Kuantum mekaniğini gösterecek on soru
Kuantum mekaniği sizi derinden şok etmediyse, henüz anlamamışsınızdır.
Niels Bohr
Kuantum mekaniği kavramı konusunda kafanız karıştıysa paniğe kapılmayın, inanıyorum ki tek kişi siz değilsiniz. Fizikçi Feynman'ın dediği gibi: "Kimsenin kuantum mekaniğini anlamadığını rahatlıkla söyleyebilirim."
Ancak kuantum teorisi hayatımızın her alanına nüfuz eder, yaşadığımız dünyanın nasıl işlediğini açıklar. Örneğin, her gün güneş ışığında yıkanıyoruz Güneşin neden parladığını hiç merak ettiniz mi? Kuantum mekaniğini anlamıyorsanız, gizemi anlayamazsınız.
Daha sonra, on soruyla, okuyucuları kuantum mekaniğinin arkasındaki temel fikirleri anlamaya yönlendirmek için en özlü dili kullanmaya çalışacağım.
1. Kuantum mekaniği nedir?
Binlerce yıldır bilim adamları en temel soruyu soruyorlar: Maddeden ne yapılır? Şimdi tüm maddelerin yapıldığını biliyoruz elektronik ile Kuark Hepsi temel parçacıklardır. Sözde temel parçacıklar, daha küçük parçacıklardan oluşamayacakları anlamına gelir. Hidrojen ve oksijen gibi atomları ve HO gibi molekülleri oluşturan bu temel parçacıklardır.
Atom: Elektronlardan ve atom çekirdeklerinden oluşur. Çekirdek, sırasıyla kuarklardan oluşan proton ve nötronlardan oluşur.
Atomlar ve moleküller, bu dünyayı oluşturan Lego yapı taşlarıdır. Bu mikro dünyanın nasıl çalıştığını anlamak için bilim adamlarının Kuantum teorisi .
Bu teorinin çok garip tahminleri vardır (örneğin, parçacıklar aynı anda iki farklı yerde olabilir), ancak aynı zamanda fizikte en çok test edilen teorilerden biridir.
Şu anda kullandığınız cep telefonundaki çip dahil çevremizde gördüğümüz teknolojiyi destekleyen temel, akıllı telefonların da akıllı olmasının nedeni budur.
Garip ama doğru ve çok önemli.
2. Uzun bir süre konuştuktan sonra, "kuantum" ne anlama geliyor?
Bir kavanoz fıstık ezmesiyle mutfağa giriyorsunuz, tezgaha veya tezgahın rafına koymaya karar verebilirsiniz. Ancak rafın katmanları arasına fıstık ezmesi koyamazsınız. Fizikte, mutfak rafının katmanı "niceleme" olarak adlandırılır. Seviyeleri olduğu anlamına gelir.
Hidrojen atomlarında elektronlar farklı enerji seviyelerinde geçiş yapabilirler. (© John Willey)
Kuantum dünyasında her şey farklı seviyelere bölünmüştür. Örneğin, bir atomdaki bir elektron, çoğunda olabilir " enerji seviyesi "Enerji seviyelerinden biri, mutfaktaki raftaki farklı katmanlar gibidir. Kuantum dünyasında, bir elektronu doğru enerjiyle tekmelediğiniz sürece, hemen bir enerji seviyesinden diğerine atlayacaktır. Buna denir. Kuantum geçişi .
Daha aşina olabileceğiniz bir örnek vermek gerekirse, şimdi bir kuantum araba kullanıyorsanız, 5 km / s, 10 km / s ve 30 km / s hızlarda gidebilirsiniz, ancak aralarında değil. Yani vites değiştirdiğinizde arabanın hızı hemen 5 km / s'den 20 km / s'ye sıçrayacaktır. Bu değişiklik anlıktır, bu yüzden ivmeyi bile hissetmeyeceksiniz. Bu başka Kuantum geçişi .
3. Klasik mekanik ile kuantum mekaniği arasındaki fark nedir?
Mikrokozmosun uyduğu kurallar dizisi, alıştığımız "klasik" dünyadan çok farklıdır. Fizikçilerin "klasik" dedikleri şey, "sağduyu" ile ilgilidir, bu da bir şeyin günlük deneyiminizde beklediğiniz gibi davrandığı anlamına gelir.
Kırmızı alan, kuantum harmonik osilatörün olasılık yoğunluğunu temsil eder ve mavi eğri, klasik olasılık dağılımını temsil eder. Bu durumda, kuantum sayısı n = 0.
Bilardo topu "klasik bir nesnedir" (masanın üzerinde düz bir çizgide yuvarlanır), ancak tek bir atom kuantum kurallarına uyar (yeşil masa üstünde kolayca kaybolabilir).
Kuantum sayısı n = 50. Kuantum sayısı arttıkça, kuantum etkisi yavaş yavaş kaybolur ve klasiklere yaklaşır. (© Wolfram)
Yeterince atom bir araya geldiğinde, garip kuantum etkisi yavaş yavaş kaybolacak ve davranışı tekrar klasik hale gelecektir. Bu Bohrun Yazışma ilkesi ".
4. Heisenberg belirsizlik ilkesi nedir?
Kuantum fiziğinde bazı şeyler temelde bilinemez. Örneğin, bir elektronun nerede olduğunu ve aynı zamanda nereye gittiğini bilemezsiniz. Başka bir deyişle, bir parçacığın konumunu ve hızını aynı anda doğru bir şekilde belirlemek imkansızdır, bu Heisenberg belirsizlik ilkesidir.
Parçacıkların konumunu ve hızını aynı anda bilemeyiz. (© Chad Orzel)
Bu ilkeyi anlamanın bir yolu, ilgili gözlemsel etkilerdir - bir sistemin ölçüldüğünde sonuçlarını nasıl değiştirdiği. Örneğin, elektronun nerede olduğunu bulmak için, onu algılamak için (ışığı oluşturan fotonlar gibi) bir şey kullanmanız gerekir. Bununla birlikte, elektronun konumunu tespit etmek için, foton, elektronun hareketinin yönünü değiştirecektir. Elektron size yerini söylese de, bundan sonra nereye gideceğini bilmiyor.
Parçacık momentumunun belirsizliği × konum belirsizliği, bir buçuk × azaltılmış Planck sabitinden daha az değildir.
Ancak belirsizliğin kaynağı aslında daha derin ve şaşırtıcıdır. Belirsizlik ilkesi vardır çünkü evrendeki her şey aynı anda dalgalar ve parçacıklar gibi davranır. Bu, sözde dalga-parçacık ikiliğidir.
Her şey parçacıklar ve dalgalar gibidir. (© Chad Orzel)
Aslında, belirsizlik ilkesi, doğanın içsel belirsizliğini ortaya çıkarır.
5. Dalga fonksiyonu nedir?
Kuantum mekaniğinin temel denklemi, klasik mekanikteki Newton'un ikinci yasasının konumu gibi olan Schrödinger denklemidir. Şöyle görünüyor:
Schrodinger denklemi. Denklemdeki H, sistemin kinetik enerjisi ve potansiyel enerjisinin toplamı olan Hamiltoniyendir. (© Ian Stewart)
Bu denklemin çözümü Dalga fonksiyonu Parantez içindeki (x, y, z, t), x, y, z, üç boyutlu durumu temsil eder. Kuantum dalga fonksiyonunun birçok olası çözümü vardır. Farklı olası çözümlerin, ara veya belirsiz bir durum oluşturacak şekilde etkileşime girmesi şaşırtıcı. Süperpozisyon durumu . Görünüşe göre evrenimizin gerçekliğini doğru bir şekilde tanımlamak için birleştirilebilirler.
6. Süperpozisyon durumu hakkında daha fazla açıklama yapabilir misiniz? Bir kedi ile ilgili gibi görünüyor?
Bir kutunun içindeki bir kediyi küçük bir şişe siyanürle kapattığınızı hayal edin. Şişenin üzerinde bir ipe asılı bir çekiç var. Rastgele bir kuantum olayı meydana gelirse (örneğin, bir uranyum atomunun bozulması), çekiç düşürülür ve siyanür içeren şişe kırılır.
1935'te Avusturyalı fizikçi Schrödinger, süperpozisyon kavramını aktarmak için bu düşünce deneyini önerdi.
Schrödinger'in kedisi düşünce deneyi. (© Wikipedia)
Bir atomun bozunması kuantum yasalarına uyar, bu nedenle dalga fonksiyonunun iki çözümü vardır: bozunma ve bozulma. Uranyum çürürse siyanür içeren şişe kırılır ve kedi ölür; uranyum çürümezse kedi hayatta kalır.
Kuantum mekaniği perspektifinden, kutuyu açmadan önce, radyoaktif uranyum iki çürüme halinin üst üste binmesindedir ve bozulma yoktur ve kedi yaşıyor ya da ölü. Süperpozisyon durumu , Buna " Schrodinger kedisi ".
7. Çin tarafından bir süre önce fırlatılan kuantum uydusu da "dolanma" kelimesinden bahsetti Peki dolanıklık tam olarak nedir?
Dolaşıklık, iki parçacık arasındaki bağlantıdır (fotonlar gibi) Bunlardan birini ölçtüğünüzde, ne kadar uzakta olursa olsun diğerini hemen etkileyecektir.
Kuantum dolaşıklığı, parçacıklardan birini gözlemlediğiniz sürece, diğer parçacığın durumunu, evrenin her iki ucunda da olsalar bile, anında bilebilirsiniz.
Mesela artık elimde farklı renkte bir bilye var, istediğimde ellerimi arkamdan esnetip misket değişimi yapıyorum. Size göre bu iki bilye "dolaşık", kırmızı bilye sol elimde ise mavi bilye sağ elimde demektir.
Ama kuantum söz konusu olduğunda, bu daha da gizemlidir çünkü mermerlerin belirli bir rengi yoktur.Kırmızı ve mavi olma olasılıkları aynıdır, bu tamamen rastlantısaldır.
Garip olan, bilyelerden birini gördüğünüzde bu rastgeleliğin ortadan kalkmasıdır. Sadece baktığın değil, iki. Kırmızı bir bilye görürseniz, diğerinin mavi olduğunu bilirsiniz.
Bu nedenle, birbirine dolanmış bir parçacık, birbirinden ne kadar uzakta olursa olsun, diğerini hemen etkileyecektir. Einstein, bunun görelilik teorisi tarafından sınırlandırılan evrenin hız sınırını (ışık hızı) ihlal ettiğine inanıyordu, bu nedenle dolanıklığı " Uzaktan hayalet aksiyon ".
8. Fizikçiler fotonları nasıl dolaştırdı?
Birkaç farklı yöntem var. Biri, yüksek enerjili bir fotonu iki düşük enerjili "alt foton" a bölmektir. Tıpkı iki tek yumurta ikizi gibi, aralarında gizemli bir bağ var.
Başka bir yol da, iki fotonun aynalardan oluşan bir labirentten geçmesine izin vermektir, böylece hangi yöne gideceklerini bilemezsiniz. Bu "agnostik" karışıklık yaratır.
9. Kuantum mekaniğinde herhangi bir ünlü deney var mı?
Kuantum mekaniğindeki en ünlü deney sanırım Çift yarık deneyi . Deneyin kurulumu basittir: Bir tarafında çift yarıklı bir ekrana parçacıklar (genellikle elektronlar veya fotonlar) fırlatın ve çift yarıkların arkasında bir algılama ekranı vardır.
Bu deney meşhurdur çünkü yukarıda bahsettiğimiz tuhaf olayların çoğunu tanımlamaktadır.
Önce suda çift yarık deneyi yapıyoruz. Çok basit Sadece parmaklarınızı suda kaydırarak dalgalar oluşturabilirsiniz. Bu dalgalar çift yarıktan geçerken, birbirleriyle çakışarak önemli girişim saçakları oluştururlar. Bu, dalgaların davranışıdır.
Şimdi deneyi sudan çıkarın ve mermiyi çift yarığa doğru fırlatın. Ekranın arkasında gördüğünüz şey, parazit desenleri yerine yan yana dizilmiş iki mermidir. Bu, parçacıkların davranışıdır.
Harika olan şey geliyor, elektronları çift yarıktan fırlatırsanız ne olacak? Elektronların parçacık olmasını bekliyorsanız, algılama ekranında gördüğünüz şey bir mermiyle aynıdır. Peki ya gerçekler?
Ünlü çift yarık deneyi. (© NewScientist)
Elektronların, sanki her elektron aynı anda çift yarıktan geçip birbirini engelliyormuş gibi, algılama ekranında girişim desenleri oluşturacağını görüyoruz. Bu, elektronların dalga olduğunu ima ediyor gibi görünüyor.
Elektron bir kuantum nesnesi olduğu için konumunu bilemeyiz ( Heisenberg belirsizlik ilkesi ). Elektronların yarıklardan birinin içinden geçme olasılığı ve diğerinden geçme olasılıkları da vardır. İki yarıktan geçme olasılığı aynı olduğundan, aslında her iki yarıktan da aynı anda geçer ( Süperpozisyon durumu ).
Elektronlar parçacıklar ve dalgalar gibi davranırlar.Bu sözde dalga-parçacık ikiliği çıldırtıcı ama büyüleyici. Şimdi düşünmeye başlayabilirsiniz, elektronun hangi yarıktan geçtiğini bilmenin yollarını bulamaz mıyız?
A: Elektronun hangi yarıktan geçtiğini gözlemlemeden, algılama ekranında girişim saçakları oluşacaktır. B: Gözlem yapıldıktan sonra, girişim saçakları ortadan kalkacak
Tabii ki, elektronların geçtiği yarıkları izlemek için bir yere bir ışık kaynağı koyabiliriz. Ancak, bunu yaptığımızda, orijinal girişim modelinin hemen kaybolduğunu göreceğiz! ! !
Diğer bir deyişle, gözlem yapıldıktan sonra dalga işlevi " Çöküş "Tekrar.
Elektronun hangi yarıktan geçtiğini bildiğinize göre, artık üst üste binme durumunda değildir, dolayısıyla yalnızca birinden geçer. Elektronun dalga davranışı kaybolur ve bir mermi gibi davranır.
Şu anda beyninizin çalışmadığını hissediyorsanız, bu normaldir, çünkü fizikçiler de görünüşte bariz olan bu paradoksu açıklamak için beyinlerini harap ediyorlar.
10. Fizikçilerin bunun için herhangi bir açıklaması var mı?
Kuantum mekaniğiyle ilk temasa geçtiğimde pek çok fenomeni anlayamadığımı hatırlıyorum. Kafamdaki şüpheleri gidermek için profesöre sorular sormaya devam ettim. Elbette, profesörün her zamanki tavsiyesi şudur: "Hesaplamayı bildiğiniz sürece sormayın." Bu öneriyi benimsediğimde, kişisel deneyimim, kuantum mekaniğinin klasik mekanikten çok daha kolay olduğunu keşfetti. Ancak bu doğru bir tutum değil. Gerçekten de, sadece cevaplarla ilgilenen ve ne olduğunu düşünmeyi reddeden birçok fizikçi var.
Aslında, bunun arkasındaki prensipleri bir kez düşündüğünüzde, kuantum mekaniğinin sonsuz cazibesini keşfedeceksiniz. Aşağıda kuantum mekaniğinin üç harika yorumunu kısaca listeliyorum:
Kopenhag yorumu. (© Quanta)
Kopenhag yorumu Gözlem öncesinde elektronun kesin bir konumu olmadığına inanılmaktadır. Her elektron, aynı anda iki yarıktan geçerek bir dalga gibi dağılır ve algılama ekranında parlak ve koyu çizgiler oluşturmak için birbirleriyle etkileşirler. Ancak gözlemci elektronun hangi yarıktan geçtiğini anlamaya çalıştığı sürece, gözlem anında elektronun konumunu bir noktaya "çökertir" ve parazit oluşumunu yok eder. Diğer bir deyişle, Gözlem, dalga işlevinin çökmesine neden olur .
Çoklu dünya yorumu. (© Max Tegmark)
Çoklu dünya yorumu Bir sistemi gözlemlediğimizde sayısız Paralel evren Her biri, dalga fonksiyonunun olası bir çözümüdür ve biz yalnızca belirli bir evrendeyiz. Örneğin yukarıdaki resimde karşı cinsten biri sizinle bir sohbet başlatırsa, cevabınız iki farklı sonuç doğuracaktır: Ya her biri bekar bir köpek olmaya devam edecek ya da mutlu bir şekilde evlenip çocuk sahibi olacaktır.
Navigasyon dalgası teorisi. (© Quanta)
De Broglie-Bohm Teorisi ,Ayrıca şöyle bilinir Navigasyon dalgası teorisi, Bohm mekaniğinde, kuantum nesneleri klasik parçacıklar olarak kabul edilir ve elektronlar, konum gözlemci tarafından tespit edilemese bile her zaman belirli bir konuma sahiptir. Elektronun konumu "seyir dalgası" tarafından etkilenecektir. Bir elektron yalnızca bir yarıktan geçebilir, ancak navigasyon dalgası aynı anda iki yarıktan geçer. Navigasyon dalgasının paraziti, parazit modelini algılama ekranına getirir. Yarıktaki ölçüm, navigasyon dalgasının "çökmesine" neden olur, böylece elektronun yolu bilinebilir.
Bu noktada, bu temel anlayışlarla, umarım kuantum mekaniğine belirli bir ilgi duymaya başlayacaksınız. Belki "Kuantum Mekaniğinin Çekirdeği-Schrödinger Denklemi" ni okumayı deneyebilir veya Cao Tianyuan'ın "Tanrı Zar Atar: Kuantum Fiziği Tarihi" adlı kitabını okuyabilirsiniz. Elbette kuantum mekaniği konusunda uzmanlaşmak istiyorsanız "Feynman "Fizik Üzerine Dersler" (Cilt 3) başlıyor.
