|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
NAJWAŻNIEJSZE ODKRYCIA NAUKOWE
Mechanika kwantowa. Historia i istota odkryć naukowych
Katalog / Najważniejsze odkrycia naukowe Kiedy minęła ekscytacja pierwszymi sukcesami Teoria Bohra, wszyscy nagle zdali sobie sprawę z prostej prawdy: schemat Bohra jest sprzeczny. Nie było gdzie się ukryć przed takim faktem, a to tłumaczy ówczesny pesymizm Einstein, a także desperację Pauliego. Fizycy są ciągle przekonani, że elektron poruszając się w atomie nie przestrzega praw elektrodynamiki: nie spada na jądro i nawet nie promieniuje, jeśli atom nie jest wzbudzony. Wszystko to było tak niezwykłe, że nie mieściło mi się w głowie: elektron, który „pochodził” z elektrodynamiki nagle wymknął się spod kontroli jej praw. W każdej próbie znalezienia logicznego wyjścia z takiego błędnego koła naukowcy zawsze doszli do wniosku: atom Bohra nie może istnieć. Okazało się, że ruch elektronu w atomie podlega innym prawom - prawom mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa to nauka o ruchu elektronów w atomie. Pierwotnie tak się to nazywało: mechanika atomowa. Heisenberg - pierwszym z tych, którzy mieli szczęście stworzyć tę naukę. Werner Karl Heisenberg (1901–1976) urodził się w niemieckim mieście Würzburg. We wrześniu 1911 Werner został wysłany do prestiżowego gimnazjum. W 1920 roku Heisenberg wstąpił na Uniwersytet Monachijski. Po ukończeniu studiów Werner został mianowany adiunktem Max Born na Uniwersytecie w Getyndze. Born był pewien, że mikroświat atomowy tak bardzo różni się od makroświata opisanego przez fizykę klasyczną, że naukowcy nie powinni nawet myśleć o używaniu zwykłych pojęć ruchu i czasu, prędkości, przestrzeni i określonego położenia cząstek podczas badania struktury atomu. Podstawą mikroświata są kwanty, których nie należy próbować rozumieć ani wyjaśniać z wizualnej perspektywy przestarzałej klasyki. Ta radykalna filozofia znalazła ciepły oddźwięk w duszy jego nowego asystenta. Rzeczywiście, stan fizyki atomowej w tamtym czasie przypominał jakiś stos hipotez. Gdyby tylko ktoś mógł udowodnić eksperymentalnie, że elektron jest w rzeczywistości falą, a raczej zarówno cząstką, jak i falą. Ale takich eksperymentów jeszcze nie było. A jeśli tak, to według pedantycznego Heisenberga niewłaściwe byłoby opieranie się na samych założeniach na temat tego, czym jest elektron. Czy nie da się stworzyć teorii, w której znane będą jedynie dane eksperymentalne o atomie uzyskane poprzez badanie emitowanego przez niego światła? Co na pewno można powiedzieć o tej lampie? Że ma taką a taką częstotliwość i taką a taką intensywność, już nie... W czerwcu 1925 roku chory Heisenberg udał się na odpoczynek na wyspę Helgoland na Morzu Bałtyckim. Nie mógł odpocząć – tam nagle uświadomił sobie nieoczekiwaną prawdę: ruchu elektronu w atomie nie można sobie wyobrazić jako ruchu małej kulki po trajektorii. Jest to niemożliwe, ponieważ elektron nie jest kulą, ale czymś bardziej złożonym i nie da się prześledzić ruchu tego „czegoś” tak prosto, jak ruchu kuli bilardowej. L. Ponomarev pisze w swojej książce: „Heisenberg argumentował: równania, za pomocą których chcemy opisać ruch w atomie, nie powinny zawierać żadnych ilości innych niż te, które można zmierzyć eksperymentalnie. A z eksperymentów wynikało, że atom jest stabilny , składa się z jądra i elektronów i może emitować promienie, jeśli zostanie zakłócone z równowagi. Promienie te mają ściśle określoną długość fali i, według Bohra, powstają, gdy elektron przeskakuje z jednej orbity stacjonarnej na drugą. nie mów nic o tym, co dzieje się z elektronem w momencie skoku, że tak powiem, „w locie" między dwoma stanami stacjonarnymi. I wszyscy, łącznie z Heisenbergiem, z przyzwyczajenia szukali odpowiedzi na to właśnie pytanie. Punkt stało się dla niego jasne: elektron nie istnieje "między" stanami stacjonarnymi, po prostu nie ma takiej własności! Co tam jest? Jest coś, czego nie znał jeszcze nawet nazwy, ale był przekonany, że powinno to zależeć tylko od tego, gdzie i skąd elektron poszedł. Do tego czasu fizycy próbowali znaleźć hipotetyczną trajektorię elektronu w atomie, która jest stale zależna od czasu i którą można określić za pomocą szeregu liczb oznaczających położenie elektronu w określonych punktach w czasie. Heisenberg twierdził, że w atomie nie ma takiej trajektorii, a zamiast krzywej ciągłej jest zestaw liczb dyskretnych, których wartości zależą od liczby stanów początkowych i końcowych elektronu. Wyobraził sobie stan atomu jako niekończącą się szachownicę z liczbami wypisanymi na każdym kwadracie. Oczywiście wartości tych liczb zależą od położenia kwadratu na "planszy atomowej", czyli od numeru wiersza (stan początkowy) i numeru kolumny (stan końcowy), na przecięciu którego stoi numer . Jeśli znane są liczby X pewnego rodzaju zapisu „gry atomowej”, to wiadomo o atomie wszystko, co jest niezbędne do przewidzenia jego obserwowalnych właściwości: widmo atomu, intensywność jego linii widmowych, liczba i prędkość elektrony wybijane z atomu przez promienie ultrafioletowe i wiele innych. Liczb X nie można nazwać współrzędnymi elektronu w atomie. Zastępują je lub, jak zaczęto później mówić, reprezentują je. Ale w pierwszej chwili sam Heisenberg nie rozumiał, co oznaczają te słowa. Jednak od razu dzięki pomocy Maxa Borna (1882–1970) i Pascuala Jordana udało się zrozumieć, że tablica liczb to nie tylko tabela, ale macierz. „Macierze” – zauważa L.I. Ponomarev – „to tablice wielkości, dla których istnieją ściśle określone operacje dodawania i mnożenia. W szczególności wynik mnożenia dwóch macierzy zależy od kolejności ich mnożenia. Zasada ta może wydawać się dziwna i podejrzane , ale nie zawiera w sobie żadnej dowolności. W zasadzie to właśnie ta reguła odróżnia macierze od innych wielkości. Nie mamy prawa jej zmieniać według własnego uznania - matematyka też rządzi się swoimi niezmiennymi prawami. Prawa te, niezależne od fizyki i wszelkich innych nauki, utrwalają w języku symboli wszelkie możliwe do pomyślenia powiązania logiczne w przyrodzie, a poza tym nie wiadomo z góry, czy wszystkie te powiązania realizują się w rzeczywistości. Oczywiście matematycy znali macierze na długo przed Heisenbergiem i wiedzieli, jak z nimi pracować. Jednak dla wszystkich było zupełnym zaskoczeniem, że te dziwne obiekty o niezwykłych właściwościach odpowiadają czemuś realnemu w świecie zjawisk atomowych. Zasługa Heisenberga i Borna polega na tym, że pokonali psychologiczną barierę, znaleźli zgodność między właściwościami macierzy i właściwościami ruchu elektronów w atomie, a tym samym stworzyli nową, atomową, kwantową mechanikę macierzową. Atomowy - ponieważ opisuje ruch elektronów w atomie. Kwantowy – gdyż główną rolę w tym opisie odgrywa pojęcie kwantu działania. Matryca – ponieważ niezbędnym do tego aparatem matematycznym jest matryca.” W nowej mechanice każda cecha elektronu: współrzędna, pęd, energia - miała odpowiadające sobie macierze. Następnie spisano dla nich równania ruchu znane z mechaniki klasycznej. Heisenberg ustalił nawet coś więcej: odkrył, że kwantowo-mechaniczne macierze położenia i pędu wcale nie są macierzami, a jedynie tymi, które podlegają relacji komutacji (lub komutacji). W nowej mechanice ta relacja permutacji odgrywała dokładnie taką samą rolę, jak warunek kwantyzacji Bohra w starej mechanice. I tak jak warunki Bohra wyodrębniły ze zbioru wszystkich możliwych orbity stacjonarne, tak relacja komutacji Heisenberga wybiera ze zbioru wszystkich macierzy tylko te z mechaniki kwantowej. To nie przypadek, że w obu przypadkach – zarówno w warunkach kwantyzacji Bohra, jak i w równaniach Heisenberga – stała Plancka jest koniecznie obecna. Stała Plancka z pewnością zawarta jest we wszystkich równaniach mechaniki kwantowej i na tej podstawie można je jednoznacznie odróżnić od wszystkich innych równań. Nowe równania, które odkrył Heisenberg, nie przypominały ani równań mechaniki, ani równań elektrodynamiki. Z punktu widzenia tych równań stan atomu jest całkowicie określony, jeśli znane są macierze współrzędnych lub pędu. Co więcej, struktura tych matryc jest taka, że w stanie niewzbudzonym atom nie emituje. Według Heisenberga ruch nie jest ruchem elektronu kulistego po dowolnej trajektorii wokół jądra. Ruch to zmiana stanu układu w czasie, która opisuje macierze współrzędnych i pędu. Wraz z pytaniami o naturę ruchu elektronu w atomie zniknęła również kwestia stabilności atomu. Z nowego punktu widzenia, w niewzbudzonym atomie elektron jest w spoczynku i dlatego nie powinien promieniować. Teoria Heisenberga była wewnętrznie spójna, czego brakowało planowi Bohra. Jednocześnie doprowadziło to do takich samych wyników, jak reguły kwantyzacji Bohra. Ponadto za jego pomocą udało się wreszcie wykazać, że hipoteza Plancka dotycząca kwantów promieniowania jest prostą i naturalną konsekwencją nowej mechaniki. Trzeba powiedzieć, że mechanika macierzowa pojawiła się bardzo dobrze. Idee Heisenberga zostały przejęte przez innych fizyków i wkrótce, według Bohra, przybrały one „formę, która w swej logicznej kompletności i ogólności mogła konkurować z mechaniką klasyczną”. W twórczości Heisenberga była jednak jedna przygnębiająca okoliczność. Według niego nie udało mu się wyprowadzić prostego widma wodoru z nowej teorii. I jakie było jego zdziwienie, gdy jakiś czas po opublikowaniu swojej pracy, jak pisał: "Pauli sprawił mi niespodziankę: kompletna mechanika kwantowa atomu wodoru. teoria atomu wodoru i jak wielkie jest moje zdziwienie, że byłeś w stanie tak szybko go rozwinąć"". Fizycy z wielką ulgą przywitali pojawienie się mechaniki macierzowej Heisenberga: „Mechanika Heisenberga przywróciła mi radość życia i nadzieję. Chociaż nie rozwiązuje zagadki, wierzę, że teraz można iść do przodu” – pisał Pauli. 9 października 1925. Wkrótce sam uzasadnił swoją wiarę. Stosując nową mechanikę do atomu wodoru, uzyskał takie same wzory jak Niels Bohr w oparciu o ich postulaty. Oczywiście pojawiły się nowe trudności, ale były to trudności wzrostu, a nie beznadziejność ślepego zaułka. Autor: Samin D.K.
Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024 Klawiatura Primium Seneca
05.05.2024 Otwarto najwyższe obserwatorium astronomiczne na świecie
04.05.2024
▪ Układy do pomiaru energii ADE7758 i ADE7753 ▪ Baterie przyjazne dla środowiska ▪ Wpływ ukąszeń komarów na organizm ▪ Nowa technologia chłodzenia rzeczy za pomocą jonów
▪ sekcja witryny Laboratorium naukowe dla dzieci. Wybór artykułu ▪ artykuł O łapaniu szczęścia i rangach. Popularne wyrażenie ▪ artykuł Kiedy pierwszy Murzyn pojawił się w Ameryce? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł Baterie wiodących światowych firm. Informator ▪ artykuł turbiny wiatrowe. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki ▪ artykuł Moneta przez rękaw. Sekret ostrości
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony