Výsledky kvantové mechaniky vyvinuté během první poloviny 20. století

25/03/2022 Iveta Mauci 7 min read 221 Zobrazení Albert Einstein, atom, kvantová fyzika

Kvantová mechanika je podobor fyziky, který popisuje chování částic — atomů, elektronů, fotonů a téměř všeho v molekulární a submolekulární sféře. Výsledky kvantové mechaniky, vyvinuté během první poloviny 20. století, jsou často extrémně podivné a kontraintuitivní. Jak se liší kvantová mechanika od klasické fyziky? V měřítku atomů a elektronů přestávají být užitečné mnohé rovnice klasické mechaniky, které popisují pohyb a interakce věcí v každodenních velikostech a rychlostech. Píše server livescience.com.

V klasické mechanice objekty existují na konkrétním místě v konkrétním čase. V kvantové mechanice, objekty místo toho existují v oparu pravděpodobnosti; mají určitou šanci být v bodě A, další šanci být v bodě B a tak dále.

Kdy byla vyvinuta kvantová mechanika?

Kvantová mechanika se vyvíjela po mnoho desetiletí a začínala jako soubor kontroverzních matematických vysvětlení experimentů, které matematika klasické mechaniky nedokázala vysvětlit, uvádí Unoversity of St. Andrews ve Skotsku. Začalo to na přelomu 20. století, přibližně ve stejnou dobu, kdy Albert Einstein publikoval svou teorii relativity, samostatnou revoluci ve fyzice, která popisuje pohyb věcí při vysokých rychlostech. Na rozdíl od relativity však nelze počátky kvantové mechaniky připsat jedinému vědci. Spíše více vědců přispělo k nadaci, která postupně získala přijetí a experimentální ověření mezi koncem 19. století a rokem 1930.

V roce 1900 se německý fyzik Max Planck pokoušel vysvětlit, proč předměty při určitých teplotách, jako je vlákno žárovky 1470 stupňů Fahrenheita (800 stupňů Celsia), září specifickou barvou – v tomto případě červenou, podle Perimetru. Planck si uvědomil, že rovnice používané fyzikem Ludwigem Boltzmannem k popisu chování plynů by mohly být převedeny na vysvětlení tohoto vztahu mezi teplotou a barvou. Problém byl v tom, že Boltzmannova práce spoléhala na skutečnost, že každý daný plyn byl vyroben z malých částic, což znamená, že i světlo bylo vyrobeno z diskrétních kousků.

Tato myšlenka narazila na představy o světle v době, kdy většina fyziků věřila, že světlo je spojitá vlna a ne malý balíček. Planck sám nevěřil ani na atomy, ani na jednotlivé kousky světla, ale jeho koncept byl podpořen v roce 1905, kdy Einstein publikoval článek „O heuristickém úhlu pohledu k emisi a transformaci světla“.

Einstein si představoval, že světlo putuje nikoli jako vlna, ale jako nějaký způsob „energetických kvant“. Tento balík energie, jak Einstein ve svém článku navrhl, by mohl „být absorbován nebo generován pouze jako celek“, konkrétně když atom „skáče“ mezi kvantovanými vibračními rychlostmi. Odtud pochází „kvantová“ část kvantové mechaniky.

S tímto novým způsobem, jak pojmout světlo, Einstein ve svém článku nabídl vhled do chování devíti jevů, včetně specifických barev, které Planck popsal, že jsou vyzařovány z vlákna žárovky. Vysvětlilo také, jak mohou určité barvy světla vysunout elektrony z kovových povrchů – jev známý jako fotoelektrický efekt.

Co je to dualová vlna, částice?

V kvantové mechanice mohou částice někdy existovat jako vlny a někdy existují jako částice. Nejslavněji to lze vidět v experimentu s dvojitou štěrbinou, kde jsou částice, jako jsou elektrony, stříleny na desku se dvěma vyříznutými štěrbinami, za nimiž je umístěna obrazovka, která se rozsvítí, když do ní zasáhne elektron. Pokud by elektrony byly částice, vytvořily by dvě jasné čáry tam, kde dopadly na obrazovku poté, co prošly jednou nebo druhou štěrbinou, podle populárního článku v Nature.

V roce 1924 francouzský fyzik Louis de Broglie použil rovnice Einsteinovy teorie speciální relativity, aby ukázal, že částice mohou vykazovat vlnové vlastnosti a že vlny mohou vykazovat vlastnosti podobné částicím – zjištění, za které o několik let později získal Nobelovu cenu.

Jak kvantová mechanika popisuje atomy?

V 10. letech 20. století se dánský fyzik Niels Bohr pokusil popsat vnitřní strukturu atomů pomocí kvantové mechaniky. V tomto okamžiku bylo známo, že atom je tvořen těžkým, hustým, kladně nabitým jádrem obklopeným rojem drobných, lehkých, záporně nabitých elektronů. Bohr umístil elektrony na oběžné dráhy kolem jádra jako planety v subatomární sluneční soustavě, s tím rozdílem, že mohly mít pouze určité předem definované oběžné vzdálenosti. Skokem z jedné oběžné dráhy na druhou mohl atom přijímat nebo vysílat záření o specifických energiích, odrážejících jejich kvantovou povahu.

Krátce poté vytvořili dva vědci, kteří pracovali nezávisle a používali samostatné linie matematického myšlení, úplnější kvantový obraz atomu, podle Amerikan Physical Society. V Německu toho dosáhl fyzik Werner Heisenberg vyvinutím „maticové mechaniky“. Rakousko-irský fyzik Erwin Schrödinger vyvinul podobnou teorii nazvanou „vlnová mechanika“. Schrödinger v roce 1926 ukázal, že tyto dva přístupy jsou ekvivalentní.reklama

Heisenberg-Schrödingerův model atomu, ve kterém každý elektron působí jako vlna kolem jádra atomu, nahradil dřívější Bohrův model. V Heisenberg-Schrödingerově modelu atomu se elektrony řídí „vlnovou funkcí“ a zabírají „orbitaly“ spíše než oběžné dráhy. Na rozdíl od kruhových drah Bohrova modelu mají atomové orbitaly různé tvary, od koulí přes činky až po sedmikrásky, podle vysvětlujícího webu od chemika Jima Clarka.

Jaký je paradox Schrödingerovy kočky?

Schrödingerova kočka je často nepochopený myšlenkový experiment popisující pochybnosti, které někteří z prvních vývojářů kvantové mechaniky měli s jeho výsledky. Zatímco Bohr a mnozí z jeho studentů věřili, že kvantová mechanika naznačuje, že částice nemají dobře definované vlastnosti, dokud nejsou pozorovány, Schrödinger a Einstein nemohli takové možnosti uvěřit, protože by to vedlo k směšným závěrům o povaze reality. V roce 1935 Schrödinger navrhl experiment, ve kterém by život nebo smrt kočky závisela na náhodném převrácení kvantové částice, jejíž stav by zůstal neviditelný, dokud nebyla otevřena krabice. Schrödinger doufal, že ukáže absurditu Bohrových myšlenek na příkladu ze skutečného světa, který závisel na pravděpodobnostní povaze kvantové částice, ale přinesl nesmyslný výsledek.

Podle Bohrovy interpretace kvantové mechaniky existovala kočka až do otevření krabice v nemožné dvojí pozici, kdy byla živá i mrtvá zároveň. (Žádná skutečná kočka nikdy nebyla podrobena tomuto experimentu.) Jak Schrödinger, tak Einstein věřili, že to pomohlo ukázat, že kvantová mechanika je neúplná teorie a nakonec bude nahrazena teorií, která je v souladu s běžnou zkušeností.

Schrödinger a Einstein pomohli upozornit na další podivný výsledek kvantové mechaniky, který ani jeden nedokázal plně pochopit. V roce 1935 Einstein spolu s fyziky Borisem Podolským a Nathanem Rosenem ukázali, že dvě kvantové částice lze nastavit tak, aby jejich kvantové stavy byly vždy ve vzájemné korelaci, uvádí Stanford Encyclopedia of Philosophy. Částice v podstatě vždy navzájem „věděly“ o svých vlastnostech. To znamená, že měření stavu jedné částice by vám okamžitě sdělilo stav jejího dvojčete, bez ohledu na to, jak daleko od sebe byly, což je výsledek, který Einstein nazval „strašidelnou akcí na dálku“, ale který Schrödinger brzy nazval „zapletení“.

Ukázalo se, že zapletení je jedním z nejpodstatnějších aspektů kvantové mechaniky a vyskytuje se v reálném světě neustále. Výzkumníci často provádějí experimenty využívající kvantové zapletení a tento jev je součástí základu pro vznikající oblast kvantových počítačů.

Jsou kvantová mechanika a obecná teorie relativity neslučitelné?

Fyzikům v tuto chvíli chybí úplné vysvětlení všech pozorovaných částic a sil ve vesmíru, což je často nazýváno teorií všeho. Einsteinova teorie relativity popisuje velké a masivní věci, zatímco kvantová mechanika popisuje malé a nepodstatné věci. Tyto dvě teorie nejsou přesně neslučitelné, ale nikdo neví, jak je spojit.

Mnoho výzkumníků hledalo teorii kvantové gravitace, která by gravitaci zavedla do kvantové mechaniky a vysvětlila vše od subatomární až po supergalaktické sféry. Existuje mnoho návrhů, jak toho dosáhnout, jako je vynalezení hypotetické kvantové částice pro gravitaci zvanou graviton, ale zatím žádná jediná teorie nedokázala pojmout všechna pozorování objektů v našem vesmíru. Další populární návrh, teorie strun, která předpokládá, že nejzákladnějšími entitami jsou drobné struny vibrující v mnoha dimenzích, začala být fyziky méně široce přijímána, protože bylo objeveno jen málo důkazů v její prospěch. Jiní výzkumníci také pracovali na teoriích zahrnujících smyčkovou kvantovou gravitací, ve kterém čas i prostor přicházejí v diskrétních, malých kouscích, ale zatím se žádnému nápadu nepodařilo mezi fyzikální komunitou získat větší význam.

Zdroj: livescience.com

Nová studie potvrzuje, že rotace vnitřního jádra Země se zpomalila
Vnitřní jádro tvoří pevná, železo-niklová koule, obklopená vnějším jádrem z tekutého železa a niklu. Vnitřní jádro, které je zhruba stejně velké jako Měsíc, se nachází více než 3 000 km pod našima nohama.
Půdní bakterie vydechují do atmosféry více CO2 po jídle bez cukrů
Když půdní mikrobi požírají rostlinnou hmotu, trávená potrava se dostává ven jednou ze dvou cest. Buď mikrob potravu využije k výstavbě vlastního těla, nebo potravu vydechne ve formě oxidu uhličitého do atmosféry.
Vědci zmapovali přes satelity celosvětový rozsah skleníků
V Evropě pochází většina plodin ze Španělska. Matka příroda? Nikoli. Pěstuje se pod mořem bílého plastu. Jeho plocha se táhne jižní částí země a produkuje miliony tun ovoce a zeleniny ročně.
Psychologické faktory a bariéry mezi cizinci a domorodci
Pocit porozumění ze strany druhých lidí, je klíčovým faktorem určujícím pozitivní mezilidské a mezi-skupinové vztahy.
Výzkum vesmíru: Havárie a kontaminace bez jasných pravidel
Všichni víme, že Země je nám už malá. Budoucí generace potřebují nové vize. Evoluci nezastavíme. Ale vesmír není možné kolonizovat, bez jasných pravidel.
Stromy vytváří podzemní síť s mykorhizními houbami, které mizí
Tyto vztahy jsou základem veškerého života na Zemi. Je důležité, abychom jim rozuměli a chránili je.