Dünyada heç kim kvant mexanikasını başa düşmür - bu barədə bilməli olduğunuz əsas şey budur. Bəli, bir çox fiziklər onun qanunlarından istifadə etməyi və hətta kvant hesablamalarından istifadə edərək hadisələri proqnozlaşdırmağı öyrənmişlər. Amma nə üçün müşahidəçinin olması sistemin taleyini müəyyən edir və onu bir dövlətin xeyrinə seçim etməyə vadar edir, hələ də aydın deyil. “Nəzəriyyələr və Təcrübələr” nəticəsi mütləq müşahidəçinin təsiri altında olan təcrübə nümunələrini seçdi və maddi reallığa şüurun bu cür müdaxiləsi ilə kvant mexanikasının nə edəcəyini anlamağa çalışdı.

Shroedinger pişiyi

Bu gün kvant mexanikasının bir çox təfsiri var, onlardan ən populyarı Kopenhagen olaraq qalır. Onun əsas prinsipləri 1920-ci illərdə Niels Bohr və Werner Heisenberg tərəfindən tərtib edilmişdir. Və Kopenhagen təfsirinin mərkəzi termini dalğa funksiyası idi - eyni vaxtda yerləşdiyi kvant sisteminin bütün mümkün vəziyyətləri haqqında məlumatları ehtiva edən riyazi funksiya.

Kopenhagen şərhinə görə, yalnız müşahidə sistemin vəziyyətini etibarlı şəkildə müəyyən edə və onu digərlərindən fərqləndirə bilər (dalğa funksiyası yalnız müəyyən bir vəziyyətdə sistemin aşkarlanması ehtimalını riyazi hesablamağa kömək edir). Deyə bilərik ki, müşahidədən sonra kvant sistemi klassikləşir: o, dərhal bir çox ştatlarda onlardan birinin xeyrinə birgə mövcud olmağı dayandırır.

Bu yanaşmanın həmişə rəqibləri olub (yadınıza salın, məsələn, Albert Eynşteynin “Tanrı zar oynamır”), lakin hesablamaların və proqnozların dəqiqliyi öz təsirini göstərib. Bununla belə, son vaxtlar Kopenhagen təfsirinin tərəfdarları getdikcə daha az olmuşdur və bunun ən az səbəbi ölçmə zamanı dalğa funksiyasının çox sirli ani çökməsi deyil. Ervin Şrödingerin yazıq pişiklə etdiyi məşhur düşüncə təcrübəsi məhz bu fenomenin absurdluğunu göstərmək məqsədi daşıyırdı.

Beləliklə, təcrübənin məzmununu xatırlayaq. Qara qutuya canlı pişik, zəhərli ampul və təsadüfən zəhəri işə sala bilən müəyyən mexanizm yerləşdirilir. Məsələn, bir radioaktiv atom, onun çürüməsi ampulü qıracaq. Atom parçalanmasının dəqiq vaxtı məlum deyil. Yalnız yarı ömrü məlumdur: 50% ehtimalla çürümənin baş verəcəyi vaxt.

Belə çıxır ki, kənar müşahidəçi üçün qutunun içindəki pişik bir anda iki vəziyyətdə mövcuddur: ya diridir, hər şey qaydasındadırsa, ya da ölüdür, çürük baş verib və ampula qırılıbsa. Bu vəziyyətlərin hər ikisi zaman keçdikcə dəyişən pişiyin dalğa funksiyası ilə təsvir olunur: nə qədər uzaq olsa, radioaktiv parçalanmanın artıq baş vermə ehtimalı bir o qədər çox olar. Amma qutu açılan kimi dalğa funksiyası çökür və biz dərhal şirniyyatçının təcrübəsinin nəticəsini görürük.

Belə çıxır ki, müşahidəçi qutunu açana qədər pişik ölümlə həyat arasındakı sərhəddə əbədi olaraq tarazlıq saxlayacaq və yalnız müşahidəçinin hərəkəti onun taleyini müəyyən edəcək. Bu, Şrödingerin qeyd etdiyi absurddur.

Elektron difraksiyası

The New York Times qəzetinin aparıcı fiziklər arasında apardığı sorğuya əsasən, 1961-ci ildə Klaus Censonun elektron difraksiyası ilə apardığı təcrübə elm tarixinin ən gözəl təcrübələrindən birinə çevrilib. Onun mahiyyəti nədir?

Fotoqrafik lövhə ekranına doğru elektron axını yayan bir mənbə var. Və bu elektronların yolunda bir maneə var - iki yarıqlı mis lövhə. Elektronları sadəcə kiçik yüklü toplar kimi düşünsəniz, ekranda hansı şəkil gözləmək olar? Yarıqların qarşısında iki işıqlı zolaq.

Əslində, ekranda qara və ağ zolaqların daha mürəkkəb bir nümunəsi görünür. Fakt budur ki, yarıqlardan keçərkən elektronlar hissəciklər kimi deyil, dalğalar kimi davranmağa başlayırlar (eyni zamanda fotonlar, işıq hissəcikləri eyni vaxtda dalğa ola bilər). Sonra bu dalğalar kosmosda qarşılıqlı təsirə girərək bəzi yerlərdə bir-birini zəiflədərək gücləndirir və nəticədə ekranda işıq və tünd zolaqların bir-birini əvəz edən mürəkkəb mənzərəsi yaranır.

Bu zaman eksperimentin nəticəsi dəyişmir və elektronlar yarıqdan davamlı axınla deyil, fərdi şəkildə göndərilərsə, hətta bir hissəcik də eyni vaxtda dalğa ola bilər. Hətta bir elektron eyni vaxtda iki yarıqdan keçə bilər (və bu, kvant mexanikasının Kopenhagen təfsirinin digər mühüm mövqeyidir - obyektlər eyni vaxtda "adi" maddi xüsusiyyətlərini və ekzotik dalğa xüsusiyyətlərini nümayiş etdirə bilər).

Bəs müşahidəçinin bununla nə əlaqəsi var? Baxmayaraq ki, onun onsuz da mürəkkəb hekayəsi daha da mürəkkəbləşdi. Bənzər təcrübələrdə fiziklər elektronun həqiqətən keçdiyini kəsən alətlərin köməyi ilə aşkar etməyə çalışdıqda, ekrandakı şəkil kəskin şəkildə dəyişdi və "klassik" oldu: yarıqların qarşısındakı iki işıqlı sahə və alternativ zolaqlar yox idi.

Sanki elektronlar müşahidəçinin diqqətli baxışları altında dalğa təbiətlərini göstərmək istəmirdilər. Biz onun sadə və başa düşülən mənzərəni görmək instinktiv istəyinə uyğunlaşdıq. mistik? Daha sadə bir izahat var: sistemə fiziki təsir olmadan heç bir müşahidə aparıla bilməz. Amma bu məsələyə bir az sonra qayıdacayıq.

Qızdırılmış fulleren

Hissəciklərin difraksiyasına dair təcrübələr təkcə elektronlar üzərində deyil, həm də daha böyük obyektlər üzərində aparılmışdır. Məsələn, fullerenlər onlarla karbon atomundan ibarət böyük, qapalı molekullardır (məsələn, altmış karbon atomundan ibarət fulleren forma baxımından futbol topuna çox bənzəyir: beşbucaqlı və altıbucaqlılardan bir-birinə tikilmiş içi boş kürə).

Bu yaxınlarda Vyana Universitetindən professor Zeilingerin rəhbərliyi ilə bir qrup müşahidə elementini belə təcrübələrə daxil etməyə çalışıb. Bunun üçün hərəkət edən fulleren molekullarını lazer şüası ilə şüalandırdılar. Daha sonra xarici təsirlə qızdırılan molekullar parlamağa başladı və bununla da istər-istəməz kosmosdakı yerlərini müşahidəçiyə göstərdi.

Bu yeniliklə yanaşı, molekulların davranışı da dəyişdi. Ümumi nəzarətə başlamazdan əvvəl fullerenlər qeyri-şəffaf ekrandan keçən əvvəlki nümunədəki elektronlar kimi maneələri (dalğa xassələrini nümayiş etdirdilər) kifayət qədər uğurla keçdilər. Lakin sonradan müşahidəçinin peyda olması ilə fullerenlər sakitləşdi və özlərini tamamilə qanuna tabe olan maddə hissəcikləri kimi aparmağa başladılar.

Soyutma ölçüsü

Kvant dünyasının ən məşhur qanunlarından biri Heyzenberqin qeyri-müəyyənlik prinsipidir: kvant obyektinin mövqeyini və sürətini eyni vaxtda müəyyən etmək mümkün deyil. Bir hissəciyin impulsunu nə qədər dəqiq ölçsək, onun mövqeyini bir o qədər az dəqiq ölçmək olar. Lakin kiçik hissəciklər səviyyəsində fəaliyyət göstərən kvant qanunlarının təsiri böyük makro obyektlər dünyamızda adətən nəzərə çarpmır.

Buna görə də, ABŞ-dan olan professor Şvab qrupunun son təcrübələri daha qiymətlidir, burada kvant effektləri eyni elektronlar və ya fulleren molekulları səviyyəsində deyil (onların xarakterik diametri təxminən 1 nm-dir), lakin bir az daha hiss olunan bir şəkildə nümayiş etdirilmişdir. obyekt - kiçik bir alüminium zolaq.

Bu zolaq hər iki tərəfdən bərkidilmişdi ki, onun ortası asılmışdı və xarici təsir altında titrə bilsin. Bundan əlavə, zolağın yanında mövqeyini yüksək dəqiqliklə qeyd etməyə qadir olan bir cihaz var idi.

Nəticədə eksperimentçilər iki maraqlı effekt aşkar ediblər. Birincisi, obyektin mövqeyinin hər hansı bir ölçülməsi və ya zolağın müşahidəsi onun üçün iz buraxmadan keçmədi - hər ölçüdən sonra zolağın mövqeyi dəyişdi. Təxminən desək, eksperimentçilər zolağın koordinatlarını böyük dəqiqliklə təyin etdilər və bununla da Heisenberg prinsipinə görə onun sürətini və buna görə də sonrakı mövqeyini dəyişdilər.

İkincisi, və olduqca gözlənilmədən, bəzi ölçmələr də zolağın soyumasına səbəb oldu. Belə çıxır ki, müşahidəçi yalnız onun iştirakı ilə cisimlərin fiziki xüsusiyyətlərini dəyişə bilər. Tamamilə inanılmaz səslənir, amma fiziklərin kreditinə görə, deyək ki, onlar itkiyə məruz qalmadılar - indi professor Şvabın qrupu aşkar edilmiş effekti elektron çipləri soyutmaq üçün necə tətbiq etmək barədə düşünür.

Dondurucu hissəciklər

Bildiyiniz kimi, dünyada qeyri-sabit radioaktiv hissəciklər təkcə pişiklər üzərində aparılan təcrübələr naminə deyil, həm də tamamilə özbaşına parçalanır. Üstəlik, hər bir hissəcik orta ömür ilə xarakterizə olunur ki, bu da müşahidəçinin diqqətli baxışları altında arta bilər.

Bu kvant effekti ilk dəfə 1960-cı illərdə proqnozlaşdırılıb və onun parlaq eksperimental təsdiqi 2006-cı ildə Massaçusets Texnologiya İnstitutunda Nobel mükafatı laureatı fizik Volfqanq Ketterlenin qrupu tərəfindən nəşr olunan məqalədə öz əksini tapıb.

Bu işdə biz qeyri-sabit həyəcanlanmış rubidium atomlarının parçalanmasını (əsas vəziyyətdə rubidium atomlarına və fotonlara çevrilməsini) öyrəndik. Sistem hazırlandıqdan və atomlar həyəcanlandıqdan dərhal sonra onlar müşahidə olunmağa başladılar - lazer şüası ilə işıqlandırıldılar. Bu zaman müşahidə iki rejimdə aparılmışdır: davamlı (kiçik işıq impulsları sistemə daim verilir) və impulslu (sistem vaxtaşırı daha güclü impulslarla şüalanır).

Əldə edilən nəticələr nəzəri proqnozlarla mükəmməl üst-üstə düşürdü. Xarici işıq təsirləri əslində hissəciklərin parçalanmasını ləngidir, sanki onları çürümədən uzaq, ilkin vəziyyətinə qaytarır. Üstəlik, tədqiq edilən iki rejim üçün təsirin böyüklüyü də proqnozlarla üst-üstə düşür. Və qeyri-sabit həyəcanlanmış rubidium atomlarının maksimum ömrü 30 dəfə uzadıldı.

Kvant mexanikası və şüur

Elektronlar və fullerenlər dalğa xassələrini nümayiş etdirməyi dayandırır, alüminium lövhələr soyuyur və qeyri-sabit hissəciklər çürüyərək donur: müşahidəçinin hər şeyə qadir baxışı altında dünya dəyişir. Ağlımızın ətrafımızdakı dünyanın işinə qarışmasının sübutu nədir? Deməli, bəlkə Karl Yunq və Volfqanq Pauli (avstriyalı fizik, Nobel mükafatı laureatı, kvant mexanikasının qabaqcıllarından biri) fizika və şüur ​​qanunlarının bir-birini tamamlayan qanunauyğunluq hesab edilməli olduğunu deyəndə haqlı idilər?

Ancaq bu, adi tanınmadan yalnız bir addımdır: ətrafımızdakı bütün dünya ağlımızın mahiyyətidir. Ürkütücü? (“Doğrudanmı siz Ayın yalnız ona baxdığınız zaman mövcud olduğunu düşünürsünüz?” Eynşteyn kvant mexanikasının prinsiplərini şərh etdi). Sonra yenə fiziklərə müraciət etməyə çalışaq. Üstəlik, son illərdə onlar funksiya dalğasının sirli dağılması ilə kvant mexanikasının Kopenhagen təfsirini getdikcə daha az sevməyə başladılar ki, bu da başqa, kifayət qədər sadə və etibarlı terminlə - dekoherensliklə əvəzlənir.

Məsələ bundadır: təsvir edilən bütün müşahidə təcrübələrində eksperimentçilər istər-istəməz sistemə təsir edirdilər. Lazerlə işıqlandırdılar, ölçü alətləri quraşdırdılar. Və bu ümumi, çox vacib bir prinsipdir: onunla qarşılıqlı əlaqədə olmadan bir sistemi müşahidə edə, onun xassələrini ölçə bilməzsən. Qarşılıqlı təsir olan yerdə isə xassələrdə dəyişiklik olur. Üstəlik, kvant obyektlərinin nəhəngi kiçik bir kvant sistemi ilə qarşılıqlı əlaqədə olduqda. Beləliklə, müşahidəçinin əbədi, Buddist neytrallığı mümkün deyil.

“Dekoherens” terminini məhz bu izah edir - sistemin digər, daha böyük sistemlə qarşılıqlı əlaqəsi zamanı onun kvant xassələrinin geri dönməz pozulması prosesi. Belə qarşılıqlı təsir zamanı kvant sistemi ilkin xüsusiyyətlərini itirir və klassik olur, böyük sistemə “tabe olur”. Bu, Şrödingerin pişiyi ilə olan paradoksu izah edir: pişik o qədər böyük sistemdir ki, onu sadəcə olaraq dünyadan təcrid etmək mümkün deyil. Düşüncə təcrübəsinin özü tamamilə doğru deyil.

Hər halda, şüurun yaradılması aktı kimi reallıqla müqayisədə, dekoherens daha sakit səslənir. Bəlkə də çox sakit. Axı, bu yanaşma ilə bütün klassik dünya bir böyük dekoherens effektinə çevrilir. Və bu sahədə ən ciddi kitablardan birinin müəlliflərinin fikrincə, “dünyada zərrə yoxdur” və ya “fundamental səviyyədə vaxt yoxdur” kimi ifadələr də məntiqi olaraq bu cür yanaşmalardan irəli gəlir.

Yaradıcı müşahidəçi və ya hərtərəfli decoherence? İki pislik arasında seçim etməlisən. Ancaq unutmayın - indi elm adamları getdikcə daha çox əmin olurlar ki, bizim düşüncə proseslərimizin əsası həmin bədnam kvant effektləridir. Beləliklə, müşahidənin bitdiyi və reallığın başladığı yerdə - hər birimiz seçim etməliyik.

- 97.50 Kb

Rusiya Federasiyasının Təhsil və Elm Nazirliyi

"Alekseevski İqtisadiyyat və İnformasiya Texnologiyaları Kolleci" Orta Peşə Təhsili Federal Dövlət Təhsil Təşkilatı

“Kvant fizikasının yaranması və inkişafı”

Tamamladı: 22-ci qrupun tələbəsi

İxtisaslar: 080110

İqtisadiyyat və mühasibat uçotu

(sənaye üzrə)

Rısikov Artem

Yoxladı: ümumi təhsil müəllimi

Koryaka Lyudmila Mixaylovna

Alekseevka 2010

Giriş..………………………………………………………………………3

I fəsil Kvant fizikasının yaranması və inkişafı………………………4

1.1 Kvant fərziyyəsi…………………………………………………… 8

1.2 İ.Bor tərəfindən atom nəzəriyyəsi. Uyğunluq prinsipi ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………11

II fəsil Kvant mexanikasının problemləri………………………………….13

1.4 Kvant mexanikasının təfsiri problemi.............. .16

Nəticə…………………………………………………………19

İstinadların siyahısı…………………………………………2 0

Giriş

Dünyanın elektromaqnit mənzərəsinə görə, insanı əhatə edən dünya davamlı bir mühitdir - müxtəlif nöqtələrdə müxtəlif temperaturlara malik olan, müxtəlif enerji potensiallarını cəmləşdirə bilən, fərqli hərəkət edə bilən və s. Davamlı mühit geniş məkan sahələrini tuta bilər, onun xassələri davamlı olaraq dəyişir və kəskin sərhədləri yoxdur. Bu xüsusiyyətlər sahəni müəyyən və aydın sərhədləri olan fiziki cisimlərdən fərqləndirir. Dünyanın cisimlərə və sahə hissəciklərinə, sahə və məkana bölünməsi dünyanın iki ifrat xassəsinin - diskretlik və davamlılığın mövcudluğuna sübutdur. Dünyanın diskretliyi (davamsızlığı) bütün məkan-zaman strukturunun ayrı-ayrı məhdud obyektlərə, xassələrə və hərəkət formalarına yekun bölünməsi deməkdir, davamlılıq (davamlılıq) isə obyektin vəhdətini, bütövlüyünü və bölünməzliyini ifadə edir.

Klassik fizika çərçivəsində dünyanın diskretliyi və davamlılığı ilkin olaraq bir-birinə zidd, ayrı və müstəqil olsa da, ümumi tamamlayıcı xüsusiyyətlər kimi görünür. Müasir fizikada diskret və davamlı əksliklərin bu vəhdəti dalğa-zərrəcik ikiliyi konsepsiyasında öz əsasını tapmışdır.

Dünyanın müasir kvant sahə mənzərəsi maddi dünyanın mikro obyektlərinin vəziyyətini və hərəkətini təsvir edən yeni fiziki nəzəriyyəyə - kvant mexanikasına əsaslanır.

I fəsil. Kvant fizikasının yaranması və inkişafı

Kvant mexanikası mikrohissəciklərin (elementar hissəciklərin, atomların, molekulların, atom nüvələrinin) və onların sistemlərinin təsviri metodunu və hərəkət qanunlarını, həmçinin hissəcikləri xarakterizə edən kəmiyyətlər və sistemlər arasında birbaşa eksperimental olaraq ölçülən fiziki kəmiyyətlərlə əlaqəni müəyyən edən nəzəriyyədir.

Kvant mexanikasının qanunları maddənin quruluşunun öyrənilməsi üçün əsas təşkil edir. Onlar atomların quruluşunu aydınlaşdırmağa, kimyəvi bağların təbiətini qurmağa, elementlərin dövri sistemini izah etməyə və elementar hissəciklərin xüsusiyyətlərini öyrənməyə imkan verir.

Makroskopik cisimlərin xassələri onların təşkil olunduğu hissəciklərin hərəkəti və qarşılıqlı təsiri ilə müəyyən olunduğundan, əksər makroskopik hadisələrin anlaşılmasının əsasında kvant mexanikasının qanunları dayanır. Məsələn, kvant mexanikası bərk cisimlərin quruluşunu müəyyən etməyə və bir çox xassələrini başa düşməyə, ferromaqnetizm, ifrat axıcılıq, fövqəlkeçiricilik hadisələrini ardıcıl izah etməyə, astrofizik cisimlərin - ağ cırtdanların, neytron ulduzların təbiətini başa düşməyə və mexanizmi aydınlaşdırmağa imkan verdi. Günəşdə və ulduzlarda termonüvə reaksiyaları.

Kvant mexanikasının inkişafı Nyuton mexanikasının və klassik elektrodinamikanın işığın maddə ilə qarşılıqlı təsir proseslərinə və atomda baş verən proseslərə tətbiq edilmədiyini göstərən fiziki hadisələrin aşkar edildiyi 20-ci əsrin əvvəllərinə təsadüf edir. Bu hadisələr qrupları arasında əlaqənin yaradılması və onları nəzəriyyə əsasında izah etməyə cəhdlər kvant mexanikasının qanunauyğunluqlarının kəşfinə səbəb oldu.

Elmdə ilk dəfə olaraq kvant haqqında fikirləri 1900-cü ildə cisimlərin istilik şüalanmasının tədqiqi prosesində M.Plank ifadə etmişdir. Tədqiqatları ilə o, enerji emissiyasının diskret olaraq, müəyyən hissələrdə - enerjisi işıq dalğasının tezliyindən asılı olan kvantlarda baş verdiyini nümayiş etdirdi. Plankın təcrübələri işığın həm korpuskulyar, həm də dalğa xassələrinə malik ikili təbiətinin tanınmasına gətirib çıxardı və bununla da bu əksliklərin dialektik vəhdətini təmsil etdi. Xüsusən dialektika onunla ifadə olunur ki, şüalanmanın dalğa uzunluğu nə qədər qısa olarsa, kvant xassələri bir o qədər aydın görünür; Dalğa uzunluğu nə qədər uzun olarsa, işığın dalğa xüsusiyyətləri bir o qədər parlaq görünür.

1924-cü ildə fransız fiziki L. de Broglie dalğa-hissəcik ikililiyinin universal xarakter daşıması fərziyyəsini irəli sürdü, yəni. Maddənin bütün hissəcikləri dalğa xüsusiyyətlərinə malikdir. Sonralar bu fikir eksperimental olaraq təsdiqləndi və dalğa-zərrəcik ikililiyi prinsipi mikro aləmdəki bütün hərəkət və qarşılıqlı təsir proseslərinə şamil edildi.

Xüsusilə, N. Bor enerjinin kvantlaşdırılması ideyasını atom quruluşu nəzəriyyəsinə tətbiq etdi. Onun fikrinə görə, atomun mərkəzində müsbət yüklü nüvə yerləşir ki, orada atomun demək olar ki, bütün kütləsi cəmləşib və mənfi yüklü elektronlar nüvə ətrafında orbitlərdə fırlanır. Fırlanan elektronlar enerjilərinin bir hissəsini itirməlidirlər ki, bu da atomların qeyri-sabit varlığına səbəb olur. Ancaq praktikada atomlar təkcə mövcud deyil, həm də çox sabitdirlər. Bu məsələni izah edən Bor öz orbitində hərəkət edən elektronun kvant yaymamasını təklif etdi. Radiasiya yalnız elektron bir orbitdən digərinə keçdikdə baş verir, yəni. bir enerji səviyyəsindən digərinə, daha az enerji ilə. Keçid anında radiasiya kvantı yaranır.

Dünyanın kvant sahə mənzərəsinə uyğun olaraq dalğa və korpuskulyar xassələrə malik olan hər hansı bir mikroobyekt xüsusi hərəkət trayektoriyasına malik deyil və müəyyən koordinatlara və sürətə (impulsə) malik ola bilməz. Bu, yalnız müəyyən bir anda dalğa funksiyasını təyin etməklə və sonra hər hansı digər anda dalğa funksiyasını tapmaqla edilə bilər. Modulun kvadratı fəzada müəyyən bir nöqtədə hissəciyi tapmaq ehtimalını verir.

Bundan əlavə, dünyanın bu mənzərəsindəki məkan-zamanın nisbiliyi müəyyən bir anda koordinatların və sürətin qeyri-müəyyənliyinə, mikro obyektin hərəkət trayektoriyasının olmamasına səbəb olur. Və əgər klassik fizikada çoxlu sayda hissəciklərin davranışı ehtimal qanunlarına tabe idisə, kvant mexanikasında hər bir mikrohissəciyin davranışı dinamik deyil, statistik qanunlara tabedir.

Beləliklə, materiya ikiüzlüdür: o, həm korpuskulyar, həm də dalğa xüsusiyyətlərinə malikdir və şərtlərdən asılı olaraq özünü göstərir. Beləliklə, dünyanın kvant sahəsi mənzərəsindəki reallığın ümumi mənzərəsi sanki ikiölçülü olur: bir tərəfdən o, tədqiq olunan obyektin xüsusiyyətlərini, digər tərəfdən isə müşahidə şərtlərini özündə ehtiva edir. bu xüsusiyyətlərin etibarlılığı asılıdır. Bu o deməkdir ki, müasir fizikada reallıq mənzərəsi təkcə obyektin təsviri deyil, həm də onun idrak prosesinin təsviridir.

Hərəkət ideyası kökündən dəyişir, bu, yalnız fundamental fiziki qarşılıqlı təsirlərin xüsusi halına çevrilir. Əsas fiziki qarşılıqlı təsirlərin dörd növü var: qravitasiya, elektromaqnit, güclü və zəif. Onların hamısı qısamüddətli fəaliyyətin müasir prinsipi əsasında təsvir edilmişdir. Buna uyğun olaraq, hər bir növün qarşılıqlı əlaqəsi müvafiq sahə ilə nöqtədən nöqtəyə ötürülür. Bu halda qarşılıqlı əlaqənin ötürülmə sürəti həmişə sonlu olur və vakuumda işığın sürətini (300.000 km/s) keçə bilməz.

Qanunauyğunluq və səbəbiyyətin kvant sahəsi anlayışlarının spesifikliyi ondadır ki, onlar həmişə ehtimal formasında, statistik qanunlar adlanan formada görünür. Onlar təbii qanunların daha dərin bilik səviyyəsinə uyğundur. Beləliklə, məlum oldu ki, bizim dünyamız təsadüfə, ehtimala əsaslanır.

Həmçinin, dünyanın yeni mənzərəsinə ilk dəfə olaraq, əldə edilən tədqiqat nəticələrinin iştirakı ilə bağlı olan müşahidəçi də daxil edilib. Üstəlik, dünyamızın yalnız insanın varlığı sayəsində olduğunu bildirən antropik prinsip formalaşdırıldı. Bundan sonra insanın yaranması Kainatın təkamülünün təbii nəticəsi hesab olunur.

KVANT FİZİKASININ MEYDANI VƏ İNKİŞAFI

1.1 Kvant fərziyyəsi

Kvant fizikasının mənşəyini cisimlərin şüalanma proseslərinin tədqiqində tapmaq olar. Hələ 1809-cu ildə P. Prevost belə nəticəyə gəlmişdi ki, ətraf mühitdən asılı olmayaraq hər bir cisim şüalanır. XIX əsrdə spektroskopiyanın inkişafı. emissiya spektrlərini öyrənərkən udma spektrlərinə də diqqət yetirilməyə başlanmasına səbəb oldu. Belə çıxır ki, cismin şüalanması ilə udulması arasında sadə əlaqə var: udma spektrlərində spektrin müəyyən bir cismin buraxdığı hissələri yoxdur və ya zəifləyir. Bu qanun ancaq kvant nəzəriyyəsində izah olunurdu.

Q.Kirxhoff 1860-cı ildə eyni dalğa uzunluğunda şüalanma üçün eyni temperaturda emissiya və udma qabiliyyətinin nisbətinin bütün cisimlər üçün eyni olduğunu bildirən yeni qanun tərtib etmişdir. Başqa sözlə, əgər EλT və AλT dalğa uzunluğundan λ və T temperaturundan asılı olaraq müvafiq olaraq bədənin emissiya və udma qabiliyyətidirsə, onda

burada φ(λ, T) λ və T-nin bəzi universal funksiyasıdır, bütün cisimlər üçün eynidir.

Kirchhoff tamamilə qara cisim anlayışını üzərinə düşən bütün şüaları udan bir cisim kimi təqdim etdi. Belə bir cisim üçün, açıq-aydın, AλT = 1; onda universal funksiya φ(λ, T) mütləq qara cismin emissiya qabiliyyətinə bərabərdir. Kirchhoff özü φ(λ, T) funksiyasının formasını müəyyən etməmiş, yalnız onun bəzi xassələrini qeyd etmişdir.

φ(λ, T) universal funksiyasının formasını təyin edərkən nəzəri mülahizələrdən, ilk növbədə termodinamikanın əsas qanunlarından istifadə oluna biləcəyini güman etmək təbii idi. L. Boltzmann göstərdi ki, tam qara cismin ümumi şüalanma enerjisi onun temperaturunun dördüncü qüvvəsi ilə mütənasibdir. Bununla belə, Kirchhoff funksiyasının formasını xüsusi olaraq təyin etmək vəzifəsi çox çətin oldu və bu istiqamətdə termodinamika və optika əsasında aparılan tədqiqatlar uğur gətirmədi.

Təcrübə klassik anlayışlar baxımından izah edilə bilməyən bir mənzərə verdi: maddənin salınan atomları ilə elektromaqnit şüalanması arasındakı termodinamik tarazlıqda demək olar ki, bütün enerji salınan atomlarda cəmləşir və onun yalnız cüzi bir hissəsi radiasiya, halbuki klassik nəzəriyyəyə görə, demək olar ki, bütün enerji elektromaqnit sahəsinə getməlidir.

80-ci illərdə XIX əsr Spektral xətlərin paylanması qanunauyğunluqlarının empirik tədqiqatları və φ(λ, T) funksiyasının öyrənilməsi daha intensiv və sistemli xarakter almışdır. Eksperimental avadanlıq təkmilləşdirilmişdir. Tamamilə qara bir cismin şüalanma enerjisi üçün 1896-cı ildə V. Wien, 1900-cü ildə J. Reyleigh və J. Jeans iki fərqli düstur təklif etdilər. Eksperimental nəticələrin göstərdiyi kimi, Wien düsturu qısa dalğalar bölgəsində asimptotik olaraq düzgündür və uzun dalğalar bölgəsindəki təcrübə ilə kəskin uyğunsuzluqlar verir və Reyleigh-Jeans düsturu uzun dalğalar üçün asimptotik olaraq düzgündür, lakin qısa dalğalar üçün tətbiq edilmir. dalğalar.

1900-cü ildə Berlin Fizika Cəmiyyətinin iclasında M.Plank kükürd cisminin spektrində enerjinin paylanmasının yeni formulunu təklif etdi. Bu düstur təcrübə ilə tam razılaşdı, lakin onun fiziki mənası tam aydın deyildi. Əlavə təhlil göstərdi ki, enerjinin radiasiyasının davamlı olaraq deyil, məhdud hissələrdə - kvantlarda (ε) baş verməsini buraxsaq, məna kəsb edir. Üstəlik, ε heç bir kəmiyyət deyil, yəni ε = hν, burada h müəyyən sabitdir və v işığın tezliyidir. Bu, maddənin atomizmi ilə yanaşı, enerji və ya hərəkət atomizminin, şüalanmanın klassik fizikanın anlayışları çərçivəsinə sığmayan diskret, kvant təbiətinin tanınmasına səbəb oldu.

Enerji kvantları fərziyyəsinin formalaşdırılması nəzəri fizikanın inkişafında yeni dövrün başlanğıcı oldu. Böyük müvəffəqiyyətlə bu fərziyyə klassik fizikanın anlayışları əsasında təsvir edilə bilməyən digər hadisələri izah etmək üçün istifadə olunmağa başladı.

Kvant fərziyyəsinin inkişafında mahiyyətcə yeni bir addım işıq kvantları anlayışının tətbiqi oldu. Bu fikir 1905-ci ildə Eynşteyn tərəfindən hazırlanmış və fotoelektrik effekti izah etmək üçün onun tərəfindən istifadə edilmişdir. Bir sıra tədqiqatlar bu fikrin doğruluğunu sübut etdi. 1909-cu ildə Eynşteyn şüalanma qanunları ilə bağlı araşdırmalarını davam etdirərək göstərdi ki, işığın həm dalğa, həm də korpuskulyar xassələri var. Getdikcə aydın oldu ki, işıq şüalanmasının dalğa-hissəcik ikiliyi klassik fizika nöqteyi-nəzərindən izah edilə bilməz. 1912-ci ildə A. Puankare nəhayət ki, Plank düsturu ilə klassik mexanikanın uyğunsuzluğunu sübut etdi. Fiziklərin bu qeyri-adi hadisələri dərk edə bilmələri üçün yeni anlayışlar, yeni fikirlər və yeni elmi dil tələb olunurdu. Bütün bunlar sonralar - kvant mexanikasının yaradılması və inkişafı ilə birlikdə meydana çıxdı.

II fəsil Kvant mexanikasının problemləri………………………………….13
1.3 Qeyri-relativistik kvant mexanikasının yaradılması…………………13
1.4 Kvant mexanikasının şərhi problemi............16
Nəticə……………………………………………………………………………19
İstinadların siyahısı…………………………………………………………20

E.S.,
, Bələdiyyə təhsil müəssisəsi UIOP ilə 16 saylı orta məktəb, Lysva, Perm vilayəti.

Kvant fizikasının doğulması

Hər şeyin başlanğıcını tapın və çox şey başa düşəcəksiniz!
Kozma Prutkov

Dərsin təhsil məqsədi: maddənin diskretliyi anlayışını təqdim edir, maddənin kvant-dalğa dualizmi konsepsiyasını formalaşdırır, Plank düsturlarının və de Broyl dalğa uzunluğunun tətbiqini əsaslandırır.

Dərsin inkişaf etdirici məqsədi: məntiqi təfəkkür, situasiyaları müqayisə və təhlil etmək, fənlərarası əlaqələri görmək bacarığını inkişaf etdirmək.

Dərsin təhsil məqsədi: dialektik-materialist təfəkkür formalaşdırmaq.

Fizika bir elm olaraq ümumbəşəri dəyərlərə və böyük humanitar potensiala malikdir. Onun öyrənilməsi zamanı əsas elmi metodlar (elmi təcrübə, modelləşdirmə, düşüncə təcrübəsi, elmi nəzəriyyənin yaradılması və strukturu) aşkar edilir. Şagirdlərə dünyanın əbədiliyini və daimi dəyişməsini - nəhəng və əhəmiyyətsiz dərəcədə kiçik, çox sürətli və qeyri-adi dərəcədə yavaş olan çox şeyin olduğu bir dünyanı anlamaq üçün dünyaya bir fizikanın gözü ilə baxmaq imkanı verilməlidir. , sadə və başa düşülməsi çətin - insanın ən dərin məmnunluq gətirən biliyə olan daimi istəyini hiss etmək, “elmi şübhələr”in dərin təcrübəsi və zəriflik, qısalıq və aydınlıq axtarışında tanış olmayan yolda cəsarətli hərəkət nümunələri ilə tanış olmaq. .

I. Müəllim. Biz optikanı öyrənməyə başlayanda mən sual verdim: "İşıq nədir?" İndi buna necə cavab verərdiniz? Fikrinizi bir cümlə ilə ifadə etməyə çalışın. F.I.-dən “işıqdır...” sözləri ilə başlayın. Tyutçevin aşağıdakı sətirləri var: "Yenə acgöz gözlərlə // Mən həyat verən İşığı içirəm." Bu sətirləri fizika baxımından şərh etməyə çalışın. Poeziyada - Homerdən tutmuş günümüzə qədər işığın yaratdığı hisslərə həmişə xüsusi yer verilmişdir. Çox vaxt şairlər işığı xüsusi parlaq, parlayan maye kimi qəbul edirdilər.

İşıq haqqında bugünkü söhbəti tamamlamaq üçün S.I.-nin sözlərini oxumaq istərdim. Vavilova: “Həqiqət uğrunda davamlı, qalibiyyətli, heç vaxt yekun qələbə ilə bitməyən müharibənin öz danılmaz əsası var. İşığın təbiətini dərk etmək yolunda insan mikroskoplar, teleskoplar, məsafə ölçənlər, radiolar və rentgen şüaları aldı; bu tədqiqat atom nüvəsinin enerjisini mənimsəməyə kömək etdi. Həqiqət axtarışında insan təbiəti mənimsəmə sahələrini sonsuz dərəcədə genişləndirir. Bu elmin əsl vəzifəsi deyilmi? (mənimkini vurğulayır. – E.U.)»

II. Müəllim. Fizikanın öyrənilməsi prosesində biz bir çox nəzəriyyələrlə tanış olduq, məsələn, MCT, termodinamika, Maksvellin elektromaqnit sahəsi nəzəriyyəsi və s.Bu gün biz dalğa optikasının öyrənilməsini başa çatdırırıq. Mövzunun öyrənilməsini yekunlaşdırmalıyıq və bəlkə də “İşıq nədir?” sualına son nöqtəni qoymalıyıq. Təbiəti dərk etmək prosesində nəzəriyyənin rolunu göstərmək üçün dalğa optikasından nümunələrdən istifadə edə bilərsinizmi?

Unutmayaq ki, nəzəriyyənin əhəmiyyəti təkcə bir çox hadisələri izah etməyə imkan verməsində deyil, həm də yeni, hələ məlum olmayan fiziki hadisələri, cisimlərin və nümunələrin xassələrini proqnozlaşdırmağa imkan verməsindədir. Beləliklə, dalğa nəzəriyyəsi işığın müdaxilə, difraksiya, qütbləşmə, sınma, dispersiya hadisələrini izah etdi və "qələmin ucunda kəşf" - proqnozlaşdırmağa imkan verdi. 1815-ci ildə naməlum istefada olan mühəndis Augustin Fresnel Paris Elmlər Akademiyasına difraksiya fenomenini izah edən bir məqalə təqdim etdi. Əsərin təhlili məşhur alimlərə - fizik D. Araqoya və riyaziyyatçı S. Puassona həvalə edilmişdir. Bu əsəri ehtirasla oxuyan Puasson Fresnelin gəldiyi nəticədə açıq-saçıq bir absurdluq aşkar etdi: əgər işıq axınına kiçik dairəvi hədəf qoyularsa, o zaman kölgənin mərkəzində işıq nöqtəsi görünməlidir! Sizcə bundan sonra nə oldu? Bir neçə gün sonra Araqo təcrübə apardı və Fresnelin haqlı olduğunu kəşf etdi! Beləliklə, 19-cu əsr dalğa optikasının təntənəsi əsridir.

işıq nədir? İşıq elektromaqnit eninə dalğadır.

İşıq və elektromaqnit dalğalarının təbiəti ilə bağlı fizikanın böyük bir hissəsinin tədqiqini başa vuraraq, "Elektromaqnit dalğaları" test tapşırığını müstəqil şəkildə yerinə yetirməyi təklif edirəm (bax. Əlavə 1). İcranı cəbhədən yoxlayırıq.

III. Müəllim. London qəzetlərinin 1900-cü il ərəfəsində yazdıqları budur: “London küçələri tutqun yağ qabları əvəzinə parlaq lampalardan hazırlanmış bayram işıqları ilə işıqlandırılanda taksilər bir-birinin ardınca Flit küçəsindəki qədim binaya doğru irəliləyirdi. Cübbə geyinmiş hörmətli cənablar enli, işıqlı pilləkənlə zala qalxdılar. Sonra London Kral Cəmiyyətinin üzvləri növbəti iclaslarına toplaşıblar. Uzun boylu, boz saçlı, qalın saqqallı ser Uilyam Tomson (fizika sahəsindəki uğurlarından xəbəriniz varmı? - E.U.), səkkiz il əvvəl Kraliça Viktoriyanın əlindən həmyaşıd və Lord Kelvin titulu verildi (bu ad sizə tanışdır? - E.U.), indi isə cəmiyyətin prezidenti Yeni il çıxışına başladı. 19-cu əsrin böyük fiziki alimi ötən əsrdə qazanılan uğurları qeyd etdi, orada olanların xidmətlərini sadaladı...

Toplananlar başlarını tərpətdilər. Təvazökar olmaq üçün yaxşı iş gördülər. Və ser Uilyam fizikanın möhtəşəm binasının tikildiyini, yalnız kiçik son toxunuşların qaldığını söyləyərkən haqlı idi.

Düzdür (Lord Kelvin bir anlıq nitqini kəsdi), fizikanın buludsuz üfüqündə iki kiçik bulud, klassik fizika nöqteyi-nəzərindən hələ də izahını tapmamış iki problem var... Amma bu hadisələr müvəqqəti və keçicidir. Sakitcə hündür arxaları olan antik kreslolara yerləşən cənablar gülümsədilər. Nə danışdığımızı hamı bilirdi:

1) klassik fizika Michelsonun Yerin hərəkətinin işıq sürətinə təsirini təyin etməyən təcrübələrini izah edə bilmədi. Bütün istinad sistemlərində (yerə nisbətən həm hərəkətdə, həm də istirahətdə) işığın sürəti eynidir - 300.000 km/s;

2) klassik fizika təcrübi yolla əldə edilən qara cisim şüalanma qrafikini izah edə bilmədi”.

Ser Uilyam tezliklə bu buludlardan hansı şimşək çaxacağını təsəvvür belə edə bilməzdi! İrəliyə baxaraq deyəcəm: birinci problemin həlli məkan və zaman haqqında klassik fikirlərin yenidən nəzərdən keçirilməsinə, nisbilik nəzəriyyəsinin yaradılmasına, ikinci problemin həlli isə yeni nəzəriyyənin yaranmasına səbəb olacaq. - kvant. Bugünkü dərsdə müzakirə olunacaq ikinci problemin həlli budur!

IV. (Şagirdlər dəftərlərində qeydlər aparırlar: Tarix Dərs No. Dərsin mövzusu: “Kvant Fizikasının Mənşəyi”.) 19-20-ci əsrlərin qovşağında. Fizikada təcili həll edilməli olan bir problem yarandı: tamamilə qara cismin şüalanma qrafikinin nəzəri izahı. Mükəmməl qara bədən nədir? ( Tələbələrin hipotezləri. “Termal Radiasiya” videoçarxının nümayişi .)

Müəllim. Yazın: “Tamamilə qara cisim bütün gələn radiasiya axınını, istənilən dalğa uzunluğunun (istənilən tezlik) bütün elektromaqnit dalğalarını əks etdirmədən uda bilən cisimdir.”

Ancaq tamamilə qara cisimlərin daha bir xüsusiyyəti var. Qara dərili insanların niyə ekvatorial ərazilərdə yaşadığını xatırlayın? “Qara cisimlər qızdırıldıqda, hər hansı digər cisimdən daha parlaq parlayacaqlar, yəni bütün tezlik diapazonlarında enerji yayacaqlar”, - bunu dəftərlərinizə yazın.

Alimlər eksperimental olaraq tamamilə qara cismin şüalanma spektrini müəyyən ediblər. ( Qrafik çəkir.) Rν - enerji parlaqlığının spektral sıxlığı - ν vahid tezlik intervalında bir cismin vahid səthindən vahid vaxtda yayılan elektromaqnit şüalanma enerjisi. Maksvellin elektromaqnit sahəsi nəzəriyyəsi elektromaqnit dalğalarının mövcudluğunu proqnozlaşdırırdı, lakin bu nəzəriyyə əsasında qurulan nəzəri qara cisim şüalanma əyrisi yüksək tezlikli regionda eksperimental əyri ilə uyğunsuzluq təşkil edirdi. Problemin üzərində o dövrün ən yaxşı ağılları işləyirdi: ingilis lord Rayleigh və J. Jeans, almanlar P. Kirchhoff və V. Wien, moskva professoru V.A. Mikhelson. Heç nə işləmədi!

Mövcud vəziyyətdən çıxış yolu təklif edin. Nəzəri əyri eksperimental əyridən fərqlənir. Necə olmalı və nə etməli? ( Şagirdlər fərziyyələr bildirirlər: eksperimentləri daha diqqətlə apardılar - etdilər, nəticə eynidir; nəzəriyyəni dəyişdirin - amma bu, fəlakətdir, klassik fizikanın minlərlə il ərzində yaradılmış bütün bünövrəsi dağılır!) Fizikada yaranmış vəziyyət adlanırdı ultrabənövşəyi fəlakət.

Yazın: "Klassik fizikanın üsulları yüksək tezlikli bölgədə tamamilə qara bir cismin şüalanmasını izah etmək üçün kifayət etmədi - bu, "ultrabənövşəyi fəlakət" idi.

Bu böhranın niyə belə adlandırıldığını kim təxmin edə bilər ultrabənövşəyi fəlakət, və infraqırmızı və ya bənövşəyi deyil? Fizikada böhran baş verdi! Yunan sözü κρίση [ böhran] bir sabit vəziyyətdən digərinə çətin keçidi ifadə edir. Problem həll edilməli idi və təcili həll edildi!

V.Müəllim. Və beləliklə, 1900-cü il oktyabrın 19-da Fizika Cəmiyyətinin iclasında alman alimi M.Plank mütləq qara cismin şüalanmasının hesablanması üçün düsturdan istifadə etməyi təklif etdi. E = hν. Plankın dostu və həmkarı Heinrich Rubens bütün gecəni masasında oturdu, ölçmələrini Plank düsturunun verdiyi nəticələrlə müqayisə etdi və heyrətləndi: dostunun düsturu tamamilə qara cismin şüalanma spektrini ən kiçik detallarına qədər təsvir etdi! Beləliklə, Plankın düsturu "ultrabənövşəyi fəlakəti" aradan qaldırdı, amma nəyin bahasına! Plank, müəyyən edilmiş fikirlərin əksinə olaraq, maddənin atomları tərəfindən şüalanma enerjisinin yayılmasının diskret olaraq, yəni hissələrdə, kvantlarda baş verdiyini düşünməyi təklif etdi. "Kvant" ( kəmiyyət) Latın dilindən tərcümədə sadəcə deməkdir kəmiyyət .

"Diskret" nə deməkdir? Gəlin bir düşüncə təcrübəsi keçirək. Təsəvvür edin ki, əlinizdə su ilə dolu bir qab var. Yarım atmaq mümkündürmü? Bir qurtum içməyə nə deyirsiniz? Və hətta daha az? Prinsipcə, suyun kütləsini özbaşına az miqdarda azaltmaq və ya artırmaq mümkündür. İndi təsəvvür edək ki, əlimizdə hər biri 100 q olan bir qutu uşaq kubları var. Məsələn, 370 q azaltmaq mümkündürmü? Yox! Siz kubları qıra bilməzsiniz! Buna görə də, qutunun kütləsi diskret olaraq dəyişə bilər, yalnız 100 q-dan çox olan hissələrdə! Qutunun kütləsinin dəyişdirilə biləcəyi ən kiçik məbləğ adlandırıla bilər hissə, və ya kütlə kvantı.

Beləliklə, qızdırılan qara cisimdən davamlı enerji axını ayrı-ayrı hissələrin - enerji kvantlarının "pulemyot partlamasına" çevrildi. Xüsusi bir şey görünməzdi. Amma əslində bu, klassik fizikanın mükəmməl qurulmuş bütün binasının məhvi demək idi, çünki Plank davamlılıq prinsipi üzərində qurulmuş əsas fundamental qanunların əvəzinə diskretlik prinsipini təklif etdi. Plankın özü diskretlik ideyasını sevmirdi. O, nəzəriyyəni elə formalaşdırmağa çalışırdı ki, o, klassik fizika çərçivəsində tamamilə uyğun olsun.

Amma elə adam var idi ki, əksinə, klassik ideyaların hüdudlarından daha da qətiyyətlə çıxıb. Bu adam A. Eynşteyn idi. Eynşteynin fikirlərinin inqilabi mahiyyətini başa düşməyiniz üçün yalnız onu deyim ki, o, Plankın ideyasından istifadə edərək lazerlər (kvant generatorları) nəzəriyyəsinin və atom enerjisindən istifadə prinsipinin əsasını qoyub.

Akademik S.İ. Vavilov çox uzun müddət işığın kvant maddəsi kimi qəbul edilməsi fikrinə alışa bilmədi, lakin o, bu fərziyyənin qızğın pərəstişkarına çevrildi və hətta kvantları müşahidə etmək üçün bir üsul tapdı. O hesablamışdır ki, gözün 52 kvant yaşıl işığın yaratdığı işıqlandırmanı ayırd edə bilir.

Beləliklə, Plankın fikrincə, işıq... ( tələbə bəyanatları).

VI. Müəllim. Plankın fərziyyəsi sizə işığın təbiəti haqqında artıq məlum olan fərziyyəni xatırlatmırmı? Ser İsaak Nyuton işığı kiçik hissəciklərdən - cisimciklərdən ibarət hesab etməyi təklif etdi. Hər hansı bir işıq saçan cisim onları bütün istiqamətlərə yayır. Düz xətlərlə uçurlar və gözümüzə dəysələr, onların mənbəyini görürük. Hər bir rəng öz cisimciklərinə uyğun gəlir və onlar çox güman ki, fərqli kütlələrə malik olması ilə fərqlənirlər. Korpuskulların birləşmiş axını ağ işıq yaradır.

Ser İsaak Nyutonun dövründə fizika təbiət fəlsəfəsi adlanırdı. Niyə? Dialektikanın əsas qanunlarından birini - inkarın inkar qanununu oxuyun (2-ci əlavəyə baxın). Bunu işığın təbiəti sualına tətbiq etməyə çalışın. ( Tələbələrin əsaslandırması.)

Deməli, M.Plankın fərziyyəsinə görə, işıq hər birinin enerjisi olan hissəciklər, cisimciklər, kvantlar axınıdır. E = hν. Zəhmət olmasa bu düsturu təhlil edin: ν nədir? nə baş verdi h (tələbələrdən biri mütləq bunun Plankın adını daşıyan bir növ sabit olduğunu söyləyəcək)? Plank sabitinin vahidi nədir? sabitin qiyməti nədir ( fiziki sabitlər cədvəli ilə işləmək)? Plank sabitinin adı nədir? Plank sabitinin fiziki mənası nədir?

Plankın düsturunun gözəlliyini qiymətləndirmək üçün problemlərə müraciət edək... biologiya. Tələbələri biologiya sahəsindən suallara cavab verməyə dəvət edirəm (Əlavə 3).

Görmə mexanizmi. Görmə vasitəsilə biz dünya haqqında məlumatın təxminən 90%-ni alırıq. Buna görə də görmə mexanizmi məsələsi həmişə insanları maraqlandırmışdır. Nə üçün insan gözü və həqiqətən də Yer kürəsinin sakinlərinin əksəriyyəti təbiətdə mövcud olan elektromaqnit şüalanma spektrindən yalnız kiçik bir dalğa diapazonunu qəbul edir? Bir insanın infraqırmızı görmə qabiliyyəti varsa, məsələn, çuxur ilanları kimi?

Gecələr, gündüzlər olduğu kimi, bütün üzvi cisimləri görərdik, çünki onların temperaturu cansız cisimlərin temperaturundan fərqlidir. Ancaq bizim üçün belə şüaların ən güclü mənbəyi öz bədənimiz olardı. Əgər göz infraqırmızı şüalanmaya həssasdırsa, Günəşin işığı bizim üçün öz radiasiyasının fonunda sadəcə sönərdi. Heç nə görməyəcəkdik, gözlərimiz işə yaramayacaqdı.

Niyə gözlərimiz infraqırmızı işığa reaksiya vermir? Düsturdan istifadə edərək infraqırmızı və görünən işığın kvantlarının enerjisini hesablayaq:

İQ kvantlarının enerjisi görünən işıq kvantlarının enerjisindən azdır. Bir kvantın gücündən kənar hərəkətə səbəb olmaq üçün bir neçə kvant “birləşə” bilməz – mikro aləmdə kvant və hissəcik arasında təkbətək qarşılıqlı təsir mövcuddur. Yalnız infraqırmızı işığın enerjisindən daha böyük enerjiyə malik görünən işığın kvantı rodopsin molekulunda, yəni retinal çubuqda reaksiyaya səbəb ola bilər. Görünən işıq kvantının tor qişaya təsirini çoxmərtəbəli binanı hərəkət etdirən tennis topunun təsiri ilə müqayisə etmək olar. (Tor qişanın həssaslığı çox yüksəkdir!)

Nə üçün göz ultrabənövşəyi radiasiyaya reaksiya vermir? UV radiasiyası da gözə görünməzdir, baxmayaraq ki, UV kvantlarının enerjisi görünən işıq kvantlarının enerjisindən çox böyükdür. Retina ultrabənövşəyi şüalara həssasdır, lakin onlar lens tərəfindən udulur, əks halda dağıdıcı təsir göstərəcəklər.

Təkamül prosesində canlı orqanizmlərin gözləri Yerdəki ən güclü mənbədən - Günəşdən gələn radiasiya enerjisini və məhz Yerə düşən günəş radiasiyasının maksimum enerjisini təşkil edən dalğaları qəbul etməyə uyğunlaşdı.

fotosintez. Yaşıl bitkilərdə bütün canlıların tənəffüs və qida üçün oksigen alması prosesi bir saniyə belə dayanmır. Bu fotosintezdir. Hüceyrələrində xlorofil olduğuna görə yarpaq yaşıl rəngə malikdir. Fotosintez reaksiyaları radiasiyanın təsiri altında spektrin qırmızı-bənövşəyi hissəsində baş verir və spektrin yaşıl hissəsinə uyğun gələn tezlikli dalğalar əks olunur, buna görə də yarpaqlar yaşıl rəngə malikdir.

Xlorofil molekulları işıq enerjisini üzvi maddələrin enerjisinə çevirmək üçün unikal proses üçün "məsuliyyət daşıyır". Xlorofil molekulu tərəfindən işıq kvantının udulması ilə başlayır. İşığın bir kvantının udulması, bir çox vahidi ehtiva edən fotosintezin kimyəvi reaksiyalarına səbəb olur.

Bütün gün ərzində xlorofil molekulları kvant aldıqdan sonra onun enerjisindən istifadə edərək onu elektronun potensial enerjisinə çevirməklə “məşğul olur”. Onların hərəkətini topu pilləkənlə yuxarı qaldıran mexanizmin hərəkəti ilə müqayisə etmək olar. Pillələri aşağı yuvarlayan top enerjisini itirir, lakin yox olmur, fotosintez zamanı əmələ gələn maddələrin daxili enerjisinə çevrilir.

Xlorofil molekulları yalnız gündüz saatlarında, görünən işıq onlara dəydikdə "işləyir". Gecələr elektromaqnit şüalanma çatışmazlığının olmamasına baxmayaraq, "istirahət edirlər": yer və bitkilər infraqırmızı işıq saçır, lakin bu diapazondakı kvantların enerjisi fotosintez üçün tələb olunandan azdır. Təkamül prosesində bitkilər Yerdəki ən güclü enerji mənbəyinin - Günəşin enerjisini toplamağa uyğunlaşdılar.

İrsiyyət.(Tələbələr Əlavə 3, “İrsiyyət” kartının 1-3 suallarına cavab verirlər). Orqanizmlərin irsi xüsusiyyətləri DNT molekullarında kodlanır və nəsildən-nəslə matris yolu ilə ötürülür. Mutasiyaya necə səbəb olmaq olar? Hansı şüalanmanın təsiri altında mutasiya prosesi baş verir?

Tək bir mutasiyaya səbəb olmaq üçün DNT molekuluna DNT geninin bəzi hissəsinin strukturunu dəyişdirmək üçün kifayət qədər enerji vermək lazımdır. Məlumdur ki, γ-kvanta və rentgen şüaları, bioloqların dediyi kimi, yüksək mutagendir– onların kvantları DNT-nin bir hissəsinin strukturunu dəyişdirmək üçün kifayət qədər enerji daşıyır. IR radiasiya və görünür, belə bir hərəkət "qadir deyil"; onların tezliyi və buna görə də enerji çox aşağıdır. İndi əgər elektromaqnit sahəsinin enerjisi hissə-hissə deyil, davamlı olaraq udulsaydı, bu şüalanmalar DNT-yə təsir göstərə bilərdi, çünki onun reproduktiv hüceyrələrinə münasibətdə orqanizmin özü ən yaxın və ən güclü, daim fəaliyyət göstərən enerji mənbəyidir. radiasiya.

30-cu illərin əvvəllərində. XX əsr Kvant mexanikasının uğurları sayəsində fiziklər elə bir güc hissi keçirdilər ki, həyatın özünə yönəldilər. Genetikada çoxlu oxşarlıqlar var idi. Bioloqlar bir vəziyyətdən digərinə keçə bilən diskret bölünməz hissəcik - gen aşkar ediblər. Genlərin konfiqurasiyasındakı dəyişikliklər mutasiyalara səbəb olan xromosomların dəyişməsi ilə bağlıdır və bunu kvant anlayışları əsasında izah etmək mümkün olub. Bakteriya və bakteriofaqlarda mutasiya prosesləri sahəsində tədqiqatlara görə Nobel mükafatı almış molekulyar biologiyanın banilərindən biri də alman nəzəri fiziki M.Delbrük olmuşdur. 1944-cü ildə fizik E.Şrödingerin “Həyat nədir?” adlı qısa kitabı nəşr olundu. O, genetikanın əsaslarını aydın və qısa şəkildə təqdim etdi və genetika ilə kvant mexanikası arasındakı əlaqəni ortaya qoydu. Kitab fiziklərin genə hücumuna təkan verdi. Amerika fizikləri J. Watson, F. Crick, M. Wilkins-in işi sayəsində bioloqlar ən əsas "canlı" molekul olan DNT-nin necə "strukturlandığını" öyrəndilər. X-şüalarının difraksiya analizi onu görməyə imkan verdi.

VII. Müəllim. Suala qayıdıram: işıq nədir? ( Tələbə cavabları.) Belə çıxır ki, fizika işığın dalğa kimi olması fikrini rədd edərək Nyuton işıq zərrəsinə - cisimcikə qayıdıb? Yox! İşığın dalğa nəzəriyyəsinin bütün irsini silmək mümkün deyil! Axı, işığın dalğa olduğunu eksperimental olaraq təsdiqləyən difraksiya, müdaxilə və bir çox başqa hadisələr çoxdan məlumdur. Mən nə etməliyəm? ( Tələbələrin hipotezləri.)

Yalnız bir şey qalır: bir şəkildə dalğaları hissəciklərlə birləşdirmək. Etiraf edin ki, işığın dalğa xassələri nümayiş etdirdiyi hadisələrin bir dairəsi və işığın korpuskulyar mahiyyətinin birinci yerdə olduğu başqa bir dairə var. Başqa sözlə - yazın! - işıq var kvant dalğa ikiliyi! Bu işığın ikili təbiətidir. Fiziklər üçün indiyə qədər bir-birinə uyğun gəlməyən iki ideyanı bir araya gətirmək çox çətin idi. Zərrəcik möhkəm, dəyişməz, müəyyən ölçüyə malik, məkanda məhdud olan bir şeydir. Dalğa maye, qeyri-sabit, aydın sərhədləri olmayan bir şeydir. Az-çox aydındır ki, bu ideyalar dalğa paketi konsepsiyasından istifadə etməklə bağlanırdı. Bu, hər iki ucunda “kəsilmiş” dalğa kimi bir şeydir, daha doğrusu, bütövlükdə kosmosda hərəkət edən dalğalar dəstəsidir. Laxta daxil olduğu mühitdən asılı olaraq kiçilə və ya uzana bilər. Uçan bir bulağa bənzəyir.

İşıq bir mühitdən digərinə keçdikdə dalğa paketinin hansı xüsusiyyəti dəyişir? ( Tələbə cavabları.)

1927-ci ildə amerikalı fizik Lyuis bu dalğa paketini adlandırmağı təklif etdi foton(yunanca φωτóς [phos, photos] - ) . Foton nədir? ( Şagirdlər dərsliklə işləyir və nəticə çıxarırlar.)

Nəticələr. Foton: elektromaqnit şüalanmasının kvantı, kütləsiz hissəcik, istirahətdə olan foton yoxdur, vakuumda işıq sürəti ilə hərəkət edən hissəcikdir. c= 3 10 8 m/s vahid tam və bölünməzdir, fotonun fraksiya hissəsinin mövcudluğu qeyri-mümkündür; enerjili hissəcik E = hν, harada h= 6,63 · 10 -34 J · s; ν işığın tezliyidir; impulsu olan hissəcik elektrik cəhətdən neytral hissəcikdir.

Dünya elə qurulub ki, biz onun maddə ilə qarşılıqlı təsirini nəzərə alana qədər işıq bizə ən çox dalğa təbiətini göstərir. Biz atomlararası bağların təbiətini, ötürülmə proseslərini, elektrik müqavimətini və s. nəzərdən keçirməyə başlayana qədər maddə korpuskulyar formada qarşımızda görünür. Amma hər an mövqeyimizdən asılı olmayaraq, mikrohissəcik hər iki xüsusiyyətə malikdir.

Kvant nəzəriyyəsinin və xüsusən də işığın kvant nəzəriyyəsinin yaradılması prosesi dərin dialektikdir. Köhnə, klassik mexanika və optikanın yeni ideyalarla zənginləşdirilmiş, yaradıcılıqla fiziki reallığa tətbiq edilən ideya və obrazları son nəticədə prinsipial olaraq yeni fiziki nəzəriyyənin yaranmasına səbəb oldu.

Məşq edin: Əkslərin birliyi və mübarizəsi haqqında fəlsəfi qanunu oxuyun və işığın iki nəzəriyyəsi: işığın dalğa və kvant nəzəriyyələri ilə bağlı nəticə çıxarın.

VIII. Müəllim. 1924-cü ildə fransız fiziki Lui de Broyl (keçmiş hərbi radioteleqraf operatoru) atom hissəciklərinin hərəkətinin təbiəti haqqında hətta o dövrün cəsur fizikləri üçün tamamilə paradoksal fikirlər ifadə etdi. De Broyl təklif etdi ki, elektronların və digər hissəciklərin xassələri, prinsipcə, kvantların xassələrindən heç də fərqlənmir! Bundan belə nəticə çıxır ki, elektronlar və digər hissəciklər də dalğa xassələri nümayiş etdirməli, məsələn, elektron difraksiyası müşahidə edilməlidir. Və həqiqətən də eksperimentlərdə məlum oldu ki, 1927-ci ildə bir-birindən asılı olmayaraq amerikalı fiziklər K.-J. Davisson və L. Germer, sovet fiziki P.S. Tartakovski və ingilis fiziki J.-P. Tomson. De Broyl dalğa uzunluğu düsturla hesablanır:

De Broyl dalğa uzunluğunun hesablanması üçün məsələləri həll edək (Əlavə 4).

Hesablamalardan göründüyü kimi, valent elektron atomun içərisində 0,01 sürətlə hərəkət edir ilə, dalğa uzunluğu ~10 -10 m olan dalğa kimi ion kristal qəfəsdə difraksiya edir və təxminən 500 m/s sürətlə uçan güllənin dalğa uzunluğu təxminən 10 -34 m-dir.Belə kiçik dalğa uzunluğu qeydə alına bilməz. hər hansı bir şəkildə və buna görə də güllə özünü həqiqi hissəcik kimi aparır.

Materiyanın diskretliyi və davamlılığı ideyaları arasında elmin lap əvvəlindən aparılan mübarizə elementar hissəciklərin ikili xassələri ideyasında hər iki fikrin birləşməsi ilə başa çatdı. Elektronların dalğa xüsusiyyətlərindən istifadə mikroskopların ayırdetmə qabiliyyətini əhəmiyyətli dərəcədə artırmağa imkan verdi. Elektronun dalğa uzunluğu sürətdən, buna görə də elektronları sürətləndirən gərginlikdən asılıdır (4 nömrəli əlavədə 5-ci məsələyə bax). Əksər elektron mikroskoplarda de Broyl dalğa uzunluğu işığın dalğa uzunluğundan yüz dəfələrlə kiçikdir. Tək molekullara qədər daha kiçik obyektləri görmək mümkün oldu.

Kvant fizikasının böyük binasının əsası olan dalğa mexanikası doğuldu. De Broyl işığın interferensiya və difraksiya nəzəriyyəsinin əsasını qoydu, Plank düsturunun yeni törəməsini verdi və hissəciklərin hərəkəti ilə onlarla əlaqəli dalğalar arasında dərin uyğunluq qurdu.

Hər hansı bir nəzəriyyəni öyrənərkən biz həmişə bu nəzəriyyənin tətbiqi hüdudlarını qeyd etmişik. Kvant nəzəriyyəsinin tətbiqi hüdudları hələ müəyyən edilməmişdir, lakin ölçü alətləri fərdi kvantları (enerji) qeydə almağa imkan verdikdə, kosmosun kiçik bölgələrində və elektromaqnit dalğalarının yüksək tezliklərində mikrohissəciklərin hərəkətini təsvir etmək üçün onun qanunları tətbiq edilməlidir. ~10 -16 J). Beləliklə, kvantının enerjisi yuxarıda müəyyən edilmiş həddən iki dərəcə böyük olan maddə ilə rentgen şüalarının qarşılıqlı təsirini təsvir etmək üçün kvant fizikasının qanunlarını tətbiq etmək və onların xassələrini təsvir etmək lazımdır. radio dalğaları, klassik elektrodinamika qanunları kifayət qədər kifayətdir. Yadda saxlamaq lazımdır ki, kvant nəzəriyyəsi üçün əsas “sınaq meydançası” atom və atom nüvəsinin fizikasıdır.

Bugünkü dərsi yekunlaşdıraraq bir daha sizə sual verirəm: işıq nədir? ( Tələbə cavabları.)

Ədəbiyyat

1. Myakişev G.Ya., Bukhovtsev B.B. Fizika. 11-ci sinif: təhsil. ümumi təhsil müəssisələri üçün: əsas və peşə. səviyyələri. M.: Təhsil, 2009.
2. Xalq təhsili üçün video ensiklopediya. Lennauchfilm. Video studiyası "Kvart". [Elektron resurs] Kaset №2 “Termal şüalanma”.
3. Tomilin A.N. Mənşə axtarışında: elmi-pop. nəşr. L.: Det. ədəbiyyat, 1990.
4. Kvant mexanikası. Kvant elektrodinamika // Ensikl. sl. gənc fizik / Komp. V.A. Çuyanov. M.: Pedaqogika, 1984.
5. Koltun M. Fizika Dünyası. M .: Det. ədəbiyyat, 1984.
6. Solopov E.F. Fəlsəfə: dərslik. tələbələr üçün yardım daha yüksək dərs kitabı müəssisələr. M .: Vlados, 2003.
7. İlçenko V.R. Fizika, kimya, biologiyanın kəsişməsi: kitab. tələbələr üçün. M.: Təhsil, 1986.
8. Katz Ts.B. Fizika dərslərində biofizika: kitab. müəllim üçün. M.: Təhsil, 1988.

Elena Stepanovna Uvitskaya– ali ixtisas kateqoriyalı fizika müəllimi, adına Tula Dövlət Pedaqoji İnstitutunu bitirmişdir. L.N. 1977-ci ildə Tolstoyu Urala, kiçik sənaye şəhərciyinə - Lysvaya təyin etdi və hələ də burada işləyir. Rusiya Federasiyasının ümumi təhsilinin fəxri işçisi, fizika və riyaziyyat müəllimləri üçün Ümumrusiya müsabiqəsinin qalibi (Dynasty Foundation). Məzunlar uzun illərdir ki, Vahid Dövlət İmtahanından uğurla keçərək Moskva, Sankt-Peterburq, Yekaterinburq və Perm universitetlərinə daxil olurlar. Bir dəfə Zümrüd Tablet haqqında oxuduqdan sonra əfsanəvi Hermes ideyasının aktuallığına heyran oldum: Kainatımızdakı hər bir şey, obyekt, proses bir-birinin və vahid bir bütövün xüsusiyyətlərini daşıyır. O vaxtdan bəri o, fənlərarası əlaqələrə və analogiyalara böyük diqqət yetirir: fizika və biologiya, fizika və riyaziyyat, fizika və ədəbiyyat, indi isə fizika və ingilis dili. Şagirdlərlə, xüsusən ibtidai sinifdə elmi işlə məşğul olur: elektrik harada yaşayır? Adi su niyə bu qədər qeyri-adidir? Bu necədir, ulduzların sirli dünyası? Ailənin iki oğlu var, hər ikisi Perm Dövlət Texniki Universitetini bitirib. Kiçiklər mühəndisdir, böyüklər karate-do müəllimidir, qara kəmər sahibidir, ikinci dandır, Rusiyanın dəfələrlə çempionu, Yaponiyada keçirilən dünya çempionatının iştirakçısıdır. Müəllimin uğuru həyat yoldaşının, təlim yolu ilə elektrik mühəndisinin köməyi olmadan qeyri-mümkün olardı: təcrübələr hazırlamaq və aparmaq, yeni qurğular yaratmaq və müxtəlif həyat vəziyyətlərində kömək edən sadəcə dəstək və məsləhətlər.

Bütün müraciətlər . – Ed.

Maksvell nəzəriyyəsinin rolunu ən yaxşı şəkildə məşhur fizik Robert Feynman ifadə etmişdir: “Bəşəriyyət tarixində (məsələn, indidən 10 min il sonra baxsaq) 19-cu əsrin ən əlamətdar hadisəsi, şübhəsiz ki, Maksvellin kəşfi olacaqdır. elektrodinamika qanunları. Bu mühüm elmi kəşfin fonunda eyni onillikdə Amerika vətəndaş müharibəsi kiçik bir əyalət hadisəsi kimi görünəcək”.

Plank uzun müddət humanitar və ya fizikanı seçməkdə tərəddüd etdi. Plankın bütün əsərləri zərifliyi və gözəlliyi ilə seçilir. A.Eynşteyn onlar haqqında yazırdı: “Onun əsərlərini öyrənəndə belə bir təəssürat yaranır ki, rəssamlıq tələbi onun yaradıcılığının əsas qaynaqlarından biridir”.

1935-ci ildə, kvant mexanikası və Eynşteynin ümumi nisbilik nəzəriyyəsi çox gənc olanda, o qədər də məşhur olmayan sovet fiziki Matvey Bronşteyn 28 yaşında bu iki nəzəriyyənin kvant nəzəriyyəsində uzlaşdırılmasına dair ilk ətraflı araşdırma apardı. ağırlıq. Bronşteynin yazdığı kimi bu “bəlkə də bütün dünyanın nəzəriyyəsi”, Eynşteynin cazibə qüvvəsinin kosmos-zaman kontinuumunda əyrilər kimi göründüyü klassik təsvirini əvəz edə və fizikanın qalan hissəsi kimi onu kvant dilində yenidən yaza bilər.

Bronşteyn cazibə qüvvəsini indi qravitonlar adlanan kvantlaşdırılmış hissəciklər baxımından necə təsvir edəcəyini anladı, ancaq cazibə qüvvəsi zəif olduqda, yəni (ümumi nisbilikdə) fəza zaman o qədər az əyri olar ki, mahiyyətcə düzdür. Cazibə qüvvəsi güclü olduqda, "vəziyyət tamamilə fərqlidir" dedi alim. "Klassik anlayışların dərindən nəzərdən keçirilməsi olmadan, bu sahədə kvant cazibə nəzəriyyəsini təsəvvür etmək demək olar ki, mümkünsüz görünür."

Onun sözləri peyğəmbərlik idi. Səksən üç il keçsə də, fiziklər hələ də cazibə qüvvəsinin daha fundamental və ehtimal olunan kvant mənzərəsindən irəli gələrək, məkan-zaman əyriliyinin makroskopik miqyasda özünü necə göstərdiyini anlamağa çalışırlar; Bu, bəlkə də fizikanın ən dərin sualıdır. Bəlkə də fürsət olsaydı, Bronşteynin parlaq zehni bu axtarış prosesini sürətləndirərdi. O, kvant cazibəsindən əlavə, astrofizika və kosmologiyaya, yarımkeçiricilər nəzəriyyəsinə, kvant elektrodinamikasına da töhfələr verib və uşaqlar üçün bir neçə kitab yazıb. 1938-ci ildə Stalin repressiyalarına məruz qaldı və 31 yaşında edam edildi.

Kvant cazibəsinin tam nəzəriyyəsinin axtarışını çətinləşdirir ki, cazibə qüvvəsinin kvant xassələri heç vaxt real təcrübədə özünü göstərmir. Fiziklər Eynşteynin hamar məkan-zaman kontinuumu təsvirinin və ya Bronşteynin onun bir qədər əyri vəziyyətdə kvant yaxınlaşmasının necə pozulduğunu görmürlər.

Problem cazibə qüvvəsinin həddindən artıq zəifliyindədir. Güclü, zəif və elektromaqnit qüvvələri ötürən kvantlanmış hissəciklər o qədər güclü olsalar da, maddəni atomlara sıx şəkildə bağlaya bilərlər və lupa altında sözün həqiqi mənasında araşdırıla bilərlər, ayrı-ayrı qravitonlar o qədər zəifdir ki, laboratoriyaların onları aşkar etmək şansı yoxdur. Qravitonu tutmaq ehtimalının yüksək olması üçün hissəcik detektoru qara dəliyə çökəcək qədər böyük və kütləvi olmalıdır. Bu zəiflik, qravitasiya vasitəsilə digər kütləvi cisimlərə təsir etmək üçün nə üçün astronomik kütlə yığılmalarının lazım olduğunu və nə üçün böyük miqyaslarda qravitasiya təsirlərini gördüyümüzü izah edir.

Bu hamısı deyil. Kainat bir növ kosmik senzuraya məruz qalır: güclü cazibə bölgələri - kosmos-zaman əyriləri Eynşteynin tənlikləri pozulacaq qədər kəskindir və cazibə qüvvəsi və zamanın kvant təbiəti aşkar edilməlidir - həmişə qara dəliklərin üfüqlərinin arxasında gizlənir.

Harvard Universitetinin nəzəri fiziki İqor Pikovski deyir: "Hətta bir neçə il əvvəl qravitasiya sahəsinin kvantlaşmasını hər hansı bir şəkildə ölçməyin mümkün olmadığına dair ümumi konsensus var idi".

İndi, Physical Review Letters-də dərc olunan bir neçə son məqalə bunu dəyişdi. Bu sənədlər kvant cazibəsinə, hətta bu barədə heç nə bilmədən də çatmağın mümkün ola biləcəyini iddia edir. London Universitet Kollecindən Sugato Bose və Oksford Universitetindən Chiara Marletto və Vlatko Vedral tərəfindən yazılmış məqalələr, qravitonun aşkar edilməsini tələb etmədən, cazibə qüvvəsinin bütün digərləri kimi kvant qüvvəsi olduğunu təsdiq edə biləcək texniki cəhətdən çətin, lakin həyata keçirilə bilən təcrübə təklif edir. . Bu işdə iştirak etməyən Dartmut Kollecinin kvant fizikası Miles Blencowe deyir ki, belə bir təcrübə görünməz kvant cazibəsinin aydın imzasını - "Çeşir pişiyinin təbəssümünü" aşkar edə bilər.

Təklif edilən təcrübə, iki obyektin - Bose qrupu bir cüt mikro almazdan istifadə etməyi planlaşdırır - qarşılıqlı cazibə qüvvəsi vasitəsilə kvant mexaniki olaraq bir-birinə qarışıb-dolaşa bilməyəcəyini müəyyən edəcək. Dolaşma, hissəciklərin ayrılmaz şəkildə bir-birinə qarışdığı, onların mümkün birləşmiş vəziyyətlərini müəyyən edən vahid fiziki təsviri paylaşdığı bir kvant hadisəsidir. (Müxtəlif mümkün vəziyyətlərin birgə mövcudluğu "superpozisiya" adlanır və kvant sistemini müəyyənləşdirir.) Məsələn, A zərrəciyinin aşağıdan yuxarıya fırlanma ehtimalı 50%, B hissəciyinin isə yuxarıdan aşağıya fırlanması ehtimalı 50% olan superpozisiyada bir cüt dolaşıq hissəcik mövcud ola bilər. Hissəciklərin fırlanma istiqamətini ölçərkən hansı nəticəni əldə edəcəyinizi heç kim əvvəlcədən bilmir, amma əmin ola bilərsiniz ki, onlar üçün də eyni olacaq.

Müəlliflər iddia edirlər ki, təklif olunan eksperimentdəki iki obyekt yalnız bu şəkildə bir-birinə qarışa bilər, o halda ki, onlar arasında hərəkət edən qüvvə - bu halda cazibə qüvvəsi - kvant superpozisiyalarını dəstəkləyə bilən qravitonların vasitəçiliyi ilə kvant qarşılıqlı təsirdir. Blenkou izah etdi: "Əgər təcrübə aparılarsa və dolaşıqlıq əldə olunarsa, işə görə, cazibə qüvvəsinin kvantlaşdırıldığı qənaətinə gələ bilərik".

Almazı qarışdırın

Kvant cazibə qüvvəsi o qədər incədir ki, bəzi elm adamları onun varlığına şübhə ilə yanaşırlar. 94 yaşlı məşhur riyaziyyatçı və fizik Friman Dayson 2001-ci ildən bəri kainatın “Eynşteynin ümumi nisbilik nəzəriyyəsi tərəfindən təsvir edilən cazibə sahəsinin heç bir kvant davranışı olmayan sırf klassik bir sahə olacağı” bir növ “dualistik” təsviri dəstəkləyə biləcəyini iddia edir. , halbuki bu hamar məkan-zaman kontinuumunda bütün maddələr ehtimal qaydalarına tabe olan hissəciklər tərəfindən kvantlaşdırılacaq.

Kvant elektrodinamikasının (maddə və işıq arasında qarşılıqlı təsir nəzəriyyəsi) inkişafına kömək edən və Nyu-Cersi ştatının Prinston şəhərindəki Təkmil Araşdırmalar İnstitutunun fəxri professoru olan Dyson, qara dəliklərin əlçatmaz daxili hissələrini təsvir etmək üçün kvant cazibəsinin lazım olduğuna inanmır. . Həm də o, hipotetik qravitonun aşkarlanmasının prinsipcə qeyri-mümkün ola biləcəyinə inanır. O, deyir ki, bu halda kvant cazibə qüvvəsi fiziki deyil, metafizik olacaq.

O, tək skeptik deyil. Məşhur ingilis fiziki Ser Rocer Penrose və macar alimi Lajos Diosi müstəqil olaraq fəza-zamanın superpozisiyaları dəstəkləyə bilməyəcəyini irəli sürdülər. Onlar hesab edirlər ki, onun hamar, sərt, əsaslı klassik təbiəti onun eyni anda iki mümkün yola əyilməsinin qarşısını alır - və məhz bu sərtlik elektronlar və fotonlar kimi kvant sistemlərinin superpozisiyalarının dağılmasına gətirib çıxarır. Onların fikrincə, “qravitasiya dekoherensiyası” makroskopik miqyasda hiss oluna bilən vahid, möhkəm, klassik reallığın meydana gəlməsinə imkan verir.

Kvant cazibəsinin "təbəssümünü" tapmaq bacarığı Daysonun arqumentini təkzib edir. O, həmçinin cazibə qüvvəsinin və məkan zamanının əslində kvant superpozisiyalarını dəstəklədiyini göstərməklə qravitasiya dekoherensliyi nəzəriyyəsini öldürür.

Bose və Marlettonun təklifləri eyni vaxtda və tamamilə təsadüfən ortaya çıxdı, baxmayaraq ki, ekspertlər zamanın ruhunu əks etdirdiyini qeyd edirlər. Dünyadakı eksperimental kvant fizikası laboratoriyaları getdikcə daha böyük mikroskopik obyektləri kvant superpozisiyalarına qoyur və iki kvant sisteminin qarışmasını yoxlamaq üçün protokolları optimallaşdırır. Təklif olunan təcrübə miqyasda və həssaslıqda əlavə təkmilləşdirmələr tələb etməklə bu prosedurları birləşdirməlidir; bəlkə on il çəkəcək. Laboratoriya təcrübələrinin qravitasiya hadisələrini necə tədqiq edə biləcəyini araşdıran Pikovski deyir: "Ancaq fiziki çıxılmaz vəziyyət yoxdur". "Düşünürəm ki, bu, çətin, lakin qeyri-mümkün deyil."

Bu plan Bose və digərlərinin - Okeanın Təklifin Müxtəlif Mərhələləri üzrə On Bir Ekspertinin işində daha ətraflı təsvir edilmişdir. Məsələn, Uorvik Universitetindəki laboratoriyasında həmmüəllif Gavin Morley ilk addım üzərində işləyir, mikroalmazı iki yerdə kvant superpozisiyasına qoymağa çalışır. Bunu etmək üçün o, mikroalmazda bir azot atomunu, almaz strukturunda bir vakansiyanın (sözdə NV mərkəzi və ya almazda azotla əvəzlənmiş vakansiya) yanında məhdudlaşdıracaq və onu mikrodalğalı nəbzlə dolduracaq. NV mərkəzi ətrafında fırlanan elektron eyni vaxtda işığı udur və etmir və sistem müəyyən ehtimalla saat əqrəbi istiqamətində və müəyyən ehtimalla saat əqrəbinin əksi istiqamətində fırlanan zirvə kimi iki spin istiqamətində - yuxarı və aşağı - kvant superpozisiyasına keçir. Bu superpozisiya fırlanması ilə yüklənmiş bir mikro almaz yuxarı fırlanmanın sola, alt spinin isə sağa hərəkət etməsinə səbəb olan bir maqnit sahəsinə məruz qalır. Almaz özü iki trayektoriyanın superpozisiyasına bölünür.

Tam bir təcrübədə elm adamları bütün bunları ultra soyuq vakuumda yan-yana yerləşdirilmiş iki almazla - məsələn, qırmızı və mavi ilə edəcəkdilər. Onları tutan tələ söndürüldükdə, hər biri iki mövqedən ibarət superpozisiyada olan iki mikrodiamond vakuumda şaquli olaraq düşəcək. Brilyantlar düşdükcə hər birinin cazibəsini hiss edəcəklər. Onların cazibə qüvvəsi nə qədər güclü olacaq?

Əgər cazibə kvant qüvvəsidirsə, cavab belədir: asılıdır. Mavi almazın superpozisiyasının hər bir komponenti qırmızı almazın daha yaxın və ya uzaqda olan superpozisiya qolunda olub-olmamasından asılı olaraq ona daha güclü və ya zəif cazibə hiss edəcək. Qırmızı almazın superpozisiyasının hər bir komponentinin hiss edəcəyi cazibə qüvvəsi də eyni şəkildə mavi almazın vəziyyətindən asılıdır.

Hər bir halda almaz superpozisiyalarının inkişaf edən komponentlərinə müxtəlif dərəcədə cazibə qüvvəsi təsir edir. İki almaz bir-birindən asılı olur, çünki onların vəziyyətləri yalnız kombinasiyada müəyyən edilə bilər - əgər bu o deməkdirsə - nəticədə NV mərkəzlərinin iki sisteminin fırlanma istiqamətləri korrelyasiya olacaqdır.

Mikro almazlar üç saniyə yan-yana düşdükdən sonra - cazibə qüvvəsinə qarışmaq üçün kifayət qədər uzun - onlar hər bir superpozisiyanın budaqlarını bir araya gətirəcək başqa bir maqnit sahəsindən keçəcəklər. Təcrübənin son mərhələsi Danimarkalı fizik Barbara Theral və başqaları tərəfindən hazırlanmış dolaşma şahidi protokoludur: mavi və qırmızı almazlar NV mərkəzi sistemlərinin fırlanma istiqamətlərini ölçən müxtəlif cihazlara daxil olur. (Ölçmə superpozisiyaların müəyyən vəziyyətlərə dağılmasına səbəb olur.) Sonra iki nəticə müqayisə edilir. Təcrübəni təkrar-təkrar yerinə yetirərək və bir çox cüt spin ölçmələrini müqayisə edərək, elm adamları iki kvant sisteminin spinlərinin kvant mexaniki olaraq dolaşıq olmayan obyektlər üçün yuxarı hədddən daha tez-tez korrelyasiya olub-olmadığını müəyyən edə bilərlər. Əgər belədirsə, cazibə qüvvəsi əslində almazları dolaşır və superpozisiyaları dəstəkləyə bilər.

Blencowe deyir: "Bu təcrübədə maraqlı olan odur ki, kvant nəzəriyyəsinin nə olduğunu bilməyə ehtiyac yoxdur". "Lazım olan tək şey, bu bölgənin iki hissəcik arasındakı qüvvənin vasitəçilik etdiyi bəzi kvant aspektinin olduğunu söyləməkdir."

Çox texniki çətinliklər var. Daha əvvəl iki yerdə superpozisiyada yerləşdirilən ən böyük obyekt 800 atomlu bir molekul idi. Hər bir mikroalmazda 100 milyarddan çox karbon atomu var - nəzərə çarpan cazibə qüvvəsi toplamaq üçün kifayətdir. Onun kvant mexaniki təbiətini qablaşdırmadan çıxarmaq aşağı temperatur, dərin vakuumlar və dəqiq nəzarət tələb edir. Lazerlə soyutma və mikro almaz tutma üsullarını təkmilləşdirən eksperimental komandanın üzvü Peter Barker deyir: "İlkin superpozisiyanı işə salmaq çox işdir". Bu bir almazla edilə bilsəydi, Bose əlavə edir, "ikincisi problem olmazdı."

Qravitasiyanın unikallığı nədir?

Kvant cazibə tədqiqatçıları şübhə etmirlər ki, cazibə qüvvəsi qarışmağa səbəb ola biləcək kvant qarşılıqlı təsirdir. Əlbəttə ki, cazibə qüvvəsi bir qədər unikaldır və kosmosun və zamanın mənşəyi haqqında hələ öyrənilməli çox şey var, lakin kvant mexanikası mütləq iştirak etməlidir, alimlər deyirlər. MIT-də kvant cazibə tədqiqatçısı Daniel Harlow deyir: "Doğrudan da, fizikanın əksəriyyətinin kvant, cazibə qüvvəsinin isə klassik olduğu bir nəzəriyyənin mənası nədir". Qarışıq kvant-klassik modellərə qarşı nəzəri arqumentlər çox güclüdür (qəti olmasa da).

Digər tərəfdən, nəzəriyyəçilər əvvəllər səhv ediblər. “Yoxlaya bilirsənsə, niyə də yox? Bu, cazibə qüvvəsinin kvant təbiətini şübhə altına alan insanları susdurarsa, bu, əla olardı”, - Harlou deyir.

Qəzetləri oxuduqdan sonra Dyson yazdı: "Təklif olunan təcrübə, şübhəsiz ki, böyük maraq doğurur və real kvant sistemi şəraitində həyata keçirilməsini tələb edir." Bununla belə, o qeyd edir ki, müəlliflərin kvant sahələri haqqında düşüncələri onunkindən fərqlənir. “Mənə aydın deyil ki, bu təcrübə kvant cazibəsinin mövcudluğu məsələsini həll edə bilərmi? Verdiyim sual – tək qraviton müşahidə olunub-olunmaması – başqa sualdır və fərqli cavab verə bilər”.

Bose, Marletto və onların həmkarlarının kvantlaşdırılmış cazibə haqqında düşüncə xətti hələ 1935-ci ildə Bronşteynin işindən qaynaqlanır. (Dyson Bronstein əsərini əvvəllər görmədiyi "gözəl bir əsər" adlandırdı). Xüsusilə Bronşteyn göstərdi ki, kiçik kütlənin yaratdığı zəif cazibə qüvvəsi Nyutonun cazibə qanunu ilə yaxınlaşdırıla bilər. (Bu, mikro almazların superpozisiyaları arasında hərəkət edən qüvvədir). Blencowe görə, zəif kvantlaşdırılmış cazibə qüvvəsinin hesablamaları xüsusilə aparılmamışdır, baxmayaraq ki, onlar qara dəliklərin fizikası və ya Böyük Partlayışdan daha çox aktualdırlar. O, ümid edir ki, yeni eksperimental təklif nəzəriyyəçiləri Nyutonun yaxınlaşmasında incə dəqiqləşdirmələr axtarmağa təşviq edəcək, gələcək stolüstü təcrübələr bunu sınaqdan keçirə bilər.

Stenford Universitetində tanınmış kvant cazibə və sim nəzəriyyəçisi Leonard Susskind təklif olunan təcrübənin dəyərini gördü, çünki "o, yeni kütlələr və məsafələr diapazonunda cazibə qüvvəsinin müşahidələrini təmin edir". Lakin o və digər tədqiqatçılar vurğuladılar ki, mikroalmazlar kvant cazibəsinin və ya məkan-zamanın tam nəzəriyyəsi haqqında heç nə aşkar edə bilməz. O və həmkarları qara dəliyin mərkəzində və Böyük Partlayış anında nə baş verdiyini anlamaq istərdilər.

Ola bilsin ki, cazibə qüvvəsini kvantlaşdırmağın niyə hər şeydən daha çətin olduğuna dair bir ipucu, təbiətin digər qüvvələrinin “yerlilik” adlanan şeyə sahib olmasıdır: sahənin bir bölgəsindəki kvant hissəcikləri (məsələn, elektromaqnit sahəsindəki fotonlar) “müstəqildir”. Kosmosun başqa bir bölgəsindəki digər fiziki varlıqlar," Britaniya Kolumbiyası Universitetində kvant cazibə nəzəriyyəçisi Mark van Raamsdonk deyir. "Lakin cazibə qüvvəsinin bu şəkildə işləmədiyinə dair çoxlu nəzəri sübutlar var."

Van Raamsdonk deyir ki, kvant cazibəsinin ən yaxşı sandbox modellərində (sadələşdirilmiş məkan-zaman həndəsələri ilə) fəza-zaman parça lentinin müstəqil üçölçülü parçalara bölündüyünü güman etmək mümkün deyil. Bunun əvəzinə, müasir nəzəriyyə kosmosun əsas, əsas komponentlərinin "daha çox iki ölçülü şəkildə təşkil edildiyini" təklif edir. Kosmos-zamanın quruluşu holoqram və ya video oyun kimi ola bilər. “Şəkil üçölçülü olsa da, məlumat iki ölçülü kompüter çipində saxlanılır”. Bu halda, üçölçülü dünya, onun müxtəlif hissələrinin o qədər də müstəqil olmaması mənasında bir illüziya olardı. Video oyun analogiyasında, iki ölçülü çipdəki bir neçə bit bütün oyun kainatının qlobal funksiyalarını kodlaya bilər.

Siz cazibə qüvvəsinin kvant nəzəriyyəsi yaratmağa çalışdığınız zaman bu fərq vacibdir. Bir şeyi kvantlaşdırmaq üçün adi yanaşma onun müstəqil hissələrini - məsələn hissəcikləri müəyyən etmək və sonra onlara kvant mexanikasını tətbiq etməkdir. Ancaq düzgün komponentləri təyin etməsəniz, səhv tənliklərlə nəticələnirsiniz. Bronşteynin etmək istədiyi üçölçülü fəzanın birbaşa kvantlaşdırılması müəyyən dərəcədə zəif cazibə qüvvəsi ilə işləyir, lakin kosmos zamanı çox əyri olduqda faydasız olur.

Bəzi ekspertlər deyirlər ki, kvant cazibəsinin “təbəssümünün” şahidi olmaq bu cür mücərrəd əsaslandırma üçün motivasiyaya səbəb ola bilər. Axı, kvant cazibəsinin mövcudluğu ilə bağlı ən səs-küylü nəzəri arqumentlər belə eksperimental faktlarla təsdiqlənmir. Van Raamsdonk elmi bir kollokviumda araşdırmasını izah edərkən, o deyir ki, adətən cazibə qüvvəsinin kvant mexanikası ilə necə yenidən düşünülməsi lazım olduğuna dair bir hekayə ilə başlayır, çünki kosmos-zamanın klassik təsviri qara dəliklər və Böyük Partlayışla parçalanır.

“Ancaq bu sadə təcrübəni etsəniz və qravitasiya sahəsinin superpozisiyada olduğunu göstərsəniz, klassik təsvirin uğursuzluğu aydın olar. Çünki cazibə qüvvəsinin kvant olduğunu göstərən bir təcrübə olacaq”.

Quanta jurnalının materialları əsasında