Kuantum fiziği bir dizi genel adıdır teoriler fiziksel doğan XX inci davranışını tarif yüzyılın atomu ve partiküllerin ve belirli özelliklerini açıklamak için izin elektromanyetik radyasyon .
Gibi izafiyet teorisi , "kuantum" denilen teorinin artık ne denir ile mola işaretlemek klasik fizik teorilerini ve bilinen fiziksel ilkeleri, XIX inci dahil - yüzyıl Newton mekaniği ve elektromanyetik teori arasında Maxwell - ve hangi bazı fiziksel özellikleri açıklamaya izin vermedi.
Kuantum fiziği , oyundaki fenomenleri anlamak için kuantum mekaniği yasalarının kullanılmasının gerekli olduğu tüm fizik alanlarını kapsar.Kuantum mekaniği, evrenin nesnelerini oluşturan madde parçacıklarının ve bu nesneleri canlandıran kuvvet alanlarının temel teorisidir. .
Sırasında XIX inci yüzyıl crystallographers ve kimyagerler atomların varlığını kanıtlamak için çalışıyorum, ancak yalnızca başlangıcıdır XX inci kalıcı yoluyla tespit edilecektir yüzyıl X-ışını kırınımı . Bunları modellemek için maddenin nicelleştirilmesi, kuantum fiziğini doğuran gerekli bir adımdır. 1900 yılında Max Planck , madde ile enerji alışverişinin küçük miktarlarda gerçekleştiğini varsaymıştı: “ kuanta ”.
Louis de Broglie daha sonra atomun doğru bir şekilde modellenmesini sağlayan kuantum mekaniğini başlattı. Kuantum fiziği sonunda klasik fiziğin tüm alanlarını tek bir disipline dahil etti. Parçacık hızlandırıcıları sonra atomu gibi daha temel parçacıkların, oluşan göstermektedir proton veya nötron , kendileri oluşan kuark . Öyle kuantum alan teorisi temelinde inşa kuantum elektrodinamik, tüm anlatacağız temel parçacıklar .
Kuantum fiziği, felsefeye (sorgulayan determinizm ) ve edebiyata ( bilimkurgu ) kadar yansımaları olan bir kavramsal devrim yarattı . : Bu teknolojik uygulamaları bir dizi sağladı nükleer enerjinin , tıbbi görüntüleme ile nükleer manyetik rezonans , diyot , transistörü , entegre devrenin , elektron mikroskobu ve lazer . Bunu gebe sonra bir inşa edildiği, yoğun araştırma kullanılan kimya teorik ( kuantum kimyası ), fizik ( kuantum mekaniği , kuantum alan teorisi , yoğunlaştırılmış madde fiziği , nükleer fizik , parçacık fiziği , istatistiksel fizik kuantum, astrofizik , kuantum çekimi içinde) matematik (alan teorisinin resmileştirilmesi) ve son zamanlarda bilgisayar bilimlerinde ( kuantum bilgisayarlar , kuantum kriptografisi ). O ile kabul edilir genel görelilik ait Einstein iki büyük teoriler biri olarak XX inci yüzyılın .
Kuantum fiziğinin sezgilere aykırı (şok "sağduyu") olduğu ve zorlu matematiksel formalizm gerektirdiği bilinmektedir. Feynman , ikinci yarısında kuantum fiziğinin önde gelen uzmanları teorisyenlerin biri XX inci yüzyıl ve yazdı:
"Sanırım kimsenin kuantum fiziğini gerçekten anlamadığını rahatlıkla söyleyebilirim. "
Bu zorlukların ana nedeni, kuantum dünyasının ( sonsuz küçüklükle sınırlı , ancak potansiyel olarak daha büyük ölçekte yansımaları olan) alışık olduğumuz makroskopik ortamdan çok farklı davranmasıdır. Bu iki dünyayı birbirinden ayıran bazı temel farklılıklar örneğin:
Canlılar dünyasında, sonsuz küçüğün bu kurallarına uyan fenomenler var mı? Son yıllarda biyolojinin çeşitli alanlarında yapılan çalışmalar bunun böyle olduğunu göstermektedir. Bu sonuçlar, makroskopik dünyanın kuantum eşevresizlik etkilerine izin vermeyecek kadar kaotik olduğu yönündeki genel kabul görmüş düşünceye aykırıdır . Canlılar, en azından fotosentez açısından, parçacıkların bu düzensiz hareketinden yararlanabilecektir. Koku reseptörleri bağlıdır gibi tünel etkisi , diğer yapısal olarak benzer molekülleri ayırt etmek için izin veren, aynı koku molekülleri, içinde elektron taşımak. Bazı bakteriyel protein yapıları , olası tüm yolların en iyi elektron taşıma kanalını "hesaplayan" ilkel kuantum bilgisayarlar gibi davranır .
Fotosentez üzerine yapılan son çalışmalar, fotonların kuantum dolaşıklığının , bitki krallığının bu temel işleyişinde önemli bir rol oynadığını ortaya çıkardı; şu anda güneş enerjisi üretimini optimize etmek için taklit etmeye çalıştığımız bir fenomen .
Geko kıl yüzeylerine yapışma, herhangi bir klasik moleküler etkileşim olmaksızın sanal parçacıkları içeren kuantum doğasının etkileşimleri olan van der Waals kuvvetleri aracılığıyla çalışır . Bu fenomen, askeri ve sivil uygulamalar için de incelenmektedir.
Amerikalı fizikçiler, Harvard'da profesör ve bu keşfin kökeninde bulunan ekibin başkanı John Kovac'ın sözleriyle "günümüzde kozmolojideki en önemli hedeflerden" birine ulaşarak Big Bang'in ilk anlarının izlerini gözlemlemeyi başardılar. içinde Mart 2014. 13,8 milyar yıl önce Evrenin doğuşunu işaret eden Büyük Patlama'nın oluşumuna, "kuantum boşluğundaki dalgalanmalar tarafından yaratılan" ilkel yerçekimi dalgalarının emisyonu eşlik etti ve teoriler, onların varlığının "belirli fotonları belirli bir şekilde kutuplaştıracağını, bir "vorteks"e benzer . Bu dalgaların fosil radyasyonu üzerinde bıraktığı izlerin gözlemi Bicep2 teleskopu ile yapıldı. Alan Guth'a (MIT) göre, "Bu tamamen yeni bir kozmolojik kanıttır ve enflasyonist görüşten bağımsızdır" ve bu çalışma "kesinlikle "Nobel Ödülü'ne değerdir" . Ancak bu duyuru, Galaksideki tozun etkilerini ayırt edebilen Planck uydusu tarafından yapılan ölçümler tarafından yalanlandı.
Orijinal deney ait Thomas Young , iki ışık ışınları girişim haline gelebileceğini ışık gösteren dalga hareketler tespit etmişti. Young'ın tek bir parçacıkla gerçekleştirilen yarık deneyi (emisyon kaynağının bir seferde yalnızca bir kuantum yaydığından emin olarak ), tek bir elektronun "kendisiyle girişimde bulunduğunu" ve iki yarık çıkışında girişim saçakları oluşturduğunu gösterecektir. eğer birbirine müdahale eden iki parçacık akışı olsaydı.
Klasik mekanikte, yüklü bir parçacığın yörüngesi, bu alanın dışındaysa manyetik alanın varlığından etkilenmez. Aharonov-Bohm etkisi David Bohm ve 1959 yılında Ehrenberg ve Siday tarafından 1949 yılında tanımlanmış ve yeniden keşfedilen bir fenomen, Yakir Aharonov . Aşağıdaki paradoksu anlatıyor :
"Bir manyetik alan (mavi daire B , karşıt), uzayın bir bölgesini belli bir mesafede etkileyebilir , öte yandan vektör potansiyeli kaybolmamıştır. "
Aharonov-Bohm etkisi bu nedenle kuantum mekaniğinin temeli olanın elektrik ve manyetik alanlar değil elektromanyetik potansiyeller olduğunu gösterir. Kuantum fiziğinde, yararlı bir matematiksel varlık olan manyetik vektör potansiyeli gerçek etkilere sahip olabilir.
Stern ve Gerlach deneyi mikroskobik dünyanın tamamen kuantum doğasını göstermek için ilk kişilerden biri ve daha özel oldu dönüş . 1921-1922'de uzaysal niceleme hipotezini test etmek için inşa edilmiş, kuantum mekaniğinin gelişimi sayesinde beş yıl sonrasına kadar tatmin edici bir teorik açıklama elde edemedi.
Aspect deneyi olduğu tarihsel, tatmin edici yalanladı ilk deney Bell eşitsizlikleri böylece fenomeni doğrulayarak, kuantum fizikte kuantum dolanması ve deneysel bir cevap veren EPR paradoksu .
Somut olarak, dolanık durumda iki fotonun üretilmesini, ardından polarizasyonlarının ölçülmesini gerçekleştirmek için onları ayırmayı içerir. Birinci fotonun ölçümü daha sonra %50 verme ve verme şansına sahipken, ikinci foton hemen aynı durumda yansıtılır. Paradoks, iki fotonun bu bilgiyi ışık hızından daha hızlı değiş tokuş ediyor gibi görünmesi gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Ancak bu nokta ilgili değildir çünkü bu yolla hiçbir bilgi iletilemez.
Ancak kuantum dolaşıklığı, bir şifreleme anahtarının kuantum kriptografisi tarafından kullanılan güvenli bir şekilde değiş tokuşunu mümkün kılar .
Gecikmeli seçim kuantum silgi deneyi bir uzantısıdır Alain Aspect adlı ve Young yarıklar deneyde , ama görünen tanıtır bir olmak zamanında örtülü geribildirim : geçmişe mevcut bir etki.
Ölçümle bağlantılı paradokslar şu soruya yol açar: Kuantum fiziği gerçekliği tanımlar mı?
Ölçüm probleminin çözüm ağacı | |||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Kuantum teorisi | |||||||||||||||||
Gerçeği temsil etmek anlamına gelmez | Gerçeği tam olarak temsil etmiyor | Tamamen gerçekliği temsil eder | |||||||||||||||
Pozitivizm | Değiştirilmiş kuantum yasaları | bilincin etkisi | Ek bir değişkenin eklenmesi: pozisyon | kuantum eşevresizliği | çoklu evrenler | ||||||||||||
Stephen Hawking Niels Bohr |
Roger penrose | Eugene Wigner | De Broglie-Bohm teorisi |
Roland Omnès Murray Gell-Mann James Hartle |
Hugh Everett David Deutsch |
||||||||||||
Giancarlo Ghirardi Alberto Rimini Wilhelm Eduard Weber |
John von Neumann Fritz Londra ve Edmond Bauer |
John çan |
Hans-Dieter Zeh Wojciech Zurek |
||||||||||||||
Bernard d'Espagnat Olivier Costa de Beauregard |
" Gizli değişkenli " teoriler
Klasik fizik teorilerine göre , termodinamik dengedeki siyah bir cismin sonsuz bir akı yaydığına inanılır. Daha doğrusu, dalga boyu bandı tarafından yayılan enerji , zamanın fizikçileri için ultraviyolede dalga boyu sıfıra yaklaştığında sonsuza doğru yönelmelidir , çünkü o sırada ne X-ışınları ne de ışınların gaması bilinmiyordu. Bu ultraviyole felaketi .
1900 yılında Max Planck tarafından termal dengede siyah cismin radyasyonu üzerine yapılan çalışmaya kadar uzanır . Isıtılmış bir boşluk , duvarlar tarafından hemen emilen elektromanyetik radyasyon (ışık) yayar . Işık spektrumunu, emisyon enerjisi değişimi ve absorpsiyonunun ( ) teorik hesaplamasıyla açıklamak için , Planck bu değişimlerin süreksiz ve ışık radyasyonunun frekansıyla ( ) orantılı olduğunu varsaymak zorunda kaldı : .
In 1905 , o (bir sistem için durumların frekansları o) Einstein bu süreksiz olan enerjinin sadece alışverişini olduğunu düşünmeye önderlik etti olasılıklar için fiziksel bir anlam verdi bir termodinamik, takip eden açıklama, ancak enerji ışık radyasyonunun kendisi.
Bu enerjinin ışık dalgasının frekansıyla orantılı olduğunu gösterdi: .
Bu hemen 20 yıl önce Hertz tarafından gözlemlenen fotoelektrik etkinin açıklamasını verdi.
Enerji , bu enerji daha büyük olan ya da aynı zamanda çıkışlı çalışma denilen elektron, bağlanma enerjisine eşit olması halinde bir atom bağlanmış elektron ışık kuantum getirdiği serbest bırakılmaya izin verir ilişkinin tesiri de,:
ikincisi tarafından elde edilen kinetik enerji nerede . Bu eşik etkisi, klasik elektromanyetik teoride sürekli ışık enerjisi anlayışında açıklanamazdı.
Einstein daha sonra radyasyonun bu özelliğinin klasik elektromanyetik teoriye (Maxwell tarafından geliştirilen) indirgenemez bir karşıtlık içinde olduğunu fark etti.
1906 gibi erken bir tarihte , bu teorinin atom alanında değiştirilmesi gerektiğini açıkladı.
Teorik fizik, Maxwell denklemleri olarak adlandırılan ve sürekli değişen niceliklere karşılık gelen diferansiyel denklemlerin kullanımına dayandığından, bu değişikliğin nasıl elde edilmesi gerektiği açık değildi .
Kuantum teorisinin gücüne rağmen , çok az fizikçi klasik elektromanyetik teorinin geçersiz kılınabileceğini hayal etme eğilimindeydi. Einstein daha sonra atomik fenomenlerin ve radyasyonun klasik tanımlamadan kopan diğer yönlerini vurgulamaya çalıştı. Böylece kuantum hipotezini radyasyonun özelliklerinin ötesinde, düşük sıcaklıklardaki özgül ısılar üzerindeki çalışmasıyla atomların enerjisine kadar genişletti. Klasik teori tarafından gözlemlenen ancak açıklanamayan bir fenomen olan mutlak sıfırda cisimlerin özgül ısılarının iptalini buldu.
Diğer fizikçiler (P. Ehrenfest, W. Nernst, H.-A. Lorentz, H. Poincaré), Planck'ın kendisinin kabul etmekte tereddüt ettiği kuantum hipotezinin kaçınılmaz olduğu sonucuna varmak için yavaş yavaş ona katıldı.
Ancak, yine de genel olarak sadece enerji alışverişi için kabul edildi.
Son çalışmalar
Daha eski eserler