U srednjoj školi smo navikli učiti fiziku. Međutim, postoji vrsta fizike s kojom možda niste upoznati, a svi bi trebali znati za nju: kvantna fizika . Mnogi ljudi ne znaju šta je kvantna fizika. To je mnogo raspravljana i fascinantna tema koja bi mogla revolucionirati naše razumijevanje svemira oko nas. To je teorija fizike koja opisuje ponašanje materije i ima nekoliko primjena u svakodnevnom životu.
Stoga ćemo vam u ovom članku reći šta je kvantna fizika i koje su njene karakteristike.
Šta je kvantna fizika
Kvantna fizika se naziva i kvantna ili mehanička teorija. Zato što se zasniva na mehaničkoj teoriji koja se fokusira na skalu dužina i fenomene atomske i subatomske energije, dajući novi život prethodnim teorijama, koje se danas smatraju zastarjelim.
Koja je razlika između klasične fizike i kvantne fizike? Potonja opisuje zračenje i materiju kao dualne fenomene: valove i čestice. Stoga se dualnost valova i čestica može smatrati jednom od definirajućih karakteristika ove mehanike. Odnos između valova i čestica proučava se i potvrđuje kroz dva principa:
- Princip komplementarnosti
- Heisenbergov princip neizvjesnosti (potonji formalizira prvi).
Svakako možemo biti sigurni da je, nakon otkrića teorije relativnosti i rođenja klasične fizike, ovo znanje označilo početak nove ere: moderne fizike. Za sveobuhvatno proučavanje kvantne mehanike potrebna je integracija različitih područja fizike:
- Atomska fizika
- Fizičke čestice
- Fizika materije
- Nuklearna fizika
Origen
Klasična fizika nije bila u stanju proučavati materiju na mikro nivou do kraja 19. vijeka, što je vjerovatno izvan dosega atomskih mjerenja. Stoga je nemoguće proučavati eksperimentalnu stvarnost, posebno fenomene vezane za svjetlost i elektrone. Ali ljudi uvijek žele ići dalje, a njihova urođena znatiželja ih pokreće da istražuju više.
Početkom XNUMX. stoljeća, otkrića koja su proizašla iz atomske skale dovela su u pitanje stare pretpostavke. Kvantna teorija je nastala zahvaljujući terminu koji je skovao akademik Maks Plank početkom XNUMX. veka. Osnovni koncept je da se mikroskopska veličina i količina nekih fizičkih sistema može čak i diskontinuirano, ali diskretno mijenjati.
Ovo su studije i istraživanja koja su omogućila donošenje ovih zaključaka:
- 1803: prepoznavanje atoma kao sastavnog elementa molekula
- 1860: periodni sistem grupiše atome prema hemijskim svojstvima
- 1874: otkriće elektrona i jezgra
- 1887: studije o ultraljubičastom zračenju
Najnoviji datum bi mogao označiti glavnu liniju razdvajanja. Za frekvencije zračenja ispod praga, fenomen interakcije (fotoelektrični efekat) između elektromagnetnog zračenja i materije nestaje. Zbog fotoelektričnog efekta, energija elektrona je proporcionalna frekvenciji elektromagnetnog zračenja. Maxwellova teorija talasa više nije dovoljna da objasni određene pojave. Možete dublje istražiti ovu istoriju u našem članku o tome šta je svjetlost.
Kvantna teorija
Da sumiramo faktore koji su doprinijeli nastanku kvantne fizike, možemo navesti važnije datume koji su povezani s otkrićima i znanjem korištenim za praćenje istorije kvantne mehanike:
- 1900: Planck uvodi ideju da se energija kvantizira, apsorbira i emituje.
- 1905: Ajnštajn demonstrira fotoelektrični efekat (energija elektromagnetnog polja se prenosi kvantima svjetlosti (fotoni)
- 1913: Bohr kvantificira orbitalno kretanje elektrona.
- 1915: Summerfeld uvodi nova pravila, generalizirajući metode kvantifikacije.
Ali tek od 1924. godine nadalje, kvantna teorija, kakvu danas poznajemo, dobila je oblik. Tog dana, Louise de Broggie razvila je teoriju talasa materije. Sljedeće godine, Heinsburg je preuzeo vođstvo, formulišući mehaniku matrice, a zatim je Dirac 1927. predložio specijalnu teoriju relativnosti. Do 1982. godine, kada je Optički institut Orsay završio istraživanje o kršenju Bellove nejednakosti, ova otkrića su se nastavljala jedno za drugim. Zanimljivo je da vam biografija Maxa Plancka može ponuditi više detalja o njegovim doprinosima.
Principi kvantne fizike
Među najfascinantnijim otkrićima nalazimo:
- Dualnost talas-čestica
- Princip komplementarnosti
- Početak neizvjesnosti
Dualizam talas-čestica
Prije je postojala samo klasična fizika. Ovo je podijeljeno u dvije grupe zakona:
- Njutnov zakon
- Maxwellovi zakoni
Prvi skup zakona opisuje kretanje i dinamiku mehaničkih objekata, dok drugi skup zakona opisuje tendencije i veze između subjekata koji su dio elektromagnetnih polja: na primjer , svjetlosti i radio valova.
Neki eksperimenti pokazuju da svetlost možete zamisliti kao talas. Ali oni nisu potvrđeni. S druge strane, svjetlost ima prirodu čestica (od Einsteina i Plancka) i stoga ideja da se sastoji od fotona dobija sve više legitimiteta. Zahvaljujući Boru se shvatilo da su priroda materije i zračenja:
- Neka bude talas
- Napravi od njega tijelo
Više nije bilo moguće razmišljati iz jedne ili druge perspektive, već iz komplementarne. Bohrov princip komplementarnosti jednostavno naglašava ovu poentu; to jest, fenomeni koji se dešavaju na atomskoj skali imaju dvojna svojstva i talasa i čestica. Da biste bolje razumjeli ovaj fenomen, možete se konsultovati sa člankom o kvantnoj superpoziciji.
Heinsenbergov princip nesigurnosti
Kao što smo ranije spomenuli, Heisenberg je 1927. godine pokazao da se određeni parovi fizičkih veličina, poput brzine i položaja, ne mogu istovremeno zabilježiti bez greške . Tačnost može uticati na jedno od dva mjerenja, ali ne na oba istovremeno, jer će fenomeni poput brzine uticati na drugi rezultat mjerenja i poništiti mjerenje.
Da bi se locirao elektron, mora se emitovati foton. Što je kraća talasna dužina fotona, to je preciznije mjerenje položaja elektrona. U kvantnoj fizici, fotoni niske frekvencije nose više energije i brzine nego što elektroni mogu apsorbovati. Međutim, ova mjerenja se ne mogu precizno odrediti. Više o ovom principu možete pročitati u članku o Heisenbergovoj biografiji.
Nadam se da uz ove informacije možete saznati više o tome šta je kvantna fizika i koje su njene karakteristike.
