İnsanlar, parçacıkların mikroskobik dünyasının ne kadar "tuhaf" olduğunu hayal edemezler.
Bir elektron garip bir şeydir, bir olasılık dalgasıdır. Herhangi bir konumdaki bir dalganın yoğunluğu, elektronların orada görünme olasılığını temsil eder - dalganın en güçlü olduğu yer, elektronların en çok olduğu yer değil, elektronların görünme olasılığının en yüksek olduğu yerdir. "Elektron şu anda nerede?" Diye soramazsınız, ancak şunu sorabilirsiniz: "Bu yerde bir elektron gözlemlersem, onun burada olma olasılığı nedir?" Bu gerçekten çılgınca. Bir elektronu fırlattığınızda, nereye düşeceğini tahmin edemezsiniz, ancak her yere düşme olasılığını hesaplamak için denklemleri kullanabilirsiniz.
İnsanlık binlerce yıldır evrenin ve dünyadaki her şeyin hareketinin ve değişiminin gizemini çözmeye çalışıyor. Şimdiye kadar insanlar, yıldızların, yıldızların ve gezegenlerin ve makroskopik dünyadaki nesnelerin hareketini açıkça ifade edebilen birkaç yasa dizisini özetledi. Bununla birlikte, mikro düzeyde işlerin o kadar basit olmadığını artık biliyoruz, çünkü insanlık tarafından keşfedilen birkaç dizi devrimci yeni yasa, evrene bakışımızı tamamen değiştirdi. Bu yeni yasalara kuantum mekaniği denir.
Kuantum mekaniği yıldızlar ve gezegenler, kayalar ve binalar ve hatta siz ve ben dahil olmak üzere çeşitli nesnelerdeki atomlara ve parçacıklara hükmeder. Günlük hayatımızda kuantum mekaniğinin tekilliğini hissetmiyoruz, ancak atomlar ve içindeki parçacıklar düzeyinde, mikroskobik dünyayı yöneten kuantum mekaniğinin yasaları, gündelik nesneleri yöneten yasalardan çok farklı. Onlar hakkında biraz bilgi sahibi olursanız, dünyaya bakış açınız büyük ölçüde değişecektir.
Kuantum geçişi
Sıradan insanlar, nesneler en küçük ölçek kadar küçük olduğunda şeylerin ne kadar tuhaf olacağını tahmin edemezler. Kuantum dünyasında, nesneler tek bir konuma bağlı olmaktan hoşlanmazlar ya da yalnızca belirli bir rota boyunca hareket ederler; sadece bu değil, eğer bir kuantum iseniz, yaptığınız şey, uzaktaki bir yeri anında etkileyebilir. Uzaklarda kimse olmasa bile. Bir insan bir atomdaki bir parçacık gibi hareket ederse, çoğu zaman tam yerini bilemezsiniz, onun yerine, siz onu gözlemleyene kadar neredeyse her yerdedir.
Bu kadar saçma gelen bu teoriye nasıl inanabiliriz? Bunun nedeni, bilim adamlarının geçtiğimiz yıllarda atomların ve parçacıkların davranışını tahmin etmek için kullanmış olmaları sayısız deneyden sonra, kuantum teorisinin her zaman doğru olduğunu kanıtlamış olmalarıdır.
Kuantum etkileri, tek bir atomun ölçeği gibi mikroskobik ölçekte daha belirgindir. Bununla birlikte, sen ve ben atomlardan oluştuğumuz ve dünyadaki her şey aynı olduğu için, bu garip kuantum yasaları sadece küçük şeyleri açıklamalı, aynı zamanda gerçek dünyadaki her şeyi de açıklamalıdır. Günlük bilişimizden oldukça farklı olan bu tuhaf kanunlar nasıl?
Gezegenleri güneşin yörüngesinde döndüren yasa nedir? Fırlatılan top gökyüzünü nasıl geçti? Havuzdaki dalgalar nasıl hareket ediyor? Bu sorunlar uzun süredir "klasik mekanik" tarafından çözülmüştür. Newton ve çağdaşları tarafından kurulan klasik mekanik mükemmel görünüyordu ve nesnelerin hareketini doğru bir şekilde tahmin etmemizi sağladı. Yüz yıl öncesine kadar bilim adamları, ışığın bazı anormal özelliklerini, özellikle de bir cam tüpte ısıtıldığında gazla açığa çıkan ışığı açıklamak için çok çalışmaya başladılar. Bilim adamları, ısıtılmış gazın bir prizmadan yaydığı ışığa baktıklarında, hiç beklemedikleri bir şeyi gördüler - ışık bazı çizgiler oluşturdu. Bu şeritlerin gösterdiği şey, gökkuşağı gibi tam ve sürekli bir spektrum değil, yalnızca birkaç özel renkle, bir kalemle çizilmiş tek renkli ışıktır.
Bu gizemli renkli şeritlerin renklerini açıklamaya birkaç atom fizikçisi dahil oldu. 20. yüzyılın başında fiziksel dünyanın temel yasalarını anlamaya çalışıyorlardı.En anlayışlı görüş, masa tenisi oynamayı seven Danimarkalı fizikçi Niels Bohr tarafından ortaya atıldı. Yeni fikirleri tartışın.
Bohr, sorunun cevabının maddenin özünde, atom yapısında yattığına inanıyor. Atomun, tıpkı güneşin yörüngesindeki gezegenler gibi, çekirdeğin etrafında dönen çok daha küçük parçacıklar-elektronlarla küçük bir güneş sistemi olduğunu düşünüyor. Ancak Boll, güneş sisteminden farklı olarak, elektronların rastgele yörüngelerde hareket edemeyeceğine ve yalnızca birkaç belirli yörüngeye izin verildiğine inanıyor. Çok şaşırtıcı ve sezgiye aykırı bir fizik fikri var, yani elektronlar yalnızca belirli durum yörüngelerini işgal edebilir.
Bohr, elektronların orijinal yörüngelerinde hareket ettiklerini ve ışığı yaymadıklarını veya soğurmadıklarını; yalnızca elektronlar bir yörüngeden diğerine atladığında ışık alacak veya yayacaklarını söyledi. Bir elektron, atomun dış yörüngesinden iç yörüngeye (yani aşağıya doğru bir geçiş) geçiş yaparsa, belirli bir ışık dalga boyuyla enerjiyi serbest bırakır. Bu tür bir geçiş "kuantum geçişi" olarak adlandırılır. Kuantum geçişi yoksa ve elektron atom içindeki herhangi bir uzamsal konum arasında hareket edebiliyorsa, sürekli bir spektrum göreceksiniz. Ama laboratuvarda gördüklerimiz öyle değildi, gördüğümüz şey apaçık kırmızı, yeşil vb. Kuantum geçişleri bu şeritlerin kaynağıdır.
Kuantum sıçraması şaşırtıcı çünkü elektronlar, tıpkı Mars'ın aniden Jüpiter'in yörüngesine atlaması gibi, aralarındaki boşluktan geçmeden doğrudan bir yörüngeden diğerine hareket edebiliyor. Bohr, kuantum geçişlerinin garip bir elektron özelliğinden kaynaklandığına, yani elektronların enerjisinin "alt paketlenmiş" olduğuna ve her paketin bölünemeyeceğine dikkat çekti. Bu bölünemez minimum miktara "kuantum" denir. Bu nedenle elektronlar yalnızca belirli yörüngeleri işgal edebilir, yalnızca burada veya orada olabilir ve "ortada" kalamaz. Bu, günlük hayatımızdaki sağduyudan tamamen farklıdır.
Günlük yaşamınızı düşünün Hiç yemek yediğinizde miktar olarak belirlendiğini düşündünüz mü? Besinler nicelleştirilmez, ancak atomlarda elektronların enerjisi nicelendirilir. nasıl yani? Bu gizemli ve anlaşılmaz görünmesine rağmen, kısa süre sonra Boll'un haklı olduğunu kanıtlayan kanıtlar ortaya çıktı.
Ball'un keşfi her şeyi değiştirdi. Atomun yeni bir yorumuyla, Boll ve meslektaşları, geleneksel fizik yasalarıyla büyük bir çatışma içinde olduklarını keşfettiler. Kısa süre sonra Bohr'un radikal görüşleri onu başka bir büyük fizikçiyle "göğüs göğüse savaşa" soktu.
Olasılık dalgası
Görelilik teorisinin babası Albert Einstein yeni fikirlerden korkmuyordu ancak 1920'lerde kuantum mekaniği dünyası fizik devinin görmek istemediği bir yönde gelişmeye başladı. Başka bir deyişle, klasik fizik kuantum mekaniği ile çelişen her şeyin öngörülebilir olduğunu ilan eder. Einstein'a veya aynı dönemin diğer fizikçilerine sorarsanız: Çeşitli teorilerden oluşan fiziğin mükemmelliği nerede? Kesinlikle şunu söyleyecekler: Maddenin hareketini doğru bir şekilde tahmin etmemize izin veriyor. Ve kuantum mekaniği bu yasaların temelini ortadan kaldırmış görünüyor.
Meşhur "çift yarık deneyi" kuantumun gizemini tam olarak ortaya koyuyor - dünyayı tam olarak tanımlamak isterseniz, beklentileriniz tamamen paramparça olacak. Çift yarık deneyinin o zamanlar içsel fikirler üzerinde ne kadar etkisi oldu? Biri makro ölçekte diğeri mikro ölçekte olmak üzere karşılaştırmalı deneyler yoluyla anlayışımızı geliştirebiliriz.
Bir arenada bowling yaptığınızı düşünün, ancak önce çim sahaya çift yarıklı bir çit ve çim sahanın sonuna bir perde yerleştirin. Top çim sahada yuvarlandığında ya çit tarafından engellenecek ya da çitlerden birinin içinden geçip arkasındaki ekrana çarpacaktır. Mikro ölçekli çift yarık deneyi, bowling topunun yerini milyarlarca kez daha küçük elektronlarla değiştirmesi dışında buna benzer.
Ancak, elektronlar çift yarıklara atıldığında, ekranda garip şeyler oldu.Elektronlar bowling topunun iki alanına çarpmakla kalmayıp, neredeyse ekranın her tarafına yayılarak bazı çizgiler oluşturdu; Engellenen alanda da şeritler vardır. Tam olarak ne oluyor?
1920'lerdeki fizikçiler için bu çizgiler tek bir şeyi temsil ediyordu, dalgayı. Wave bazı ilginç şeyler yapabilir ama bowling yapamaz. Dalgalar ayrılabilir veya birleştirilebilir. Çifte yarığa bir dalga gönderirsek, ikiye bölünecek ve sonra iki dalga birbiriyle kesişecek; iki dalga üst üste geldiğinde, bazı yerler güçlenecek, bazı yerler zayıflayacak, bazı yerler Hatta birbirlerini iptal edecekler. Su dalgasının yüksekliği ekrandaki parlaklığa karşılık gelirse, genellikle "girişim saçakları" olarak adlandırılan tepe ve çukurlarda da bazı saçaklar oluşacaktır. Öyleyse elektronlar parçacıklar olarak nasıl çizgiler oluşturur? Tek bir elektron nasıl dalga gibi hareket edebilir?
Parçacıklar parçacıklardır ve dalgalanmalar dalgalanmalardır. Parçacıklar nasıl dalga olabilir? Bunun bir parçacık olduğu fikrinden vazgeçmezseniz ve sonra aniden fark etmezseniz: Ben parçacık sandığım şey aslında bir dalgadır!
1920'lerde, çift yarık deneyi ilk yapıldığında, bilim adamları elektronların dalga benzeri davranışını anlamaya çalıştılar. Bazı insanlar elektronların hareket halindeyken dalgalanmalara genişleyebileceğinden şüpheleniyor. Avusturyalı fizikçi Erwin Schrdinger (Erwin Schrdinger) onu tanımlayabilecek bir denklem buldu. Schrödinger, bu tür bir dalgalanmanın aslında elektronların bir uzantısı olduğuna inanıyor, nedense elektronlar parçacık yapısını azalttı ve artık sadece bir noktayı işgal etmiyor, ancak bulanıklaşıyor. Bu açıklama birçok tartışmaya neden oldu.Son olarak, Alman Yahudi fizikçi Max Born (Max Born)
"Dalga fonksiyonu neyi temsil ediyor?" İçin devrim niteliğinde yeni bir fikir önerildi. Bonn, bunun kaçak bir elektron olmadığını, bilimin daha önce karşılaştığı herhangi bir şey olmadığını, garip bir şey, yani bir olasılık dalgası olduğunu söyledi. Başka bir deyişle, herhangi bir pozisyondaki bir dalganın yoğunluğu, orada görünen elektronların olasılığını temsil eder. Dalganın en güçlü olduğu yer, en fazla elektronun bulunduğu yer değil, elektronların ortaya çıkma olasılığının en yüksek olduğu yerdir.
Tuhaf değil mi? Elektronlar bir olasılık ormanında varmış gibi görünüyor. "Elektron şu anda nerede?" Diye soramazsınız, ancak şunu sorabilirsiniz: "Bu yerde bir elektron gözlemlersem, onun burada olma olasılığı nedir?" Bu gerçekten çılgınca. Bu garip görünse de, parçacık hareketini tanımlamanın bu yeni yolu doğrudur. Bir elektronu yuvarladığınızda, nereye düşeceğini tahmin edemezsiniz; ancak elektronun olasılık dalgasını hesaplamak için Schrödinger'in denklemini kullanırsanız, doğru bir şekilde tahmin edebilirsiniz; yeterince elektron yuvarlarsanız, Her yere düşenlerin oranını hesaplamak mümkündür, örneğin,% 33.1 "buraya" düşecek,% 7.9 "oraya" düşecek vb. Bu tahminler defalarca sayısız deneyle onaylandı ve kuantum mekaniğinin denklemleri inanılmaz doğruluk gösterdi. Ve tüm bunlar sadece bir olasılık meselesi.
Olasılık açısından düşünmenin tahmin etmekle aynı olduğunu düşünüyorsanız, Macau'daki kumarhanelere göz atmalısınız. Kumar oyunlarını kendiniz oynamaya gelirseniz, olasılığın gücünü bilirsiniz. Örneğin, bir oyuna 20 yuan bahis yaparsanız, krupiye bu oyunu mu yoksa bir sonraki oyunu mu kazanacağınızı bilmez, ancak sizin kazanma olasılığınızı bilir. Bir süre için kazanabilirsiniz, ancak krupiye kazanır Her zaman kayıplardan daha fazla kazanç olacaktır. Krupiyenin tek bir oyunun sonucunu bilmesine gerek yoktur, ancak binlerce bahisten sonra kesinlikle para kazanacağına ve tahminlerinin çok doğru olduğuna güvenle inanabilir.
Kuantum mekaniğine göre, dünyanın kendisi de bir olasılık oyunudur Evrendeki tüm maddeler, olasılıkla düzenlenen atomlardan ve atom altı parçacıklardan oluşur. Bu kavram oldukça mantığa aykırı olduğu için, bazı insanlar için bunu kabul etmek zor. Einstein onlardan biri. "Tanrı zar atmaz" dedi. Einstein olasılıktan hoşlanmasa da diğer birçok fizikçi sevmedi. O zaman bundan rahatsız oluyorum, çünkü kuantum mekaniğinin denklemleri bir grup atomun veya parçacığın hareket modunu inanılmaz bir doğrulukla tahmin edebilir.
Gözlem ve Determinizm
Kuantum mekaniği teorisinin, "gözlem" gibi son derece gizemli bir yönü vardır. Bohr, gözlemin her şeyi değiştireceğine inanıyor: parçacıkları ölçmeden veya gözlemlemeden önce, durumları belirsizdir - örneğin, çift yarık deneyindeki elektronlar, arkadaki ekran elektronun konumunu göstermeden önce, öyle görünüyor ki Bu olasılık farklı yerlerde mevcuttur; bu belirsizlik, gözlemlediğiniz ana kadar ortadan kalkmayacaktır. Bohr'un kuantum mekaniği yorumuna göre, bir parçacığı gözlemlemeye başladığınızda, "gözlemleme" eylemi parçacığı tüm olası konumlarını terk etmeye ve sonra bulduğunuz konumu seçmeye zorlar. Başka bir deyişle, parçacığı bir seçim yapmaya zorlayan "gözlemleme" eylemiydi.
Bohr, doğanın kendisinin anlaşılması güç olduğu fikrini kabul etti, ancak Einstein kabul etmedi, determinizm fikrine bağlı kaldı ve nesnelerin yalnızca gözlemlendiklerinde determinizme değil, her zaman determinizme itaat ettiklerini düşündü. Einstein'ın dediği gibi: "Baktığınızda ay var mı?" Einstein'ın endişelendiği şey bu: Gerçekten evrendeki her şeyin sadece onu görüp görmememizle ilgili olduğunu düşünüyor muyuz? Bu çok tuhaf. Einstein, kuantum teorisinin, hiç kimse onları gözlemlemese bile, parçacıkların durumunu doğru bir şekilde tanımlayabilecek bir şeyin eksik olması gerektiğine inanıyordu. Einstein, bunun teorik fizikçilerin çözmesi gereken bir sorun olduğuna inanıyordu - bu, fiziğin yanlış olduğu değil, yeterince eksiksiz olmadığı için.
Kuantum dünyasını anlamada şüphesiz ilerleme kaydediyoruz, ancak bu teorinin özünde hala çok sayıda boşluk olduğunu unutmamalıyız. Kuantum dünyasında madde neden belirsiz bir durumda kalabilir? Görünüşe göre burada ve orada çok fazla olasılık var ve siz ve ben atomlardan ve parçacıklardan oluşmamıza rağmen, yalnızca belirli bir durumda kalabilirsiniz. Sadece burada veya orada olabileceğimiz devlet mi?
Bohr, bir nesnenin boyutu arttığında kuantum etkisinin neden kaybolduğunu açıklamadı. Kuantum mekaniğinin güçlü ve doğru olduğu kanıtlanmış olsa da, bilim adamları hala bu sorunla mücadele ediyor. Bazı insanlar kuantum mekaniğinin denklemlerinde bir şeylerin eksik olması gerektiğini düşünür.Denklemin eksik kısmı, miktarı değiştirerek makroskopik alana geçerek her şeyi netleştirir.Gerçekliği ortadan kaldırma olasılığı bir karara indirgenir. gerçek. Diğer fizikçiler, kuantum seviyesinde sunulan tüm olasılıkların ortadan kalkmayacağına, her olası durumun gerçekten var olacağına, ancak çoğu bize paralel evrende gerçekleşeceğine inanıyor. Bu düşündürücü bir fikirdir.Gerçek gördüğümüz evreni gerçekten aşabilir, aynı zamanda sürekli dallar yaratır, eşzamanlı ve yepyeni dünyalar üretir, böylece her olasılığın bir rolü olur.
