Kuantum mekaniği - Quantum mechanics

Dalga fonksiyonları arasında elektron farklı enerji seviyelerinde bir hidrojen atomu. Kuantum mekaniği, bir parçacığın uzaydaki kesin konumunu tahmin edemez, yalnızca onu farklı konumlarda bulma olasılığını tahmin edebilir. Daha parlak alanlar, elektronu bulma olasılığının daha yüksek olduğunu gösterir.

Kuantum mekaniği temel bir teori olarak fizik fiziksel özelliklerinin bir açıklama sağlar doğa ölçeğinde atomu ve atom altı parçacıklar . Kuantum kimyası , kuantum alan teorisi , kuantum teknolojisi ve kuantum bilgi bilimi dahil tüm kuantum fiziğinin temelidir .

Klasik fizik , kuantum mekaniğinin ortaya çıkmasından önce var olan teoriler topluluğu, doğanın birçok yönünü sıradan (makroskopik) bir ölçekte tanımlar, ancak onları küçük (atomik ve atom altı ) ölçeklerde tanımlamak için yeterli değildir . Klasik fizikteki çoğu teori, büyük (makroskopik) ölçekte geçerli bir yaklaşım olarak kuantum mekaniğinden türetilebilir.

Bu klasik fizik kuantum mekaniği farklıdır enerji , ivme , açısal momentum ve diğer miktarlarda bağlı sistem kısıtlanır ayrık değerleri ( niceleme ), nesnelerin her ikisinin özelliklerine sahip parçacıkların ve dalgalar ( dalga tanecik ilişkisi ) ve sınırı vardır Başlangıç ​​koşullarının tam bir seti ( belirsizlik ilkesi ) verildiğinde, fiziksel bir niceliğin değerinin ölçümünden önce ne kadar doğru tahmin edilebileceği ile ilgilidir .

Kuantum mekaniği yavaş yavaş ortaya çıkan gibi klasik fiziği ile mutabakat edilemeyen gözlemleri açıklamak teorilerden Max Planck 'ın 1900 yılında solüsyon siyah ışın sorunu ve enerji ve frekans arasındaki yazışma Albert Einstein ' ın 1905 kâğıt hangi fotoelektrik etkiyi açıkladı . Şimdi " eski kuantum teorisi " olarak bilinen mikroskobik fenomenleri anlamaya yönelik bu erken girişimler, 1920'lerin ortalarında Niels Bohr , Erwin Schrödinger , Werner Heisenberg , Max Born ve diğerleri tarafından kuantum mekaniğinin tam olarak gelişmesine yol açtı . Modern teori, özel olarak geliştirilmiş çeşitli matematiksel formalizmlerde formüle edilmiştir . Bunlardan birinde, dalga fonksiyonu adı verilen matematiksel bir varlık , bir parçacığın enerjisinin, momentumunun ve diğer fiziksel özelliklerinin hangi ölçümlerinin verebileceği hakkında olasılık genlikleri biçiminde bilgi sağlar .

Genel bakış ve temel kavramlar

Kuantum mekaniği, fiziksel sistemlerin özelliklerinin ve davranışlarının hesaplanmasına izin verir. Tipik olarak mikroskobik sistemlere uygulanır: moleküller, atomlar ve atom altı parçacıklar. Binlerce atomlu karmaşık moleküller için geçerli olduğu kanıtlanmıştır, ancak insanlara uygulanması, Wigner'in arkadaşı gibi felsefi sorunları gündeme getirir ve bir bütün olarak evrene uygulanması spekülatif kalır. Kuantum mekaniğinin tahminleri deneysel olarak son derece yüksek bir doğruluk derecesinde doğrulanmıştır .

Teorinin temel bir özelliği, genellikle ne olacağını kesin olarak tahmin edememesi, sadece olasılık vermesidir. Matematiksel olarak, olasılık genliği olarak bilinen karmaşık bir sayının mutlak değerinin karesi alınarak bir olasılık bulunur. Bu , adını fizikçi Max Born'dan alan Born kuralı olarak bilinir . Örneğin, bir elektron gibi bir kuantum parçacığı , uzaydaki her noktayı bir olasılık genliği ile ilişkilendiren bir dalga fonksiyonu ile tanımlanabilir . Born kuralının bu genliklere uygulanması, onu ölçmek için bir deney yapıldığında elektronun sahip olacağı konum için bir olasılık yoğunluk fonksiyonu verir . Teorinin yapabileceğinin en iyisi bu; elektronun nerede bulunacağını kesin olarak söyleyemez. Schrödinger denklemi bir ilgilidir olasılığı genliklerinin toplanması için zaman bir an için ilgili olma olasılığı genlikleri toplanması ile ilgilidir.

Kuantum mekaniğinin matematiksel kurallarının bir sonucu, farklı ölçülebilir nicelikler arasındaki öngörülebilirlikte bir değiş tokuştur. Bu belirsizlik ilkesinin en ünlü biçimi, bir kuantum parçacığı nasıl hazırlanırsa hazırlansın veya üzerinde yapılan deneyler ne kadar dikkatli düzenlenirse düzenlensin, konumunun ölçümü ve aynı zamanda bir ölçüm için kesin bir tahmine sahip olmanın imkansız olduğunu söyler. onun momentumu .

Kuantum mekaniğinin matematiksel kurallarının bir başka sonucu , genellikle çift ​​yarık deneyi ile gösterilen kuantum girişimi olgusudur . Bu deneyin temel versiyonunda, lazer ışını gibi uyumlu bir ışık kaynağı , iki paralel yarık tarafından delinmiş bir levhayı aydınlatır ve yarıklardan geçen ışık levhanın arkasındaki bir ekranda gözlenir. Işığın dalga doğası, iki yarıktan geçen ışık dalgalarının girişim yapmasına neden olarak ekranda parlak ve karanlık bantlar oluşturur - bu, ışık klasik parçacıklardan oluşsaydı beklenmeyecek bir sonuçtur. Bununla birlikte, ışığın her zaman ekranda dalgalardan ziyade ayrı parçacıklar olarak ayrı noktalarda emildiği bulunmuştur; girişim deseni, ekrandaki bu parçacık vuruşlarının değişen yoğunluğu aracılığıyla görünür. Ayrıca, deneyin yarıklarda dedektörler içeren versiyonları, algılanan her fotonun bir yarıktan (klasik bir parçacıkta olduğu gibi) geçtiğini ve her iki yarıktan (bir dalga gibi) geçmediğini bulur . Bununla birlikte, bu tür deneyler , parçacıkların hangi yarıktan geçtiklerini tespit ederse, girişim deseni oluşturmadığını göstermektedir. Elektronlar gibi diğer atomik ölçekli varlıkların, çift ​​yarığa doğru ateşlendiğinde aynı davranışı sergiledikleri bulunmuştur. Bu davranış dalga-parçacık ikiliği olarak bilinir .

Kuantum mekaniğinin öngördüğü bir başka sezgisel fenomen kuantum tünellemedir : potansiyel bir bariyere karşı çıkan bir parçacık , kinetik enerjisi potansiyelin maksimumundan daha küçük olsa bile onu geçebilir. Klasik mekanikte bu parçacık kapana kısılırdı. Kuantum tünellemenin radyoaktif bozunmayı , yıldızlarda nükleer füzyonu ve taramalı tünelleme mikroskobu ve tünel diyotu gibi uygulamaları mümkün kılan birkaç önemli sonucu vardır .

Kuantum sistemleri etkileşime girdiğinde, sonuç kuantum dolaşıklığının yaratılması olabilir : özellikleri o kadar iç içe geçmiştir ki, bütünün yalnızca tek tek parçalar açısından tanımlanması artık mümkün değildir. Erwin Schrödinger "... dolanması denilen düşünce klasik çizgileri onun bütün ayrılışını zorlar biri, kuantum mekaniğinin karakteristik özellik". Kuantum dolaşıklığı, kuantum sözde telepatinin sezgisel olmayan özelliklerini mümkün kılar ve kuantum anahtar dağıtımı ve süper yoğun kodlama gibi iletişim protokollerinde değerli bir kaynak olabilir . Popüler yanlış anlayışın aksine, iletişimsizlik teoreminin gösterdiği gibi , dolaşma, ışıktan daha hızlı sinyal gönderilmesine izin vermez .

Dolaşıklığın açtığı bir diğer olasılık , kuantum teorisinin kendisinde ele alınan niceliklerden daha temel olan ve bilgisi kuantum teorisinin sağlayabileceğinden daha kesin tahminlere izin verecek olan varsayımsal özellikleri " gizli değişkenler " için test etmektir . Bir dizi sonuç, en önemlisi Bell'in teoremi , bu tür gizli değişken teorilerinin geniş sınıflarının aslında kuantum fiziği ile uyumsuz olduğunu göstermiştir. Bell'in teoremine göre, eğer doğa gerçekten herhangi bir yerel gizli değişken teorisi ile uyumlu olarak işliyorsa , o zaman bir Bell testinin sonuçları belirli, ölçülebilir bir şekilde sınırlandırılacaktır. Dolaşık parçacıklar kullanılarak birçok Bell testi yapılmıştır ve yerel gizli değişkenlerin dayattığı kısıtlamalarla uyumsuz sonuçlar göstermiştir.

İlgili gerçek matematiği tanıtmadan bu kavramları yüzeysel bir yoldan daha fazla sunmak mümkün değildir; Kuantum mekaniğini anlamak, yalnızca karmaşık sayıların manipüle edilmesini değil, aynı zamanda lineer cebir , diferansiyel denklemler , grup teorisi ve diğer daha ileri konuları da gerektirir. Buna göre, bu makale kuantum mekaniğinin matematiksel bir formülasyonunu sunacak ve bunun bazı yararlı ve sık çalışılan örneklere uygulanmasını inceleyecektir.

matematiksel formülasyon

Kuantum mekaniğinin matematiksel olarak titiz formülasyonunda, bir kuantum mekanik sistemin durumu ( ayrılabilir ) karmaşık Hilbert uzayına ait bir vektördür . Bu vektör, itaat olan Hilbert alan iç çarpım altında normalize edilmesi kabul edilmektedir ve bunun modülü 1 'in bir karmaşık sayının (global faz), kadar iyi tanımlanmış olup, ve aynı fiziksel bir sistemi temsil eder. Başka bir deyişle, olası durumları içinde noktalarıdır yansıtmalı alan bir Hilbert uzayın, genellikle denilen karmaşık izdüşümsel uzay . Bu Hilbert uzayının tam doğası sisteme bağlıdır - örneğin, konumu ve momentumu tanımlamak için Hilbert uzayı karmaşık kare-entegre edilebilir fonksiyonların uzayıdır, tek bir protonun dönüşü için Hilbert uzayı ise basitçe olağan iç çarpımı olan iki boyutlu karmaşık vektörler .

İlgilenilen fiziksel nicelikler - konum, momentum, enerji, dönüş - Hilbert uzayına etki eden Hermitian (daha doğrusu, kendine eşlenik ) lineer operatörler olan gözlenebilirlerle temsil edilir . Bir kuantum durumu, bir gözlenebilirin özvektörü olabilir , bu durumda buna özdurum denir ve ilişkili özdeğer , o özdurumdaki gözlenebilirin değerine karşılık gelir. Daha genel olarak, bir kuantum durumu, kuantum süperpozisyonu olarak bilinen özdurumların lineer bir kombinasyonu olacaktır . Bir gözlemlenebilir ölçüldüğünde, sonuç, Born kuralı tarafından verilen olasılıkla özdeğerlerinden biri olacaktır : en basit durumda, özdeğer dejenere değildir ve olasılık, ilişkili özvektörü nerede ile verilir . Daha genel olarak, özdeğer dejeneredir ve olasılık, projektörün ilişkili özuzay üzerinde nerede olduğu ile verilir . Sürekli durumda, bu formüller yerine olasılık yoğunluğunu verir .

Sonuç ise ölçüm sonra elde edildi, kuantum durumu varsayılmaktadır daraltmak için dejenere olmayan durumda, ya da, genel durumda,. Olasılıklı kuantum mekaniği doğası böylece ölçüm hareket kaynaklanmaktadır. Bu, kuantum sistemlerinin anlaşılması en zor yönlerinden biridir. İki bilim insanının düşünce deneyleri yoluyla bu temel ilkeleri açıklığa kavuşturmaya çalıştığı ünlü Bohr-Einstein tartışmalarının ana konusuydu . Kuantum mekaniğinin formüle edilmesinden sonraki on yıllarda, bir "ölçümü" neyin oluşturduğu sorusu kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Kuantum mekaniğinin " dalga fonksiyonu çöküşü " kavramını ortadan kaldıran daha yeni yorumları formüle edilmiştir (örneğin, çoklu dünyalar yorumuna bakınız ). Temel fikir, bir kuantum sistemi bir ölçüm cihazı ile etkileşime girdiğinde, ilgili dalga fonksiyonlarının dolanık hale gelmesi ve böylece orijinal kuantum sisteminin bağımsız bir varlık olarak var olmamasıdır. Ayrıntılar için kuantum mekaniğinde ölçümle ilgili makaleye bakın .

Bir kuantum durumunun zamandaki evrimi, Schrödinger denklemi ile tanımlanır :

Burada sistemin toplam enerjisine karşılık gelen gözlenebilir olan Hamiltoniyeni ifade eder ve indirgenmiş Planck sabitidir . Sabit , kuantum sisteminin bir klasik sistem tarafından yaklaşık olarak tahmin edilebildiği durumlarda Hamiltonian'ın klasik Hamiltoniyen'e indirgenmesi için girilir; belirli sınırlar içinde böyle bir yaklaşım yapabilme yeteneğine uygunluk ilkesi denir .

Bu diferansiyel denklemin çözümü şu şekilde verilir:

Operatör , zaman-evrim operatörü olarak bilinir ve üniter olması gibi çok önemli bir özelliğe sahiptir . Bu zaman evrimi, -başlangıçtaki bir kuantum durumu verildiğinde- kuantum durumunun daha sonraki herhangi bir zamanda  ne olacağına dair kesin bir tahminde bulunması anlamında deterministtir .

Şekil 1: Belirli enerji seviyelerine sahip bir hidrojen atomundaki bir elektronun dalga fonksiyonlarına karşılık gelen olasılık yoğunlukları (resmin üstünden aşağıya doğru artan: n = 1, 2, 3, ...) ve açısal momentum ( soldan sağa doğru artan: s , p , d , ...). Daha yoğun alanlar, bir konum ölçümünde daha yüksek olasılık yoğunluğuna karşılık gelir. Bu gibi dalga fonksiyonları için doğrudan karşılaştırılabilir Chladni rakamları arasında akustik olarak titreşim modları klasik fizik ve keskin sahip, hem de salınım modu vardır enerji ve böylece, belli bir frekans . Açısal momentum ve enerji edilir nicemlenmiş ve almak sadece gösterilenler gibi ayrık değerleri (aynı için geçerlidir rezonans frekanslarına akustik olarak)

Hamiltoniyenin özdurumları gibi bazı dalga fonksiyonları zamandan bağımsız olasılık dağılımları üretir . Klasik mekanikte dinamik olarak ele alınan birçok sistem, bu tür "statik" dalga fonksiyonları ile tanımlanır. Örneğin, uyarılmamış bir atomdaki tek bir elektron , klasik olarak atom çekirdeği etrafında dairesel bir yörüngede hareket eden bir parçacık olarak tasvir edilirken, kuantum mekaniğinde çekirdeği çevreleyen statik bir dalga fonksiyonu ile tanımlanır. Örneğin, uyarılmamış bir hidrojen atomu için elektron dalga fonksiyonu, s orbitali olarak bilinen küresel simetrik bir fonksiyondur ( Şekil 1 ).

Schrödinger denkleminin analitik çözümleri , kuantum harmonik osilatör , bir kutudaki parçacık , dihidrojen katyonu ve hidrojen atomu dahil olmak üzere çok az sayıda nispeten basit model Hamiltoniyen için bilinmektedir . Sadece iki elektron içeren helyum atomu bile, tamamen analitik bir işleme yönelik tüm girişimlere meydan okudu.

Ancak, yaklaşık çözümler bulmak için teknikler vardır. Pertürbasyon teorisi adı verilen bir yöntem, (örneğin) zayıf bir potansiyel enerjinin eklenmesiyle ilişkili ancak daha karmaşık bir model için bir sonuç oluşturmak için basit bir kuantum mekanik model için analitik sonucu kullanır . Kuantum mekaniğinin klasik davranıştan sadece küçük sapmalar ürettiği sistemler için geçerli olan başka bir yöntem "yarı-klasik hareket denklemi" olarak adlandırılır. Bu sapmalar daha sonra klasik harekete dayalı olarak hesaplanabilir. Bu yaklaşım özellikle kuantum kaos alanında önemlidir .

Belirsizlik ilkesi

Temel kuantum formalizminin bir sonucu belirsizlik ilkesidir . En bilinen biçimiyle, bu, bir kuantum parçacığının hiçbir hazırlığının, hem konumunun ölçümü hem de momentumunun ölçümü için aynı anda kesin tahminler anlamına gelemeyeceğini belirtir. Hem konum hem de momentum gözlenebilirdir, yani Hermit operatörleri tarafından temsil edilirler. Konum operatörü ve momentum operatörü yer değiştirmez , bunun yerine kanonik komütasyon ilişkisini sağlar :

Bir kuantum durumu verildiğinde, Born kuralı hem ve hem de bunların güçleri için beklenti değerlerini hesaplamamıza izin verir . Bir gözlemlenebilir için belirsizliği standart sapma ile tanımlarsak ,

ve aynı şekilde momentum için:

Belirsizlik ilkesi şunu ifade eder:

Her iki standart sapma da prensipte keyfi olarak küçük yapılabilir, ancak ikisi aynı anda yapılamaz. Bu eşitsizlik, keyfi kendi kendine eşlenik operatör çiftlerine ve . Komütatör bu iki operatörlerin olduğunu

ve bu, standart sapmaların çarpımının alt sınırını sağlar:

Kanonik komütasyon ilişkisinin bir başka sonucu, konum ve momentum operatörlerinin birbirlerinin Fourier dönüşümleri olmasıdır, böylece bir nesnenin momentumuna göre tanımı, konumuna göre tanımının Fourier dönüşümüdür. Momentumdaki bağımlılığın konumdaki bağımlılığın Fourier dönüşümü olması, momentum operatörünün konuma göre türevi almaya eşdeğer (bir faktöre kadar) olduğu anlamına gelir , çünkü Fourier analizinde farklılaşma ikili uzayda çarpmaya karşılık gelir . Pozisyon uzayda kuantum denklemlerde, ivme nedeni budur değiştirilir ve özellikle pozisyon uzayda göreli olmayan Schrödinger denklemi ivme-kare süreli bir Laplace kez değiştirilir .

Kompozit sistemler ve dolaşıklık

İki farklı kuantum sistemi birlikte düşünüldüğünde, birleşik sistemin Hilbert uzayı, iki bileşenin Hilbert uzaylarının tensör çarpımıdır. Örneğin, A ve B , sırasıyla Hilbert uzayları ve ile iki kuantum sistemi olsun . Bileşik sistemin Hilbert uzayı daha sonra

Birinci sistemin durumu vektör ve ikinci sistemin durumu ise, kompozit sistemin durumu şöyledir:

Bununla birlikte, birleşik Hilbert uzayındaki tüm durumlar bu biçimde yazılamaz, çünkü süperpozisyon ilkesi, bu "ayrılabilir" veya "çarpım durumlarının" lineer kombinasyonlarının da geçerli olduğunu ima eder. Örneğin, eğer ve her iki olası sistem için durumlarıdır aynı şekilde ve ve sistem için hem olası durumları vardır , o zaman

ayrılamayan geçerli bir ortak durumdur. Ayrılamayan durumlara dolanık denir .

Bir bileşik sistem için durum dolanıksa, bir durum vektörü ile bileşen sistemi A veya sistem B'yi tanımlamak imkansızdır . Bunun yerine, tek başına her iki bileşen sisteminde ölçümler yapılarak elde edilebilecek istatistikleri tanımlayan azaltılmış yoğunluk matrisleri tanımlanabilir. Bu, zorunlu olarak bir bilgi kaybına neden olur: Bireysel sistemlerin azaltılmış yoğunluk matrislerini bilmek, bileşik sistemin durumunu yeniden yapılandırmak için yeterli değildir. Yoğunluk matrislerinin daha büyük bir sistemin alt sisteminin durumunu belirtmesi gibi, benzer şekilde, pozitif operatör değerli ölçümler (POVM'ler), daha büyük bir sistemde gerçekleştirilen bir ölçümün alt sistemi üzerindeki etkisini tanımlar. POVM'ler kuantum bilgi teorisinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Yukarıda açıklandığı gibi, dolaşıklık, bir aparatın ölçülen sistemle karıştığı ölçüm süreçleri modellerinin temel bir özelliğidir. İçinde bulundukları ortamla etkileşime giren sistemler, genellikle bu ortamla, kuantum eşevresizliği olarak bilinen bir fenomenle karışır . Bu, pratikte kuantum etkilerinin mikroskobikten daha büyük sistemlerde gözlemlenmesinin neden zor olduğunu açıklayabilir.

Formülasyonlar arasındaki denklik

Kuantum mekaniğinin matematiksel olarak eşdeğer birçok formülasyonu vardır. En eski ve en yaygın olanlardan biri, kuantum mekaniğinin en eski iki formülasyonunu birleştiren ve genelleştiren Paul Dirac tarafından önerilen " dönüşüm teorisidir " - matris mekaniği ( Werner Heisenberg tarafından icat edildi ) ve dalga mekaniği ( Erwin Schrödinger tarafından icat edildi ). Kuantum mekaniği için alternatif bir formülasyon olup Feynmann 'in yol integral formülasyonu kuantum mekanik genlik ilk ve son durumları arasında olası tüm klasik ve klasik olmayan yolları üzerinde bir toplamı olarak kabul edildiği,. Bu, klasik mekanikteki eylem ilkesinin kuantum-mekanik karşılığıdır .

Simetriler ve korunum yasaları

Hamiltonian , zaman evriminin üreteci olarak bilinir , çünkü her bir değeri için üniter bir zaman-evrim operatörü tanımlar . Arasındaki bu ilişkiden ve , herhangi bir gözlemlenebilir izler ile sırabağımsızdır olduğunu edilecektir korunmuş olan beklenti değeri zaman içinde değişmez:. Bu ifade, matematiksel olarak, herhangi bir Hermitian operatörünün , bir değişken tarafından parametrelenen bir üniter operatörler ailesi oluşturabileceği gibi genelleştirir . tarafından üretilen evrim altında, ile işe gidip gelen herhangi bir gözlemlenebilir korunacaktır. Ayrıca, eğer evrim altına tarafından korunur , daha sonra tarafından oluşturulan evrim altında muhafaza edilir . Bu , klasik ( Lagrange ) mekanikte Emmy Noether tarafından kanıtlanmış sonucun kuantum versiyonunu ima eder : Bir Hamiltoniyenin her türevlenebilir simetrisi için , karşılık gelen bir koruma yasası vardır .

Örnekler

ücretsiz parçacık

Boş uzayda bir boyutta hareket eden bir Gauss dalga paketinin konum uzayı olasılık yoğunluğu .

Konum serbestlik derecesine sahip kuantum sisteminin en basit örneği, tek bir uzaysal boyuttaki serbest parçacıktır. Serbest parçacık, dış etkilere maruz kalmayan bir parçacıktır, bu nedenle Hamiltoniyeni yalnızca kinetik enerjisinden oluşur:

Schrödinger denkleminin genel çözümü şu şekilde verilir:

bu , momentum operatörünün momentumlu öz durumları olan tüm olası düzlem dalgaların bir süperpozisyonudur . Süperpozisyonun katsayıları , başlangıç ​​kuantum durumunun Fourier dönüşümüdür .

Çözümün tek bir momentum özdurumu veya tek konumlu bir özdurum olması mümkün değildir, çünkü bunlar normalleştirilebilir kuantum durumları değildir. Bunun yerine bir Gauss dalga paketini düşünebiliriz :

Fourier dönüşümüne ve dolayısıyla momentum dağılımına sahip olan

Biz yaptıkça görüyoruz bir konumda küçük yayılma küçülüyor, ama momentum yayılmış daha büyük oluyor. Tersine, yaparak bir büyük daha küçük bir ivme içinde yayılmasını yapmak ancak pozisyonda yayılmış daha büyük oluyor. Bu belirsizlik ilkesini göstermektedir.

Gauss dalga paketinin zaman içinde gelişmesine izin verdiğimizde, merkezinin uzayda sabit bir hızla hareket ettiğini görürüz (üzerine hiçbir kuvvet etki etmeyen klasik bir parçacık gibi). Bununla birlikte, zaman ilerledikçe dalga paketi de yayılacaktır, bu da konumun giderek daha belirsiz hale geldiği anlamına gelir. Ancak momentumdaki belirsizlik sabit kalır.

Bir kutudaki parçacık

1 boyutlu potansiyel enerji kutusu (veya sonsuz potansiyel kuyusu)

Tek boyutlu potansiyel enerji kutusundaki parçacık, sınırlamaların enerji seviyelerinin nicelleştirilmesine yol açtığı matematiksel olarak en basit örnektir. Kutu, belirli bir bölge içinde her yerde sıfır potansiyel enerjiye ve dolayısıyla o bölgenin dışında her yerde sonsuz potansiyel enerjiye sahip olarak tanımlanır . Yöndeki tek boyutlu durum için zamandan bağımsız Schrödinger denklemi yazılabilir.

tarafından tanımlanan diferansiyel operatör ile

önceki denklem klasik kinetik enerji analogunu çağrıştırıyor ,

devlet ile bu durumda olan enerjinin parçacığın kinetik enerji ile rastlaşan.

Bir kutudaki parçacık için Schrödinger denkleminin genel çözümleri:

veya Euler formülünden ,

Kutunun sonsuz potansiyel duvarları değerlerini belirlemek ve en ve burada sıfır olmalıdır. Böylece ,

ve . at ,

hangi Bu postüla çelişki yaratacak şekilde sıfır olamaz çünkü nedenle norm 1. sahiptir , bir tamsayı katı olmalıdır ,

Bu kısıtlama , enerji seviyelerinde bir kısıtlama anlamına gelir ve

Bir sonlu potansiyel de sonlu derinliğe sahip olan potansiyel çukurlara sonsuz potansiyel de sorun genelleştirilmesidir. Sonlu potansiyel kuyu problemi, dalga fonksiyonu kuyunun duvarlarında sıfıra sabitlenmediğinden matematiksel olarak bir kutudaki sonsuz parçacık probleminden daha karmaşıktır. Bunun yerine dalga fonksiyonu, kuyunun dışındaki bölgelerde sıfır olmadığı için daha karmaşık matematiksel sınır koşullarını sağlamalıdır. İlgili diğer bir problem, flash bellek ve tarama tünelleme mikroskobu gibi modern teknolojilerin performansında önemli bir rol oynayan kuantum tünelleme etkisi için bir model sağlayan dikdörtgen potansiyel bariyeridir .

Harmonik osilatör

Bir bazı yörüngeleri harmonik osilatör (a bağlı, yani bir bilyeli yayı olarak) klasik mekanik (AB) ve kuantum mekaniği (CH). Kuantum mekaniğinde, topun konumu bir dalga ile temsil edilir ( dalga fonksiyonu olarak adlandırılır ), gerçek kısım mavi ile gösterilir ve hayali kısım kırmızı ile gösterilir. Bazı yörüngeler (C, D, E ve F gibi) duran dalgalardır (veya " durağan durumlar "). Her duran dalga frekansı, osilatörün olası bir enerji seviyesi ile orantılıdır . Bu "enerji kuantizasyonu", osilatörün herhangi bir enerjiye sahip olabileceği klasik fizikte gerçekleşmez .

Klasik durumda olduğu gibi, kuantum harmonik osilatör için potansiyel şu şekilde verilir:

Bu problem, önemsiz olmayan Schrödinger denklemini doğrudan çözerek veya ilk olarak Paul Dirac tarafından önerilen daha zarif "merdiven yöntemi" kullanılarak çözülebilir. Özdurumları tarafından verilmektedir

burada H , n olan Hermite polinomları

ve karşılık gelen enerji seviyeleri

Bu, bağlı durumlar için enerjinin ayrıklaştırılmasını gösteren başka bir örnektir .

Mach–Zehnder interferometresi

Bir Mach-Zehnder interferometresinin şeması.

Mach-Zehnder interferometre (MZI) yerine diferansiyel denklemler daha boyut 2 doğrusal cebir üst üste ve girişim kavramları göstermektedir. Çift yarık deneyinin basitleştirilmiş bir versiyonu olarak görülebilir, ancak kendi başına, örneğin gecikmeli seçim kuantum silgisinde , Elitzur-Vaidman bomba test cihazında ve kuantum dolaşıklık araştırmalarında ilgi çekicidir .

Girişimölçerden geçen bir fotonu, her noktada sadece iki yolun süperpozisyonunda olabileceğini göz önünde bulundurarak modelleyebiliriz: soldan başlayan, her iki ışın ayırıcıdan düz giden ve en üstte biten "alt" yol, ve alttan başlayan "üst" yol, her iki ışın ayırıcıdan da geçer ve sağda biter. Bu nedenle fotonun kuantum durumu , "alt" yol ile "üst" yolun süperpozisyonu olan bir vektördür , yani karmaşık için . Buna ihtiyacımız olduğu varsayımına saygı duymak için .

Her iki ışın ayırıcı da üniter matris olarak modellenmiştir; bu, bir fotonun ışın ayırıcıyla karşılaştığında, ya olasılık genliği ile aynı yolda kalacağı ya da olasılık genliği ile diğer yola yansıtılacağı anlamına gelir . Üst koldaki faz kaydırıcı, üniter matris olarak modellenmiştir; bu , foton "üst" yoldaysa, göreceli bir faz kazanacağı ve alt yoldaysa değişmeden kalacağı anlamına gelir.

Girişimölçere soldan giren bir foton daha sonra bir huzme bölücü , bir faz kaydırıcı ve başka bir huzme bölücü ile etkilenecek ve böylece son duruma geçecektir.

ve sağda veya üstte tespit edilme olasılıkları sırasıyla şu şekilde verilmiştir:

Bu nedenle, bu olasılıkları tahmin ederek faz kaymasını tahmin etmek için Mach-Zehnder interferometresi kullanılabilir .

Foton kesinlikle ışın ayırıcılar arasındaki "alt" veya "üst" yollarda olsaydı ne olacağını düşünmek ilginçtir. Bu, yollardan birini bloke ederek veya eşdeğer olarak birinci ışın ayırıcıyı kaldırarak (ve istendiği gibi fotonu soldan veya alttan besleyerek) gerçekleştirilebilir. Her iki durumda da yollar arasında artık bir girişim olmayacak ve olasılıklar fazdan bağımsız olarak . Bundan, fotonun ilk ışın ayırıcıdan sonra şu ya da bu yolu izlemediği, bunun yerine iki yolun gerçek bir kuantum süperpozisyonunda olduğu sonucuna varabiliriz.

Uygulamalar

Kuantum mekaniği, klasik yöntemlerle açıklanamayan küçük ölçekli ve ayrık nicelikler ve etkileşimlerle ilgili olarak evrenimizin birçok özelliğini açıklamada muazzam bir başarı elde etti . Kuantum mekaniği, genellikle maddenin tüm formlarını ( elektronlar , protonlar , nötronlar , fotonlar ve diğerleri) oluşturan atom altı parçacıkların bireysel davranışlarını ortaya çıkarabilen tek teoridir . Katı hal fiziği ve malzeme bilimi , kuantum mekaniğine bağlıdır.

Modern teknoloji birçok yönden kuantum etkilerinin önemli olduğu bir ölçekte çalışır. Kuantum teorisinin önemli uygulamaları arasında kuantum kimyası , kuantum optiği , kuantum hesaplama , süper iletken mıknatıslar , ışık yayan diyotlar , optik yükseltici ve lazer , transistör ve mikroişlemci gibi yarı iletkenler , manyetik rezonans görüntüleme ve elektron gibi tıbbi ve araştırma görüntüleme yer alır. mikroskopi . Birçok biyolojik ve fiziksel fenomenin açıklamaları, kimyasal bağın, özellikle de makro molekül DNA'sının doğasından kaynaklanmaktadır .

Diğer bilimsel teorilerle ilişkisi

Klasik mekanik

Kuantum mekaniğinin kuralları, bir sistemin durum uzayının bir Hilbert uzayı olduğunu ve sistemin gözlenebilirlerinin, bize hangi Hilbert uzayını veya hangi operatörleri söylemese de, o uzaydaki vektörler üzerinde hareket eden Hermitian operatörler olduğunu iddia eder. Bunlar, fiziksel tahminler yapmak için gerekli bir adım olan kuantum sisteminin nicel bir tanımını elde etmek için uygun şekilde seçilebilir. Bu seçimleri yapmak için önemli bir kılavuz , kuantum mekaniğinin tahminlerinin büyük kuantum sayıları rejiminde klasik mekaniğin tahminlerine indirgendiğini belirten bir buluşsal yöntem olan yazışma ilkesidir . Belirli bir sistemin yerleşik bir klasik modelinden de başlanabilir ve daha sonra yazışma limitinde klasik modele yol açacak temel kuantum modelini tahmin etmeye çalışabilirsiniz. Bu yaklaşım kuantizasyon olarak bilinir .

Kuantum mekaniği ilk olarak formüle edildiğinde, yazışma limiti göreli olmayan klasik mekanik olan modellere uygulandı . Örneğin, kuantum harmonik osilatörün iyi bilinen modeli, osilatörün kinetik enerjisi için açıkça göreli olmayan bir ifade kullanır ve bu nedenle klasik harmonik osilatörün kuantum versiyonudur .

İyi kuantum sayılarına sahip olmayan kaotik sistemlerde komplikasyonlar ortaya çıkar ve kuantum kaos , bu sistemlerdeki klasik ve kuantum tanımları arasındaki ilişkiyi inceler.

Kuantum eşevresizliği , kuantum sistemlerinin tutarlılığını kaybettiği ve bu nedenle birçok tipik kuantum etkisini gösteremediği bir mekanizmadır : kuantum süperpozisyonları basitçe olasılıksal karışımlar haline gelir ve kuantum dolaşıklığı basitçe klasik korelasyonlar haline gelir. Kuantum tutarlılığı, kuantum davranışının makroskopik olarak ortaya çıkabileceği mutlak sıfıra yaklaşan sıcaklıklar dışında, makroskopik ölçeklerde tipik olarak belirgin değildir .

Klasik bir sistemin birçok makroskopik özelliği, parçalarının kuantum davranışının doğrudan bir sonucudur. Örneğin, kütlesel maddenin kararlılığı ( yalnızca elektrik kuvvetleri altında hızla çökecek atomlardan ve moleküllerden oluşur), katıların katılığı ve maddenin mekanik, termal, kimyasal, optik ve manyetik özelliklerinin tümü, etkileşimin sonucudur. Kuantum mekaniği kurallarına göre elektrik yükleri .

Özel görelilik ve elektrodinamik

Kuantum mekaniğini özel görelilik ile birleştirmeye yönelik ilk girişimler , Schrödinger denkleminin Klein-Gordon denklemi veya Dirac denklemi gibi bir kovaryant denklemle değiştirilmesini içeriyordu . Bu teoriler birçok deneysel sonucu açıklamakta başarılı olsalar da, parçacıkların göreceli yaratılışını ve yok oluşunu ihmal etmelerinden kaynaklanan bazı tatmin edici olmayan niteliklere sahiptiler. Tamamen göreli bir kuantum teorisi , nicelemeyi bir alana (sabit bir parçacık kümesi yerine) uygulayan kuantum alan teorisinin geliştirilmesini gerektiriyordu . İlk tam kuantum alan teorisi, kuantum elektrodinamiği , elektromanyetik etkileşimin tam bir kuantum tanımını sağlar . Kuantum elektrodinamiği, genel görelilik ile birlikte , şimdiye kadar tasarlanmış en doğru fiziksel teorilerden biridir.

Elektrodinamik sistemleri tanımlamak için kuantum alan teorisinin tam aygıtı genellikle gereksizdir. Kuantum mekaniğinin başlangıcından beri kullanılan daha basit bir yaklaşım, yüklü parçacıkları klasik bir elektromanyetik alan tarafından etki edilen kuantum mekanik nesneler olarak ele almaktır . Örneğin, hidrojen atomunun temel kuantum modeli, klasik bir Coulomb potansiyeli kullanarak hidrojen atomunun elektrik alanını tanımlar . Bu "yarı-klasik" yaklaşım, elektromanyetik alandaki kuantum dalgalanmaları, yüklü parçacıklar tarafından fotonların emisyonunda olduğu gibi önemli bir rol oynarsa başarısız olur .

Güçlü nükleer kuvvet ve zayıf nükleer kuvvet için kuantum alan teorileri de geliştirilmiştir. Güçlü nükleer kuvvetin kuantum alan teorisine kuantum kromodinamiği denir ve kuarklar ve gluonlar gibi çekirdek altı parçacıkların etkileşimlerini tanımlar . Zayıf nükleer kuvvet ve elektromanyetik kuvvet, kuantize formlarında, fizikçiler Abdus Salam , Sheldon Glashow ve Steven Weinberg tarafından tek bir kuantum alan teorisinde ( elektrozayıf teori olarak bilinir ) birleştirildi .

Genel görelilik ilişkisi

Hem kuantum teorisinin hem de genel göreliliğin öngörüleri, titiz ve tekrarlanan ampirik kanıtlarla desteklenmiş olsa da, soyut formalizmleri birbiriyle çelişiyor ve tutarlı, uyumlu bir modele dahil etmenin son derece zor olduğunu kanıtladı. Parçacık fiziğinin birçok alanında yerçekimi ihmal edilebilir düzeydedir, bu nedenle genel görelilik ve kuantum mekaniği arasındaki birleşme bu özel uygulamalarda acil bir sorun değildir. Bununla birlikte, doğru bir kuantum yerçekimi teorisinin olmaması, fiziksel kozmolojide ve fizikçilerin zarif bir " Her Şeyin Teorisi " (TOE) arayışında önemli bir konudur . Sonuç olarak, her iki teori arasındaki tutarsızlıkları çözmek, 20. ve 21. yüzyıl fiziğinin ana hedefi olmuştur. Bu TOE yalnızca atom altı fiziğinin modellerini birleştirmekle kalmaz, aynı zamanda doğanın dört temel kuvvetini tek bir kuvvet veya fenomenden türetir.

Bunu yapmak için bir öneri , parçacık fiziğinin nokta benzeri parçacıklarının , sicim adı verilen tek boyutlu nesnelerle değiştirildiğini öne süren sicim teorisidir . Sicim teorisi, bu sicimlerin uzayda nasıl yayıldığını ve birbirleriyle nasıl etkileştiğini açıklar. Sicim ölçeğinden daha büyük mesafe ölçeklerinde, bir sicim, kütlesi , yükü ve sicimin titreşim durumu tarafından belirlenen diğer özellikleri ile tıpkı sıradan bir parçacık gibi görünür . Sicim teorisinde, sicimin birçok titreşim durumundan biri, yerçekimi kuvveti taşıyan kuantum mekanik bir parçacık olan gravitona karşılık gelir .

Bir başka popüler teori, yerçekiminin kuantum özelliklerini tanımlayan ve dolayısıyla bir kuantum uzay-zaman teorisi olan döngü kuantum yerçekimidir (LQG) . LQG, standart kuantum mekaniği ile standart genel göreliliği birleştirme ve uyarlama girişimidir. Bu teori, uzayı, spin ağları adı verilen sonlu döngülerden oluşan son derece ince bir kumaş "dokunmuş" olarak tanımlar . Bir döndürme ağının zaman içindeki evrimine bir döndürme köpüğü denir . Bir döndürme köpüğünün karakteristik uzunluk ölçeği Planck uzunluğudur , yaklaşık 1.616×10 −35 m ve bu nedenle Planck uzunluğundan daha kısa uzunluklar LQG'de fiziksel olarak anlamlı değildir.

felsefi çıkarımlar

Fizikte çözülmemiş problem :

Kuantum mekaniğinin tercih edilen bir yorumu var mı? " Durumların üst üste gelmesi " ve " dalga fonksiyonunun çökmesi " gibi unsurları içeren gerçekliğin kuantum tanımı, algıladığımız gerçekliği nasıl ortaya çıkarıyor?

Başlangıcından bu yana, kuantum mekaniğinin birçok karşı-sezgisel yönü ve sonuçları, güçlü felsefi tartışmalara ve birçok yoruma neden oldu . Argümanlar, kuantum mekaniğinin olasılıksal doğası, dalga fonksiyonunun çökmesi ile ilgili zorluklar ve ilgili ölçüm problemi ve kuantum yerelsizliği üzerine odaklanmaktadır . Belki de bu konularda var olan tek fikir birliği, fikir birliği olmamasıdır. Richard Feynman bir keresinde, "Kimsenin kuantum mekaniğini anlamadığını güvenle söyleyebilirim" demişti. Steven Weinberg'e göre , "Bence artık kuantum mekaniğinin tamamen tatmin edici bir yorumu yok."

Görüşleri Niels Bohr , Werner Heisenberg ve diğer fizikçiler genellikle "olarak gruplanmış Kopenhag yorumuna ". Bu görüşlere göre, kuantum mekaniğinin olasılıksal doğası, sonunda deterministik bir teori ile değiştirilecek olan geçici bir özellik değil, bunun yerine klasik "nedensellik" fikrinin nihai bir reddidir. Bohr, farklı deneysel durumlar altında elde edilen kanıtların tamamlayıcı doğası nedeniyle, kuantum mekaniksel formalizmin iyi tanımlanmış herhangi bir uygulamasının her zaman deneysel düzenlemeye atıfta bulunması gerektiğini vurguladı . Kopenhag tipi yorumlar 21. yüzyılda popülerliğini koruyor.

Kuantum teorisinin kurucularından biri olan Albert Einstein , determinizm ve yerellik gibi bazı değerli metafizik ilkelere saygı gösterme konusundaki bariz başarısızlığından rahatsız oldu . Einstein'ın kuantum mekaniğinin anlamı ve statüsü hakkında Bohr ile uzun süredir devam eden alışverişleri artık Bohr-Einstein tartışmaları olarak biliniyor . Einstein, kuantum mekaniğinin altında yatanın , uzaktan eylemi açıkça yasaklayan bir teori olması gerektiğine inanıyordu . Kuantum mekaniğinin eksik olduğunu, termodinamiğin nasıl geçerli olduğuna benzer, geçerli ancak temel olmayan bir teori olduğunu , ancak arkasındaki temel teorinin istatistiksel mekanik olduğunu savundu . 1935'te Einstein ve işbirlikçileri Boris Podolsky ve Nathan Rosen , yerellik ilkesinin kuantum mekaniğinin eksikliğini ima ettiğine dair bir argüman yayınladı, daha sonra Einstein-Podolsky-Rosen paradoksu olarak adlandırılan bir düşünce deneyi . 1964'te John Bell , EPR'nin yerellik ilkesinin determinizmle birlikte aslında kuantum mekaniğiyle uyumsuz olduğunu gösterdi: bunlar, şimdi Bell eşitsizlikleri olarak bilinen ve dolanık parçacıklar tarafından ihlal edilebilecek, uzaklık sistemleri tarafından üretilen bağıntılar üzerindeki kısıtlamaları ima ediyorlardı . O zamandan beri, bu bağıntıları elde etmek için birkaç deney yapıldı ve sonuçta bunların aslında Bell eşitsizliklerini ihlal ettikleri ve böylece yerellik ile determinizm birleşimini yanlışladıkları sonucuna varıldı.

Bohm mekaniği , kuantum mekaniğini, onu açıkça yerel olmayan yapmak pahasına deterministik yapmak için yeniden formüle etmenin mümkün olduğunu gösteriyor. Fiziksel bir sisteme sadece bir dalga fonksiyonu atfetmez, ayrıca yerel olmayan bir kılavuz denklem altında deterministik olarak gelişen gerçek bir pozisyona da atfeder. Fiziksel bir sistemin evrimi her zaman kılavuz denklemle birlikte Schrödinger denklemi tarafından verilir ; dalga fonksiyonunda asla bir çöküş olmaz. Bu ölçüm problemini çözer.

Everett'in 1956'da formüle ettiği çoklu dünya yorumu , kuantum teorisi tarafından tanımlanan tüm olasılıkların aynı anda , çoğunlukla bağımsız paralel evrenlerden oluşan bir çoklu evrende gerçekleştiğini savunuyor . Bu, dalga paketinin çökmesi aksiyomunun kaldırılmasının bir sonucudur. Ölçülen sistemin ve ölçüm cihazının tüm olası durumları, gözlemci ile birlikte gerçek bir fiziksel kuantum süperpozisyonunda mevcuttur . Çoklu evren deterministik olsa da, olasılıklar tarafından yönetilen deterministik olmayan davranışı algılarız, çünkü çoklu evreni bir bütün olarak değil, aynı anda yalnızca bir paralel evreni gözlemleriz. Bunun tam olarak nasıl çalışması gerektiği çok tartışıldı. Bunu anlamlandırmak ve başarılı olup olmadıkları konusunda bir fikir birliği olmaksızın Born kuralını türetmek için birkaç girişimde bulunuldu.

İlişkisel kuantum mekaniği 1990'ların sonlarında Kopenhag tipi fikirlerin modern bir türevi olarak ortaya çıktı ve birkaç yıl sonra QBism geliştirildi.

Tarih

Max Planck , kuantum teorisinin babası olarak kabul edilir.

Kuantum mekaniği, 20. yüzyılın başlarında, bazı durumlarda daha önceki zamanlarda gözlemlenmiş olan fenomenleri açıklama ihtiyacından hareketle geliştirildi. Işığın dalga doğasına ilişkin bilimsel araştırmalar, 17. ve 18. yüzyıllarda Robert Hooke , Christiaan Huygens ve Leonhard Euler gibi bilim adamlarının deneysel gözlemlere dayanan bir ışık dalga teorisi önermesiyle başladı. 1803'te İngiliz bilge Thomas Young ünlü çift ​​yarık deneyini tanımladı . Bu deney , ışığın dalga teorisinin genel kabul görmesinde önemli bir rol oynadı .

19. yüzyılın başlarında, John Dalton ve Amedeo Avogadro tarafından yapılan kimyasal araştırmalar , maddenin atom teorisine ağırlık verdi ; James Clerk Maxwell , Ludwig Boltzmann ve diğerlerinin gazların kinetik teorisini kurmak için üzerine inşa ettikleri bir fikir . Kinetik teorinin başarıları, maddenin atomlardan oluştuğu fikrine daha fazla güven verdi, ancak teorinin sadece kuantum mekaniğinin gelişmesiyle çözülebilecek eksiklikleri de vardı. Yunan felsefesindeki ilk atom kavramı, bunların bölünemez birimler (Yunancada "kesilemez" anlamına gelen "atom" kelimesinden türetilmiştir) olduğu şeklindeyken, 19. yüzyılda atom altı yapı hakkında hipotezler formüle edilmiştir. Bu bağlamda önemli bir keşif, Michael Faraday'ın 1838'de düşük basınçta gaz içeren bir cam tüpün içindeki elektrik boşalmasının neden olduğu bir parıltıyı gözlemlemesiydi. Julius Plücker , Johann Wilhelm Hittorf ve Eugen Goldstein , Faraday'ın çalışmalarını sürdürdüler ve geliştirdiler , bu da JJ Thomson'ın elektron olarak adlandırılacak atom altı parçacıklardan oluştuğunu bulduğu katot ışınlarının tanımlanmasına yol açtı .

Kara cisim radyasyon sorun tarafından keşfedilmiştir Gustav Kirchhoff 1900 1859'da, Max Planck enerji yayılır ve kesikli "kuanta" (enerji paketleri ya da) emilir hipotezini önerilen, bir hesaplama elde tam siyah gözlenen desen eşleşen -vücut radyasyonu. Kelime kuantum türetilmiştir Latince "ne kadar büyük" ya da "ne kadar" anlamına gelen. Planck'a göre, enerji miktarları, büyüklükleri ( E ) frekansları ( ν ) ile orantılı olacak "elemanlara" bölünmüş olarak düşünülebilir :

,

nerede h olan Planck sabiti . Planck dikkatli bir şekilde bunun radyasyonun absorpsiyon ve emisyon süreçlerinin sadece bir yönü olduğu ve radyasyonun fiziksel gerçekliği olmadığı konusunda ısrar etti . Aslında, kuantum hipotezini büyük bir keşiften ziyade doğru cevabı almak için matematiksel bir hile olarak gördü. Bununla birlikte, 1905'te Albert Einstein, Planck'ın kuantum hipotezini gerçekçi bir şekilde yorumladı ve bunu , belirli materyallerin üzerine parlayan ışığın materyalden elektronları çıkarabileceği fotoelektrik etkiyi açıklamak için kullandı . Niels Bohr daha sonra Planck'ın radyasyon hakkındaki fikirlerini hidrojenin spektral çizgilerini başarılı bir şekilde öngören bir hidrojen atomu modeline dönüştürdü . Einstein bu fikri , ışık gibi bir elektromanyetik dalganın , frekansına bağlı olan ayrı bir enerji miktarına sahip bir parçacık (daha sonra foton olarak adlandırılır ) olarak da tanımlanabileceğini göstermek için daha da geliştirdi . Einstein, "Kuantum Radyasyon Teorisi Üzerine" adlı makalesinde, enerjinin atomlar tarafından emilmesini ve emisyonunu açıklamak için enerji ve madde arasındaki etkileşimi genişletti. O sırada genel görelilik kuramı tarafından gölgede bırakılmış olmasına rağmen, bu makale lazerin temeli haline gelen uyarılmış radyasyon emisyonunun altında yatan mekanizmayı dile getirdi .

Bu aşama, eski kuantum teorisi olarak bilinir . Hiçbir zaman tam veya kendi içinde tutarlı olmayan eski kuantum teorisi, daha çok klasik mekaniğe yapılan bir dizi buluşsal düzeltmeydi . Teori şimdi modern kuantum mekaniğine yarı klasik bir yaklaşım olarak anlaşılmaktadır . Bu dönemden sonuçlar çarpıcı içerir, Planck, Einstein ve Bohr çalışmalarına ek olarak, Einstein ve yukarıda bahsedilen Peter Debye 'ile ilgili çalışma belirli ısı katıların, Bohr ve Hendrika Johanna van Leeuwen ' ın kanıtı klasik fizik için hesap edemez diamagnetism ve Arnold Sommerfeld'in Bohr modelinin özel göreli etkileri içerecek şekilde uzantısı.

1927 Solvay Konferansı yılında Brüksel'de beşinci Dünya fizik konferans oldu.

1920'lerin ortalarında kuantum mekaniği, atom fiziğinin standart formülasyonu olmak üzere geliştirildi. 1923'te Fransız fizikçi Louis de Broglie , parçacıkların dalga özellikleri gösterebileceğini ve bunun tersini yaparak madde dalgaları teorisini ortaya koydu. De Broglie'nin yaklaşımına dayanan modern kuantum mekaniği, Alman fizikçiler Werner Heisenberg , Max Born ve Pascual Jordan'ın matris mekaniğini geliştirdiği ve Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger'in dalga mekaniğini icat ettiği 1925'te doğdu . Born, Temmuz 1926'da Schrödinger'in dalga fonksiyonunun olasılıksal yorumunu tanıttı. Böylece, kuantum fiziğinin tamamı ortaya çıktı ve 1927'deki Beşinci Solvay Konferansı'nda daha geniş kabul görmesine yol açtı .

1930'a gelindiğinde kuantum mekaniği David Hilbert , Paul Dirac ve John von Neumann tarafından ölçüme , gerçeklik bilgimizin istatistiksel doğasına ve 'gözlemci' hakkında felsefi spekülasyonlara daha fazla vurgu yapılarak daha da birleştirildi ve resmileştirildi . O zamandan beri kuantum kimyası, kuantum elektroniği , kuantum optiği ve kuantum bilgi bilimi dahil olmak üzere birçok disipline nüfuz etti . Aynı zamanda, modern periyodik element tablosunun birçok özelliği için yararlı bir çerçeve sağlar ve kimyasal bağlanma sırasında atomların davranışlarını ve bilgisayar yarı iletkenlerinde elektronların akışını tanımlar ve bu nedenle birçok modern teknolojide çok önemli bir rol oynar. Kuantum mekaniği çok küçüklerin dünyasını tanımlamak için inşa edilmiş olsa da , süperiletkenler ve süperakışkanlar gibi bazı makroskopik fenomenleri açıklamak için de gereklidir .

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

daha fazla okuma

Aşağıdaki başlıklar, tümü çalışan fizikçiler tarafından, minimum teknik aparat kullanarak, sıradan insanlara kuantum teorisini iletmeye çalışır.

Daha teknik:

Vikikitap'ta

Dış bağlantılar

Ders materyali
Felsefe