Walang sinuman sa mundo ang nakakaintindi ng quantum mechanics - ito ang pangunahing bagay na kailangan mong malaman tungkol dito. Oo, maraming physicist ang natutong gumamit ng mga batas nito at kahit na hulaan ang mga phenomena gamit ang quantum calculations. Ngunit hindi pa rin malinaw kung bakit tinutukoy ng presensya ng isang tagamasid ang kapalaran ng sistema at pinipilit itong gumawa ng isang pagpipilian pabor sa isang estado. Pinili ng "Mga Teorya at Kasanayan" ang mga halimbawa ng mga eksperimento, ang kinalabasan nito ay hindi maiiwasang maimpluwensyahan ng nagmamasid, at sinubukang alamin kung ano ang gagawin ng quantum mechanics sa gayong panghihimasok ng kamalayan sa materyal na katotohanan.
Pusa ni Shroedinger
Ngayon ay maraming mga interpretasyon ng quantum mechanics, ang pinakasikat na nananatiling Copenhagen. Ang mga pangunahing prinsipyo nito ay binuo noong 1920s nina Niels Bohr at Werner Heisenberg. At ang sentral na termino ng interpretasyon ng Copenhagen ay ang wave function - isang mathematical function na naglalaman ng impormasyon tungkol sa lahat ng posibleng estado ng isang quantum system kung saan ito ay namamalagi nang sabay-sabay.
Ayon sa interpretasyon ng Copenhagen, ang pagmamasid lamang ang mapagkakatiwalaang matukoy ang estado ng isang sistema at makilala ito mula sa iba (ang function ng wave ay nakakatulong lamang upang makalkula sa matematika ang posibilidad ng pag-detect ng isang sistema sa isang partikular na estado). Masasabi natin na pagkatapos ng obserbasyon, ang isang quantum system ay nagiging klasikal: agad itong huminto sa magkakasamang pamumuhay sa maraming estado nang sabay-sabay sa pabor sa isa sa kanila.
Ang diskarte na ito ay palaging may mga kalaban nito (tandaan, halimbawa, "Ang Diyos ay hindi naglalaro ng dice" ni Albert Einstein), ngunit ang katumpakan ng mga kalkulasyon at mga hula ay naging sanhi ng epekto nito. Gayunpaman, kamakailan lamang ay may mas kaunti at mas kaunting mga tagasuporta ng interpretasyon ng Copenhagen, at hindi ang pinakamaliit na dahilan para dito ay ang napaka misteryosong agarang pagbagsak ng function ng alon sa panahon ng pagsukat. Ang sikat na eksperimento sa pag-iisip ni Erwin Schrödinger sa mahirap na pusa ay tiyak na nilayon upang ipakita ang kahangalan ng hindi pangkaraniwang bagay na ito.
Kaya, alalahanin natin ang mga nilalaman ng eksperimento. Ang isang live na pusa, isang ampoule na may lason at isang tiyak na mekanismo na maaaring random na maglagay ng lason sa aksyon ay inilalagay sa isang itim na kahon. Halimbawa, isang radioactive atom, ang pagkabulok nito ay masisira ang ampoule. Ang eksaktong oras ng pagkabulok ng atom ay hindi alam. Ang kalahating buhay lamang ang nalalaman: ang oras kung kailan magaganap ang pagkabulok na may 50% na posibilidad.
Ito ay lumiliko na para sa isang panlabas na tagamasid, ang pusa sa loob ng kahon ay umiiral sa dalawang estado nang sabay-sabay: ito ay buhay, kung ang lahat ay maayos, o patay, kung ang pagkabulok ay naganap at ang ampoule ay nasira. Ang parehong mga estadong ito ay inilalarawan ng pag-andar ng alon ng pusa, na nagbabago sa paglipas ng panahon: mas malayo, mas malaki ang posibilidad na naganap na ang radioactive decay. Ngunit sa sandaling mabuksan ang kahon, bumagsak ang pag-andar ng alon at agad nating nakikita ang kinalabasan ng eksperimento ng knacker.
Ito ay lumalabas na hanggang sa buksan ng tagamasid ang kahon, ang pusa ay magpakailanman na balanse sa hangganan sa pagitan ng buhay at kamatayan, at tanging ang aksyon ng tagamasid ang matukoy ang kapalaran nito. Ito ang kahangalan na itinuro ni Schrödinger.
Electron diffraction
Ayon sa isang survey ng mga nangungunang physicist na isinagawa ng The New York Times, ang eksperimento sa electron diffraction, na isinagawa noong 1961 ni Klaus Jenson, ay naging isa sa pinakamaganda sa kasaysayan ng agham. Ano ang kakanyahan nito?
Mayroong isang pinagmulan na nagpapalabas ng daloy ng mga electron patungo sa isang photographic plate screen. At mayroong isang balakid sa paraan ng mga electron na ito - isang tansong plato na may dalawang slits. Anong uri ng larawan ang maaari mong asahan sa screen kung sa tingin mo ng mga electron ay maliit lamang na may charge na bola? Dalawang iluminadong guhit sa tapat ng mga hiwa.
Sa katotohanan, lumilitaw sa screen ang isang mas kumplikadong pattern ng alternating black and white stripes. Ang katotohanan ay na kapag dumadaan sa mga slits, ang mga electron ay nagsisimulang kumilos hindi tulad ng mga particle, ngunit tulad ng mga alon (tulad ng mga photon, mga particle ng liwanag, ay maaaring sabay na maging mga alon). Pagkatapos ang mga alon na ito ay nakikipag-ugnayan sa kalawakan, nagpapahina at nagpapalakas sa isa't isa sa ilang mga lugar, at bilang isang resulta ng isang kumplikadong larawan ng alternating liwanag at madilim na guhitan ay lilitaw sa screen.
Sa kasong ito, ang resulta ng eksperimento ay hindi nagbabago, at kung ang mga electron ay ipinadala sa pamamagitan ng slit hindi sa isang tuluy-tuloy na daloy, ngunit isa-isa, kahit na isang particle ay maaaring sabay na maging isang alon. Kahit na ang isang electron ay maaaring sabay na dumaan sa dalawang slits (at ito ay isa pang mahalagang posisyon ng Copenhagen interpretasyon ng quantum mechanics - ang mga bagay ay maaaring sabay na magpakita ng kanilang "karaniwan" na mga katangian ng materyal at kakaibang mga katangian ng alon).
Ngunit ano ang kinalaman ng nagmamasid dito? Sa kabila ng katotohanan na ang kanyang naging kumplikadong kuwento ay naging mas kumplikado. Noong, sa mga katulad na eksperimento, sinubukan ng mga physicist na tuklasin sa tulong ng mga instrumento na naghiwa ng electron na aktwal na dumaan, ang larawan sa screen ay nagbago nang malaki at naging "klasikal": dalawang iluminadong lugar sa tapat ng mga slits at walang mga alternating stripes.
Parang ayaw ipakita ng mga electron ang kanilang wave nature sa ilalim ng maingat na tingin ng nagmamasid. Nag-adjust kami sa kanyang likas na pagnanais na makakita ng isang simple at maliwanag na larawan. Mystic? Mayroong isang mas simpleng paliwanag: walang pagmamasid sa sistema ang maaaring isagawa nang walang pisikal na impluwensya dito. Ngunit babalikan natin ito mamaya.
Pinainit na fullerene
Ang mga eksperimento sa diffraction ng butil ay isinagawa hindi lamang sa mga electron, kundi pati na rin sa mas malalaking bagay. Halimbawa, ang fullerenes ay malalaki at saradong molekula na binubuo ng dose-dosenang carbon atoms (halimbawa, ang fullerene ng animnapung carbon atoms ay halos kapareho ng hugis sa soccer ball: isang guwang na globo na pinagsama-sama mula sa mga pentagons at hexagons).
Kamakailan, sinubukan ng isang grupo mula sa Unibersidad ng Vienna, na pinamumunuan ni Propesor Zeilinger, na ipakilala ang isang elemento ng pagmamasid sa naturang mga eksperimento. Upang gawin ito, pina-irradiated nila ang gumagalaw na mga molekula ng fullerene na may laser beam. Pagkatapos, pinainit ng panlabas na impluwensya, ang mga molekula ay nagsimulang lumiwanag at sa gayon ay hindi maiiwasang ihayag sa tagamasid ang kanilang lugar sa kalawakan.
Kasabay ng pagbabagong ito, nagbago din ang pag-uugali ng mga molekula. Bago magsimula ang kabuuang pagsubaybay, matagumpay na nalampasan ng mga fullerenes ang mga hadlang (nagpakita ng mga katangian ng wave) tulad ng mga electron mula sa nakaraang halimbawa na dumadaan sa isang opaque na screen. Ngunit nang maglaon, sa hitsura ng isang tagamasid, ang mga fullerenes ay huminahon at nagsimulang kumilos tulad ng ganap na pagsunod sa batas na mga particle ng bagay.
Dimensyon ng paglamig
Ang isa sa mga pinakatanyag na batas ng mundo ng quantum ay ang prinsipyo ng kawalan ng katiyakan ni Heisenberg: imposibleng sabay na matukoy ang posisyon at bilis ng isang bagay na quantum. Kung mas tumpak nating sinusukat ang momentum ng isang particle, hindi gaanong masusukat ang posisyon nito. Ngunit ang mga epekto ng quantum laws na tumatakbo sa antas ng maliliit na particle ay karaniwang hindi napapansin sa ating mundo ng malalaking macro object.
Samakatuwid, ang mas mahalaga ay ang mga kamakailang eksperimento ng grupo ni Propesor Schwab mula sa USA, kung saan ang mga quantum effect ay ipinakita hindi sa antas ng parehong mga electron o fullerene molecule (ang kanilang katangian na diameter ay halos 1 nm), ngunit sa isang bahagyang mas nasasalat. bagay - isang maliit na strip ng aluminyo.
Ang strip na ito ay na-secure sa magkabilang panig upang ang gitna nito ay nasuspinde at maaaring mag-vibrate sa ilalim ng panlabas na impluwensya. Bilang karagdagan, sa tabi ng strip ay mayroong isang aparato na may kakayahang i-record ang posisyon nito na may mataas na katumpakan.
Bilang resulta, natuklasan ng mga eksperimento ang dalawang kawili-wiling epekto. Una, ang anumang pagsukat ng posisyon ng bagay o pagmamasid sa strip ay hindi pumasa nang hindi nag-iiwan ng bakas para sa kanya - pagkatapos ng bawat pagsukat ang posisyon ng strip ay nagbago. Sa halos pagsasalita, tinutukoy ng mga eksperimento ang mga coordinate ng strip na may mahusay na katumpakan at sa gayon, ayon sa prinsipyo ng Heisenberg, binago ang bilis nito, at samakatuwid ay ang kasunod na posisyon nito.
Pangalawa, at medyo hindi inaasahan, ang ilang mga sukat ay humantong din sa paglamig ng strip. Lumalabas na ang isang tagamasid ay maaaring baguhin ang pisikal na katangian ng mga bagay sa pamamagitan lamang ng kanyang presensya. Ito ay ganap na hindi kapani-paniwala, ngunit sa kredito ng mga physicist, sabihin nating hindi sila nalugi - ngayon ay iniisip ng grupo ni Propesor Schwab kung paano ilapat ang natuklasang epekto sa paglamig ng mga electronic chips.
Nagyeyelong mga particle
Tulad ng alam mo, ang hindi matatag na mga radioactive na particle ay nabubulok sa mundo hindi lamang para sa kapakanan ng mga eksperimento sa mga pusa, kundi pati na rin ganap sa kanilang sarili. Bukod dito, ang bawat butil ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang average na buhay, na, ito ay lumiliko, ay maaaring tumaas sa ilalim ng maingat na tingin ng nagmamasid.
Ang quantum effect na ito ay unang hinulaang pabalik noong 1960s, at ang makikinang na eksperimentong kumpirmasyon nito ay lumitaw sa isang papel na inilathala noong 2006 ng grupo ng Nobel laureate physicist na si Wolfgang Ketterle sa Massachusetts Institute of Technology.
Sa gawaing ito, pinag-aralan namin ang pagkabulok ng hindi matatag na excited rubidium atoms (pagkabulok sa rubidium atoms sa ground state at mga photon). Kaagad pagkatapos na maihanda ang sistema at ang mga atomo ay nasasabik, nagsimula silang obserbahan - sila ay iluminado ng isang laser beam. Sa kasong ito, ang pagmamasid ay isinasagawa sa dalawang mga mode: tuloy-tuloy (maliliit na pulso ng ilaw ay patuloy na ibinibigay sa system) at pulsed (ang sistema ay na-irradiated paminsan-minsan na may mas malakas na pulso).
Ang mga resulta na nakuha ay nasa mahusay na kasunduan sa mga teoretikal na hula. Ang mga impluwensya ng panlabas na liwanag ay talagang nagpapabagal sa pagkabulok ng mga particle, na parang ibinabalik ang mga ito sa kanilang orihinal na estado, malayo sa pagkabulok. Bukod dito, ang laki ng epekto para sa dalawang rehimeng pinag-aralan ay kasabay din ng mga hula. At ang maximum na buhay ng hindi matatag na excited rubidium atoms ay pinalawig ng 30 beses.
Quantum mechanics at kamalayan
Ang mga electron at fullerenes ay huminto sa pagpapakita ng kanilang mga katangian ng alon, ang mga aluminum plate ay lumalamig, at ang mga hindi matatag na particle ay nagyeyelo sa kanilang pagkabulok: sa ilalim ng makapangyarihang tingin ng nagmamasid, ang mundo ay nagbabago. Ano ang hindi katibayan ng pagkakasangkot ng ating isip sa gawain ng mundo sa ating paligid? Kaya siguro tama sina Carl Jung at Wolfgang Pauli (Austrian physicist, Nobel Prize laureate, isa sa mga pioneer ng quantum mechanics) nang sabihin nila na ang mga batas ng pisika at kamalayan ay dapat ituring na komplementaryo?
Ngunit ito ay isang hakbang lamang ang layo mula sa nakagawiang pagkilala: ang buong mundo sa paligid natin ay ang kakanyahan ng ating isip. Nakakatakot? (“Sa palagay mo ba ay umiiral lamang ang Buwan kapag tiningnan mo ito?” Nagkomento si Einstein sa mga prinsipyo ng quantum mechanics). Pagkatapos ay subukan nating bumaling muli sa mga physicist. Bukod dito, sa mga nagdaang taon, sila ay naging mas at hindi gaanong mahilig sa Copenhagen na interpretasyon ng quantum mechanics kasama ang misteryosong pagbagsak ng isang function wave, na pinapalitan ng isa pa, medyo down-to-earth at maaasahang termino - decoherence.
Ang punto ay ito: sa lahat ng mga eksperimento sa pagmamasid na inilarawan, ang mga eksperimento ay hindi maiiwasang maimpluwensyahan ang sistema. Pinaliwanagan nila ito ng isang laser at naka-install na mga instrumento sa pagsukat. At ito ay isang pangkalahatan, napakahalagang prinsipyo: hindi mo maaaring obserbahan ang isang sistema, sukatin ang mga katangian nito nang hindi nakikipag-ugnayan dito. At kung saan may pakikipag-ugnayan, mayroong pagbabago sa mga katangian. Bukod dito, kapag ang colossus ng quantum object ay nakikipag-ugnayan sa isang maliit na quantum system. Kaya't ang walang hanggan, Buddhist neutralidad ng nagmamasid ay imposible.
Ito ang eksaktong nagpapaliwanag sa terminong "decoherence" - isang hindi maibabalik na proseso ng paglabag sa mga katangian ng kabuuan ng isang system sa panahon ng pakikipag-ugnayan nito sa isa pang mas malaking sistema. Sa panahon ng naturang pakikipag-ugnayan, ang quantum system ay nawawala ang mga orihinal na tampok nito at nagiging klasikal, "nagsusumite" sa malaking sistema. Ipinapaliwanag nito ang kabalintunaan sa pusa ni Schrödinger: ang pusa ay napakalaking sistema na hindi ito maaaring ihiwalay sa mundo. Ang pag-iisip na eksperimento mismo ay hindi ganap na tama.
Sa anumang kaso, kumpara sa katotohanan bilang isang gawa ng paglikha ng kamalayan, ang decoherence ay mas kalmado. Baka masyadong kalmado. Pagkatapos ng lahat, sa diskarteng ito, ang buong klasikal na mundo ay nagiging isang malaking epekto ng decoherence. At ayon sa mga may-akda ng isa sa mga pinakaseryosong libro sa larangang ito, ang mga pahayag tulad ng "walang mga particle sa mundo" o "walang oras sa isang pangunahing antas" ay lohikal ding sumusunod mula sa mga ganitong paraan.
Creative observer o all-powerful decoherence? Kailangan mong pumili sa pagitan ng dalawang kasamaan. Ngunit tandaan - ngayon ang mga siyentipiko ay lalong kumbinsido na ang batayan ng aming mga proseso ng pag-iisip ay ang parehong mga kilalang quantum effect. Kaya kung saan nagtatapos ang pagmamasid at nagsisimula ang katotohanan - bawat isa sa atin ay kailangang pumili.
- 97.50 KbMinistri ng Edukasyon at Agham ng Russian Federation
Federal State Educational Institution ng Secondary Professional Education "Alekseevsky College of Economics and Information Technologies"
"Ang paglitaw at pag-unlad ng quantum physics"
Nakumpleto ng: mag-aaral ng pangkat 22
specialty: 080110
Economics at Accounting
(ayon sa industriya)
Rysikov Artem
Sinuri ng: guro sa pangkalahatang edukasyon
Koryaka Lyudmila Mikhailovna
Alekseevka 2010
Panimula..……………………………………………………………………………………3
Kabanata I Ang paglitaw at pag-unlad ng quantum physics………………………………4
1.1 Quantum hypothesis……………………………………………………………… 8
1.2 Ang teorya ng atom ni I. Bohr. Prinsipyo ng pagsusulatan………………………………11
Kabanata II Mga problema ng quantum mechanics………………………………………….13
1.4 Ang problema ng interpretasyon ng quantum mechanics.............. .16
Konklusyon………………………………………………………………19
Listahan ng mga sanggunian…………………………………………...2 0
Panimula
Ayon sa electromagnetic na larawan ng mundo, ang mundo sa paligid ng isang tao ay isang tuluy-tuloy na daluyan - isang patlang na maaaring magkaroon ng iba't ibang mga temperatura sa iba't ibang mga punto, tumutok sa iba't ibang mga potensyal na enerhiya, gumagalaw nang iba, atbp. Ang isang tuluy-tuloy na daluyan ay maaaring sumakop sa malalaking lugar ng espasyo, ang mga katangian nito ay patuloy na nagbabago, at wala itong matalim na mga hangganan. Ang mga katangiang ito ay nakikilala ang larangan mula sa mga pisikal na katawan na may tiyak at malinaw na mga hangganan. Ang paghahati ng mundo sa mga katawan at mga particle ng field, sa field at space ay katibayan ng pagkakaroon ng dalawang matinding katangian ng mundo - discreteness at continuity. Ang discreteness (discontinuity) ng mundo ay nangangahulugan ng panghuling divisibility ng buong space-time structure sa magkahiwalay na limitadong mga bagay, katangian at anyo ng paggalaw, habang ang continuity (continuity) ay nagpapahayag ng pagkakaisa, integridad at indivisibility ng object.
Sa loob ng balangkas ng klasikal na pisika, ang discreteness at continuity ng mundo ay unang lumilitaw bilang kabaligtaran sa isa't isa, hiwalay at independiyente, bagama't sa pangkalahatang mga komplementaryong katangian. Sa modernong pisika, ang pagkakaisa ng magkasalungat, discrete at tuluy-tuloy, ay natagpuan ang katwiran nito sa konsepto ng wave-particle duality.
Ang modernong quantum field na larawan ng mundo ay batay sa isang bagong pisikal na teorya - quantum mechanics, na naglalarawan sa estado at paggalaw ng mga micro-object ng materyal na mundo.
Kabanata I. Ang paglitaw at pag-unlad ng quantum physics
Ang quantum mechanics ay isang teorya na nagtatatag ng paraan ng paglalarawan at mga batas ng paggalaw ng mga microparticle (elementarya na particle, atoms, molecules, atomic nuclei) at ang kanilang mga sistema, gayundin ang koneksyon sa pagitan ng mga quantity na nagpapakilala sa mga particle at system na may pisikal na dami na direktang sinusukat sa eksperimentong paraan.
Ang mga batas ng quantum mechanics ay bumubuo ng batayan para sa pag-aaral ng istruktura ng bagay. Ginagawa nilang posible na linawin ang istraktura ng mga atomo, itatag ang likas na katangian ng mga bono ng kemikal, ipaliwanag ang pana-panahong sistema ng mga elemento, at pag-aralan ang mga katangian ng elementarya na mga particle.
Dahil ang mga katangian ng mga macroscopic na katawan ay tinutukoy ng paggalaw at pakikipag-ugnayan ng mga particle kung saan sila ay binubuo, ang mga batas ng quantum mechanics ay sumasailalim sa pag-unawa sa karamihan ng macroscopic phenomena. Halimbawa, ginawang posible ng quantum mechanics na matukoy ang istraktura at maunawaan ang maraming mga katangian ng solids, upang patuloy na ipaliwanag ang mga phenomena ng ferromagnetism, superfluidity, superconductivity, upang maunawaan ang likas na katangian ng mga astrophysical na bagay - white dwarfs, neutron star, at linawin ang mekanismo. ng mga reaksiyong thermonuclear sa Araw at mga bituin.
Ang pag-unlad ng quantum mechanics ay nagsimula sa simula ng ika-20 siglo, nang natuklasan ang mga pisikal na phenomena na nagpapahiwatig ng hindi pagkakagamit ng Newtonian mechanics at classical electrodynamics sa mga proseso ng interaksyon ng liwanag sa bagay at mga prosesong nagaganap sa atom. Ang pagtatatag ng mga koneksyon sa pagitan ng mga grupong ito ng mga phenomena at mga pagtatangka na ipaliwanag ang mga ito sa batayan ng teorya ay humantong sa pagtuklas ng mga batas ng quantum mechanics.
Sa unang pagkakataon sa agham, ang mga ideya tungkol sa quantum ay ipinahayag noong 1900 ni M. Planck sa proseso ng pag-aaral ng thermal radiation ng mga katawan. Sa pamamagitan ng kanyang pananaliksik, ipinakita niya na ang paglabas ng enerhiya ay nangyayari nang discretely, sa ilang mga bahagi - quanta, ang enerhiya nito ay nakasalalay sa dalas ng liwanag na alon. Ang mga eksperimento ni Planck ay humantong sa pagkilala sa dalawahang katangian ng liwanag, na may parehong corpuscular at wave properties, kaya kumakatawan sa isang dialectical na pagkakaisa ng mga magkasalungat na ito. Ang dialectics, sa partikular, ay ipinahayag sa katotohanan na ang mas maikli ang wavelength ng radiation, mas malinaw na lumilitaw ang mga katangian ng quantum; Kung mas mahaba ang wavelength, mas maliwanag ang mga katangian ng wave ng liwanag na lumilitaw.
Noong 1924, ang French physicist na si L. de Broglie ay naglagay ng hypothesis na ang wave-particle duality ay unibersal sa kalikasan, i.e. Ang lahat ng mga particle ng bagay ay may mga katangian ng alon. Nang maglaon, ang ideyang ito ay nakumpirma sa eksperimento, at ang prinsipyo ng wave-particle duality ay pinalawak sa lahat ng mga proseso ng paggalaw at pakikipag-ugnayan sa microworld.
Sa partikular, inilapat ni N. Bohr ang ideya ng quantization ng enerhiya sa teorya ng atomic structure. Ayon sa kanyang mga ideya, sa gitna ng atom mayroong isang positibong sisingilin na nucleus, kung saan halos ang buong masa ng atom ay puro, at ang mga negatibong sisingilin na mga electron ay umiikot sa mga orbit sa paligid ng nucleus. Ang mga umiikot na electron ay dapat mawalan ng bahagi ng kanilang enerhiya, na nangangailangan ng hindi matatag na pag-iral ng mga atomo. Gayunpaman, sa pagsasagawa, ang mga atomo ay hindi lamang umiiral, ngunit napakatatag din. Sa pagpapaliwanag sa isyung ito, iminungkahi ni Bohr na ang isang elektron, na gumagalaw sa orbit nito, ay hindi naglalabas ng quanta. Ang radyasyon ay nangyayari lamang kapag ang isang elektron ay gumagalaw mula sa isang orbit patungo sa isa pa, i.e. mula sa isang antas ng enerhiya patungo sa isa pa, na may mas kaunting enerhiya. Sa sandali ng paglipat, isang radiation quantum ay ipinanganak.
Alinsunod sa quantum field na larawan ng mundo, ang anumang micro-object, na mayroong wave at corpuscular properties, ay walang partikular na trajectory ng paggalaw at hindi maaaring magkaroon ng ilang partikular na coordinate at speed (momentum). Magagawa lamang ito sa pamamagitan ng pagtukoy sa function ng wave sa isang partikular na sandali, at pagkatapos ay paghahanap ng function ng wave nito sa anumang iba pang sandali. Ang parisukat ng modulus ay nagbibigay ng posibilidad na makahanap ng isang particle sa isang naibigay na punto sa espasyo.
Bilang karagdagan, ang relativity ng space-time sa larawang ito ng mundo ay humahantong sa kawalan ng katiyakan ng mga coordinate at bilis sa isang naibigay na sandali, sa kawalan ng isang tilapon ng paggalaw ng isang micro-object. At kung sa klasikal na pisika ang pag-uugali ng isang malaking bilang ng mga particle ay napapailalim sa mga probabilistikong batas, kung gayon sa quantum mechanics ang pag-uugali ng bawat microparticle ay napapailalim hindi sa dinamiko, ngunit sa mga batas sa istatistika.
Kaya, ang bagay ay may dalawang mukha: mayroon itong parehong corpuscular at wave properties, na nagpapakita ng kanilang mga sarili depende sa mga kondisyon. Samakatuwid, ang pangkalahatang larawan ng realidad sa quantum field na larawan ng mundo ay nagiging, kumbaga, dalawang-dimensional: sa isang banda, kasama nito ang mga katangian ng bagay na pinag-aaralan, at sa kabilang banda, ang mga kondisyon ng pagmamasid kung saan nakasalalay ang katiyakan ng mga katangiang ito. Nangangahulugan ito na ang larawan ng katotohanan sa modernong pisika ay hindi lamang isang larawan ng isang bagay, kundi isang larawan din ng proseso ng katalusan nito.
Ang ideya ng paggalaw ay nagbabago nang radikal, na nagiging isang espesyal na kaso lamang ng mga pangunahing pisikal na pakikipag-ugnayan. Mayroong apat na uri ng pangunahing pisikal na pakikipag-ugnayan: gravitational, electromagnetic, malakas at mahina. Ang lahat ng mga ito ay inilarawan sa batayan ng modernong prinsipyo ng short-range na aksyon. Alinsunod dito, ang pakikipag-ugnayan ng bawat uri ay ipinadala ng kaukulang larangan mula sa punto hanggang punto. Sa kasong ito, ang bilis ng paghahatid ng pakikipag-ugnayan ay palaging may hangganan at hindi maaaring lumampas sa bilis ng liwanag sa isang vacuum (300,000 km/s).
Ang pagtitiyak ng mga konsepto ng quantum field ng regularity at causality ay palaging lumilitaw ang mga ito sa isang probabilistikong anyo, sa anyo ng tinatawag na mga batas sa istatistika. Ang mga ito ay tumutugma sa isang mas malalim na antas ng kaalaman sa mga natural na batas. Kaya, lumabas na ang ating mundo ay batay sa pagkakataon, posibilidad.
Gayundin, ang bagong larawan ng mundo sa unang pagkakataon ay kasama ang isang tagamasid, kung saan ang presensya ay nakasalalay ang nakuha na mga resulta ng pananaliksik. Bukod dito, nabuo ang tinatawag na anthropic na prinsipyo, na nagsasaad na ang ating mundo ay kung ano ito dahil lamang sa pagkakaroon ng tao. Mula ngayon, ang paglitaw ng tao ay itinuturing na isang natural na resulta ng ebolusyon ng Uniberso.
ANG PAG-USBONG AT PAG-UNLAD NG QUANTUM PHYSICS
1.1 Quantum hypothesis
Ang mga pinagmulan ng quantum physics ay matatagpuan sa mga pag-aaral ng mga proseso ng radiation ng mga katawan. Noong 1809, napagpasyahan ni P. Prevost na ang bawat katawan ay nagniningning anuman ang kapaligiran nito. Pag-unlad ng spectroscopy noong ika-19 na siglo. na humantong sa katotohanan na kapag nag-aaral ng emission spectra, nagsisimula silang bigyang-pansin ang absorption spectra. Ito ay lumiliko na mayroong isang simpleng koneksyon sa pagitan ng radiation at pagsipsip ng isang katawan: sa spectra ng pagsipsip, ang mga bahagi ng spectrum na ibinubuga ng isang partikular na katawan ay wala o humina. Ang batas na ito ay ipinaliwanag lamang sa quantum theory.
Si G. Kirchhoff noong 1860 ay bumuo ng isang bagong batas, na nagsasaad na para sa radiation ng parehong wavelength sa parehong temperatura, ang ratio ng emissivity at absorption kakayahan ay pareho para sa lahat ng mga katawan. Sa madaling salita, kung ang EλT at AλT ay ang emissive at absorption na kakayahan ng isang katawan, ayon sa pagkakabanggit, depende sa wavelength λ at temperatura T, kung gayon
kung saan ang φ(λ, T) ay ilang unibersal na function ng λ at T, pareho para sa lahat ng katawan.
Ipinakilala ni Kirchhoff ang konsepto ng isang ganap na itim na katawan bilang isang katawan na sumisipsip ng lahat ng sinag na bumabagsak dito. Para sa gayong katawan, malinaw naman, AλT = 1; kung gayon ang unibersal na function na φ(λ, T) ay katumbas ng emissivity ng isang ganap na itim na katawan. Si Kirchhoff mismo ay hindi natukoy ang anyo ng function na φ(λ, T), ngunit nabanggit lamang ang ilan sa mga katangian nito.
Kapag tinutukoy ang anyo ng unibersal na function φ(λ, T), natural na ipagpalagay na ang isa ay maaaring gumamit ng mga teoretikal na pagsasaalang-alang, pangunahin ang mga pangunahing batas ng thermodynamics. Ipinakita ni L. Boltzmann na ang kabuuang enerhiya ng radiation ng isang ganap na itim na katawan ay proporsyonal sa ikaapat na kapangyarihan ng temperatura nito. Gayunpaman, ang gawain ng partikular na pagtukoy sa anyo ng pagpapaandar ng Kirchhoff ay naging napakahirap, at ang pananaliksik sa direksyon na ito, batay sa thermodynamics at optika, ay hindi humantong sa tagumpay.
Ang eksperimento ay nagbigay ng isang larawan na hindi maipaliwanag mula sa punto ng view ng mga klasikal na konsepto: sa thermodynamic equilibrium sa pagitan ng mga oscillating atoms ng matter at electromagnetic radiation, halos lahat ng enerhiya ay puro sa oscillating atoms at isang hindi gaanong mahalagang bahagi nito ang account para sa. ang radiation, samantalang ayon sa klasikal na teorya, halos lahat ng enerhiya ay dapat pumunta sa electromagnetic field.
Noong dekada 80 XIX na siglo Ang mga empirikal na pag-aaral ng mga pattern ng pamamahagi ng mga spectral na linya at ang pag-aaral ng function na φ(λ, T) ay naging mas masinsinan at sistematiko. Ang mga pang-eksperimentong kagamitan ay napabuti. Para sa enerhiya ng radiation ng isang ganap na itim na katawan, si V. Wien noong 1896, si J. Rayleigh at J. Jeans noong 1900 ay nagmungkahi ng dalawang magkaibang formula. Tulad ng ipinakita ng mga pang-eksperimentong resulta, ang formula ng Wien ay asymptotically tama sa rehiyon ng maiikling alon at nagbibigay ng matalim na pagkakaiba sa eksperimento sa rehiyon ng mahabang alon, at ang formula ng Rayleigh-Jeans ay asymptotically tama para sa mahabang alon, ngunit hindi naaangkop para sa maikli mga alon.
Noong 1900, sa isang pulong ng Berlin Physical Society, iminungkahi ni M. Planck ang isang bagong pormula para sa pamamahagi ng enerhiya sa spectrum ng isang katawan ng asupre. Ang formula na ito ay nagbigay ng buong kasunduan sa eksperimento, ngunit ang pisikal na kahulugan nito ay hindi lubos na malinaw. Ang karagdagang pagsusuri ay nagpakita na makatuwiran lamang kung aalisin natin na ang radiation ng enerhiya ay hindi nangyayari nang tuluy-tuloy, ngunit sa mga limitadong bahagi - quanta (ε). Bukod dito, ang ε ay hindi anumang dami, ibig sabihin, ε = hν, kung saan ang h ay isang tiyak na pare-pareho at ang v ay ang dalas ng liwanag. Ito ay humantong sa pagkilala, kasama ang atomismo ng bagay, ng atomismo ng enerhiya o pagkilos, ang discrete, quantum na kalikasan ng radiation, na hindi umaangkop sa balangkas ng mga konsepto ng klasikal na pisika.
Ang pagbabalangkas ng enerhiya quanta hypothesis ay ang simula ng isang bagong panahon sa pag-unlad ng teoretikal na pisika. Sa malaking tagumpay, ang hypothesis na ito ay nagsimulang gamitin upang ipaliwanag ang iba pang mga phenomena na hindi mailalarawan batay sa mga konsepto ng klasikal na pisika.
Ang isang mahalagang bagong hakbang sa pagbuo ng quantum hypothesis ay ang pagpapakilala ng konsepto ng light quanta. Ang ideyang ito ay binuo noong 1905 ni Einstein at ginamit niya upang ipaliwanag ang photoelectric effect. Ang ilang mga pag-aaral ay nagbigay ng katibayan ng katotohanan ng ideyang ito. Noong 1909, si Einstein, na nagpatuloy sa kanyang pananaliksik sa mga batas ng radiation, ay nagpakita na ang liwanag ay may parehong wave at corpuscular properties. Ito ay naging lalong halata na ang wave-particle duality ng light radiation ay hindi maipaliwanag mula sa pananaw ng klasikal na pisika. Noong 1912, sa wakas ay napatunayan ni A. Poincaré ang hindi pagkakatugma ng pormula at klasikal na mekanika ni Planck. Ang mga bagong konsepto, bagong ideya at isang bagong pang-agham na wika ay kinakailangan upang maunawaan ng mga physicist ang mga hindi pangkaraniwang phenomena na ito. Ang lahat ng ito ay lumitaw sa ibang pagkakataon - kasama ang paglikha at pag-unlad ng quantum mechanics.
Kabanata II Mga problema ng quantum mechanics………………………………………….13
1.3 Paglikha ng non-relativistic quantum mechanics……………………….13
1.4 Ang problema ng interpretasyon ng quantum mechanics.........................16
Konklusyon………………………………………………………………………………19
Listahan ng mga sanggunian……………………………………………………………………20
E.S.,
, Munisipal na institusyong pang-edukasyon pangalawang paaralan No. 16 na may UIOP, Lysva, Perm na rehiyon.
Ang Kapanganakan ng Quantum Physics
Hanapin ang simula ng lahat, at marami kang mauunawaan!
Kozma Prutkov
Pang-edukasyon na layunin ng aralin: ipakilala ang konsepto ng discreteness ng matter, bumalangkas ng konsepto ng quantum-wave dualism of matter, bigyang-katwiran ang pagpapakilala ng mga formula ni Planck at de Broglie wavelength.
Layunin ng pag-unlad ng aralin: bumuo ng lohikal na pag-iisip, ang kakayahang ihambing at pag-aralan ang mga sitwasyon, at makita ang mga interdisciplinary na koneksyon.
Pang-edukasyon na layunin ng aralin: upang bumuo ng dialectical-materialistic na pag-iisip.
Ang pisika bilang isang agham ay may mga pangkalahatang halaga ng tao at napakalaking potensyal na makatao. Sa panahon ng pag-aaral nito, ang mga pangunahing pamamaraang pang-agham ay inihayag (pang-agham na eksperimento, pagmomodelo, eksperimento sa pag-iisip, paglikha at istruktura ng teoryang siyentipiko). Ang mga mag-aaral ay dapat bigyan ng pagkakataon na tingnan ang mundo sa pamamagitan ng mga mata ng isang physicist upang maunawaan ang kawalang-hanggan at patuloy na pagbabago ng mundo - isang mundo kung saan napakaraming napakalaki at hindi gaanong maliit, napakabilis at hindi pangkaraniwang mabagal. , simple at mahirap maunawaan - upang madama ang patuloy na pagnanais ng tao para sa kaalaman na naghahatid ng pinakamalalim na kasiyahan, upang makilala ang mga halimbawa ng malalim na karanasan ng "siyentipikong pagdududa" at matapang na paggalaw sa isang hindi pamilyar na landas sa paghahanap ng kagandahan, kaiklian at kalinawan .
ako. Guro. Noong nagsimula kaming mag-aral ng optika, tinanong ko ang tanong na: "Ano ang liwanag?" Paano mo ito sasagutin ngayon? Subukang bumalangkas ng iyong kaisipan sa isang pangungusap. Magsimula sa mga salitang “light is...” Mula sa F.I. Ang Tyutchev ay may mga sumusunod na linya: "Muli na may sakim na mga mata // Ininom ko ang nagbibigay-buhay na Liwanag." Pakisubukang magkomento sa mga linyang ito mula sa pananaw ng pisika. Sa tula - mula Homer hanggang sa kasalukuyan - ang mga sensasyong likha ng liwanag ay palaging binibigyan ng isang espesyal na lugar. Kadalasan, nakita ng mga makata ang liwanag bilang isang espesyal na makinang, nagniningning na likido.
Upang maging kumpleto ang pag-uusap ngayon tungkol sa liwanag, nais kong basahin ang mga salita ng S.I. Vavilova: “Ang tuluy-tuloy, matagumpay na digmaan para sa katotohanan, na hindi nagtatapos sa huling tagumpay, ay mayroon, gayunpaman, ang hindi mapag-aalinlanganang katwiran nito. Sa landas tungo sa pag-unawa sa kalikasan ng liwanag, nakatanggap ang tao ng mga mikroskopyo, teleskopyo, tagahanap ng hanay, radyo, at X-ray; Ang pananaliksik na ito ay nakatulong upang makabisado ang enerhiya ng atomic nucleus. Sa paghahanap ng katotohanan, walang limitasyong pinalalawak ng tao ang mga lugar ng kanyang karunungan sa kalikasan. Hindi ba ito ang tunay na gawain ng agham? (akin ang diin. – E.U.)»
II. Guro. Sa proseso ng pag-aaral ng pisika, nakilala namin ang maraming mga teorya, halimbawa, MCT, thermodynamics, teorya ng electromagnetic field ni Maxwell, atbp. Ngayon ay tinatapos namin ang pag-aaral ng wave optics. Dapat nating ibuod ang pag-aaral ng paksa at, marahil, maglagay ng pangwakas na punto sa tanong na: "Ano ang liwanag?" Maaari ka bang gumamit ng mga halimbawa mula sa wave optics upang ipakita ang papel ng teorya sa proseso ng pag-unawa sa kalikasan?
Tandaan natin na ang kahalagahan ng teorya ay namamalagi hindi lamang sa katotohanan na pinapayagan nito ang isang tao na ipaliwanag ang maraming mga phenomena, kundi pati na rin sa katotohanan na ginagawang posible upang mahulaan ang bago, hindi pa kilala na pisikal na phenomena, mga katangian ng mga katawan at mga pattern. Kaya, ipinaliwanag ng teorya ng alon ang mga phenomena ng interference, diffraction, polarization, refraction, dispersion ng liwanag at ginawang posible na gumawa ng "pagtuklas sa dulo ng panulat" - isang hula. Noong 1815, isang hindi kilalang retiradong inhinyero, si Augustin Fresnel, ay nagpakita ng isang papel na nagpapaliwanag ng kababalaghan ng diffraction sa Paris Academy of Sciences. Ang pagsusuri ng gawain ay ipinagkatiwala sa mga sikat na siyentipiko - physicist D. Arago at mathematician S. Poisson. Si Poisson, na binabasa ang gawaing ito nang may pagnanasa, ay natuklasan ang isang maliwanag na kahangalan sa mga konklusyon ni Fresnel: kung ang isang maliit na bilog na target ay inilagay sa isang stream ng liwanag, kung gayon ang isang liwanag na lugar ay dapat lumitaw sa gitna ng anino! Ano sa tingin mo ang sumunod na nangyari? Pagkalipas ng ilang araw, nag-eksperimento si Arago at natuklasan na tama si Fresnel! Kaya, ang ika-19 na siglo ay ang siglo ng tagumpay ng wave optics.
Ano ang liwanag? Ang liwanag ay isang electromagnetic transverse wave.
Tinatapos ang pag-aaral ng isang malaking seksyon ng pisika na may kaugnayan sa likas na katangian ng liwanag at electromagnetic waves, ipinapanukala kong independiyenteng kumpletuhin ang pagsubok na gawain na "Electromagnetic waves" (tingnan ang Appendix 1). Sinusuri namin ang pagpapatupad nang harapan.
III. Guro. At narito ang isinulat ng mga pahayagan sa London noong bisperas ng 1900: “Nang ang mga kalye ng London ay sinindihan ng mga ilaw sa kapistahan na gawa sa maliliwanag na bombilya sa halip na mga makukulay na mangkok ng langis, ang mga taksi ay sunod-sunod na umaakyat sa sinaunang gusali sa Fleet Street. Ang mga kagalang-galang na mga ginoo na nakasuot ng mga damit ay umakyat sa malawak at maliwanag na hagdanan patungo sa bulwagan. Pagkatapos ay nagtipon ang mga miyembro ng Royal Society of London para sa kanilang susunod na pagpupulong. Matangkad, maputi ang buhok, may makapal na balbas, Sir William Thomson (alam mo ba ang tungkol sa kanyang mga nagawa sa larangan ng pisika? - E.U.), walong taon na ang nakalilipas na ipinagkaloob mula sa mga kamay ni Reyna Victoria ang titulo ng peer at Lord Kelvin (pamilyar ba sa iyo ang pangalang ito? - E.U.), at ngayon ang pangulo ng lipunan, ay nagsimula ng kanyang talumpati sa Bagong Taon. Ang dakilang physicist ng ika-19 na siglo ay nabanggit ang mga tagumpay na nakamit sa nakalipas na siglo, nakalista ang mga merito ng mga kasalukuyan...
Ang mga nagtipon ay tumango bilang pagsang-ayon. Upang maging mahinhin, ginawa nila ang isang mahusay na trabaho. At tama nga ang sinabi ni Sir William na naitayo na ang engrandeng edipisyo ng pisika, na maliliit na finishing touches na lang ang natitira.
Totoo (saglit na pinutol ni Lord Kelvin ang kanyang pagsasalita), sa walang ulap na abot-tanaw ng pisika mayroong dalawang maliliit na ulap, dalawang problema na hindi pa nakakahanap ng paliwanag mula sa pananaw ng klasikal na pisika... Ngunit ang mga phenomena na ito ay pansamantala at panandalian. Tahimik na umupo sa mga antigong upuan na may mataas na likod, ngumiti ang mga ginoo. Alam ng lahat kung ano ang pinag-uusapan namin:
1) Hindi maipaliwanag ng klasikal na pisika ang mga eksperimento ni Michelson, na hindi natukoy ang impluwensya ng paggalaw ng Earth sa bilis ng liwanag. Sa lahat ng mga sistema ng sanggunian (parehong gumagalaw at nakapahinga na may kaugnayan sa Earth), ang bilis ng liwanag ay pareho - 300,000 km/s;
2) Hindi maipaliwanag ng klasikal na pisika ang graph ng radiation ng itim na katawan na nakuha sa eksperimentong paraan."
Hindi man lang maisip ni Sir William kung anong uri ng kidlat ang malapit nang tumama mula sa mga ulap na ito! Sa hinaharap, sasabihin ko: ang solusyon sa unang problema ay hahantong sa isang rebisyon ng mga klasikal na ideya tungkol sa espasyo at oras, sa paglikha ng teorya ng relativity, ang solusyon sa pangalawang problema ay hahantong sa paglikha ng isang bagong teorya - dami. Ito ang solusyon sa ikalawang suliranin na tatalakayin sa aralin ngayon!
IV. (Ang mga mag-aaral ay gumawa ng mga tala sa kanilang mga kuwaderno: Petsa ng Aralin Blg. Paksa ng aralin: "Ang Pinagmulan ng Quantum Physics.") Sa pagpasok ng ika-19 at ika-20 siglo. Sa pisika, lumitaw ang isang problema na agarang kailangang malutas: isang teoretikal na paliwanag ng radiation graph ng isang ganap na itim na katawan. Ano ang perpektong itim na katawan? ( Mga hypotheses ng mga mag-aaral. Pagpapakita ng fragment ng video na "Thermal Radiation" .)
Guro. Isulat: "Ang ganap na itim na katawan ay isang katawan na may kakayahang sumisipsip nang walang pagmuni-muni sa buong insidente ng radiation flux, lahat ng electromagnetic wave ng anumang wavelength (anumang frequency)."
Ngunit ang ganap na itim na katawan ay may isa pang tampok. Tandaan kung bakit nakatira ang mga taong may itim na balat sa mga teritoryo ng ekwador? "Ang mga itim na katawan, kung pinainit, ay kumikinang nang mas maliwanag kaysa sa iba pang katawan, ibig sabihin, naglalabas sila ng enerhiya sa lahat ng saklaw ng dalas," isulat ito sa iyong mga notebook.
Eksperimento na natukoy ng mga siyentipiko ang radiation spectrum ng isang ganap na itim na katawan. ( Gumuguhit ng graph.) Rν – spectral density ng energetic luminosity – ang enerhiya ng electromagnetic radiation na ibinubuga kada yunit ng oras mula sa isang unit surface area ng isang katawan sa isang unit frequency interval ν. Ang teorya ng electromagnetic field ni Maxwell ay hinulaan ang pagkakaroon ng mga electromagnetic wave, ngunit ang teoretikal na black body radiation curve na binuo batay sa teoryang ito ay may pagkakaiba sa experimental curve sa high frequency region. Ang pinakamahuhusay na isip noong panahong iyon ay nagtrabaho sa problema: ang English Lord Rayleigh at J. Jeans, ang Germans na sina P. Kirchhoff at V. Wien, Moscow professor V.A. Mikhelson. Walang gumana!
Mag-alok ng paraan para makaalis sa kasalukuyang sitwasyon. Ang teoretikal na kurba ay naiiba sa pang-eksperimentong isa. Paano maging at ano ang gagawin? ( Ang mga mag-aaral ay nagpapahayag ng mga hypotheses: magsagawa ng mga eksperimento nang mas maingat - ginawa nila, ang resulta ay pareho; baguhin ang teorya - ngunit ito ay isang kalamidad, ang buong pundasyon ng klasikal na pisika, na nilikha sa loob ng libu-libong taon, ay gumuho!) Tinawag ang nilikhang sitwasyon sa pisika sakuna ng ultraviolet.
Isulat: "Ang mga pamamaraan ng klasikal na pisika ay naging hindi sapat upang ipaliwanag ang radiation ng isang ganap na itim na katawan sa rehiyon ng mataas na dalas - ito ay isang "ultraviolet na sakuna."
Sino ang makahuhula kung bakit pinangalanan ang krisis na ito sakuna ng ultraviolet, at hindi infrared o violet? Isang krisis ang sumiklab sa pisika! Ang salitang Griyego na κρίση [ isang krisis] nagsasaad ng mahirap na paglipat mula sa isang matatag na estado patungo sa isa pa. Ang problema ay kailangang malutas, at malutas nang madalian!
V.Guro. At kaya noong Oktubre 19, 1900, sa isang pulong ng Physical Society, iminungkahi ng German scientist na si M. Planck ang paggamit ng formula upang makalkula ang radiation ng isang ganap na itim na katawan. E = hν. Ang kaibigan at kasamahan ni Planck na si Heinrich Rubens ay nakaupo sa kanyang mesa buong gabi, inihambing ang kanyang mga sukat sa mga resulta na ibinigay ng formula ni Planck, at namangha: inilarawan ng formula ng kanyang kaibigan ang radiation spectrum ng isang ganap na itim na katawan hanggang sa pinakamaliit na detalye! Kaya, inalis ng formula ni Planck ang "ultraviolet catastrophe," ngunit sa anong halaga! Iminungkahi ni Planck, salungat sa itinatag na mga pananaw, na isaalang-alang na ang paglabas ng nagniningning na enerhiya sa pamamagitan ng mga atomo ng bagay ay nangyayari nang maingat, iyon ay, sa mga bahagi, quanta. "Quantum" ( dami) isinalin mula sa Latin ay nangangahulugang dami .
Ano ang ibig sabihin ng "discrete"? Magsagawa tayo ng eksperimento sa pag-iisip. Isipin na mayroon kang isang garapon na puno ng tubig sa iyong mga kamay. Posible bang i-cast ang kalahati? Paano kung humigop? At mas kaunti pa? Sa prinsipyo, posible na bawasan o dagdagan ang masa ng tubig sa pamamagitan ng isang maliit na halaga. Ngayon isipin natin na nasa ating mga kamay ang isang kahon ng mga cube ng mga bata na 100 g bawat isa. Posible bang bawasan, halimbawa, ang 370 g? Hindi! Hindi mo maaaring basagin ang mga cube! Samakatuwid, ang masa ng kahon ay maaaring magbago nang discretely, lamang sa mga bahagi na multiple ng 100 g! Ang pinakamaliit na halaga kung saan maaaring baguhin ang masa ng kahon ay matatawag bahagi, o dami ng masa.
Kaya, ang tuluy-tuloy na daloy ng enerhiya mula sa isang pinainit na itim na katawan ay naging isang "machine gun burst" ng magkahiwalay na bahagi - energy quanta. Mukhang walang espesyal. Ngunit sa katunayan, ang ibig sabihin nito ay ang pagkawasak ng buong mahusay na itinayong edipisyo ng klasikal na pisika, dahil sa halip na ang mga pangunahing pangunahing batas na binuo sa prinsipyo ng pagpapatuloy, iminungkahi ni Planck ang prinsipyo ng discreteness. Si Planck mismo ay hindi nagustuhan ang ideya ng discreteness. Sinikap niyang bumalangkas ng teorya upang ito ay ganap na magkasya sa loob ng balangkas ng klasikal na pisika.
Ngunit mayroong isang tao na, sa kabaligtaran, ay lumampas sa mga hangganan ng mga klasikal na ideya. Ang lalaking ito ay si A. Einstein. Upang maunawaan mo ang rebolusyonaryong katangian ng mga pananaw ni Einstein, sasabihin ko lamang na, gamit ang ideya ni Planck, inilatag niya ang mga pundasyon para sa teorya ng mga laser (mga generator ng quantum) at ang prinsipyo ng paggamit ng atomic energy.
Academician S.I. Sa napakatagal na panahon, hindi nasanay si Vavilov sa ideya ng liwanag bilang isang sangkap ng quanta, ngunit siya ay naging isang masigasig na tagahanga ng hypothesis na ito at kahit na nakagawa ng isang paraan upang obserbahan ang quanta. Kinakalkula niya na ang mata ay nakakakita ng pag-iilaw na nilikha ng 52 quanta ng berdeng ilaw.
Kaya, ayon kay Planck, ang liwanag ay... ( mga pahayag ng mag-aaral).
VI. Guro. Hindi ba ipinapaalala sa iyo ng hypothesis ni Planck ang kilalang hypothesis tungkol sa kalikasan ng liwanag? Iminungkahi ni Sir Isaac Newton na ang liwanag ay binubuo ng maliliit na particle na tinatawag na corpuscles. Ang anumang makinang na katawan ay naglalabas ng mga ito sa lahat ng direksyon. Lumilipad sila sa mga tuwid na linya at kung tamaan nila ang ating mga mata, nakikita natin ang kanilang pinagmulan. Ang bawat kulay ay tumutugma sa sarili nitong mga corpuscles at sila ay naiiba, malamang, dahil mayroon silang iba't ibang masa. Ang pinagsamang daloy ng mga corpuscle ay lumilikha ng puting liwanag.
Sa panahon ni Sir Isaac Newton, ang physics ay tinawag na natural na pilosopiya. Bakit? Basahin (tingnan ang Appendix 2) ang isa sa mga pangunahing batas ng dialectics - ang batas ng negation ng negation. Subukang ilapat ito sa tanong ng kalikasan ng liwanag. ( Ang pangangatwiran ng mga mag-aaral.)
Kaya, ayon sa hypothesis ni M. Planck, ang liwanag ay isang stream ng mga particle, corpuscles, quanta, na ang bawat isa ay may enerhiya. E = hν. Pakisuri ang formula na ito: ano ang ν? anong nangyari h (isa sa mga mag-aaral ay tiyak na magmumungkahi na ito ay isang uri ng pare-pareho, na pinangalanan sa Planck)? Ano ang yunit ng pare-pareho ng Planck? ano ang halaga ng pare-pareho ( nagtatrabaho sa talahanayan ng mga pisikal na pare-pareho)? Ano ang pangalan ng pare-pareho ni Planck? Ano ang pisikal na kahulugan ng pare-pareho ni Planck?
Upang pahalagahan ang kagandahan ng pormula ni Planck, buksan natin ang mga problema... biology. Inaanyayahan ko ang mga mag-aaral na sagutin ang mga tanong mula sa larangan ng biology (Appendix 3).
Mekanismo ng pangitain. Sa pamamagitan ng pangitain natatanggap namin ang tungkol sa 90% ng impormasyon tungkol sa mundo. Samakatuwid, ang tanong ng mekanismo ng pangitain ay palaging interesado sa mga tao. Bakit ang mata ng tao, at sa katunayan ang karamihan sa mga naninirahan sa Earth, ay nakakakita lamang ng isang maliit na hanay ng mga alon mula sa spectrum ng electromagnetic radiation na umiiral sa kalikasan? Paano kung ang isang tao ay nagkaroon ng infrared vision, halimbawa, tulad ng mga pit snake?
Sa gabi ay makikita natin, tulad ng sa araw, ang lahat ng mga organikong katawan, dahil ang kanilang temperatura ay naiiba sa temperatura ng mga walang buhay na katawan. Ngunit ang pinakamakapangyarihang pinagmumulan ng gayong mga sinag para sa atin ay ang ating sariling katawan. Kung ang mata ay sensitibo sa infrared radiation, ang liwanag ng Araw ay maglalaho lamang para sa atin laban sa background ng sarili nitong radiation. Wala tayong makikita, mawawalan ng silbi ang ating mga mata.
Bakit hindi tumutugon ang ating mga mata sa infrared light? Kalkulahin natin ang enerhiya ng quanta ng infrared at nakikitang liwanag gamit ang formula:
Ang enerhiya ng IR quanta ay mas mababa kaysa sa enerhiya ng visible light quanta. Ang ilang quanta ay hindi maaaring "magsama-sama" upang magdulot ng isang aksyon na lampas sa kapangyarihan ng isang quantum - sa microworld mayroong isang one-on-one na interaksyon sa pagitan ng isang quantum at isang particle. Tanging isang quantum ng nakikitang liwanag, na may enerhiya na mas malaki kaysa sa infrared na ilaw, ang maaaring magdulot ng reaksyon sa molekula ng rhodopsin, ibig sabihin, ang retinal rod. Ang epekto ng nakikitang light quantum sa retina ay maihahambing sa epekto ng bola ng tennis, na nagpalipat... isang gusaling may maraming palapag. (Ang sensitivity ng retina ay napakataas!)
Bakit hindi tumutugon ang mata sa ultraviolet radiation? Ang UV radiation ay hindi rin nakikita ng mata, kahit na ang enerhiya ng UV quanta ay mas malaki kaysa sa visible light quanta. Ang retina ay sensitibo sa UV rays, ngunit sila ay nasisipsip ng lens, kung hindi, magkakaroon sila ng mapanirang epekto.
Sa proseso ng ebolusyon, ang mga mata ng mga nabubuhay na organismo ay umangkop upang makita ang enerhiya ng radiation mula sa pinakamakapangyarihang pinagmumulan sa Earth - ang Araw - at tiyak na ang mga alon na iyon ang account para sa pinakamataas na enerhiya ng solar radiation insidente sa Earth.
Photosynthesis. Sa mga berdeng halaman, ang proseso kung saan ang lahat ng nabubuhay na bagay ay tumatanggap ng oxygen para sa paghinga at pagkain ay hindi hihinto sa isang segundo. Ito ay photosynthesis. Ang dahon ay may berdeng kulay dahil sa pagkakaroon ng chlorophyll sa mga selula nito. Ang mga reaksyon ng photosynthesis ay nangyayari sa ilalim ng impluwensya ng radiation sa red-violet na bahagi ng spectrum, at ang mga alon na may dalas na katumbas ng berdeng bahagi ng spectrum ay makikita, kaya ang mga dahon ay may berdeng kulay.
Ang mga molekula ng chlorophyll ay "responsable" para sa natatanging proseso ng pag-convert ng liwanag na enerhiya sa enerhiya ng mga organikong sangkap. Nagsisimula ito sa pagsipsip ng isang quantum ng liwanag ng isang molekula ng chlorophyll. Ang pagsipsip ng isang quantum ng liwanag ay humahantong sa mga kemikal na reaksyon ng photosynthesis, na kinabibilangan ng maraming unit.
Sa buong araw, ang mga molekula ng chlorophyll ay "abala" sa katotohanan na, na nakatanggap ng isang kabuuan, ginagamit nila ang enerhiya nito, na ginagawang potensyal na enerhiya ng isang elektron. Ang kanilang pagkilos ay maihahalintulad sa pagkilos ng isang mekanismo na nagbubuhat ng bola sa hagdanan. Ang pag-roll down sa mga hakbang, ang bola ay nawawalan ng enerhiya, ngunit hindi ito nawawala, ngunit nagiging panloob na enerhiya ng mga sangkap na nabuo sa panahon ng photosynthesis.
Ang mga molekula ng chlorophyll ay "gumagana" lamang sa oras ng liwanag ng araw, kapag tinatamaan sila ng nakikitang liwanag. Sa gabi sila ay "nagpapahinga", sa kabila ng katotohanan na walang kakulangan ng electromagnetic radiation: ang lupa at mga halaman ay naglalabas ng infrared na ilaw, ngunit ang enerhiya ng quanta sa hanay na ito ay mas mababa kaysa sa kinakailangan para sa photosynthesis. Sa proseso ng ebolusyon, ang mga halaman ay umangkop upang maipon ang enerhiya ng pinakamakapangyarihang mapagkukunan ng enerhiya sa Earth - ang Araw.
pagmamana.(Sinasagot ng mga mag-aaral ang mga tanong 1–3 mula sa Appendix 3, card na “Heredity”). Ang mga namamana na katangian ng mga organismo ay naka-encode sa mga molekula ng DNA at ipinapadala mula sa henerasyon hanggang sa henerasyon sa isang matrix na paraan. Paano maging sanhi ng mutation? Sa ilalim ng impluwensya ng anong radiation nangyayari ang proseso ng mutation?
Upang maging sanhi ng isang solong mutation, kinakailangan na magbigay ng enerhiya sa molekula ng DNA na sapat upang baguhin ang istraktura ng ilang bahagi ng DNA gene. Ito ay kilala na ang γ-quanta at X-ray, gaya ng sinabi ng mga biologist, lubos na mutagenic– ang kanilang quanta ay nagdadala ng enerhiya na sapat upang baguhin ang istraktura ng isang seksyon ng DNA. Ang IR radiation, at tila, ay hindi makakagawa ng ganoong pagkilos, at samakatuwid ang kanilang enerhiya, ay masyadong mababa. Ngayon, kung ang enerhiya ng electromagnetic field ay hinihigop hindi sa mga bahagi, ngunit patuloy, kung gayon ang mga radiation na ito ay makakaimpluwensya sa DNA, dahil may kaugnayan sa mga reproductive cell nito, ang organismo mismo ang pinakamalapit at pinakamakapangyarihan, patuloy na nagpapatakbo ng mapagkukunan ng radiation.
Sa simula ng 30s. XX siglo Salamat sa mga tagumpay ng quantum mechanics, ang mga physicist ay nagkaroon ng pakiramdam ng gayong kapangyarihan na sila mismo ay bumaling sa buhay. Maraming pagkakatulad sa genetika. Natuklasan ng mga biologist ang isang discrete indivisible particle - isang gene - na maaaring lumipat mula sa isang estado patungo sa isa pa. Ang mga pagbabago sa pagsasaayos ng mga gene ay nauugnay sa mga pagbabago sa mga kromosom, na nagiging sanhi ng mga mutasyon, at ito ay naging posible na ipaliwanag batay sa mga konsepto ng quantum. Ang isa sa mga tagapagtatag ng molecular biology, na nakatanggap ng Nobel Prize para sa pananaliksik sa larangan ng mga proseso ng mutation sa bacteria at bacteriophage, ay ang German theoretical physicist na si M. Delbrück. Noong 1944, inilathala ang isang maikling aklat ng physicist na si E. Schrödinger, “What is Life?” Nagbigay ito ng isang malinaw at maigsi na pagtatanghal ng mga batayan ng genetika at nagsiwalat ng koneksyon sa pagitan ng genetika at quantum mechanics. Ang libro ay nagbigay ng lakas sa pag-atake ng mga physicist sa gene. Salamat sa gawain ng mga Amerikanong pisiko na sina J. Watson, F. Crick, M. Wilkins, natutunan ng mga biologist kung paano "nabubuo" ang pinakapangunahing "nabubuhay" na molekula, ang DNA. Ginawang posible ng pagsusuri ng X-ray diffraction na makita ito.
VII. Guro. Bumalik ako sa tanong: ano ang liwanag? ( Sagot ng mag-aaral.) Lumalabas na ang pisika ay bumalik sa Newtonian particle ng liwanag - ang corpuscle - tinatanggihan ang ideya ng liwanag bilang isang alon? Hindi! Imposibleng i-cross out ang buong legacy ng wave theory of light! Pagkatapos ng lahat, ang diffraction, interference at maraming iba pang mga phenomena ay matagal nang kilala, na eksperimento na nagpapatunay na ang liwanag ay isang alon. Anong gagawin ko? ( Mga hypotheses ng mga mag-aaral.)
Mayroon na lamang isang bagay na natitira: upang kahit papaano ay pagsamahin ang mga alon sa mga particle. Kilalanin na mayroong isang bilog ng mga phenomena kung saan ang liwanag ay nagpapakita ng mga katangian ng alon, at may isa pang bilog kung saan ang corpuscular essence ng liwanag ay nauuna. Sa madaling salita - isulat ito! – may liwanag duality ng quantum wave! Ito ang dalawahang katangian ng liwanag. Napakahirap para sa mga pisiko na pagsamahin ang dalawang hindi magkatugma na ideya sa isa. Ang butil ay isang bagay na solid, hindi nagbabago, may tiyak na sukat, limitado sa espasyo. Ang alon ay isang bagay na tuluy-tuloy, hindi matatag, walang malinaw na mga hangganan. Higit o mas malinaw, ang mga ideyang ito ay konektado gamit ang konsepto ng isang wave packet. Ito ay tulad ng isang alon na "naputol" sa magkabilang dulo, o sa halip, isang grupo ng mga alon na naglalakbay sa kalawakan bilang isang solong kabuuan. Ang clot ay maaaring lumiit o mag-inat depende sa kapaligiran na pinapasok nito. Ito ay kahawig ng isang lumilipad na bukal.
Anong katangian ng wave packet ang nagbabago kapag ang ilaw ay pumasa mula sa isang daluyan patungo sa isa pa? ( Sagot ng mag-aaral.)
Noong 1927, iminungkahi ng American physicist na si Lewis na tawagan ang wave packet na ito photon(mula sa Greek φωτóς [phos, mga larawan] – ). Ano ang isang photon? ( Ang mga mag-aaral ay nagtatrabaho sa aklat-aralin at gumawa ng mga konklusyon.)
Mga konklusyon. Ang photon ay: isang quantum ng electromagnetic radiation; c= 3 · 10 8 m/s ay isang buo at hindi mahahati, ang pagkakaroon ng isang fractional na bahagi ng isang photon ay imposible; E = hν, saan h= 6.63 · 10 -34 J · s; Ang ν ay ang dalas ng liwanag; ang isang particle na may momentum ay isang electrically neutral na particle.
Ang mundo ay nakabalangkas sa paraang madalas na ipinapakita sa atin ng liwanag ang kalikasan ng alon, hanggang sa isaalang-alang natin ang pakikipag-ugnayan nito sa bagay. At ang bagay ay lilitaw sa harap natin sa corpuscular form, hanggang sa simulan nating isaalang-alang ang likas na katangian ng interatomic bonds, transfer process, electrical resistance, atbp. Ngunit anuman ang ating posisyon sa bawat sandali, ang isang microparticle ay may parehong mga katangian.
Ang proseso ng paglikha ng quantum theory at, sa partikular, quantum theory of light ay malalim na dialectical. Ang mga ideya at larawan ng mga luma, klasikal na mekanika at optika, na pinayaman ng mga bagong ideya, malikhaing inilapat sa pisikal na katotohanan, sa huli ay nagbunga ng panimulang bagong pisikal na teorya.
Mag-ehersisyo: Basahin ang pilosopikal na batas ng pagkakaisa at pakikibaka ng magkasalungat at gumawa ng konklusyon tungkol sa dalawang teorya ng liwanag: wave at quantum theories ng liwanag.
VIII. Guro. Noong 1924, ang French physicist na si Louis de Broglie (isang dating military radiotelegraph operator) ay nagpahayag ng ganap na kabalintunaan, kahit na para sa matapang na physicist noong panahong iyon, ang mga saloobin tungkol sa likas na katangian ng paggalaw ng mga atomic na particle. Iminungkahi ni De Broglie na ang mga katangian ng mga electron at iba pang mga particle, sa prinsipyo, ay hindi naiiba sa mga katangian ng quanta! Ito ay sumunod mula dito na ang mga electron at iba pang mga particle ay dapat ding magpakita ng mga katangian ng alon, na, halimbawa, ang electron diffraction ay dapat obserbahan. At talagang natuklasan sa mga eksperimento na noong 1927, nang nakapag-iisa sa isa't isa, ay isinagawa ng mga Amerikanong pisiko na si K.-J. Davisson at L. Germer, Soviet physicist na si P.S. Tartakovsky at English physicist na si J.-P. Thomson. Ang wavelength ng de Broglie ay kinakalkula gamit ang formula:
Lutasin natin ang mga problema para sa pagkalkula ng wavelength ng de Broglie (Appendix 4).
Tulad ng ipinapakita ng mga kalkulasyon, isang valence electron na gumagalaw sa loob ng isang atom sa bilis na 0.01 Sa, nagdi-diffract sa isang ionic na kristal na sala-sala bilang isang alon na may haba ng daluyong na ~10 -10 m, at ang haba ng daluyong ng isang bala na lumilipad sa bilis na humigit-kumulang 500 m/s ay halos 10 -34 m ang gayong maliit na haba ng daluyong sa anumang paraan, at samakatuwid ang bala ay kumikilos tulad ng isang tunay na butil.
Ang pakikibaka sa pagitan ng mga ideya ng discreteness at pagpapatuloy ng bagay, na isinagawa mula pa sa simula ng agham, ay natapos sa pagsasama ng parehong mga ideya sa ideya ng dalawahang katangian ng elementarya na mga particle. Ang paggamit ng mga katangian ng alon ng mga electron ay naging posible upang makabuluhang taasan ang resolusyon ng mga mikroskopyo. Ang wavelength ng electron ay nakasalalay sa bilis, at samakatuwid ay sa boltahe na nagpapabilis sa mga electron (tingnan ang problema 5 sa Appendix 4). Sa karamihan ng mga electron microscope, ang wavelength ng de Broglie ay daan-daang beses na mas maliit kaysa sa wavelength ng liwanag. Naging posible na makakita ng mas maliliit na bagay, hanggang sa iisang molekula.
Isinilang ang wave mechanics, ang batayan ng dakilang edipisyo ng quantum physics. Inilatag ni De Broglie ang mga pundasyon para sa teorya ng interference at diffraction ng liwanag, nagbigay ng bagong derivation ng formula ni Planck, at nagtatag ng malalim na pagsusulatan sa pagitan ng paggalaw ng mga particle at ng mga alon na nauugnay sa kanila.
Kapag nag-aaral ng anumang teorya, palagi naming napapansin ang mga limitasyon ng pagkakalapat ng teoryang ito. Ang mga limitasyon ng applicability ng quantum theory ay hindi pa naitatag, ngunit ang mga batas nito ay dapat ilapat upang ilarawan ang paggalaw ng mga microparticle sa maliliit na rehiyon ng espasyo at sa mataas na frequency ng electromagnetic waves, kapag ang mga instrumento sa pagsukat ay ginagawang posible na magrehistro ng indibidwal na quanta (enerhiya ~10 -16 J). Kaya, upang ilarawan ang pakikipag-ugnayan ng bagay at X-ray radiation, ang enerhiya ng quanta na kung saan ay dalawang order ng magnitude na mas malaki kaysa sa limitasyon na itinatag sa itaas, kinakailangan na ilapat ang mga batas ng quantum physics, at ilarawan ang mga katangian ng radio waves, ang mga batas ng classical electrodynamics ay sapat na. Dapat tandaan na ang pangunahing "pagsubok na lupa" para sa quantum theory ay ang physics ng atom at ang atomic nucleus.
Sa pagtatapos ng aralin ngayon, muli kong itatanong sa iyo ang tanong: ano ang liwanag? ( Sagot ng mag-aaral.)
Panitikan
- Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B. Physics. Ika-11 baitang: pang-edukasyon. para sa pangkalahatang mga institusyong pang-edukasyon: basic at propesyonal. mga antas. M.: Edukasyon, 2009.
- Video encyclopedia para sa pampublikong edukasyon. Lennauchfilm. Video studio na "Kvart". [Electronic na mapagkukunan] Cassette No. 2 "Thermal radiation".
- Tomilin A.N. Sa paghahanap ng mga pinagmulan: scientific-pop. edisyon. L.: Det. panitikan, 1990.
- Quantum mechanics. Quantum electrodynamics // Encycl. sl. batang pisiko / Comp. V.A. Chuyanov. M.: Pedagogy, 1984.
- Koltun M. Mundo ng Physics. M.: Det. panitikan, 1984.
- Solopov E.F. Pilosopiya: aklat-aralin. tulong para sa mga mag-aaral mas mataas aklat-aralin mga establisyimento. M.: Vlados, 2003.
- Ilchenko V.R. Sangang-daan ng pisika, kimika, biology: libro. para sa mga mag-aaral. M.: Edukasyon, 1986.
- Katz Ts.B. Biophysics sa mga aralin sa pisika: libro. para sa guro. M.: Edukasyon, 1988.
Elena Stepanovna Uvitskaya– guro ng pisika ng pinakamataas na kategorya ng kwalipikasyon, nagtapos mula sa Tula State Pedagogical Institute na pinangalanan. L.N. Tolstoy noong 1977 at itinalaga sa Urals, sa maliit na pang-industriyang bayan ng Lysva, kung saan siya nagtatrabaho pa rin. Honorary worker ng pangkalahatang edukasyon ng Russian Federation, nagwagi ng All-Russian na kumpetisyon para sa mga guro ng pisika at matematika (Dynasty Foundation). Ang mga nagtapos ay matagumpay na nakapasa sa Unified State Exam sa loob ng maraming taon at pumapasok sa mga unibersidad sa Moscow, St. Petersburg, Yekaterinburg, at Perm. Minsan, pagkatapos basahin ang tungkol sa Emerald Tablet, nabigla ako sa kasalukuyang kaugnayan ng ideya ng maalamat na Hermes: bawat bagay, bagay, proseso sa ating Uniberso ay nagdadala ng mga katangian ng bawat isa at ng isang solong kabuuan. Mula noon, binibigyang-pansin niya ang mga interdisciplinary na koneksyon at pagkakatulad: pisika at biyolohiya, pisika at matematika, pisika at panitikan, at ngayon ay pisika at wikang Ingles. Siya ay nakikibahagi sa gawaing pang-agham kasama ang mga mag-aaral, lalo na sa elementarya: saan nakatira ang kuryente? Bakit hindi pangkaraniwan ang ordinaryong tubig? Ano ito, ang mahiwagang mundo ng mga bituin? Ang pamilya ay may dalawang anak na lalaki, parehong nagtapos sa Perm State Technical University. Ang junior ay isang engineer, ang senior ay isang karate-do teacher, may black belt, second dan, multiple champion ng Russia, kalahok sa World Championship sa Japan. Imposible ang tagumpay ng guro kung wala ang tulong ng kanyang asawa, isang electrical engineer sa pamamagitan ng pagsasanay: pagbuo at pagsasagawa ng mga eksperimento, paglikha ng mga bagong device, at simpleng suporta at payo na nakakatulong sa iba't ibang sitwasyon sa buhay.
Ang lahat ng mga aplikasyon ay ibinibigay sa . – Ed.
Ang papel ng teorya ni Maxwell ay pinakamahusay na ipinahayag ng sikat na pisiko na si Robert Feynman: "Sa kasaysayan ng sangkatauhan (kung titingnan natin, sabihin nating, 10,000 taon mula ngayon), ang pinakamahalagang kaganapan sa ika-19 na siglo ay walang alinlangan na ang pagtuklas ni Maxwell ng ang mga batas ng electrodynamics. Sa likod ng mahalagang pagtuklas sa siyensya na ito, ang Digmaang Sibil ng Amerika sa parehong dekada ay magmumukhang isang menor de edad na insidente sa probinsiya."
Matagal na nag-alinlangan si Planck kung pipiliin ba ang humanities o physics. Ang lahat ng mga gawa ni Planck ay nakikilala sa pamamagitan ng biyaya at kagandahan. Sumulat si A. Einstein tungkol sa kanila: "Kapag pinag-aaralan ang kanyang mga gawa, nagkakaroon ng impresyon na ang pangangailangan ng kasiningan ay isa sa mga pangunahing bukal ng kanyang pagkamalikhain."
Noong 1935, nang ang quantum mechanics at ang pangkalahatang teorya ng relativity ni Einstein ay napakabata pa, ang hindi-sikat na Soviet physicist na si Matvei Bronstein, sa edad na 28, ay gumawa ng unang detalyadong pag-aaral ng pagkakasundo ng dalawang teoryang ito sa quantum theory ng grabidad. Ito ay "marahil ay isang teorya ng buong mundo," gaya ng isinulat ni Bronstein, ay maaaring pumalit sa klasikal na paglalarawan ni Einstein ng gravity, kung saan ito ay nakikita bilang mga kurba sa space-time continuum, at muling isulat ito sa quantum language, tulad ng iba pang pisika.
Naisip ni Bronstein kung paano ilarawan ang gravity sa mga tuntunin ng mga quantized na particle, na tinatawag na ngayong gravitons, ngunit kapag mahina lamang ang puwersa ng gravity—iyon ay, (sa pangkalahatang relativity) kapag ang spacetime ay bahagyang hubog na ito ay mahalagang flat. Kapag ang gravity ay malakas, "ang sitwasyon ay ganap na naiiba," ang isinulat ng siyentipiko. "Kung walang malalim na rebisyon ng mga klasikal na konsepto, tila halos imposibleng isipin ang isang quantum theory ng gravity sa lugar na ito."
Ang kanyang mga salita ay makahulang. Makalipas ang walumpu't tatlong taon, sinusubukan pa rin ng mga physicist na maunawaan kung paano nagpapakita ang spacetime curvature sa mga macroscopic na kaliskis, na nagmumula sa isang mas pundamental at malamang na quantum na larawan ng gravity; Ito marahil ang pinakamalalim na tanong sa pisika. Marahil, kung may pagkakataon, ang maliwanag na isip ni Bronstein ay magpapabilis sa proseso ng paghahanap na ito. Bilang karagdagan sa quantum gravity, gumawa din siya ng mga kontribusyon sa astrophysics at cosmology, semiconductor theory, quantum electrodynamics, at nagsulat ng ilang mga libro para sa mga bata. Noong 1938, nahulog siya sa ilalim ng mga panunupil ni Stalin at pinatay sa edad na 31.
Ang paghahanap para sa isang kumpletong teorya ng quantum gravity ay kumplikado sa pamamagitan ng katotohanan na ang quantum properties ng gravity ay hindi kailanman nagpapakita ng kanilang mga sarili sa tunay na karanasan. Hindi nakikita ng mga physicist kung paano nilalabag ang paglalarawan ni Einstein ng isang maayos na space-time continuum, o ang quantum approximation ni Bronstein sa isang bahagyang hubog na estado.
Ang problema ay ang matinding kahinaan ng gravitational force. Bagama't napakalakas ng mga quantized na particle na nagpapadala ng malalakas, mahina at electromagnetic na pwersa na mahigpit nilang binigkis ang bagay sa mga atomo at maaaring masuri nang literal sa ilalim ng magnifying glass, ang mga indibidwal na graviton ay napakahina na ang mga laboratoryo ay walang pagkakataong matukoy ang mga ito. Upang magkaroon ng mataas na posibilidad na mahuli ang isang graviton, ang particle detector ay kailangang maging napakalaki at napakalaking na ito ay bumagsak sa isang black hole. Ang kahinaang ito ay nagpapaliwanag kung bakit kailangan ang astronomical accumulations ng masa upang maimpluwensyahan ang iba pang malalaking katawan sa pamamagitan ng gravity, at kung bakit nakikita natin ang mga epekto ng gravitational sa napakalaking kaliskis.
Hindi lamang yan. Ang uniberso ay lumilitaw na napapailalim sa ilang uri ng cosmic censorship: mga rehiyon na may malakas na gravity—kung saan ang mga kurba ng spacetime ay napakatalim na ang mga equation ni Einstein ay nasira at ang quantum na kalikasan ng gravity at spacetime ay dapat na ibunyag—laging nakakubli sa likod ng mga horizon ng black hole.
"Kahit ilang taon na ang nakalilipas, mayroong isang pangkalahatang pinagkasunduan na malamang na imposibleng sukatin ang quantization ng gravitational field sa anumang paraan," sabi ni Igor Pikovsky, isang teoretikal na pisiko sa Harvard University.
Ngayon, binago iyon ng ilang kamakailang mga papeles na inilathala sa Physical Review Letters. Ang mga papel na ito ay nag-aangkin na maaaring posible na makarating sa quantum gravity-kahit na walang alam tungkol dito. Ang mga papeles, na isinulat ni Sugato Bose ng University College London at Chiara Marletto at Vlatko Vedral ng University of Oxford, ay nagmumungkahi ng isang teknikal na hamon ngunit magagawang eksperimento na maaaring kumpirmahin na ang gravity ay isang quantum force tulad ng lahat ng iba, nang hindi nangangailangan ng pagtuklas ng isang graviton. . Si Miles Blencowe, isang quantum physicist sa Dartmouth College na hindi kasali sa gawaing ito, ay nagsabi na ang gayong eksperimento ay maaaring magbunyag ng isang malinaw na pirma ng hindi nakikitang quantum gravity - "ang ngiti ng Cheshire Cat."
Tutukuyin ng iminungkahing eksperimento kung ang dalawang bagay—nagplano ang grupo ni Bose na gumamit ng isang pares ng microdiamonds—ay maaaring maging quantum mechanically entangled sa isa't isa sa pamamagitan ng mutual gravitational attraction. Ang entanglement ay isang quantum phenomenon kung saan ang mga particle ay nagiging inseparably intertwined, nagbabahagi ng isang solong pisikal na paglalarawan na tumutukoy sa kanilang posibleng pinagsamang estado. (Ang coexistence ng iba't ibang posibleng estado ay tinatawag na "superposition" at tumutukoy sa isang quantum system.) Halimbawa, maaaring umiral ang isang pares ng mga gusot na particle sa isang superposisyon kung saan ang particle A ay may 50% na posibilidad ng pag-ikot mula sa ibaba hanggang sa itaas, at ang particle B ay iikot mula sa itaas hanggang sa ibaba, at may 50% na posibilidad na vice versa. Walang nakakaalam nang maaga kung anong resulta ang makukuha mo kapag sinusukat ang direksyon ng pag-ikot ng mga particle, ngunit makatitiyak ka na magiging pareho ito para sa kanila.
Nagtatalo ang mga may-akda na ang dalawang bagay sa iminungkahing eksperimento ay maaari lamang maging gusot sa ganitong paraan kung ang puwersang kumikilos sa pagitan nila - sa kasong ito ng gravity - ay isang interaksyong quantum na pinapamagitan ng mga graviton, na maaaring suportahan ang mga superposisyon ng quantum. "Kung ang eksperimento ay natupad at ang pagkagambala ay nakuha, ayon sa trabaho, maaari nating tapusin na ang gravity ay quantize," paliwanag ni Blencowe.
Lituhin ang brilyante
Ang quantum gravity ay napaka banayad na ang ilang mga siyentipiko ay nag-alinlangan sa pagkakaroon nito. Ang kilalang mathematician at physicist na si Freeman Dyson, 94, ay nagtalo mula noong 2001 na ang uniberso ay maaaring suportahan ang isang uri ng "dualistic" na paglalarawan kung saan "ang gravitational field na inilarawan ng pangkalahatang teorya ng relativity ni Einstein ay magiging isang purong klasikal na larangan na walang anumang quantum behavior." , habang ang lahat ng bagay sa makinis na space-time continuum na ito ay susukatin ng mga particle na sumusunod sa mga tuntunin ng probabilidad.
Si Dyson, na tumulong sa pagbuo ng quantum electrodynamics (ang teorya ng mga pakikipag-ugnayan sa pagitan ng bagay at liwanag) at isang propesor na emeritus sa Institute for Advanced Study sa Princeton, New Jersey, ay hindi naniniwala na ang quantum gravity ay kinakailangan upang ilarawan ang hindi maabot na interior ng mga black hole . At naniniwala din siya na ang pagtuklas ng hypothetical graviton ay maaaring imposible sa prinsipyo. Sa kasong iyon, sabi niya, ang quantum gravity ay magiging metapisiko, hindi pisikal.
Hindi lang siya ang nagdududa. Ang sikat na English physicist na si Sir Roger Penrose at ang Hungarian scientist na si Lajos Diosi ay nakapag-iisa na nagmungkahi na ang spacetime ay hindi maaaring suportahan ang mga superposisyon. Naniniwala sila na ang makinis, matigas, at pangunahing klasikal na kalikasan nito ay pumipigil dito mula sa pagyuko sa dalawang posibleng landas nang sabay-sabay - at ang katigasan na ito ang humahantong sa pagbagsak ng mga superposisyon ng mga quantum system tulad ng mga electron at photon. "Gravitational decoherence," sa kanilang opinyon, ay nagbibigay-daan para sa isang solong, solid, klasikal na katotohanan na mangyari na maaaring madama sa isang macroscopic scale.
Ang kakayahang mahanap ang "ngiti" ng quantum gravity ay tila pabulaanan ang argumento ni Dyson. Pinapatay din nito ang teorya ng gravitational decoherence sa pamamagitan ng pagpapakita na ang gravity at spacetime ay talagang sumusuporta sa mga superposisyon ng quantum.
Ang mga panukala ng Bose at Marletto ay lumitaw nang sabay-sabay at ganap na hindi sinasadya, bagaman ang mga eksperto ay napapansin na ang mga ito ay sumasalamin sa diwa ng panahon. Ang mga eksperimental na quantum physics laboratories sa buong mundo ay naglalagay ng mas malalaking microscopic na bagay sa mga quantum superposition at nag-o-optimize ng mga protocol para sa pagsubok sa pagkakasalubong ng dalawang quantum system. Ang iminungkahing eksperimento ay kailangang pagsamahin ang mga pamamaraang ito, habang nangangailangan ng karagdagang mga pagpapabuti sa sukat at sensitivity; siguro aabutin ng sampung taon. "Ngunit walang pisikal na patay na dulo," sabi ni Pikovsky, na nagsisiyasat din kung paano maaaring suriin ng mga eksperimento sa laboratoryo ang gravitational phenomena. "Sa tingin ko ito ay mahirap, ngunit hindi imposible."
Ang planong ito ay nakabalangkas nang mas detalyado sa gawain ng Bose et al - Labing-isang Eksperto ng Ocean para sa Iba't ibang Yugto ng Panukala. Halimbawa, sa kanyang laboratoryo sa Unibersidad ng Warwick, ang co-author na si Gavin Morley ay nagtatrabaho sa unang hakbang, sinusubukang ilagay ang isang microdiamond sa isang quantum superposition sa dalawang lugar. Para magawa ito, ikukulong niya ang isang nitrogen atom sa microdiamond, sa tabi ng isang bakante sa istraktura ng brilyante (ang tinatawag na NV center, o nitrogen-substituted vacancy sa brilyante), at sisingilin ito ng microwave pulse. Ang isang electron na umiikot sa paligid ng NV center ay sabay-sabay na sumisipsip ng liwanag at hindi, at ang system ay napupunta sa isang quantum superposition ng dalawang direksyon ng pag-ikot - pataas at pababa - tulad ng isang tuktok na umiikot sa clockwise na may tiyak na probabilidad at counterclockwise na may tiyak na posibilidad. Ang isang microdiamond na puno ng superposition spin na ito ay sumasailalim sa isang magnetic field na nagiging sanhi ng itaas na pag-ikot upang lumipat sa kaliwa at ang ilalim na pag-ikot upang lumipat sa kanan. Ang brilyante mismo ay nahahati sa isang superposisyon ng dalawang tilapon.
Sa isang buong eksperimento, gagawin ng mga siyentipiko ang lahat ng ito gamit ang dalawang diamante - pula at asul, halimbawa - inilagay sa tabi sa isang napakalamig na vacuum. Kapag ang bitag na humahawak sa kanila ay naka-off, ang dalawang microdiamond, bawat isa ay nasa superposisyon ng dalawang posisyon, ay babagsak nang patayo sa isang vacuum. Habang nahuhulog ang mga brilyante, mararamdaman nila ang gravity ng bawat isa sa kanila. Gaano kalakas ang kanilang gravitational pull?
Kung ang gravity ay isang quantum force, ang sagot ay: depende ito. Ang bawat bahagi ng superposisyon ng asul na brilyante ay makakaranas ng mas malakas o mahinang atraksyon patungo sa pulang brilyante, depende sa kung ang huli ay nasa isang sangay ng superposisyon na mas malapit o mas malayo. At ang gravity na mararamdaman ng bawat bahagi ng superposition ng pulang brilyante ay depende sa parehong paraan sa estado ng asul na brilyante.
Sa bawat kaso, kumikilos ang iba't ibang antas ng pagkahumaling sa gravitational sa mga umuusbong na bahagi ng mga superposisyon ng brilyante. Nagiging magkakaugnay ang dalawang diamante dahil matutukoy lamang ang kanilang mga estado sa kumbinasyon—kung nangangahulugan ito na—kaya kalaunan ay magkakaugnay ang mga direksyon ng pag-ikot ng dalawang sistema ng mga sentro ng NV.
Pagkatapos magkatabi ang mga microdiamond sa loob ng tatlong segundo—sapat na ang tagal upang makasali sa gravity—dadaan sila sa isa pang magnetic field, na magbabalik sa mga sanga ng bawat superposisyon. Ang huling hakbang ng eksperimento ay ang entanglement witness protocol na binuo ng Danish physicist na si Barbara Theral at iba pa: ang mga asul at pulang diamante ay pumapasok sa iba't ibang device na sumusukat sa mga direksyon ng pag-ikot ng mga NV center system. (Ang pagsukat ay nagdudulot ng pagbagsak ng mga superposisyon sa ilang partikular na estado.) Ang dalawang resulta ay pagkatapos ay inihambing. Sa pamamagitan ng paulit-ulit na pagsasagawa ng eksperimento at paghahambing ng maraming pares ng mga sukat ng pag-ikot, matutukoy ng mga siyentipiko kung ang mga pag-ikot ng dalawang quantum system ay aktwal na magkakaugnay nang mas madalas kaysa sa itaas na limitasyon para sa mga bagay na hindi mekanikal na nakakabit sa quantum. Kung gayon, ang gravity ay talagang nakakasagabal sa mga diamante at maaaring suportahan ang mga superposisyon.
"Ano ang kawili-wili sa eksperimentong ito ay hindi mo kailangang malaman kung ano ang quantum theory," sabi ni Blencowe. "Ang kailangan lang ay sabihin na mayroong ilang quantum na aspeto sa rehiyong ito na pinapamagitan ng puwersa sa pagitan ng dalawang particle."
Mayroong maraming mga teknikal na kahirapan. Ang pinakamalaking bagay na inilagay sa superposisyon sa dalawang lugar bago ay isang 800-atom na molekula. Ang bawat microdiamond ay naglalaman ng higit sa 100 bilyong carbon atoms - sapat upang makaipon ng isang kapansin-pansing puwersa ng gravitational. Ang pag-unpack ng quantum mechanical na katangian nito ay mangangailangan ng mababang temperatura, malalim na vacuum at tumpak na kontrol. "Maraming trabaho ang pagkuha at pagpapatakbo ng paunang superposisyon," sabi ni Peter Barker, bahagi ng experimental team na pinipino ang laser cooling at microdiamond trapping techniques. Kung magagawa ito sa isang brilyante, idinagdag ni Bose, "ang pangalawa ay hindi magiging problema."
Ano ang kakaiba sa gravity?
Ang mga mananaliksik ng quantum gravity ay walang alinlangan na ang gravity ay isang quantum interaction na maaaring magdulot ng gusot. Siyempre, ang gravity ay medyo natatangi, at marami pa rin ang dapat matutunan tungkol sa mga pinagmulan ng espasyo at oras, ngunit ang quantum mechanics ay dapat talagang kasangkot, sabi ng mga siyentipiko. "Talaga, ano ang punto ng isang teorya kung saan ang karamihan sa pisika ay quantum at ang gravity ay klasikal," sabi ni Daniel Harlow, isang quantum gravity researcher sa MIT. Ang mga teoretikal na argumento laban sa pinaghalong quantum-classical na mga modelo ay napakalakas (bagaman hindi kapani-paniwala).
Sa kabilang banda, ang mga teorista ay nagkamali noon. “Kung masusuri mo, bakit hindi? Kung pipigilan nito ang mga taong ito na nagtatanong sa quantum nature ng gravity, magiging mahusay iyon, "sabi ni Harlow.
Pagkatapos basahin ang mga papel, isinulat ni Dyson: "Ang iminungkahing eksperimento ay tiyak na may malaking interes at kailangang isagawa sa ilalim ng mga kondisyon ng isang tunay na quantum system." Gayunpaman, sinabi niya na ang mga linya ng pag-iisip ng mga may-akda tungkol sa mga patlang ng quantum ay naiiba sa kanya. "Hindi malinaw sa akin kung malulutas ng eksperimentong ito ang tanong ng pagkakaroon ng quantum gravity. Ang tanong na itinatanong ko—kung ang isang graviton ay sinusunod—ay ibang tanong at maaaring may ibang sagot.”
Ang linya ng pag-iisip nina Bose, Marletto at kanilang mga kasamahan sa quantized gravity ay nagmula sa gawain ni Bronstein noon pang 1935. (Tinawag ni Dyson ang gawa ni Bronstein na "isang magandang piraso ng trabaho" na hindi niya nakita noon). Sa partikular, ipinakita ni Bronstein na ang mahinang gravity na nabuo ng mababang masa ay maaaring tantiyahin ng batas ng grabidad ni Newton. (Ito ang puwersang kumikilos sa pagitan ng mga superposisyon ng microdiamonds). Ayon kay Blencowe, ang mga kalkulasyon ng mahinang quantized gravity ay hindi pa partikular na isinasagawa, bagama't tiyak na mas nauugnay ang mga ito kaysa sa pisika ng mga black hole o Big Bang. Inaasahan niya na ang bagong pang-eksperimentong panukala ay hihikayat sa mga teorista na maghanap ng mga banayad na pagpipino sa pagtatantya ni Newton, na maaaring subukan ng mga eksperimento sa tabletop sa hinaharap.
Nakita ni Leonard Susskind, isang kilalang quantum gravity at string theorist sa Stanford University, ang halaga ng iminungkahing eksperimento dahil "ito ay nagbibigay ng mga obserbasyon ng gravity sa isang bagong hanay ng mga masa at distansya." Ngunit binigyang-diin niya at ng iba pang mga mananaliksik na ang mga microdiamond ay hindi maaaring magbunyag ng anuman tungkol sa buong teorya ng quantum gravity o space-time. Gusto niya at ng kanyang mga kasamahan na maunawaan kung ano ang nangyayari sa gitna ng isang black hole at sa sandali ng Big Bang.
Marahil ang isang palatandaan kung bakit mas mahirap ang pagsukat ng gravity kaysa sa anupaman ay ang ibang pwersa ng kalikasan ay mayroong tinatawag na "lokalidad": ang mga quantum particle sa isang rehiyon ng field (halimbawa, ang mga photon sa isang electromagnetic field) ay "independyente sa iba pang mga pisikal na nilalang sa ibang rehiyon ng espasyo," sabi ni Mark van Raamsdonk, isang quantum gravity theorist sa University of British Columbia. "Ngunit mayroong maraming teoretikal na katibayan na ang gravity ay hindi gumagana sa ganoong paraan."
Sa pinakamahusay na mga modelo ng sandbox ng quantum gravity (na may pinasimple na space-time geometry), imposibleng ipagpalagay na ang laso ng space-time na tela ay nahahati sa mga independiyenteng tatlong-dimensional na piraso, sabi ni van Raamsdonk. Sa halip, ang modernong teorya ay nagmumungkahi na ang pinagbabatayan, pangunahing mga bahagi ng espasyo ay "nakaayos sa halip sa isang dalawang-dimensional na paraan." Ang tela ng spacetime ay maaaring maging tulad ng isang hologram o isang video game. "Bagaman ang larawan ay three-dimensional, ang impormasyon ay naka-imbak sa isang two-dimensional na computer chip." Sa kasong ito, ang tatlong-dimensional na mundo ay magiging isang ilusyon sa kahulugan na ang iba't ibang bahagi nito ay hindi gaanong independyente. Sa isang pagkakatulad ng video game, ang ilang piraso sa isang two-dimensional na chip ay maaaring mag-encode ng mga pandaigdigang function ng buong universe ng laro.
At mahalaga ang pagkakaibang ito kapag sinusubukan mong lumikha ng quantum theory of gravity. Ang karaniwang diskarte sa pag-quantize ng isang bagay ay ang pagtukoy sa mga independiyenteng bahagi nito—halimbawa, mga particle—at pagkatapos ay ilapat ang mga mekanika ng quantum sa kanila. Ngunit kung hindi mo tinukoy ang mga tamang bahagi, napupunta ka sa mga maling equation. Ang direktang quantization ng three-dimensional na espasyo na gustong gawin ni Bronstein ay gumagana sa ilang lawak na may mahinang gravity, ngunit lumalabas na walang silbi kapag ang spacetime ay napakakurba.
Ang ilang mga eksperto ay nagsasabi na ang pagsaksi sa "ngiti" ng quantum gravity ay maaaring humantong sa pagganyak para sa ganitong uri ng abstract na pangangatwiran. Pagkatapos ng lahat, kahit na ang pinakamalakas na teoretikal na argumento tungkol sa pagkakaroon ng quantum gravity ay hindi sinusuportahan ng mga eksperimentong katotohanan. Kapag ipinaliwanag ni van Raamsdonk ang kanyang pananaliksik sa isang pang-agham na colloquium, sabi niya, kadalasan ay nagsisimula ito sa isang kuwento tungkol sa kung paano kailangang pag-isipang muli ang gravity gamit ang quantum mechanics dahil ang klasikal na paglalarawan ng spacetime ay nasira sa mga black hole at Big Bang.
"Ngunit kung gagawin mo ang simpleng eksperimentong ito at ipakita na ang gravitational field ay nasa superposisyon, ang pagkabigo ng klasikal na paglalarawan ay nagiging halata. Dahil magkakaroon ng eksperimento na nagpapahiwatig na ang gravity ay quantum."
Batay sa mga materyales mula sa Quanta Magazine
