Mechanika_kwantowa -
Mechanika kwantowa jest teorią opisującą bardzo małe obiekty mikroskopowe takie jak atom. Jej granicą dla większych rozmiarów lub znacznych energii, czy pędów jest mechaniki klasycznej. Dla zjawisk zachodzących w mikroświecie konieczne jest stosowanie mechaniki kwantowej gdyż mechanika klasyczna nie daje poprawnego opisu tych zjawisk. Analiza zjawisk z wykorzystaniem mechaniki kwantowej wymaga jednak skomplikowanych obliczeń, jest to teoria znacznie bardziej złożona matematycznie i pojęciowo. Dlatego jeśli to możliwe, a jest tak jedynie w bardzo szczególnych wypadkach, do analizy zjawisk w mikroświecie czasami nadal stosuje się także mechanikę klasyczną.
Mechanika_kwantowa -
Zasady mechaniki kwantowej są obecnie paradygmatem fizyki i chemii i określają sposób patrzenia na wszelkie zjawiska badane w tych dziedzinach, także zjawiska których opis prowadzi się przy użyciu mechaniki klasycznej: staramy się wówczas wykazać, że jest to klasyczna granica opisu kwantowego. Stanowi ona podstawę badawcze takich działów nauki jak: fizyki ciała stałego, chemii kwantowej, fizyki jądrowej, fizyki cząstek elementarnych czy astrofizyki. Wraz z Szczególną Teorią Względności, mechanika kwantowa jest podstawą opisu wszelkich zjawisk fizycznych.
Terminy fizyka kwantowa czy teoria kwantowa są synonimami mechaniki kwantowej.
Podstawy mechaniki kwantowej zostały ustalone na początku 20 wieku przez : Maxa Plancka, Alberta Einsteina, Nielsa Bohra, Wernera Heisenberga, Erwina Schrödingera, Maxa Borna, Paula Diraca, Richarda Feynmana i innych.
Ogólną wskazówką mówiącą, kiedy należy użyć mechaniki kwantowej by uniknąć znaczących błędów, jest porównanie długości fali de Broglie'a z wielkością analizowanego układu fizycznego. Jeśli są to wielkości zbliżone do siebie, zastosowanie mechaniki klasycznej da najpewniej nieprawidłowe wyniki.
Nierelatywistyczna mechanika kwantowa pozostaje słuszna dopóki stosuje się ją w odniesieniu do ciał poruszających się z prędkościami dużo mniejszymi od prędkości światła. Jej uogólnieniem jest relatywistyczna mechanika kwantowa, która pozostaje słuszna dla ciał o dowolnej prędkości.

Historia

Pod koniec XIX wieku fizykę uważano za najbardziej kompletną ze wszystkich nauk ścisłych (patrz historia fizyki). Istniało jedynie kilka słabo zbadanych problemów, których rozwiązanie spodziewano się wkrótce otrzymać, jakkolwiek nie przypuszczano, by te rezultaty miały znaczący wpływ na fizyczny obraz świata. Bardzo niewielu ludzi zdawało sobie sprawę z wagi nierozwiązanych problemów, do których w szczególności należał problem promieniowania ciała doskonale czarnego. Bliższe badania promieniowania, ciała doskonale czarnego, zjawiska fotoelektrycznego a także zjawiska Comptona sprawiły, że całkowicie zmieniło się nasze postrzeganie świata.
  • Pionierem fizyki kwantowej był Max Planck, niemiecki fizyk, który w 1900 roku przedstawił kwaziempiryczną teorię promieniowania ciała doskonale czarnego, której przewidywania pokrywały się z wynikami eksperymentalnymi. Uzasadnienie wyników tej teorii na gruncie bardziej podstawowych modeli wymagało jednak założenia, że emisja promieniowania elektromagnetycznego w ciele doskonale czarnym odbywa sie nie w sposób ciagy lecz dyskretnie, to znaczy że konieczna jest kwantowość wartości takich wielkości jak energia przynajmniej w odniesieniu do procesu emisji i absorbcji światła.
  • W 1905 roku Albert Einstein wyjaśnił zjawisko fotoelektryczne zakładając, że wiązka świaŧła monochomatycznego niesie dyskretne wartości energii, której najmniejsza porcja - kwant nazwany przez niego fotonem - ma energię \[\hbar\omega \]. Einstein zapostulował, że własność ta dotyczy światła jako takiego czyli że jest to cecha promieniowania elektromagnetycznego, co było odważnym rozszerzeniem koncepcji Plancka który proponował bardzo ograniczone i wąskie rozumienie koncepcji dyskretności energii promieniowania. Tym samym Einstein może być uważany za twórcę koncepcji skwantowania promieniowania elektromagnetycznego.
  • W 1913, Bohr wyjaśnił skwantowanie poziomów energetycznych w atomie wodoru. Zapostulował w tym celu istnienie nieznanego wcześniej prawa pozwalającego na zajmowanie przez elektrony w atomie wodoru tylko określonych poziomów energetycznych. Koncepcja ta rozwiązywała paradoksy wynikające z wcześniejszych prac doświadczalnych Rutherforda, które wskazywały na skupienie całej masy atomu w jego jądrze, co było głosem za tzw. planetarnym modelem budowy atomu. Nierozwiązanym problemem pozostawało jednak pytanie o stabilność atomu. Skoro bowiem elektrony miały krążyć wokół jądra, to powinny wypromieniowywać energię w sposób ciągły i w końcu spaść na jądro atomowe. Bohr był pierwszym człowiekiem który zapostulował, że nie jest możliwe stworzenie stabilnego modelu atomu w ramach fizyki klasycznej i zaproponował pewien zestaw zasad heurystycznych pozwalających wyjaśnić stabilność materii i stworzyć nowy dział fizyki: fizykę kwantów.
  • W 1922, Compton pokazał korpuskularny charakter fotonu (zjawisko Comptona). Światło zachowuje się jak zbiór korpuskuł (corpus (łać) - ciało) o energii i pędzie.
  • W 1924, Louis de Broglie tworzy teorię fal materii, w ramach której koncepcje Bohra uzyskują naturalną interpretację: stany stabilne elektronów w modelu planetarnym Bohra odpowiadają elektronowym falom stojącym. Zagadką pozostaje w jaki sposób pogodzić wyniki prac Comptona w których elektrony traktowane są jako cząstki z istnieniem fal materii de Broglie.
  • W 1925 roku powstaje mechanika macierzowa Heisenberga. Jest to pierwszy matematycznie spójny i formalnie poprawny opis własności układów kwantowych. Mechanika macierzowa daje przewidywania zgodne z doświadczeniem, zaś jej podstawy koncepcyjne pozwalają żywić nadzieję na możliwość rozwoju matematycznie i koncepcyjnie spójnej teorii kwantowej.
  • W 1926 roku powstaje mechanika falowa Erwina Schrödingera. Narasta problem, który z opisów - opis Schrödingera czy może Heisenberga - realizowamy w mechanice macierzowej jest tym poprawnym. Udaje się w końcu udowodnić równoważność obydwu opisów.
  • Odkrycie ugięcia elektronów na kryształach (doświadczenia C. J. Davissona, L. H. Germera oraz G. P. Thomsona z 1927 roku) wykazały falowy charakter elektronów, które do tej pory traktowano jako korpuskuły.
  • W 1927 roku Heisenberg formułuje zasadę nieoznaczoności. Bohr formułuje kopenhaską interpretację mechaniki kwantowej, utrzymaną w duchu pozytywizmu.
  • W 1927, Paul Dirac unifikuje mechanikę kwantową ze szczególną teorią względności. Wprowadza notację stanów bra-ket (stan kwantowy \[ |\psi\rangle \]) mechaniki kwantowej.
  • W 1932, John von Neumann formułuje w sposób matematycznie rygorystyczny mechanikę kwantową. Teoria w ujęciu von Neumanna posługuje się ścisłym i abstrakcyjnym językiem przestrzeni funkcyjnych, przestrzeni Hilberta, operatorów i algebry abstrakcyjnej.
  • Poczynając od 1927 większe wysiłki poczyniono by stosować mechanikę kwantową do pól fizycznych niż pojedynczych cząstek. Wczesne prace autorów takich jak Dirac, Pauli, Victor Weisskopf i Jordan doprowadziły do sformułowania elektrodynamiki kwantowej przez Feynmana, Dysona, Schwingera, i Tomonagę w latach 40-tych ubiegłego wieku.
  • Everett w 1956 formułuje interpretację opartą na idei wielu równoległych światów.

Sformułowanie matematyczne

Matematycznie ścisłe sformułowanie mechaniki kwantowej pochodzi od Paula Diraca i Johna von Neumanna. W tym sformułowaniu stan układu kwantowego (stan czysty) reprezentowany jest przez wektor jednostkowy (nazywany wektorem stanu) w zespolonej przestrzeni Hilberta (nazywanej często przestrzenią stanów układu fizycznego).
Każda wielkość fizyczna (obserwabla) reprezentowana jest przez Hermitowski (lub samosprzężony) operator liniowy działający w przestrzeni stanów (przestrzeni Hilberta). Zbiór wartości własnych tego operatora, nazywany widmem operatora, interpretujemy jako zbiór możliwych wartości obserwowalnych (pomiarowych). Dla hermitowskich operatorów wartości w widmie są liczbami rzeczywistymi co stanowi motywacje ich wprowadzenia w takiej a nie innej roli. Stany własne tego operatora do tych wartości własnych interpretujemy jako możliwe stany, w których znajdzie się układ po dokonaniu pomiaru.
Alternatywnym sfromułowaniem jest feynmanowskie funcjonalne całkowanie po trajektoriach. Jest to odpowiednik zasady działania w mechanice klasycznej.
Patrz też: Sformułowanie matematyczne mechaniki kwantowej

Zjawiska opisywane przez mechanikę kwantową

Obok zjawisk bedących inspiracją do budowy mechaniki kwantowej jej wielki sukces wiąże się z prawidłowym opisem następujących zjawisk:
  • dyfrakcja i interferencja światła i strumieni cząstek (podstawa optyki kwantowej, elektrodynamiki kwantowej);
  • szczegóły atomowej budowy materii, zwłaszcza struktury elektronowej pierwiastków (podstawa chemii kwantowej, fizyki ciała stałego);
  • zjawiska rozpraszania i zderzeń w skali atomowej i subatomowej (podstawa fizyki jądrowej, fizyki cząstek elementarnych, kwantowej terii pola, elektrodynamiki kwantowej, chromodynamiki kwantowej, standardowego modelu oddziaływań fundamentalnych);
  • mikroskopowego opisu zjawisk transportu (przewodnictwo prądu w metalach i półprzewodnikach);
  • zjawisk kolektywnych w skali makroskopowej (nadciekłość, naprzewodnictwo, kondensacja Bozego-Einsteina, magnetyzm)
  • inne

Konsekwencje filozoficzne

Rozwój mechaniki kwantowej wywarł ogromny wpływ na współczesną filozofię. Istotny wpływ wywarła interpretacja Kopenhaska związana z Nielsem Bohrem. Zgodnie z tą interpretacją, probabilistyczna natura mechaniki kwantowej nie może być wyjaśniona w ramach innej deterministycznej teorii, ale jest odbiciem probabilistycznej natury samego Wszechświata.
Albert Einstein, będący jednym z twórców mechaniki kwantowej, był przeciwny interpretacji Kopenhaskiej - uważał, że powinna istnieć ukryta deterministyczna teoria u podstaw mechaniki kwantowej, którą w obecnej postaci uważał za teorię niedokończoną.
Interpretacja Bohma, sformułowana przez Davida Bohma, postuluje istnienie uniwersalnej funkcji falowej (równanie Schrödingera), która pozwala odległym cząstkom na oddziaływanie natychmiastowe.

Literatura i inne publikacje

  • Richard P. Feynman, Feynmana wykłady z fizyki Tom 3., Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2004 r.

Źródła zewnetrzne

Publikacja wraz ze zdjęciami jest udostępniona w Encyklopedii "Zgapedia" części portalu zgapa.pl. Treść objęta jest licencją GNU FDL Wolnej Dokumentacji w wersji 1.3 lub dowolnej pózniejszej opublikowanej przez Free Software Foundation i została ona opracowana na podstawie Wikipedii, tutaj możesz znaleźć artykuł źródłowy oraz autorów. Warunki użytkowania Encyklopedii znajdziesz na tej stronie.
Prezentowane filmy poczhodzą z serwisu YouTube, portal zgapa.pl nie jest ich autorem i nie ponosi odpowiedzialności za ich treści.