Nikto na svete nerozumie kvantovej mechanike – to je hlavná vec, ktorú o nej potrebujete vedieť. Áno, mnohí fyzici sa naučili používať jeho zákony a dokonca predpovedať javy pomocou kvantových výpočtov. Ale stále nie je jasné, prečo prítomnosť pozorovateľa určuje osud systému a núti ho k voľbe v prospech jedného štátu. „Teórie a prax“ vybrali príklady experimentov, ktorých výsledok je nevyhnutne ovplyvnený pozorovateľom, a pokúsili sa zistiť, čo urobí kvantová mechanika s takýmto zásahom vedomia do materiálnej reality.
Shroedingerova mačka
Dnes existuje veľa interpretácií kvantovej mechaniky, z ktorých najpopulárnejšia zostáva kodanská. Jeho hlavné princípy sformulovali v 20. rokoch 20. storočia Niels Bohr a Werner Heisenberg. A ústredným pojmom kodanskej interpretácie bola vlnová funkcia – matematická funkcia, ktorá obsahuje informácie o všetkých možných stavoch kvantového systému, v ktorom súčasne sídli.
Podľa kodanskej interpretácie iba pozorovanie môže spoľahlivo určiť stav systému a odlíšiť ho od zvyšku (vlnová funkcia len pomáha matematicky vypočítať pravdepodobnosť detekcie systému v konkrétnom stave). Môžeme povedať, že po pozorovaní sa kvantový systém stáva klasickým: okamžite prestane koexistovať v mnohých štátoch naraz v prospech jedného z nich.
Tento prístup mal vždy svojich odporcov (spomeňte si napríklad na „Boh nehrá kocky“ od Alberta Einsteina), no presnosť výpočtov a predpovedí si vybrala svoju daň. Avšak v poslednej dobe je čoraz menej podporovateľov kodanskej interpretácie a v neposlednom rade je to veľmi záhadný okamžitý kolaps vlnovej funkcie počas merania. Slávny myšlienkový experiment Erwina Schrödingera s úbohou mačkou mal práve za cieľ ukázať absurdnosť tohto javu.
Pripomeňme si teda obsah experimentu. Živá mačka, ampulka s jedom a určitý mechanizmus, ktorý môže náhodne uviesť jed do činnosti, sú umiestnené v čiernej skrinke. Napríklad jeden rádioaktívny atóm, ktorého rozpad rozbije ampulku. Presný čas rozpadu atómu nie je známy. Známy je len polčas rozpadu: čas, počas ktorého dôjde k rozpadu s 50% pravdepodobnosťou.
Ukazuje sa, že pre vonkajšieho pozorovateľa existuje mačka vo vnútri škatuľky v dvoch stavoch naraz: buď je živá, ak je všetko v poriadku, alebo mŕtva, ak došlo k rozkladu a ampulka sa rozbila. Oba tieto stavy sú opísané vlnovou funkciou mačky, ktorá sa časom mení: čím ďalej, tým väčšia je pravdepodobnosť, že už došlo k rádioaktívnemu rozpadu. Ale akonáhle je krabica otvorená, vlnová funkcia sa zrúti a okamžite vidíme výsledok knackerovho experimentu.
Ukazuje sa, že kým pozorovateľ škatuľu neotvorí, bude mačka navždy balansovať na hranici medzi životom a smrťou a len činnosť pozorovateľa určí jej osud. Toto je absurdita, na ktorú poukázal Schrödinger.
Elektrónová difrakcia
Podľa prieskumu popredných fyzikov, ktorý uskutočnil The New York Times, sa experiment s elektrónovou difrakciou, ktorý v roku 1961 uskutočnil Klaus Jenson, stal jedným z najkrajších v histórii vedy. Čo je jej podstatou?
Existuje zdroj emitujúci tok elektrónov smerom k obrazovke fotografickej dosky. A týmto elektrónom stojí v ceste prekážka – medená platňa s dvoma štrbinami. Aký druh obrazu môžete očakávať na obrazovke, ak si elektróny predstavíte len ako malé nabité guľôčky? Dva osvetlené pruhy oproti štrbinám.
V skutočnosti sa na obrazovke objaví oveľa zložitejší vzor striedajúcich sa čiernych a bielych pruhov. Faktom je, že pri prechode cez štrbiny sa elektróny začnú správať nie ako častice, ale ako vlny (rovnako ako fotóny, častice svetla, môžu byť súčasne vlnami). Potom tieto vlny interagujú v priestore, na niektorých miestach sa navzájom oslabujú a posilňujú a v dôsledku toho sa na obrazovke objaví zložitý obraz striedajúcich sa svetlých a tmavých pruhov.
V tomto prípade sa výsledok experimentu nemení a ak sú elektróny posielané cez štrbinu nie v súvislom prúde, ale jednotlivo, aj jedna častica môže byť súčasne vlnou. Aj jeden elektrón môže súčasne prechádzať cez dve štrbiny (a to je ďalšia dôležitá pozícia kodanskej interpretácie kvantovej mechaniky - objekty môžu súčasne vykazovať svoje „obvyklé“ materiálové vlastnosti a exotické vlnové vlastnosti).
Ale čo s tým má pozorovateľ? Napriek tomu, že jeho už aj tak komplikovaný príbeh sa ešte viac skomplikoval. Keď sa v podobných experimentoch fyzici pokúsili pomocou prístrojov, ktoré prerezali štrbinou, odhaliť elektrón, ktorým skutočne prešiel, obraz na obrazovke sa dramaticky zmenil a stal sa „klasickým“: dve osvetlené oblasti oproti štrbinám a žiadne striedajúce sa pruhy.
Akoby elektróny pod pozorným pohľadom pozorovateľa nechceli ukázať svoju vlnovú povahu. Prispôsobili sme sa jeho inštinktívnej túžbe vidieť jednoduchý a zrozumiteľný obraz. Mystik? Existuje oveľa jednoduchšie vysvetlenie: žiadne pozorovanie systému nemožno vykonať bez fyzického vplyvu naň. Ale k tomu sa vrátime trochu neskôr.
Vyhrievaný fullerén
Experimenty s difrakciou častíc sa uskutočňovali nielen na elektrónoch, ale aj na oveľa väčších objektoch. Napríklad fullerény sú veľké uzavreté molekuly zložené z desiatok atómov uhlíka (napríklad fullerén so šesťdesiatimi atómami uhlíka je tvarom veľmi podobný futbalovej lopte: dutá guľa zošitá z päťuholníkov a šesťuholníkov).
Nedávno sa skupina z Viedenskej univerzity pod vedením profesora Zeilingera pokúsila do takýchto experimentov vniesť prvok pozorovania. Aby to urobili, ožiarili pohybujúce sa molekuly fullerénu laserovým lúčom. Potom, zahriate vonkajším vplyvom, začali molekuly žiariť a tým nevyhnutne odhalili pozorovateľovi svoje miesto vo vesmíre.
Spolu s touto inováciou sa zmenilo aj správanie molekúl. Pred začatím úplného sledovania fullerény celkom úspešne obchádzali prekážky (preukázali vlnové vlastnosti), ako sú elektróny z predchádzajúceho príkladu prechádzajúce cez nepriehľadnú clonu. Ale neskôr, s objavením sa pozorovateľa, sa fullerény upokojili a začali sa správať ako častice hmoty úplne dodržiavajúce zákony.
Chladiaci rozmer
Jedným z najznámejších zákonov kvantového sveta je Heisenbergov princíp neurčitosti: nie je možné súčasne určiť polohu a rýchlosť kvantového objektu. Čím presnejšie zmeriame hybnosť častice, tým presnejšie sa dá zmerať jej poloha. Ale účinky kvantových zákonov fungujúcich na úrovni drobných častíc sú v našom svete veľkých makro objektov zvyčajne nepostrehnuteľné.
O to cennejšie sú preto nedávne experimenty skupiny profesora Schwaba z USA, v ktorých sa kvantové efekty preukázali nie na úrovni rovnakých elektrónov alebo molekúl fullerénov (ich charakteristický priemer je asi 1 nm), ale na trochu hmatateľnejšom predmet - malý hliníkový pásik.
Tento pás bol na oboch stranách zaistený tak, že jeho stred bol zavesený a mohol vibrovať pod vonkajším vplyvom. Okrem toho sa vedľa pásu nachádzalo zariadenie schopné zaznamenávať jeho polohu s vysokou presnosťou.
Výsledkom bolo, že experimentátori objavili dva zaujímavé efekty. Po prvé, akékoľvek meranie polohy objektu alebo pozorovanie prúžku neprešlo bez toho, aby pre ňu nezanechalo stopu - po každom meraní sa poloha prúžku zmenila. Zhruba povedané, experimentátori určili súradnice pásu s veľkou presnosťou a tým podľa Heisenbergovho princípu zmenili jeho rýchlosť, a teda aj jeho následnú polohu.
Po druhé, a celkom neočakávane, niektoré merania tiež viedli k ochladeniu pásu. Ukazuje sa, že pozorovateľ môže meniť fyzikálne vlastnosti predmetov práve svojou prítomnosťou. Znie to úplne neuveriteľne, ale ku cti fyzikov, povedzme, že neboli v rozpakoch – skupina profesora Schwaba teraz premýšľa, ako objavený efekt aplikovať na chladenie elektronických čipov.
Mrazivé častice
Ako viete, nestabilné rádioaktívne častice sa vo svete rozpadajú nielen kvôli pokusom na mačkách, ale aj úplne sami. Okrem toho sa každá častica vyznačuje priemernou životnosťou, ktorá sa môže pod pozorným pohľadom pozorovateľa predĺžiť.
Tento kvantový efekt bol prvýkrát predpovedaný už v 60. rokoch minulého storočia a jeho vynikajúce experimentálne potvrdenie sa objavilo v článku publikovanom v roku 2006 skupinou fyzika laureáta Nobelovej ceny Wolfganga Ketterleho na Massachusetts Institute of Technology.
V tejto práci sme študovali rozpad nestabilných excitovaných atómov rubídia (rozpad na atómy rubídia v základnom stave a fotóny). Ihneď po príprave systému a excitácii atómov sa začali pozorovať - boli osvetlené laserovým lúčom. V tomto prípade sa pozorovanie uskutočnilo v dvoch režimoch: nepretržitý (malé svetelné impulzy sú neustále dodávané do systému) a pulzný (systém je z času na čas ožiarený silnejšími impulzmi).
Získané výsledky boli vo výbornej zhode s teoretickými predpoveďami. Vonkajšie svetelné vplyvy vlastne spomaľujú rozpad častíc, akoby ich vracali do pôvodného stavu, ďaleko od rozpadu. Navyše, veľkosť účinku pre dva študované režimy sa tiež zhoduje s predpoveďami. A maximálna životnosť nestabilných excitovaných atómov rubídia sa predĺžila 30-krát.
Kvantová mechanika a vedomie
Elektróny a fullerény prestávajú vykazovať svoje vlnové vlastnosti, hliníkové platne sa ochladzujú a nestabilné častice pri svojom rozpade zamrznú: pod všemocným pohľadom pozorovateľa sa svet mení. Čo nie je dôkazom zapojenia našej mysle do práce sveta okolo nás? Takže možno mali Carl Jung a Wolfgang Pauli (rakúsky fyzik, laureát Nobelovej ceny, jeden z priekopníkov kvantovej mechaniky) pravdu, keď povedali, že zákony fyziky a vedomia treba považovať za komplementárne?
Ale to je len jeden krok od rutinného poznania: celý svet okolo nás je podstatou našej mysle. Strašidelné? („Naozaj si myslíš, že Mesiac existuje, len keď sa naň pozrieš?“ Einstein komentoval princípy kvantovej mechaniky). Potom sa skúsme opäť obrátiť na fyzikov. Navyše si v posledných rokoch stále menej obľúbili kodanskú interpretáciu kvantovej mechaniky s jej záhadným kolapsom funkčnej vlny, ktorú nahrádza iný, celkom prízemný a spoľahlivý pojem – dekoherencia.
Ide o toto: vo všetkých opísaných pozorovacích experimentoch experimentátori nevyhnutne ovplyvňovali systém. Osvetlili ho laserom a nainštalovali meracie prístroje. A toto je všeobecný, veľmi dôležitý princíp: nemôžete pozorovať systém, merať jeho vlastnosti bez interakcie s ním. A tam, kde dochádza k interakcii, dochádza k zmene vlastností. Navyše, keď kolos kvantových objektov interaguje s malým kvantovým systémom. Takže večná, budhistická neutralita pozorovateľa je nemožná.
To je presne to, čo vysvetľuje pojem „dekoherencia“ - nezvratný proces narušenia kvantových vlastností systému počas jeho interakcie s iným, väčším systémom. Počas takejto interakcie kvantový systém stráca svoje pôvodné črty a stáva sa klasickým, „podriaďuje sa“ veľkému systému. To vysvetľuje paradox so Schrödingerovou mačkou: mačka je taký veľký systém, že sa jednoducho nedá izolovať od sveta. Samotný myšlienkový experiment nie je úplne správny.
V každom prípade, v porovnaní s realitou ako aktom tvorby vedomia, dekoherencia vyznieva oveľa pokojnejšie. Možno až príliš pokojný. S týmto prístupom sa totiž celý klasický svet stáva jedným veľkým dekoherentným efektom. A podľa autorov jednej z najserióznejších kníh v tejto oblasti z takýchto prístupov logicky vyplývajú aj výroky ako „na svete nie sú častice“ či „na fundamentálnej úrovni neexistuje čas“.
Kreatívny pozorovateľ alebo všemocná dekoherencia? Musíte si vybrať medzi dvoma zlami. Ale pamätajte - teraz sú vedci čoraz viac presvedčení, že základom našich myšlienkových procesov sú tie isté notoricky známe kvantové efekty. Kde teda končí pozorovanie a začína realita – každý z nás si musí vybrať.
- 97,50 kbMinisterstvo školstva a vedy Ruskej federácie
Federálna štátna vzdelávacia inštitúcia stredného odborného vzdelávania „Alekseevsky College of Economics and Information Technologies“
"Vznik a vývoj kvantovej fyziky"
Vyplnil: študent skupiny 22
špeciality: 080110
Ekonomika a účtovníctvo
(podľa odvetvia)
Rysikov Artem
Kontroluje: učiteľ všeobecnovzdelávacích predmetov
Koryaka Ľudmila Mikhailovna
Alekseevka 2010
Úvod ………………………………………………………… …………………………3
Kapitola I Vznik a rozvoj kvantovej fyziky………………………4
1.1 Kvantová hypotéza………………………………………………………... 8
1.2 Teória atómu od I. Bohra. Princíp korešpondencie……………………………… 11
Kapitola II Problémy kvantovej mechaniky……………………………………………….13
1.4 Problém interpretácie kvantovej mechaniky.............. .16
Záver……………………………………………………………… 19
Zoznam referencií…………………………………………...2 0
Úvod
Svet okolo človeka je podľa elektromagnetického obrazu sveta súvislé médium – pole, ktoré môže mať v rôznych bodoch rôzne teploty, koncentrovať rôzne energetické potenciály, rôzne sa pohybovať atď. Súvislé médium môže zaberať veľké plochy priestoru, jeho vlastnosti sa neustále menia a nemá ostré hranice. Tieto vlastnosti odlišujú pole od fyzických tiel, ktoré majú určité a jasné hranice. Rozdelenie sveta na telesá a častice poľa, na pole a priestor je dôkazom existencie dvoch extrémnych vlastností sveta – diskrétnosti a spojitosti. Diskrétnosť (nespojitosť) sveta znamená konečnú deliteľnosť celej časopriestorovej štruktúry na samostatné ohraničené objekty, vlastnosti a formy pohybu, pričom kontinuita (kontinuita) vyjadruje jednotu, celistvosť a nedeliteľnosť objektu.
V rámci klasickej fyziky sa diskrétnosť a kontinuita sveta spočiatku javia ako protikladné, samostatné a nezávislé, hoci vo všeobecnosti komplementárne vlastnosti. V modernej fyzike našla táto jednota protikladov, diskrétnych a spojitých, svoje opodstatnenie v koncepte vlnovo-časticovej duality.
Moderný kvantový poľný obraz sveta je založený na novej fyzikálnej teórii - kvantovej mechanike, ktorá popisuje stav a pohyb mikroobjektov hmotného sveta.
Kapitola I. Vznik a vývoj kvantovej fyziky
Kvantová mechanika je teória, ktorá stanovuje spôsob popisu a zákonitosti pohybu mikročastíc (elementárnych častíc, atómov, molekúl, atómových jadier) a ich systémov, ako aj súvislosť medzi veličinami charakterizujúcimi častice a sústavami s fyzikálnymi veličinami priamo meranými experimentálne.
Zákony kvantovej mechaniky tvoria základ pre štúdium štruktúry hmoty. Umožňujú objasniť štruktúru atómov, určiť povahu chemických väzieb, vysvetliť periodický systém prvkov a študovať vlastnosti elementárnych častíc.
Keďže vlastnosti makroskopických telies sú určené pohybom a interakciou častíc, z ktorých sú zložené, zákony kvantovej mechaniky sú základom pochopenia väčšiny makroskopických javov. Kvantová mechanika umožnila napríklad určiť štruktúru a pochopiť mnohé vlastnosti pevných látok, dôsledne vysvetliť javy feromagnetizmu, supratekutosti, supravodivosti, pochopiť podstatu astrofyzikálnych objektov – bielych trpaslíkov, neutrónových hviezd a objasniť mechanizmus termonukleárnych reakcií na Slnku a hviezdach.
Rozvoj kvantovej mechaniky sa datuje od začiatku 20. storočia, kedy boli objavené fyzikálne javy poukazujúce na nepoužiteľnosť newtonovskej mechaniky a klasickej elektrodynamiky na procesy interakcie svetla s hmotou a procesy prebiehajúce v atóme. Vytvorenie súvislostí medzi týmito skupinami javov a pokusy o ich vysvetlenie na základe teórie viedli k objaveniu zákonov kvantovej mechaniky.
Po prvý raz vo vede myšlienky o kvante vyslovil v roku 1900 M. Planck v procese štúdia tepelného žiarenia telies. Svojím výskumom preukázal, že k emisii energie dochádza diskrétne, v určitých častiach - kvantách, ktorých energia závisí od frekvencie svetelnej vlny. Planckove experimenty viedli k poznaniu duálnej povahy svetla, ktoré má korpuskulárne aj vlnové vlastnosti, čím predstavuje dialektickú jednotu týchto protikladov. Najmä dialektika sa prejavuje tým, že čím je vlnová dĺžka žiarenia kratšia, tým jasnejšie sa javia kvantové vlastnosti; Čím dlhšia je vlnová dĺžka, tým jasnejšie sa javia vlnové vlastnosti svetla.
V roku 1924 predložil francúzsky fyzik L. de Broglie hypotézu, že dualita vlna-častica je svojou povahou univerzálna, t.j. Všetky častice hmoty majú vlnové vlastnosti. Neskôr sa táto myšlienka experimentálne potvrdila a princíp vlnovo-časticovej duality sa rozšíril na všetky procesy pohybu a interakcie v mikrosvete.
Najmä N. Bohr aplikoval myšlienku kvantovania energie na teóriu atómovej štruktúry. Podľa jeho predstáv sa v strede atómu nachádza kladne nabité jadro, v ktorom je sústredená takmer celá hmotnosť atómu a záporne nabité elektróny rotujú po dráhach okolo jadra. Rotujúce elektróny musia stratiť časť svojej energie, čo má za následok nestabilnú existenciu atómov. V praxi však atómy nielen existujú, ale sú aj veľmi stabilné. Bohr vysvetlil tento problém a navrhol, že elektrón, ktorý sa pohybuje po svojej obežnej dráhe, nevyžaruje kvantá. K žiareniu dochádza len vtedy, keď sa elektrón pohybuje z jednej dráhy na druhú, t.j. z jednej energetickej úrovne na druhú, s menšou energiou. V momente prechodu sa rodí kvantum žiarenia.
V súlade s obrazom kvantového poľa sveta, každý mikroobjekt, ktorý má vlnové a korpuskulárne vlastnosti, nemá špecifickú trajektóriu pohybu a nemôže mať určité súradnice a rýchlosť (hybnosť). Dá sa to urobiť iba určením vlnovej funkcie v danom momente a následným nájdením jej vlnovej funkcie v ktoromkoľvek inom momente. Druhá mocnina modulu udáva pravdepodobnosť nájdenia častice v danom bode priestoru.
Navyše, relativita časopriestoru v tomto obraze sveta vedie k neurčitosti súradníc a rýchlosti v danom momente, k absencii trajektórie pohybu mikroobjektu. A ak v klasickej fyzike správanie veľkého množstva častíc podliehalo pravdepodobnostným zákonom, potom v kvantovej mechanike správanie každej mikročastice podlieha nie dynamickým, ale štatistickým zákonom.
Hmota je teda dvojstranná: má korpuskulárne aj vlnové vlastnosti, ktoré sa prejavujú v závislosti od podmienok. Všeobecný obraz reality v obraze sveta s kvantovým poľom sa teda stáva akoby dvojrozmerným: na jednej strane zahŕňa charakteristiky skúmaného objektu a na druhej strane pozorovacie podmienky, na ktorých istota týchto charakteristík závisí. To znamená, že obraz reality v modernej fyzike nie je len obrazom objektu, ale aj obrazom procesu jeho poznávania.
Myšlienka pohybu sa radikálne mení, čo sa stáva len špeciálnym prípadom základných fyzických interakcií. Existujú štyri typy základných fyzikálnych interakcií: gravitačné, elektromagnetické, silné a slabé. Všetky sú opísané na základe moderného princípu pôsobenia na krátku vzdialenosť. V súlade s ním je interakcia každého typu prenášaná zodpovedajúcim poľom z bodu do bodu. V tomto prípade je rýchlosť prenosu interakcie vždy konečná a nemôže prekročiť rýchlosť svetla vo vákuu (300 000 km/s).
Špecifikom kvantových poľných konceptov pravidelnosti a kauzality je, že sa vždy objavujú v pravdepodobnostnej forme, vo forme takzvaných štatistických zákonov. Zodpovedajú hlbšej úrovni poznania prírodných zákonitostí. Tak sa ukázalo, že náš svet je založený na náhode, pravdepodobnosti.
Súčasťou nového obrazu sveta bol po prvý raz aj pozorovateľ, od ktorého prítomnosti záviseli získané výsledky výskumu. Navyše bol sformulovaný takzvaný antropický princíp, ktorý hovorí, že náš svet je taký, aký je len vďaka existencii človeka. Odteraz sa vznik človeka považuje za prirodzený výsledok vývoja vesmíru.
VZNIK A VÝVOJ KVANTOVEJ FYZIKY
1.1 Kvantová hypotéza
Počiatky kvantovej fyziky možno nájsť v štúdiách procesov žiarenia telies. Ešte v roku 1809 P. Prevost dospel k záveru, že každé teleso vyžaruje bez ohľadu na jeho prostredie. Rozvoj spektroskopie v 19. storočí. viedlo k tomu, že pri štúdiu emisných spektier sa začína venovať pozornosť aj absorpčným spektrám. Ukazuje sa, že medzi žiarením a absorpciou telesa existuje jednoduchá súvislosť: v absorpčnom spektre chýbajú alebo sú oslabené tie časti spektra, ktoré dané teleso vyžaruje. Tento zákon bol vysvetlený iba v kvantovej teórii.
G. Kirchhoff v roku 1860 sformuloval nový zákon, ktorý hovorí, že pre žiarenie rovnakej vlnovej dĺžky pri rovnakej teplote je pomer emisivity a absorpčných schopností pre všetky telesá rovnaký. Inými slovami, ak EλT a AλT sú emisné a absorpčné schopnosti telesa v závislosti od vlnovej dĺžky λ a teploty T, potom
kde φ(λ, T) je nejaká univerzálna funkcia λ a T, rovnaká pre všetky telesá.
Kirchhoff predstavil koncept absolútne čierneho telesa ako telesa, ktoré pohlcuje všetky naň dopadajúce lúče. Pre takéto teleso je samozrejme AλT = 1; potom sa univerzálna funkcia φ(λ, T) rovná emisivite absolútne čierneho telesa. Kirchhoff sám neurčil tvar funkcie φ(λ, T), ale zaznamenal len niektoré jej vlastnosti.
Pri určovaní tvaru univerzálnej funkcie φ(λ, T) bolo prirodzené predpokladať, že možno použiť teoretické úvahy, predovšetkým základné zákony termodynamiky. L. Boltzmann ukázal, že celková energia žiarenia úplne čierneho telesa je úmerná štvrtej mocnine jeho teploty. Úloha konkrétneho určenia formy Kirchhoffovej funkcie sa však ukázala ako veľmi náročná a výskum v tomto smere, založený na termodynamike a optike, neviedol k úspechu.
Experiment priniesol obraz, ktorý sa nedá vysvetliť z hľadiska klasických pojmov: v termodynamickej rovnováhe medzi kmitajúcimi atómami hmoty a elektromagnetickým žiarením je takmer všetka energia sústredená v kmitajúcich atómoch a len nepatrná časť z nej pripadá na tzv. žiarenie, zatiaľ čo podľa klasickej teórie by takmer všetka energia mala ísť do elektromagnetického poľa.
V 80. rokoch XIX storočia Empirické štúdie vzorcov rozloženia spektrálnych čiar a štúdium funkcie φ(λ, T) sa stali intenzívnejšie a systematickejšie. Experimentálne vybavenie bolo vylepšené. Pre energiu žiarenia úplne čierneho telesa navrhli V. Wien v roku 1896, J. Rayleigh a J. Jeans v roku 1900 dva rôzne vzorce. Ako ukázali experimentálne výsledky, Wienov vzorec je asymptoticky správny v oblasti krátkych vĺn a poskytuje ostré nezrovnalosti s experimentom v oblasti dlhých vĺn a vzorec Rayleigh-Jeans je asymptoticky správny pre dlhé vlny, ale nie je použiteľný pre krátke vlny. vlny.
V roku 1900 na stretnutí Berlínskej fyzikálnej spoločnosti M. Planck navrhol nový vzorec rozloženia energie v spektre sírového telesa. Tento vzorec plne súhlasil s experimentom, ale jeho fyzikálny význam nebol úplne jasný. Dodatočná analýza ukázala, že má zmysel len vtedy, ak vynecháme, že vyžarovanie energie neprebieha nepretržite, ale v obmedzených častiach - kvantách (ε). Navyše ε nie je žiadna veličina, konkrétne ε = hν, kde h je určitá konštanta a v je frekvencia svetla. To viedlo k poznaniu, spolu s atomizmom hmoty, atomizmu energie alebo pôsobenia, diskrétnej, kvantovej povahy žiarenia, ktoré nezapadalo do rámca koncepcií klasickej fyziky.
Formulácia hypotézy kvantovej energie bola začiatkom novej éry vo vývoji teoretickej fyziky. S veľkým úspechom sa táto hypotéza začala využívať na vysvetlenie iných javov, ktoré nebolo možné opísať na základe pojmov klasickej fyziky.
V podstate novým krokom vo vývoji kvantovej hypotézy bolo zavedenie konceptu svetelných kvánt. Túto myšlienku vyvinul v roku 1905 Einstein a použil ju na vysvetlenie fotoelektrického javu. Množstvo štúdií poskytlo dôkaz o pravdivosti tejto myšlienky. V roku 1909 Einstein, pokračujúc vo svojom výskume zákonov žiarenia, ukázal, že svetlo má vlnové aj korpuskulárne vlastnosti. Stále viac sa stávalo zrejmé, že dualitu vlny a častíc svetelného žiarenia nemožno vysvetliť z hľadiska klasickej fyziky. V roku 1912 A. Poincaré konečne dokázal nezlučiteľnosť Planckovej formuly a klasickej mechaniky. Na to, aby fyzici mohli pochopiť tieto nezvyčajné javy, boli potrebné nové koncepty, nové myšlienky a nový vedecký jazyk. To všetko sa objavilo až neskôr – spolu so vznikom a rozvojom kvantovej mechaniky.
Kapitola II Problémy kvantovej mechaniky……………………………………………….13
1.3 Vytvorenie nerelativistickej kvantovej mechaniky………………...13
1.4 Problém interpretácie kvantovej mechaniky............16
Záver……………………………………………………………………………………… 19
Zoznam referencií………………………………………………………………………...20
E.S.,
, Mestský vzdelávací ústav stredná škola č. 16 s UIOP, Lysva, Permský kraj.
Zrodenie kvantovej fyziky
Nájdite začiatok všetkého a veľa pochopíte!
Kozma Prutkov
Vzdelávací cieľ lekcie: zaviesť pojem diskrétnosti hmoty, formulovať koncept kvantovo-vlnového dualizmu hmoty, zdôvodniť zavedenie Planckových vzorcov a de Broglieho vlnovej dĺžky.
Rozvojový cieľ lekcie: rozvíjať logické myslenie, schopnosť porovnávať a analyzovať situácie a vidieť interdisciplinárne súvislosti.
Vzdelávací cieľ lekcie: formovať dialekticko-materialistické myslenie.
Fyzika ako veda má univerzálne ľudské hodnoty a obrovský humanitárny potenciál. Pri jeho štúdiu sa odhaľujú základné vedecké metódy (vedecký experiment, modelovanie, myšlienkový experiment, tvorba a štruktúra vedeckej teórie). Študenti musia dostať príležitosť pozrieť sa na svet očami fyzika, aby pochopili večnosť a neustálu zmenu sveta - sveta, v ktorom je toho tak veľa, čo je obrovské a bezvýznamne malé, veľmi rýchle a nezvyčajne pomalé. , jednoduché a ťažko pochopiteľné - cítiť neustálu túžbu človeka po poznaní, ktoré prináša najhlbšie uspokojenie, zoznámiť sa s príkladmi hlbokých skúseností „vedeckých pochybností“ a odvážneho pohybu po neznámej ceste pri hľadaní elegancie, stručnosti a jasnosti .
ja učiteľ. Keď sme začali študovať optiku, položil som otázku: „Čo je svetlo? Ako by ste odpovedali teraz? Skúste svoju myšlienku sformulovať jednou vetou. Začnite slovami „svetlo je...“ Od F.I. Tyutchev má tieto riadky: "Opäť s chamtivými očami // pijem životodarné svetlo." Skúste prosím okomentovať tieto riadky z fyzikálneho hľadiska. V poézii – od Homéra až po súčasnosť – sa vnemom generovaným svetlom vždy pripisovalo osobitné miesto. Básnici najčastejšie vnímali svetlo ako zvláštnu svietiacu, žiariacu kvapalinu.
Aby bol dnešný rozhovor o svetle úplný, rád by som si prečítal slová S.I. Vavilová: „Nepretržitá, víťazná vojna za pravdu, ktorá nikdy nekončia konečným víťazstvom, má však svoje neodškriepiteľné opodstatnenie. Na ceste k pochopeniu podstaty svetla dostal človek mikroskopy, teleskopy, diaľkomery, rádiá a röntgenové lúče; tento výskum pomohol zvládnuť energiu atómového jadra. Pri hľadaní pravdy človek neobmedzene rozširuje oblasti svojho ovládnutia prírody. Nie je toto skutočnou úlohou vedy? (zvýraznite môj. – EÚ.)»
II. učiteľ. V procese štúdia fyziky sme sa zoznámili s mnohými teóriami, napr. MCT, termodynamikou, Maxwellovou teóriou elektromagnetického poľa atď. Dnes dokončujeme štúdium vlnovej optiky. Musíme zhrnúť štúdium témy a možno na záver položiť otázku: „Čo je svetlo? Mohli by ste použiť príklady z vlnovej optiky, aby ste ukázali úlohu teórie v procese chápania prírody?
Pripomeňme si, že význam teórie nespočíva len v tom, že umožňuje vysvetliť mnohé javy, ale aj v tom, že umožňuje predpovedať nové, zatiaľ nepoznané fyzikálne javy, vlastnosti telies a obrazcov. Vlnová teória teda vysvetlila javy interferencie, difrakcie, polarizácie, lomu, disperzie svetla a umožnila urobiť „objav na špičke pera“ - predpoveď. V roku 1815 neznámy inžinier na dôchodku, Augustin Fresnel, predložil parížskej akadémii vied dokument vysvetľujúci fenomén difrakcie. Rozborom diela boli poverení známi vedci – fyzik D. Arago a matematik S. Poisson. Poisson pri čítaní tohto diela s vášňou objavil vo Fresnelových záveroch očividnú absurditu: ak je malý okrúhly terč umiestnený v prúde svetla, potom by sa v strede tieňa mala objaviť svetelná škvrna! Čo si myslíte, že sa stalo potom? O niekoľko dní neskôr Arago experimentoval a zistil, že Fresnel mal pravdu! Takže 19. storočie je storočím triumfu vlnovej optiky.
čo je svetlo? Svetlo je elektromagnetické priečne vlnenie.
Po ukončení štúdia veľkej časti fyziky súvisiacej s povahou svetla a elektromagnetických vĺn navrhujem samostatne dokončiť testovaciu úlohu „Elektromagnetické vlny“ (pozri prílohu 1). Vykonávanie kontrolujeme frontálne.
III. učiteľ. A tu je to, čo londýnske noviny napísali v predvečer roku 1900: „Keď sa v uliciach Londýna rozsvietilo sviatočné osvetlenie jasných žiaroviek namiesto slabých olejových misiek, taxíky jazdili jeden za druhým k starobylej budove na Fleet Street. Ctihodní páni oblečení v róbach vystúpili po širokom, jasne osvetlenom schodisku do haly. Potom sa členovia Kráľovskej spoločnosti v Londýne zhromaždili na svojom ďalšom stretnutí. Vysoký, sivovlasý, s hustou bradou, Sir William Thomson (viete o jeho úspechoch v oblasti fyziky? - EÚ.), pred ôsmimi rokmi udelila z rúk kráľovnej Viktórie titul peer a lord Kelvin (je vám toto meno povedomé? - EÚ.), a teraz predseda spoločnosti, začal svoj novoročný prejav. Veľký fyzik 19. storočia zaznamenal úspechy dosiahnuté za uplynulé storočie, vymenoval zásluhy prítomných...
Zhromaždení súhlasne prikývli hlavami. Aby som bol skromný, odviedli dobrú prácu. A Sir William mal pravdu, keď povedal, že veľká stavba fyziky bola postavená, že zostali len malé dokončovacie úpravy.
Pravda (Lord Kelvin na chvíľu prerušil svoju reč), v bezoblačnom horizonte fyziky sú dva malé obláčiky, dva problémy, ktoré ešte nenašli vysvetlenie z hľadiska klasickej fyziky... Ale tieto javy sú dočasné a prchavé. Pokojne usadení v starožitných stoličkách s vysokými operadlami sa páni usmievali. Každý vedel, o čom hovoríme:
1) klasická fyzika nedokázala vysvetliť Michelsonove experimenty, ktoré neurčili vplyv pohybu Zeme na rýchlosť svetla. Vo všetkých referenčných systémoch (v pohybe aj v pokoji vzhľadom k Zemi) je rýchlosť svetla rovnaká – 300 000 km/s;
2) klasická fyzika nedokázala vysvetliť graf žiarenia čierneho telesa získaný experimentálne.
Sir William si ani nevedel predstaviť, aký blesk čoskoro udrie z týchto oblakov! Pri pohľade dopredu poviem: riešenie prvého problému povedie k revízii klasických predstáv o priestore a čase, k vytvoreniu teórie relativity povedie k vytvoreniu novej teórie; - kvantový. Toto je riešenie druhého problému, o ktorom sa bude diskutovať v dnešnej lekcii!
IV. (Študenti si do zošitov robia poznámky: Dátum Číslo lekcie Téma lekcie: „Pôvod kvantovej fyziky“.) Na prelome 19. a 20. stor. Vo fyzike sa objavil problém, ktorý bolo potrebné urýchlene vyriešiť: teoretické vysvetlenie grafu žiarenia absolútne čierneho telesa. Čo je dokonalé čierne telo? ( Študentské hypotézy. Ukážka videoklipu „Thermal Radiation“ .)
učiteľ. Napíšte: „Úplne čierne teleso je teleso schopné bez odrazu absorbovať celý tok dopadajúceho žiarenia, všetky elektromagnetické vlny akejkoľvek vlnovej dĺžky (akejkoľvek frekvencie).
Ale absolútne čierne telesá majú ešte jednu vlastnosť. Pamätáte si, prečo ľudia s čiernou kožou žijú na rovníkových územiach? „Čierne telesá, ak sa zahrejú, budú žiariť jasnejšie ako akékoľvek iné teleso, to znamená, že vyžarujú energiu vo všetkých frekvenčných rozsahoch,“ zapíšte si to do svojich zápisníkov.
Vedci experimentálne určili spektrum žiarenia úplne čierneho telesa. ( Nakreslí graf.) Rν – spektrálna hustota energetickej svietivosti – energia elektromagnetického žiarenia vyžiareného za jednotku času z jednotkovej plochy povrchu telesa v intervale jednotkovej frekvencie ν. Maxwellova teória elektromagnetického poľa predpovedala existenciu elektromagnetických vĺn, ale teoretická krivka žiarenia čierneho telesa skonštruovaná na základe tejto teórie mala nesúlad s experimentálnou krivkou v oblasti vysokých frekvencií. Na probléme pracovali najlepšie mysle tej doby: anglický lord Rayleigh a J. Jeans, Nemci P. Kirchhoff a V. Wien, moskovský profesor V.A. Mikhelson. Nič nefungovalo!
Ponúknite východisko zo súčasnej situácie. Teoretická krivka sa líši od experimentálnej. Ako byť a čo robiť? ( Žiaci vyjadrujú hypotézy: experimenty vykonávajte opatrnejšie – urobili, výsledok je rovnaký; zmeniť teóriu - ale to je katastrofa, celý základ klasickej fyziky, ktorý vznikal tisíce rokov, sa zrúti!) Vzniknutá situácia vo fyzike bola tzv ultrafialová katastrofa.
Napíšte: „Metódy klasickej fyziky sa ukázali ako nedostatočné na vysvetlenie žiarenia úplne čierneho telesa vo vysokofrekvenčnej oblasti – bola to „ultrafialová katastrofa“.
Kto uhádne, prečo bola táto kríza pomenovaná ultrafialová katastrofa, a nie infračervené alebo fialové? Vo fyzike vypukla kríza! Grécke slovo κρίση [ kríza] označujú ťažký prechod z jedného stabilného stavu do druhého. Problém bolo potrebné vyriešiť a vyriešiť urýchlene!
V.učiteľ. A tak 19. októbra 1900 na stretnutí fyzikálnej spoločnosti nemecký vedec M. Planck navrhol použiť vzorec na výpočet žiarenia absolútne čierneho telesa E = hν. Planckov priateľ a kolega Heinrich Rubens sedel celú noc za stolom, porovnával svoje merania s výsledkami danými Planckovým vzorcom a bol ohromený: vzorec jeho priateľa opísal spektrum žiarenia absolútne čierneho telesa do najmenších detailov! Planckov vzorec teda odstránil „ultrafialovú katastrofu“, ale za akú cenu! Planck navrhol, na rozdiel od zavedených názorov, uvažovať o tom, že emisia žiarivej energie atómami hmoty prebieha diskrétne, to znamená po častiach, kvantách. "Kvantové" ( kvant) v preklade z latinčiny jednoducho znamená množstvo .
Čo znamená „diskrétne“? Urobme myšlienkový experiment. Predstavte si, že máte v rukách nádobu plnú vody. Je možné odliať polovicu? Čo tak si dať dúšok? A ešte menej? V zásade je možné znížiť alebo zvýšiť hmotnosť vody o ľubovoľne malé množstvo. Teraz si predstavme, že máme v rukách škatuľu detských kociek po 100 g. Je možné znížiť napríklad 370 g? Nie! Kocky nemôžete rozbiť! Preto sa hmotnosť škatuľky môže meniť diskrétne, iba v porciách, ktoré sú násobkom 100 g! Najmenšie množstvo, o ktoré možno zmeniť hmotnosť škatule, možno nazvať porcia, alebo kvantum hmoty.
Nepretržitý tok energie zo zahriateho čierneho telesa sa tak zmenil na „výbuch guľometu“ oddelených častí - energetických kvánt. Nevyzeralo by to nič zvláštne. Ale v skutočnosti to znamenalo zničenie celej vynikajúco postavenej budovy klasickej fyziky, pretože namiesto základných základných zákonov postavených na princípe kontinuity navrhol Planck princíp diskrétnosti. Samotnému Planckovi sa nepáčila myšlienka diskrétnosti. Snažil sa formulovať teóriu tak, aby úplne zapadala do rámca klasickej fyziky.
No bol tu človek, ktorý, naopak, ešte rozhodnejšie zašiel za hranice klasických predstáv. Tento muž bol A. Einstein. Aby ste pochopili revolučnosť Einsteinových názorov, poviem len toľko, že pomocou Planckovej myšlienky položil základy teórie laserov (kvantových generátorov) a princípu využívania atómovej energie.
Akademik S.I. Vavilov si veľmi dlho nemohol zvyknúť na myšlienku svetla ako látky kvanta, ale stal sa horlivým obdivovateľom tejto hypotézy a dokonca prišiel na spôsob, ako kvantá pozorovať. Vypočítal, že oko je schopné rozlíšiť osvetlenie vytvorené 52 kvantami zeleného svetla.
Takže podľa Plancka je svetlo... ( študentské výpovede).
VI. učiteľ. Nepripomína vám Planckova hypotéza už známu hypotézu o povahe svetla? Sir Isaac Newton navrhol považovať svetlo za pozostávajúce z malých častíc - teliesok. Akékoľvek svietiace teleso ich vyžaruje do všetkých strán. Letia v priamych líniách a ak nám zasiahnu oči, vidíme ich zdroj. Každá farba zodpovedá svojim vlastným krvinkám a líšia sa pravdepodobne tým, že majú rôznu hmotnosť. Kombinovaný tok teliesok vytvára biele svetlo.
V časoch Sira Isaaca Newtona sa fyzika nazývala prírodná filozofia. prečo? Prečítajte si (pozri prílohu 2) jeden zo základných zákonov dialektiky – zákon negácie negácie. Skúste to aplikovať na otázku povahy svetla. ( Úvahy študentov.)
Takže podľa hypotézy M. Plancka je svetlo prúd častíc, častíc, kvantá, z ktorých každá má energiu E = hν. Analyzujte prosím tento vzorec: čo je ν? čo sa stalo h (jeden zo študentov určite navrhne, že ide o nejakú konštantu pomenovanú po Planckovi)? Aká je jednotka Planckovej konštanty? aká je hodnota konštanty ( práca s tabuľkou fyzikálnych konštánt)? Ako sa volá Planckova konštanta? Aký je fyzikálny význam Planckovej konštanty?
Aby sme ocenili krásu Planckovho vzorca, prejdime k problémom... biológii. Žiakov vyzývam, aby odpovedali na otázky z oblasti biológie (príloha 3).
Mechanizmus videnia. Prostredníctvom videnia dostávame asi 90% informácií o svete. Preto otázka mechanizmu videnia ľudí vždy zaujímala. Prečo ľudské oko a vlastne väčšina obyvateľov Zeme vníma len malý rozsah vĺn zo spektra elektromagnetického žiarenia existujúceho v prírode? Čo ak má človek infračervené videnie, napríklad ako hady?
V noci by sme videli, ako cez deň, všetky organické telesá, pretože ich teplota sa líši od teploty neživých telies. No najsilnejším zdrojom takýchto lúčov by pre nás bolo naše vlastné telo. Ak je oko citlivé na infračervené žiarenie, svetlo Slnka by nám na pozadí jeho vlastného žiarenia jednoducho pohaslo. Nič by sme nevideli, oči by nám boli nanič.
Prečo naše oči nereagujú na infračervené svetlo? Vypočítajme energiu kvantov infračerveného a viditeľného svetla pomocou vzorca:
Energia kvánt IR je menšia ako energia kvánt viditeľného svetla. Viaceré kvantá sa nemôžu „spojiť“, aby spôsobili akciu, ktorá je nad sily jedného kvanta – v mikrosvete existuje interakcia jeden na jedného medzi kvantom a časticou. Len kvantum viditeľného svetla, ktoré má energiu väčšiu ako infračervené svetlo, môže spôsobiť reakciu v molekule rodopsínu, teda tyčinke sietnice. Účinok kvanta viditeľného svetla na sietnicu možno prirovnať k dopadu tenisovej loptičky, ktorá premiestnila... niekoľkoposchodovú budovu. (Citlivosť sietnice je taká vysoká!)
Prečo oko nereaguje na ultrafialové žiarenie? UV žiarenie je tiež pre oko neviditeľné, hoci energia UV kvánt je oveľa väčšia ako energia kvánt viditeľného svetla. Sietnica je citlivá na UV žiarenie, no šošovka ich pohltí, inak by pôsobili deštruktívne.
V procese evolúcie sa oči živých organizmov prispôsobili vnímať energiu žiarenia z najsilnejšieho zdroja na Zemi – Slnka – a práve tých vĺn, ktoré predstavujú maximálnu energiu slnečného žiarenia dopadajúceho na Zem.
Fotosyntéza. V zelených rastlinách sa proces, ktorým všetko živé dostáva kyslík na dýchanie a potravu, nezastaví ani na sekundu. Toto je fotosyntéza. List má zelenú farbu v dôsledku prítomnosti chlorofylu v jeho bunkách. V červenofialovej časti spektra dochádza pod vplyvom žiarenia k fotosyntéznym reakciám a odrazia sa vlny s frekvenciou zodpovedajúcou zelenej časti spektra, takže listy majú zelenú farbu.
Molekuly chlorofylu sú „zodpovedné“ za jedinečný proces premeny svetelnej energie na energiu organických látok. Začína sa absorpciou kvanta svetla molekulou chlorofylu. Absorpcia kvanta svetla vedie k chemickým reakciám fotosyntézy, ktoré zahŕňajú veľa jednotiek.
Celý deň sú molekuly chlorofylu „zaneprázdnené“ tým, že po prijatí kvanta využívajú jeho energiu a premieňajú ju na potenciálnu energiu elektrónu. Ich pôsobenie možno prirovnať k pôsobeniu mechanizmu, ktorý zdvihne guľu po schodisku. Kotúľaním po schodoch loptička stráca svoju energiu, ale nezmizne, ale mení sa na vnútornú energiu látok vznikajúcich počas fotosyntézy.
Molekuly chlorofylu „fungujú“ iba počas denného svetla, keď na ne dopadá viditeľné svetlo. V noci „odpočívajú“, napriek tomu, že nie je nedostatok elektromagnetického žiarenia: Zem a rastliny vyžarujú infračervené svetlo, ale energia kvanta v tomto rozsahu je menšia ako energia potrebná na fotosyntézu. Rastliny sa v procese evolúcie prispôsobili akumulácii energie najvýkonnejšieho zdroja energie na Zemi – Slnka.
Dedičnosť.(Študenti odpovedajú na otázky 1–3 z prílohy 3, karta „Dedičnosť“). Dedičné vlastnosti organizmov sú zakódované v molekulách DNA a prenášajú sa z generácie na generáciu matricovým spôsobom. Ako spôsobiť mutáciu? Pod vplyvom akého žiarenia prebieha proces mutácie?
Na vyvolanie jedinej mutácie je potrebné dodať molekule DNA energiu dostatočnú na zmenu štruktúry niektorej časti génu DNA. Je známe, že γ-kvanta a röntgenové lúče, ako to uvádzajú biológovia, vysoko mutagénne– ich kvantá nesú energiu dostatočnú na zmenu štruktúry úseku DNA. IR žiarenie, a zjavne nemôže urobiť takúto akciu, ich frekvencia, a teda ich energia, je príliš nízka. Ak by sa energia elektromagnetického poľa absorbovala nie po častiach, ale nepretržite, potom by tieto žiarenia boli schopné ovplyvňovať DNA, pretože vo vzťahu k jej reprodukčným bunkám je samotný organizmus najbližším a najsilnejším, neustále fungujúcim zdrojom žiarenia.
Do začiatku 30. rokov. XX storočia Vďaka úspechom kvantovej mechaniky mali fyzici pocit takej sily, že sa obrátili k samotnému životu. V genetike bolo veľa podobností. Biológovia objavili diskrétnu nedeliteľnú časticu - gén - ktorý sa môže pohybovať z jedného stavu do druhého. Zmeny v konfigurácii génov sú spojené so zmenami v chromozómoch, čo spôsobuje mutácie, a to sa ukázalo ako možné vysvetliť na základe kvantových konceptov. Jedným zo zakladateľov molekulárnej biológie, ktorý dostal Nobelovu cenu za výskum v oblasti mutačných procesov v baktériách a bakteriofágoch, bol nemecký teoretický fyzik M. Delbrück. V roku 1944 vyšla krátka kniha fyzika E. Schrödingera „Čo je život?“. Poskytla jasnú a stručnú prezentáciu základov genetiky a odhalila spojenie medzi genetikou a kvantovou mechanikou. Kniha dala impulz útoku fyzikov na gen. Vďaka práci amerických fyzikov J. Watsona, F. Cricka, M. Wilkinsa sa biológovia dozvedeli, ako je „štruktúrovaná“ najzákladnejšia „živá“ molekula, DNA. Röntgenová difrakčná analýza to umožnila vidieť.
VII. učiteľ. Vrátim sa k otázke: čo je svetlo? ( Študent odpovedá.) Ukazuje sa, že fyzika sa vrátila k newtonovskej častici svetla - teliesku - odmietajúc myšlienku svetla ako vlny? Nie! Je nemožné vyškrtnúť celé dedičstvo vlnovej teórie svetla! Veď už dávno sú známe difrakcie, interferencie a mnohé ďalšie javy, ktoré experimentálne potvrdzujú, že svetlo je vlnenie. Čo mám robiť? ( Študentské hypotézy.)
Zostáva len jediné: nejako spojiť vlny s časticami. Uvedomte si, že existuje jeden okruh javov, kde svetlo vykazuje vlnové vlastnosti, a ďalší okruh, v ktorom je na prvom mieste korpuskulárna podstata svetla. Inými slovami – zapíšte si to! – svetlo má kvantová vlnová dualita! Toto je duálna povaha svetla. Pre fyzikov bolo veľmi ťažké spojiť dve dovtedy nezlučiteľné myšlienky do jednej. Častica je niečo pevné, nemenné, majúce určitú veľkosť, obmedzené v priestore. Vlna je niečo plynulé, nestabilné, bez jasných hraníc. Viac-menej jasne boli tieto myšlienky spojené pomocou konceptu vlnového balíka. Je to niečo ako vlna „odrezaná“ na oboch koncoch, alebo skôr zhluk vĺn putujúcich priestorom ako jeden celok. Zrazenina sa môže zmenšiť alebo natiahnuť v závislosti od prostredia, do ktorého sa dostane. Pripomína letiacu pružinu.
Aká charakteristika vlnového balíka sa mení, keď svetlo prechádza z jedného média do druhého? ( Študent odpovedá.)
V roku 1927 americký fyzik Lewis navrhol nazvať tento vlnový balík fotón(z gréčtiny φωτóς [phos, fotky] – ). Čo je to fotón? ( Žiaci pracujú s učebnicou a vyvodzujú závery.)
Závery. Fotón je: kvantum elektromagnetického žiarenia, bezhmotná častica, fotón v pokoji neexistuje, častica pohybujúca sa vo vákuu rýchlosťou svetla c= 3 10 8 m/s je jeden celok a nedeliteľný, existencia zlomkovej časti fotónu je nemožná; E = hν, kde h= 6,63.10-34 J.s; ν je frekvencia svetla častica s hybnosťou je elektricky neutrálna častica.
Svet je štruktúrovaný tak, že svetlo nám najčastejšie ukazuje vlnovú povahu, kým nezohľadníme jeho interakciu s hmotou. A hmota sa pred nami objavuje v korpuskulárnej forme, kým nezačneme uvažovať o povahe medziatómových väzieb, prenosových procesoch, elektrickom odpore atď. Ale bez ohľadu na našu polohu v každom okamihu má mikročastica obe vlastnosti.
Proces vytvárania kvantovej teórie a najmä kvantovej teórie svetla je hlboko dialektický. Myšlienky a obrazy starej, klasickej mechaniky a optiky, obohatené o nové myšlienky, kreatívne aplikované na fyzikálnu realitu, dali nakoniec vzniknúť zásadne novej fyzikálnej teórii.
Cvičenie: Prečítajte si filozofický zákon jednoty a boja protikladov a urobte záver o dvoch teóriách svetla: vlnovej a kvantovej teórii svetla.
VIII. učiteľ. V roku 1924 vyslovil francúzsky fyzik Louis de Broglie (bývalý vojenský rádiotelegrafista) úplne paradoxné, aj pre odvážnych fyzikov tej doby, úvahy o povahe pohybu atómových častíc. De Broglie navrhol, že vlastnosti elektrónov a iných častíc sa v princípe nelíšia od vlastností kvánt! Z toho vyplýva, že aj elektróny a iné častice by mali vykazovať vlnové vlastnosti, že by sa mala napríklad pozorovať difrakcia elektrónov. A skutočne sa zistilo pri pokusoch, ktoré v roku 1927 nezávisle od seba uskutočnili americkí fyzici K.-J. Davisson a L. Germer, sovietsky fyzik P.S. Tartakovskij a anglický fyzik J.-P. Thomson. De Broglieho vlnová dĺžka sa vypočíta podľa vzorca:
Vyriešme úlohy na výpočet de Broglieho vlnovej dĺžky (príloha 4).
Ako ukazujú výpočty, valenčný elektrón sa pohybuje vo vnútri atómu rýchlosťou 0,01 s, sa difraktuje na mriežke iónového kryštálu ako vlna s vlnovou dĺžkou ~10 -10 m a vlnová dĺžka strely letiacej rýchlosťou asi 500 m/s je asi 10 -34 m akýmkoľvek spôsobom, a preto sa guľka správa ako skutočná častica.
Boj medzi myšlienkami diskrétnosti a kontinuity hmoty, ktorý sa viedol od samého začiatku vedy, sa skončil zlúčením oboch myšlienok v myšlienke duálnych vlastností elementárnych častíc. Využitie vlnových vlastností elektrónov umožnilo výrazne zvýšiť rozlišovaciu schopnosť mikroskopov. Vlnová dĺžka elektrónu závisí od rýchlosti, a teda od napätia urýchľujúceho elektróny (pozri úlohu 5 v prílohe 4). Vo väčšine elektrónových mikroskopov je de Broglieho vlnová dĺžka stokrát menšia ako vlnová dĺžka svetla. Bolo možné vidieť ešte menšie predmety, až po jednotlivé molekuly.
Zrodila sa vlnová mechanika, základ veľkej stavby kvantovej fyziky. De Broglie položil základy teórie interferencie a difrakcie svetla, dal nové odvodenie Planckovho vzorca a vytvoril hlbokú korešpondenciu medzi pohybom častíc a vlnami s nimi spojenými.
Pri štúdiu akejkoľvek teórie sme si vždy všímali hranice použiteľnosti tejto teórie. Hranice použiteľnosti kvantovej teórie ešte nie sú stanovené, ale jej zákony by sa mali aplikovať na popis pohybu mikročastíc v malých oblastiach priestoru a pri vysokých frekvenciách elektromagnetických vĺn, kedy meracie prístroje umožňujú registrovať jednotlivé kvantá (energie ~10-16 J). Preto na opísanie interakcie hmoty a röntgenového žiarenia, ktorého energia kvánt je o dva rády väčšia ako limit stanovený vyššie, je potrebné použiť zákony kvantovej fyziky a opísať vlastnosti rádiové vlny, úplne postačujú zákony klasickej elektrodynamiky. Malo by sa pamätať na to, že hlavným „testovacím priestorom“ pre kvantovú teóriu je fyzika atómu a atómového jadra.
Na záver dnešnej lekcie vám ešte raz položím otázku: čo je svetlo? ( Študent odpovedá.)
Literatúra
- Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B. fyzika. 11. ročník: vzdelávací. pre inštitúcie všeobecného vzdelávania: základné a odborné. úrovne. M.: Vzdelávanie, 2009.
- Video encyklopédia pre verejné vzdelávanie. Lennauchfilm. Videoštúdio "Kvart". [Elektronický zdroj] Kazeta č. 2 „Tepelné žiarenie“.
- Tomilin A.N. Pri hľadaní pôvodu: vedecko-pop. vydanie. L.: Det. literatúra, 1990.
- Kvantová mechanika. Kvantová elektrodynamika // Encykl. sl. mladý fyzik / Comp. V.A. Čujanov. M.: Pedagogika, 1984.
- Koltun M. Svet fyziky. M.: Det. literatúra, 1984.
- Solopov E.F. Filozofia: učebnica. pomoc pre študentov vyššie učebnica prevádzkarní. M.: Vladoš, 2003.
- Ilčenko V.R. Križovatky fyziky, chémie, biológie: kniha. pre študentov. M.: Vzdelávanie, 1986.
- Katz Ts.B. Biofyzika na hodinách fyziky: kniha. pre učiteľa. M.: Vzdelávanie, 1988.
Elena Stepanovna Uvitskaya– učiteľ fyziky najvyššej kvalifikačnej kategórie, vyštudoval Štátny pedagogický inštitút v Tule pomenovaný po. L.N. Tolstého v roku 1977 a bola pridelená na Ural, do malého priemyselného mestečka Lysva, kde dodnes pracuje. Čestný pracovník všeobecného vzdelávania Ruskej federácie, víťaz celoruskej súťaže pre učiteľov fyziky a matematiky (Dynasty Foundation). Absolventi už mnoho rokov úspešne absolvujú jednotnú štátnu skúšku a vstupujú na univerzity v Moskve, Petrohrade, Jekaterinburgu a Perme. Raz, po prečítaní o Smaragdovej doske, ma zarazila aktuálna aktuálnosť myšlienky legendárneho Herma: každá vec, objekt, proces v našom vesmíre nesie rysy jeden druhého a jedného celku. Odvtedy venuje veľkú pozornosť interdisciplinárnym prepojeniam a analógiám: fyzike a biológii, fyzike a matematike, fyzike a literatúre a teraz fyzike a anglickému jazyku. Venuje sa vedeckej práci so žiakmi najmä na základnej škole: kde žije elektrina? Prečo je obyčajná voda taká nezvyčajná? Aké to je, tajomný svet hviezd? Rodina má dvoch synov, obaja vyštudovali Permskú štátnu technickú univerzitu. Junior je inžinier, senior učiteľ karate-do, má čierny pás, druhý dan, niekoľkonásobný majster Ruska, účastník MS v Japonsku. Úspech učiteľky by bol nemožný bez pomoci jej manžela, elektrotechnického inžiniera, ktorý sa učil: vyvíjať a vykonávať experimenty, vytvárať nové zariadenia a jednoducho podporovať a rady, ktoré pomáhajú v rôznych životných situáciách.
Všetky aplikácie sú uvedené v . – Ed.
Úlohu Maxwellovej teórie najlepšie vyjadril známy fyzik Robert Feynman: „V histórii ľudstva (ak sa na to pozrieme povedzme o 10 000 rokov) bude nepochybne najvýznamnejšou udalosťou 19. storočia Maxwellov objav zákony elektrodynamiky. Na pozadí tohto dôležitého vedeckého objavu bude americká občianska vojna v tom istom desaťročí vyzerať ako menší provinčný incident.“
Planck dlho váhal, či si vybrať humanitné vedy alebo fyziku. Všetky Planckove diela sa vyznačujú pôvabom a krásou. A. Einstein o nich napísal: „Pri štúdiu jeho diel nadobudne človek dojem, že požiadavka umenia je jedným z hlavných prameňov jeho tvorivosti.“
V roku 1935, keď boli kvantová mechanika a Einsteinova všeobecná teória relativity veľmi mladé, nie príliš známy sovietsky fyzik Matvei Bronstein vo veku 28 rokov vykonal prvú podrobnú štúdiu o zosúladení týchto dvoch teórií v kvantovej teórii gravitácia. Táto „možno teória celého sveta“, ako napísal Bronstein, by mohla nahradiť Einsteinov klasický opis gravitácie, v ktorom je gravitácia vnímaná ako krivky v časopriestorovom kontinuu, a prepísať ju do kvantového jazyka, ako zvyšok fyziky.
Bronstein prišiel na to, ako opísať gravitáciu pomocou kvantovaných častíc, ktoré sa teraz nazývajú gravitóny, ale iba vtedy, keď je sila gravitácie slabá – teda (vo všeobecnej teórii relativity), keď je časopriestor tak mierne zakrivený, že je v podstate plochý. Keď je gravitácia silná, „situácia je úplne iná,“ napísal vedec. "Bez hlbokej revízie klasických konceptov sa zdá takmer nemožné predstaviť si kvantovú teóriu gravitácie v tejto oblasti."
Jeho slová boli prorocké. O 83 rokov neskôr sa fyzici stále snažia pochopiť, ako sa zakrivenie časopriestoru prejavuje na makroskopických mierkach, ktoré vyplývajú zo zásadnejšieho a pravdepodobne kvantového obrazu gravitácie; Toto je možno najhlbšia otázka vo fyzike. Možno, ak by bola šanca, Bronsteinova bystrá myseľ by urýchlila proces tohto hľadania. Okrem kvantovej gravitácie prispel aj k astrofyzike a kozmológii, teórii polovodičov, kvantovej elektrodynamike a napísal niekoľko kníh pre deti. V roku 1938 sa dostal pod Stalinove represie a ako 31-ročný bol popravený.
Hľadanie úplnej teórie kvantovej gravitácie komplikuje fakt, že kvantové vlastnosti gravitácie sa v reálnej skúsenosti nikdy neprejavia. Fyzici nevidia, ako je narušený Einsteinov popis hladkého časopriestorového kontinua alebo jeho kvantová aproximácia v mierne zakrivenom stave.
Problémom je extrémna slabosť gravitačnej sily. Kým kvantované častice, ktoré prenášajú silné, slabé a elektromagnetické sily, sú také silné, že pevne viažu hmotu na atómy a dajú sa skúmať doslova pod lupou, jednotlivé gravitóny sú také slabé, že ich laboratóriá nemajú šancu odhaliť. Aby bola vysoká pravdepodobnosť zachytenia gravitónu, detektor častíc by musel byť taký veľký a masívny, aby sa zrútil do čiernej diery. Táto slabosť vysvetľuje, prečo sú potrebné astronomické akumulácie hmoty na ovplyvnenie iných masívnych telies prostredníctvom gravitácie a prečo vidíme gravitačné účinky v obrovských mierkach.
To nie je všetko. Zdá sa, že vesmír podlieha akejsi kozmickej cenzúre: oblasti silnej gravitácie – kde sú časopriestorové krivky také ostré, že Einsteinove rovnice sa rúcajú a treba odhaliť kvantovú povahu gravitácie a časopriestoru – sa vždy skrývajú za horizontom čiernych dier.
„Ešte pred niekoľkými rokmi panoval všeobecný konsenzus, že je s najväčšou pravdepodobnosťou nemožné akýmkoľvek spôsobom zmerať kvantizáciu gravitačného poľa,“ hovorí Igor Pikovský, teoretický fyzik z Harvardskej univerzity.
Teraz to zmenilo niekoľko nedávnych článkov publikovaných vo Physical Review Letters. Tieto dokumenty tvrdia, že je možné dostať sa ku kvantovej gravitácii – dokonca aj bez toho, aby sme o nej niečo vedeli. Články, ktoré napísal Sugato Bose z University College London a Chiara Marletto a Vlatko Vedral z Oxfordskej univerzity, navrhujú technicky náročný, ale uskutočniteľný experiment, ktorý by mohol potvrdiť, že gravitácia je kvantová sila ako všetky ostatné, bez toho, aby sa vyžadovala detekcia gravitónu. . Miles Blencowe, kvantový fyzik z Dartmouth College, ktorý sa na tejto práci nezúčastnil, hovorí, že takýto experiment by mohol odhaliť jasný podpis neviditeľnej kvantovej gravitácie – „úsmev Cheshire Cat“.
Navrhovaný experiment určí, či sa dva objekty – Boseova skupina plánuje použiť pár mikrodiamantov – môžu navzájom kvantovo mechanicky zapletať prostredníctvom vzájomnej gravitačnej príťažlivosti. Zapletenie je kvantový jav, v ktorom sa častice neoddeliteľne prepletú a zdieľajú jeden fyzikálny popis, ktorý definuje ich možné kombinované stavy. (Koexistencia rôznych možných stavov sa nazýva „superpozícia“ a definuje kvantový systém.) Napríklad pár zapletených častíc môže existovať v superpozícii, v ktorej častica A má 50% pravdepodobnosť rotácie zdola nahor a častica B sa bude točiť zhora nadol a s 50% pravdepodobnosťou naopak. Nikto vopred nevie, aký výsledok dostanete pri meraní smeru rotácie častíc, ale môžete si byť istí, že to bude rovnaké aj pre nich.
Autori tvrdia, že dva objekty v navrhovanom experimente sa môžu takto zamotať len vtedy, ak sila pôsobiaca medzi nimi – v tomto prípade gravitácia – je kvantová interakcia sprostredkovaná gravitónmi, ktoré môžu podporovať kvantové superpozície. "Ak sa experiment uskutoční a dosiahne sa zapletenie, podľa práce môžeme dospieť k záveru, že gravitácia je kvantovaná," vysvetlil Blencowe.
Pomýliť diamant
Kvantová gravitácia je taká jemná, že niektorí vedci pochybujú o jej existencii. Renomovaný matematik a fyzik Freeman Dyson (94) od roku 2001 tvrdí, že vesmír by mohol podporovať akýsi „dualistický“ popis, v ktorom by „gravitačné pole opísané Einsteinovou všeobecnou teóriou relativity bolo čisto klasickým poľom bez akéhokoľvek kvantového správania“. , zatiaľ čo všetka hmota v tomto hladkom časopriestorovom kontinuu bude kvantovaná časticami, ktoré sa riadia pravidlami pravdepodobnosti.
Dyson, ktorý pomohol vyvinúť kvantovú elektrodynamiku (teóriu interakcií medzi hmotou a svetlom) a je emeritným profesorom na Inštitúte pre pokročilé štúdium v Princetone, New Jersey, neverí, že kvantová gravitácia je potrebná na opísanie nedosiahnuteľných vnútorných priestorov čiernych dier. . A tiež sa domnieva, že odhaliť hypotetický gravitón môže byť v zásade nemožné. V takom prípade by podľa neho bola kvantová gravitácia metafyzická, nie fyzická.
Nie je jediným skeptikom. Slávny anglický fyzik Sir Roger Penrose a maďarský vedec Lajos Diosi nezávisle navrhli, že časopriestor nemôže podporovať superpozície. Veria, že jeho hladká, tuhá, v podstate klasická povaha mu bráni ohnúť sa do dvoch možných dráh naraz – a práve táto tuhosť vedie ku kolapsu superpozícií kvantových systémov, ako sú elektróny a fotóny. „Gravitačná dekoherencia“ podľa ich názoru umožňuje, aby nastala jediná, pevná, klasická realita, ktorú možno cítiť v makroskopickom meradle.
Zdá sa, že schopnosť nájsť „úsmev“ kvantovej gravitácie vyvracia Dysonov argument. Zabíja tiež teóriu gravitačnej dekoherencie tým, že ukazuje, že gravitácia a časopriestor skutočne podporujú kvantové superpozície.
Návrhy Boseho a Marletta sa objavili súčasne a úplne náhodou, hoci odborníci poznamenávajú, že odrážajú ducha doby. Experimentálne laboratóriá kvantovej fyziky po celom svete vkladajú stále väčšie mikroskopické objekty do kvantových superpozícií a optimalizujú protokoly na testovanie prepletenia dvoch kvantových systémov. Navrhovaný experiment by musel kombinovať tieto postupy, pričom by si vyžadoval ďalšie zlepšenia rozsahu a citlivosti; možno to bude trvať desať rokov. "Ale neexistuje žiadna fyzická slepá ulička," hovorí Pikovský, ktorý tiež skúma, ako by laboratórne experimenty mohli skúmať gravitačné javy. "Myslím si, že je to ťažké, ale nie nemožné."
Tento plán je podrobnejšie načrtnutý v práci Bose et al - Ocean's Eleven Experts for Different Stage of the Návrh. Napríklad vo svojom laboratóriu na univerzite vo Warwicku spoluautor Gavin Morley pracuje na prvom kroku a snaží sa vložiť mikrodiamant do kvantovej superpozície na dvoch miestach. Aby to urobil, obmedzí atóm dusíka v mikrodiamante vedľa prázdneho miesta v štruktúre diamantu (takzvané centrum NV alebo dusíkom substituované prázdne miesto v diamante) a nabije ho mikrovlnným impulzom. Elektrón rotujúci okolo stredu NV súčasne absorbuje svetlo a nie, a systém prejde do kvantovej superpozície dvoch smerov rotácie - hore a dole - ako vrchol, ktorý sa otáča v smere hodinových ručičiek s určitou pravdepodobnosťou a proti smeru hodinových ručičiek s určitou pravdepodobnosťou. Mikrodiamant zaťažený touto superpozičnou rotáciou je vystavený magnetickému poľu, ktoré spôsobí, že horná rotácia sa posunie doľava a spodná rotácia sa posunie doprava. Samotný diamant sa rozdelí na superpozíciu dvoch trajektórií.
V úplnom experimente by to všetko vedci urobili s dvoma diamantmi – napríklad červeným a modrým – umiestnenými vedľa seba v ultra studenom vákuu. Keď je pasca, ktorá ich drží, vypnutá, dva mikrodiamanty, každý v superpozícii dvoch pozícií, padnú vertikálne vo vákuu. Keď budú diamanty padať, pocítia gravitáciu každého z nich. Aká silná bude ich gravitačná sila?
Ak je gravitácia kvantová sila, odpoveď znie: závisí. Každá zložka superpozície modrého diamantu zažije silnejšiu alebo slabšiu príťažlivosť k červenému diamantu, v závislosti od toho, či je tento vo vetve superpozície, ktorá je bližšie alebo vzdialenejšia. A gravitácia, ktorú pocíti každý komponent superpozície červeného diamantu, závisí rovnakým spôsobom od stavu modrého diamantu.
V každom prípade na vyvíjajúce sa zložky diamantových superpozícií pôsobia rôzne stupne gravitačnej príťažlivosti. Tieto dva diamanty sa stanú vzájomne závislými, pretože ich stavy možno určiť iba v kombinácii – ak to znamená – takže smery rotácie dvoch systémov centier NV budú nakoniec korelovať.
Potom, čo mikrodiamanty padajú vedľa seba na tri sekundy – dosť dlho na to, aby sa zaplietli do gravitácie – prejdú cez ďalšie magnetické pole, ktoré spojí vetvy každej superpozície späť k sebe. Posledným krokom experimentu je protokol svedka o zapletení vyvinutý dánskou fyzičkou Barbarou Theralovou a ďalšími: modré a červené diamanty vstupujú do rôznych zariadení, ktoré merajú smery rotácie NV centrálnych systémov. (Meranie spôsobuje, že superpozície sa zrútia do určitých stavov.) Tieto dva výsledky sa potom porovnajú. Vykonaním experimentu znova a znova a porovnaním mnohých párov meraní rotácie môžu vedci určiť, či rotácie dvoch kvantových systémov skutočne korelujú častejšie, ako je horná hranica pre objekty, ktoré nie sú kvantovo mechanicky zapletené. Ak áno, gravitácia skutočne zamotáva diamanty a môže podporovať superpozície.
„Na tomto experimente je zaujímavé, že nemusíte vedieť, čo je kvantová teória,“ hovorí Blencowe. "Všetko, čo je potrebné, je povedať, že v tejto oblasti existuje nejaký kvantový aspekt, ktorý je sprostredkovaný silou medzi dvoma časticami."
Existuje veľa technických ťažkostí. Najväčší objekt, ktorý bol predtým umiestnený v superpozícii na dvoch miestach, bola molekula s 800 atómami. Každý mikrodiamant obsahuje viac ako 100 miliárd atómov uhlíka – dosť na to, aby akumulovalo výraznú gravitačnú silu. Rozbalenie jeho kvantovej mechaniky bude vyžadovať nízke teploty, hlboké vákuum a presné ovládanie. "Je to veľa práce, aby sa počiatočná superpozícia rozbehla," hovorí Peter Barker, súčasť experimentálneho tímu, ktorý vylepšuje techniky chladenia laserom a zachytávania mikrodiamantov. Ak by sa to dalo urobiť s jedným diamantom, dodáva Bose, "druhý by nebol problém."
Čo je na gravitácii jedinečné?
Výskumníci v oblasti kvantovej gravitácie nepochybujú o tom, že gravitácia je kvantová interakcia, ktorá môže spôsobiť zapletenie. Samozrejme, gravitácia je do istej miery jedinečná a o pôvode priestoru a času sa ešte musíme veľa naučiť, ale kvantová mechanika by sa podľa vedcov určite mala zapojiť. „Naozaj, aký zmysel má teória, v ktorej je väčšina fyziky kvantová a gravitácia klasická,“ hovorí Daniel Harlow, výskumník kvantovej gravitácie na MIT. Teoretické argumenty proti zmiešaným kvantovo-klasickým modelom sú veľmi silné (hoci nie sú presvedčivé).
Na druhej strane, teoretici sa už predtým mýlili. „Ak to môžeš skontrolovať, prečo nie? Ak by to zablokovalo týchto ľudí, ktorí spochybňujú kvantovú povahu gravitácie, bolo by to skvelé,“ hovorí Harlow.
Po prečítaní článkov Dyson napísal: „Navrhovaný experiment je určite veľmi zaujímavý a vyžaduje si uskutočnenie v podmienkach skutočného kvantového systému.“ Poznamenáva však, že myšlienkové smery autorov o kvantových poliach sa líšia od jeho. „Nie je mi jasné, či tento experiment dokáže vyriešiť otázku existencie kvantovej gravitácie. Otázka, ktorú som sa pýtal – či je pozorovaný jeden gravitón – je iná otázka a môže mať inú odpoveď.
Myšlienka Bosea, Marletta a ich kolegov o kvantovanej gravitácii vychádza z práce Bronsteina už v roku 1935. (Dyson nazval Bronsteinovo dielo „krásnym dielom“, ktoré ešte nevidel). Najmä Bronstein ukázal, že slabú gravitáciu generovanú malou hmotnosťou možno aproximovať Newtonovým gravitačným zákonom. (Toto je sila, ktorá pôsobí medzi superpozíciami mikrodiamantov). Podľa Blencowea sa výpočty slabej kvantovanej gravitácie nijako zvlášť neuskutočnili, hoci sú určite relevantnejšie ako fyzika čiernych dier alebo Veľký tresk. Dúfa, že nový experimentálny návrh povzbudí teoretikov, aby hľadali jemné vylepšenia Newtonovej aproximácie, ktoré by sa budúce stolové experimenty mohli pokúsiť otestovať.
Leonard Susskind, renomovaný teoretik kvantovej gravitácie a strún na Stanfordskej univerzite, videl hodnotu navrhovaného experimentu, pretože „poskytuje pozorovania gravitácie v novom rozsahu hmotností a vzdialeností“. Ale on a ďalší výskumníci zdôraznili, že mikrodiamanty nemôžu odhaliť nič o úplnej teórii kvantovej gravitácie alebo časopriestoru. On a jeho kolegovia by chceli pochopiť, čo sa deje v strede čiernej diery a v momente Veľkého tresku.
Možno jedným kľúčom k tomu, prečo je kvantovanie gravitácie o toľko ťažšie ako čokoľvek iné, je, že iné prírodné sily majú to, čo sa nazýva „lokality“: kvantové častice v jednej oblasti poľa (napríklad fotóny v elektromagnetickom poli) sú „nezávislé od iné fyzické entity v inej oblasti vesmíru,“ hovorí Mark van Raamsdonk, teoretik kvantovej gravitácie z University of British Columbia. "Ale existuje veľa teoretických dôkazov, že gravitácia takto nefunguje."
V najlepších sandboxových modeloch kvantovej gravitácie (so zjednodušenými časopriestorovými geometriami) nie je možné predpokladať, že stuha časopriestorovej tkaniny je rozdelená na nezávislé trojrozmerné časti, hovorí van Raamsdonk. Namiesto toho moderná teória naznačuje, že základné, základné zložky priestoru sú „organizované skôr dvojrozmerným spôsobom“. Tkanina časopriestoru by mohla byť ako hologram alebo videohra. "Hoci je obraz trojrozmerný, informácie sú uložené na dvojrozmernom počítačovom čipe." V tomto prípade by bol trojrozmerný svet ilúziou v tom zmysle, že jeho rôzne časti nie sú také nezávislé. V analógii videohier môže niekoľko bitov na dvojrozmernom čipe zakódovať globálne funkcie celého herného vesmíru.
A na tomto rozdiele záleží, keď sa pokúšate vytvoriť kvantovú teóriu gravitácie. Zvyčajný prístup ku kvantovaniu niečoho je identifikovať jeho nezávislé časti – napríklad častice – a potom na ne aplikovať kvantovú mechaniku. Ale ak nedefinujete správne komponenty, skončíte s nesprávnymi rovnicami. Priame kvantovanie trojrozmerného priestoru, ktoré chcel Bronstein urobiť, funguje do určitej miery so slabou gravitáciou, ale ukazuje sa ako zbytočné, keď je časopriestor značne zakrivený.
Niektorí odborníci tvrdia, že svedok „úsmevu“ kvantovej gravitácie by mohol viesť k motivácii pre tento druh abstraktného uvažovania. Napokon, ani tie najhlasnejšie teoretické argumenty o existencii kvantovej gravitácie nie sú podložené experimentálnymi faktami. Keď van Raamsdonk vysvetľuje svoj výskum na vedeckom kolokviu, hovorí, že to zvyčajne začína príbehom o tom, ako je potrebné gravitáciu prehodnotiť pomocou kvantovej mechaniky, pretože klasický opis časopriestoru sa rozpadá s čiernymi dierami a Veľkým treskom.
"Ale ak urobíte tento jednoduchý experiment a ukážete, že gravitačné pole bolo v superpozícii, zlyhanie klasického popisu bude zrejmé. Pretože dôjde k experimentu, ktorý naznačuje, že gravitácia je kvantová.“
Na základe materiálov z časopisu Quanta
