický výpočet pravdepodobnosti, že sa systém nachádza v jednom alebo druhom stave).

Dá sa povedať, že po pozorovaní sa kvantový systém stáva klasickým a okamžite prestáva existovať v iných stavoch, ako bol ten, v ktorom bol pozorovaný. Tento záver si našiel svojich odporcov (spomeňte si na slávne Einsteinovo „Boh nehrá kocky“), no presnosť výpočtov a predpovedí mala predsa len svoje.

Napriek tomu počet zástancov kodanskej interpretácie klesá a hlavným dôvodom je záhadný okamžitý kolaps vlnovej funkcie počas experimentu. Slávny myšlienkový experiment Erwina Schrödingera s úbohou mačkou by mal demonštrovať absurdnosť tohto javu. Pripomeňme si detaily.

Vo vnútri čiernej skrinky sedí čierna mačka a s ňou liekovka s jedom a mechanizmus, ktorý dokáže náhodne uvoľniť jed. Napríklad rádioaktívny atóm počas rozpadu môže rozbiť bublinu. Presný čas rozpadu atómu nie je známy. Známy je len polčas rozpadu, počas ktorého dochádza k rozpadu s pravdepodobnosťou 50 %.

Je zrejmé, že pre vonkajšieho pozorovateľa je mačka vo vnútri krabice v dvoch stavoch: buď je živá, ak všetko prebehlo dobre, alebo mŕtva, ak došlo k rozkladu a fľaštička sa rozbila. Oba tieto stavy sú opísané vlnovou funkciou mačky, ktorá sa časom mení.

Čím viac času uplynulo, tým je pravdepodobnejšie, že došlo k rádioaktívnemu rozpadu. No akonáhle otvoríme krabicu, vlnová funkcia skolabuje a my okamžite vidíme výsledky tohto neľudského experimentu.

V skutočnosti, kým pozorovateľ neotvorí krabicu, mačka bude nekonečne balansovať medzi životom a smrťou, alebo bude živá aj mŕtva. O jej osude možno rozhodnúť iba v dôsledku konania pozorovateľa. Na túto absurditu poukázal Schrödinger.

Podľa prieskumu slávnych fyzikov The New York Times je experiment elektrónovej difrakcie jednou z najúžasnejších štúdií v histórii vedy. Aká je jeho povaha? Existuje zdroj, ktorý vysiela lúč elektrónov na fotocitlivú obrazovku. A týmto elektrónom stojí v ceste prekážka, medená platňa s dvoma štrbinami.

Aký obraz môžeme očakávať na obrazovke, ak sú pre nás elektróny zvyčajne reprezentované ako malé nabité guľôčky? Dva pruhy oproti štrbinám v medenej doske. Ale v skutočnosti sa na obrazovke objaví oveľa zložitejší vzor striedajúcich sa bielych a čiernych pruhov. Je to spôsobené tým, že pri prechode štrbinou sa elektróny začnú správať nielen ako častice, ale aj ako vlny (fotóny alebo iné svetelné častice, ktoré môžu byť zároveň vlnou, sa správajú rovnako).

Tieto vlny interagujú v priestore, narážajú na seba a navzájom sa posilňujú a v dôsledku toho sa na obrazovke zobrazuje zložitý vzor striedajúcich sa svetlých a tmavých pruhov. Zároveň sa výsledok tohto experimentu nemení, aj keď elektróny prechádzajú jeden po druhom - aj jedna častica môže byť vlna a prechádzať cez dve štrbiny súčasne. Tento postulát bol jedným z hlavných v kodanskej interpretácii kvantovej mechaniky, keď častice môžu súčasne demonštrovať svoje „obyčajné“ fyzikálne vlastnosti a exotické vlastnosti ako vlna.

Ale čo pozorovateľ? Práve on robí tento mätúci príbeh ešte mätúcim. Keď sa fyzici v experimentoch, ako je tento, pokúsili použiť prístroje na určenie, ktorou štrbinou elektrón skutočne prechádza, obraz na obrazovke sa dramaticky zmenil a stal sa „klasickým“: s dvoma osvetlenými časťami priamo oproti štrbinám bez akýchkoľvek striedajúcich sa pruhov.

Zdalo sa, že elektróny sa zdráhajú odhaliť svoju vlnovú povahu pozornému oku prizerajúcich sa. Vyzerá to ako tajomstvo zahalené tmou. Existuje však jednoduchšie vysvetlenie: pozorovanie systému nemožno vykonávať bez fyzického vplyvu naň. Budeme o tom diskutovať neskôr.

2. Vyhrievané fullerény

Experimenty s difrakciou častíc sa robili nielen s elektrónmi, ale aj s inými, oveľa väčšími objektmi. Používali sa napríklad fullerény, veľké a uzavreté molekuly pozostávajúce z niekoľkých desiatok atómov uhlíka. Nedávno sa skupina vedcov z Viedenskej univerzity pod vedením profesora Zeilingera pokúsila do týchto experimentov zahrnúť prvok pozorovania. Aby to urobili, ožiarili pohybujúce sa molekuly fullerénu laserovými lúčmi. Potom, zahrievané vonkajším zdrojom, molekuly začali žiariť a nevyhnutne odrážali svoju prítomnosť pre pozorovateľa.

Spolu s touto inováciou sa zmenilo aj správanie molekúl. Pred takýmto komplexným pozorovaním sa fullerény celkom úspešne vyhýbali prekážke (vykazujúcej vlnové vlastnosti), podobne ako v predchádzajúcom príklade s elektrónmi narážajúcimi na obrazovku. Ale s prítomnosťou pozorovateľa sa fullerény začali správať ako fyzikálne častice, ktoré dokonale dodržiavajú zákony.

3. Meranie chladenia

Jedným z najznámejších zákonov vo svete kvantovej fyziky je Heisenbergov princíp neurčitosti, podľa ktorého nie je možné určiť rýchlosť a polohu kvantového objektu súčasne. Čím presnejšie zmeriame hybnosť častice, tým presnejšie dokážeme zmerať jej polohu. V našom makroskopickom reálnom svete však platnosť kvantových zákonov pôsobiacich na drobné častice zvyčajne zostáva nepovšimnutá.

Nedávne experimenty prof. Schwaba z USA sú veľmi cenným príspevkom k tejto oblasti. Kvantové efekty v týchto experimentoch sa nepreukázali na úrovni elektrónov alebo molekúl fullerénu (ktoré majú približný priemer 1 nm), ale na väčších objektoch, malej hliníkovej stuhe. Táto páska bola upevnená na oboch stranách, takže jej stred bol v zavesenom stave a mohol vibrovať pod vonkajším vplyvom. Okrem toho bolo v blízkosti umiestnené zariadenie schopné presne zaznamenať polohu pásky. Výsledkom experimentu bolo objavených niekoľko zaujímavých vecí. Po prvé, akékoľvek meranie týkajúce sa polohy objektu a pozorovania pásky ju ovplyvnilo, po každom meraní sa poloha pásky zmenila.

Experimentátori určili súradnice pásky s vysokou presnosťou, a tak v súlade s Heisenbergovým princípom zmenili jej rýchlosť a tým aj následnú polohu. Po druhé, a celkom neočakávane, niektoré merania viedli k ochladeniu pásky. Pozorovateľ teda môže meniť fyzikálne vlastnosti predmetov už len ich prítomnosťou.

4. Mrazivé častice

Ako viete, nestabilné rádioaktívne častice sa rozpadajú nielen pri pokusoch s mačkami, ale aj samostatne. Každá častica má priemernú životnosť, ktorá sa, ako sa ukazuje, môže pod drobnohľadom pozorovateľa predĺžiť. Tento kvantový efekt bol predpovedaný už v 60. rokoch a jeho skvelý experimentálny dôkaz sa objavil v článku publikovanom skupinou vedenou nositeľom Nobelovej ceny za fyziku Wolfgangom Ketterlem z Massachusettského technologického inštitútu.

V tejto práci sa študoval rozpad nestabilných excitovaných atómov rubídia. Ihneď po príprave systému boli atómy excitované pomocou laserového lúča. Pozorovanie prebiehalo v dvoch režimoch: kontinuálnom (systém bol neustále vystavený malým svetelným impulzom) a pulznom (systém bol z času na čas ožarovaný silnejšími impulzmi).

Získané výsledky plne súhlasili s teoretickými predpoveďami. Vonkajšie svetelné efekty spomaľujú rozpad častíc a vracajú ich do pôvodného stavu, ktorý je vzdialený od stavu rozpadu. Veľkosť tohto efektu sa tiež zhodovala s predpoveďami. Maximálna životnosť nestabilných excitovaných atómov rubídia sa zvýšila 30-krát.

5. Kvantová mechanika a vedomie

Elektróny a fullerény prestávajú vykazovať svoje vlnové vlastnosti, hliníkové platne sa ochladzujú a nestabilné častice spomaľujú ich rozpad. Pozorné oko diváka doslova mení svet. Prečo to nemôže byť dôkazom zapojenia našej mysle do práce sveta? Možno mali Carl Jung a Wolfgang Pauli (rakúsky fyzik, laureát Nobelovej ceny, priekopník kvantovej mechaniky) predsa len pravdu, keď povedali, že zákony fyziky a vedomia by sa mali považovať za vzájomne sa dopĺňajúce?

Sme len krôčik od toho, aby sme si uvedomili, že svet okolo nás je len iluzórnym produktom našej mysle. Predstava je to desivá a lákavá. Skúsme sa opäť obrátiť na fyzikov. Najmä v posledných rokoch, keď čoraz menej ľudí verí kodanskej interpretácii kvantovej mechaniky s jej záhadnými vlnovými kolapsmi, ktoré sa obracia na svetskejšiu a spoľahlivejšiu dekoherenciu.

Faktom je, že pri všetkých týchto experimentoch s pozorovaniami experimentátori nevyhnutne ovplyvňovali systém. Osvetlili ho laserom a nainštalovali meracie prístroje. Spájal ich dôležitý princíp: nemôžete pozorovať systém alebo merať jeho vlastnosti bez interakcie s ním. Akákoľvek interakcia je proces úpravy vlastností. Najmä keď je malý kvantový systém vystavený kolosálnym kvantovým objektom. Nejaký večne neutrálny budhistický pozorovateľ je z princípu nemožný. A tu vstupuje do hry pojem „dekoherencia“, ktorý je z hľadiska termodynamiky nezvratný: kvantové vlastnosti systému sa menia pri interakcii s iným veľkým systémom.

Počas tejto interakcie kvantový systém stráca svoje pôvodné vlastnosti a stáva sa klasickým, akoby „poslúchal“ veľký systém. To vysvetľuje aj paradox Schrödingerovej mačky: mačka je príliš veľký systém, takže ju nemožno izolovať od zvyšku sveta. Samotný dizajn tohto myšlienkového experimentu nie je úplne správny.

V každom prípade, ak predpokladáme realitu aktu stvorenia vedomím, dekoherencia sa javí ako oveľa pohodlnejší prístup. Možno až príliš pohodlné. S týmto prístupom sa celý klasický svet stáva jedným veľkým dôsledkom dekoherencie. A ako uviedol autor jednej z najznámejších kníh v tejto oblasti, takýto prístup logicky vedie k výrokom ako „na svete nie sú žiadne častice“ alebo „na základnej úrovni neexistuje čas“.

Čo je pravda: v tvorcovi-pozorovateľovi alebo v silnej dekoherencii? Musíme si vybrať medzi dvoma zlami. Napriek tomu sú vedci čoraz viac presvedčení, že kvantové efekty sú prejavom našich duševných procesov. A kde končí pozorovanie a začína realita, závisí od každého z nás.