Denne artikel er også tilgængelig som en lydfil.

Kvantefysik

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning

Kvantfysik omfatter alle fænomener og effekter, der er baseret på, at visse størrelser ikke kan antage nogen vilkårlig værdi, men kun faste, diskrete værdier (se kvantisering ). Dette inkluderer også bølge-partikel dualisme , ubestemmelighed af fysiske processer og deres uundgåelige indflydelse gennem observation. Kvantfysik omfatter alle observationer, teorier , modeller og begreber, der går tilbage til Max Plancks kvantehypotese . Plancks hypotese var blevet nødvendig omkring 1900, fordi klassisk fysik f.eks. B. havde nået sin grænse, når man beskriver lys eller strukturen af stof .

Forskellene mellem kvantefysik og klassisk fysik er særlig tydelige i den mikroskopiske (f.eks. Struktur af atomer og molekyler ) eller i særligt "rene" systemer (f.eks. Superledning og laserstråling ). Men selv dagligdags ting som forskellige stoffers kemiske eller fysiske egenskaber ( farve , ferromagnetisme , elektrisk ledningsevne osv.) Kan kun forstås i kvantefysik.

Teoretisk kvantefysik omfatter kvantemekanik og kvantefeltteori . Førstnævnte beskriver kvanteobjekters adfærd under påvirkning af felter . Sidstnævnte behandler også felterne som kvanteobjekter. Forudsigelserne af begge teorier stemmer meget godt overens med resultaterne af eksperimenter.

Et vigtigt åbent spørgsmål er forholdet til generel relativitet . På trods af store bestræbelser på at forene en samlet teori har det endnu ikke været muligt at opsummere disse store fysiske teorier fra det 20. århundrede i en teori om kvantegravitation .

Kvantefysiske teorier

Tidlige kvanteteorier

Selv før udviklingen af ​​kvantemekanikken var der opdagelser, der postulerer kvantiseringen af ​​visse størrelser og undertiden retfærdiggør det med bølgepartikeldualiteten, men ikke tillader dybere indsigt i de underliggende mekanismer. Disse teorier fremsatte især ikke forudsigelser ud over deres respektive emne. I engelsk brug kaldes disse forstadier til kvantemekanik gammel kvanteteori .

I 1900 udviklede Max Planck en formel til at beskrive den målte frekvensfordeling af strålingen fra et sort legeme , Plancks strålingslov , baseret på den antagelse, at det sorte legeme består af oscillatorer med diskrete energiniveauer . [1] Planck betragtede denne kvantificering af energi som en egenskab af stof og ikke af selve lyset. Lys blev kun påvirket, for så vidt som lys i hans model kun kunne udveksle energi med stof i visse dele, fordi der kun er visse energiniveauer i stof er muligt. Han fandt mellem energidelen og frekvensen lysets kontekst .

Albert Einstein udvidede disse begreber og foreslog i 1905 en kvantisering af selve lysets energi for at forklare den fotoelektriske effekt . [2] Den fotoelektriske effekt består i, at lys af visse farver kan frigive elektroner fra metaloverflader . Lysstrålen kan kun levere den samme mængde energi til hver enkelt elektron, som også er proportional med frekvensen, en egenskab ved lyset. Heraf konkluderede Einstein, at energiniveauerne ikke kun er kvantiseret inden for stof, men at lys også kun består af visse dele af energien, lyskvanten . Dette koncept er uforeneligt med en ren bølget natur. Så det måtte antages, at lys hverken er en klassisk bølge eller en klassisk partikelstrøm, men opfører sig nogle gange på denne måde, nogle gange på denne måde.

I 1913 brugte Niels Bohr begrebet kvantiserede energiniveauer til at forklare brintatomets spektrale linjer . Bohr -modellen af ​​atomet opkaldt efter ham antager, at elektronen i brintatomet kredser om kernen med en bestemt energi. Elektronen betragtes stadig som en klassisk partikel med den eneste begrænsning, at den kun kan have visse energier, og i modsætning til klassisk elektrodynamik , hvis den cirkulerer kernen med sådan energi, genererer den ikke en elektromagnetisk bølge, dvs. den udsender ikke enhver energi. De antagelser, Bohr brugte, blev eksperimentelt bekræftet i Franck-Hertz-eksperimentet i 1914. Bohrs atommodel blev udvidet til at omfatte nogle begreber som elektronens elliptiske baner, især af Arnold Sommerfeld , for at kunne forklare andre spektra atomer. Dette mål er imidlertid ikke nået tilfredsstillende. Desuden kunne Bohr ikke give nogen begrundelse for sine postulater, bortset fra at brintspektret kunne forklares med det; hans model førte ikke til dybere indsigt.

I 1924 offentliggjorde Louis de Broglie sin teori om stofbølger , ifølge hvilken ethvert stof kan have en bølgekarakter, og omvendt kan bølger også have en partikelkarakter. [3] Ved hjælp af hans teori kunne den fotoelektriske effekt og Bohrs atommodel spores tilbage til en fælles oprindelse. Elektronens baner omkring atomkernen blev forstået som stående bølger af stof . Elektronens beregnede bølgelængde og banernes længder ifølge Bohrs model stemte godt overens med dette koncept. En forklaring på de andre atomspektre var stadig ikke mulig.

De Broglies teori blev bekræftet tre år senere i to uafhængige eksperimenter, der demonstrerede diffraktion af elektroner. Den britiske fysiker George Paget Thomson dirigerede en elektronstråle gennem en tynd metalfilm og observerede interferensmønstre forudsagt af de Broglie. [4] Allerede i 1921 viste et lignende forsøg af Clinton Davisson og Charles KunsmanBell Labs diffraktionsmønstre i en elektronstråle reflekteret over nikkel , men disse blev endnu ikke fortolket som interferens. [5] Davisson og hans assistent Lester Germer gentog forsøget i 1927 og forklarede de klare diffraktionsmønstre, der blev observeret ved hjælp af de Broglie's bølge -teori. [6]

Kvantemekanik

Moderne kvantemekanik begyndte i 1925 med formuleringen af matrixmekanik af Werner Heisenberg , Max Born og Pascual Jordan . [7] [8] [9] Et par måneder senere udviklede Erwin Schrödinger bølgemekanik og Schrödinger -ligningen ved hjælp af en helt anden tilgang - baseret på De Broglies teori om stofbølger.[10] Kort tid efter kunne Schrödinger bevise, at hans tilgang svarer til matrixmekanik. [11]

De nye tilgange fra Schrödinger og Heisenberg indeholder et nyt syn på observerbare fysiske størrelser, såkaldte observerbare . Disse var tidligere blevet betragtet som mængder, der har visse numeriske værdier i hver tilstand i et system, såsom (for en partikel i en dimension ) den respektive placering eller momentum . På den anden side forsøgte Heisenberg og Schrödinger at udvide udtrykket, der kan observeres på en sådan måde, at det ville være foreneligt med diffraktion ved den dobbelte spalte . Hvis en yderligere måling bestemmer, hvilken af ​​slidserne den flyver igennem for hver partikel, opnås der ikke et dobbelt spalteinterferensmønster, men to individuelle spaltemønstre. Ved afslutningen af ​​denne måling er tilstanden for den observerede partikel forskellig fra, hvad den var før. Observable forstås derfor formelt som funktioner, der konverterer en tilstand til en anden. Desuden skal hver partikel "på en eller anden måde" flyve gennem begge huller, så et interferensmønster overhovedet kan forklares. Begge muligheder skal tilskrives tilstanden for hver enkelt (!) Partikel under flyvningen, hvorved nøjagtigt en realiseres ved observation. Som et resultat kan tilstanden af ​​en partikel ikke længere bestemmes af entydige værdier som position og momentum, men skal adskilles fra de observerbare og deres værdier. Under en måleproces omdannes tilstanden til en af ​​de såkaldte egenstater for de observerbare, hvortil der nu er tildelt en unik reel måleværdi . Dette begreb om den kvantemekaniske tilstand er derfor uforeneligt med begrebet den (matematisk præcise) bane i den ældre kvanteteori. Matematisk er en kvantemekanisk tilstand repræsenteret af en bølgefunktion eller (mindre klart) af en tilstandsvektor .

En konsekvens af dette nye koncept for observerbare ting er, at det formelt ikke er muligt at lade to observerbare ting handle på en tilstand uden at angive en sekvens. Hvis sekvensen af ​​to måleprocesser ikke er vigtig (f.eks. Måling af x- og y -koordinaterne), siges de at være udskiftelige. Ellers (f.eks. Måling af x-koordinat og x-puls) skal deres sekvens bestemmes, og i netop disse tilfælde ændrer den anden måling den tilstand, der genereres af den første måling en gang til. En efterfølgende gentagelse af den første måling ville derfor også have et andet resultat. Det er derfor muligt, at to observerbare ting, hvis de virker på en tilstand i en anden rækkefølge, kan producere forskellige sluttilstande. Hvis målerækkefølgen er afgørende for to observerbare, fordi de endelige tilstande ellers er forskellige, fører dette til et såkaldt usikkerhedsforhold . Heisenberg beskrev først placeringen og impulsen i 1927. Disse relationer forsøger kvantitativt at beskrive spredningen af de målte værdier, når de observerbare ting udskiftes, og dermed forskellen i de endelige tilstande.

I 1927 formulerede Bohr og Heisenberg den københavnske fortolkning , som også er kendt som den ortodokse fortolkning af kvantemekanik. Det var baseret på Max Born's forslag om, at kvadratet af bølgefunktionens absolutte værdi , der beskriver systemets tilstand, skal forstås som sandsynlighedstætheden . Den dag i dag er Copenhagen Interpretation fortolkningen af ​​kvantemekanik, som de fleste fysikere går ind for, selvom der nu er mange andre fortolkninger.

I årene fra omkring 1927 og fremefter kombinerede Paul Dirac kvantemekanik med den særlige relativitetsteori . Han introducerede også brugen af operatorteori inklusive Bra-Ket- notationen for første gang og beskrev denne matematiske beregning i en monografi i 1930. [12] På samme tid satte John von Neumann , det strenge matematiske grundlag for kvantemekanik sådan. B. teorien om lineære operatorerHilbert -rum , som han beskrev i en monografi i 1932. [13]

Brugen af ​​udtrykket kvantefysik blev første gang dokumenteret i 1929 i Max Plancks foredrag The World View of New Physics . [14] Resultaterne formuleret i denne udviklingsfase er stadig gyldige i dag og bruges generelt til at beskrive kvantemekaniske opgaver.

Kvantefeltteori

Fra 1927 blev der forsøgt at anvende kvantemekanik ikke kun på partikler, men også på felter , hvorfra kvantefeltteorierne opstod. De første resultater på dette område blev opnået af Paul Dirac, Wolfgang Pauli , Victor Weisskopf og Pascual Jordan . For at kunne beskrive bølger, partikler og felter ensartet forstås de som kvantefelter, der ligner objekter til observerbare. De skal dog ikke opfylde ejendommen af reel værdi . Det betyder, at kvantefelterne ikke nødvendigvis repræsenterer målbare mængder. Problemet opstod imidlertid, at beregningen af ​​komplicerede spredningsprocesser af kvantefelter gav uendelige resultater. Beregning af de enkle processer alene giver dog ofte resultater, der afviger væsentligt fra de målte værdier.

Det var først i slutningen af ​​1940'erne, at problemet med uendelighed kunne omgås med renormalisering . Dette muliggjorde formulering af kvanteelektrodynamik af Richard Feynman , Freeman Dyson , Julian Schwinger og Shin'ichirō Tomonaga . Kvantelektrodynamik beskriver elektroner , positroner og det elektromagnetiske felt på en konsekvent måde for første gang, og de måleresultater, den forudsagde, kunne bekræftes meget præcist. [15] De begreber og metoder, der blev udviklet her, blev brugt som modeller for yderligere kvantefeltteorier, der blev udviklet senere.

Teorien om kvantekromodynamik blev udarbejdet i begyndelsen af ​​1960'erne. Formen for den teori, man kender i dag, blev formuleret i 1975 af David Politzer , David Gross og Frank Wilczek . Med udgangspunkt i det banebrydende arbejde fra Julian Seymour Schwinger , Peter Higgs , Jeffrey Goldstone og Sheldon Glashow kunne Steven Weinberg og Abdus Salam uafhængigt vise, hvordan den svage atomkraft og kvanteelektrodynamik kan fusioneres i teorien om den elektriske svage interaktion .

Den dag i dag er kvantefeltteori et aktivt forskningsområde, der har udviklet mange nye metoder. Det er grundlaget for alle forsøg på at formulere en samlet teori om alle grundlæggende kræfter . Især supersymmetri , strengteori , loop -kvantegravitation og twistor -teori er i vid udstrækning baseret på metoder og begreber inden for kvantefeltteori.

Oversigt over forskningshistorien

Følgende liste påstår ikke at være fuldstændig.

Opdagelse [16] Stifinder Opdagelsesår Bemærkninger
Linjespektre , spektrometri Bunsen , Kirchhoff 1860
Fotoeffekt Reverb voks 1886
Rydberg formel Rydberg 1888 Empirisk formel for brintspektret, som kun teoretisk kunne underbygges af Bohrs atommodel.
Feltemission af elektroner Træ 1897 Første observation af tunneleffekten , som dog blev forstået meget senere.
Plancks strålingslov Planck 1900 Første anvendelse af kvantehypotesen; "Kvindefysikkens fødselstid".
Fotoner Einstein 1905 Stråling er kvantiseret.
Superledning Kamerlingh Onnes 1911
Franck-Hertz eksperiment Franck , Hertz 1911-1914 Der er diskrete energiniveauer i atomer.
Bohrs atommodel Bohr 1913 Første kvantefysiske atommodel; Forfinet af Sommerfeld i 1916 ( Bohr-Sommerfelds atommodel ), men nu forældet.
Compton effekt Compton 1922 Fotoner har en impuls.
Stern-Gerlach eksperiment Stern , Gerlach 1922 Vinkelmomentet er kvantificeret.
Stofbølger de Broglie 1924 Begrundelse for bølgepartikel-dualismen
Die mekanik Heisenberg 1925 Første strenge formulering af kvantemekanik
Spin af elektroner Goudsmit , Uhlenbeck , Pauli 1925
Bølgemekanik Schrodinger 1926 Matematisk svarende til matrixmekanik
Sandsynlighedstolkning Født 1926 Bølgefunktion som sandsynlighedsamplitude
Løsning på brintproblemet Schrodinger 1926 Energiniveauer og orbitaler af elektronerne i brintatomet
Fermi-Dirac statistik Fermi , Dirac 1926 Teorien om fermiongassen og dermed grundlaget for solid-state fysik , især for halvledere .
Usikkerhedsforhold Heisenberg 1927 Sted og impuls er ikke på samme tid præcist bestemt.
Davisson-Germer eksperiment Davisson , Germer 1927 Eksperimentel bekræftelse af sagen bølger postuleret af de Broglie.
Relativistisk kvantemekanik Klein , Gordon , Dirac 1926-1928
Tunneleffekt Gamow , Hund [17] et al 1926-1928 Teoretisk forklaring på alfa henfald og feltemission
Kernemagnetisk resonans Rabi 1936
Overflødighed Kapiza et al 1938
transistor Shockley , Brattain , Bardeen 1945 "Fødselstid" af mikroelektronik
Kvantelektrodynamik Feynman , Tomonaga , Schwinger 1947
Halvleder solcelle Pearson , Fuller , Chapin 1954 Bell Laboratories
neutrino Cowan , ren 1956 Forudsagt af Pauli i 1930.
BCS teori Bardeen , Cooper , Schrieffer 1957 Kvantfysisk begrundelse for superledning
laser Maiman 1960
Kvarker Gell mand 1961
Bells ulighed klokke 1964 Der er ingen lokale skjulte parametre, der bestemmer et kvantefysisk systems adfærd.
Elektrisk svag interaktion Glasshow , salam , vingård 1967 Forening af elektromagnetisk og svag interaktion
CCD sensor Boyle , Smith 1969 Grundlæggende byggesten til digitalkameraet
mikroprocessor Shima , Hoff , Mazor , Faggin 1970-1971 Texas Instruments , Intel
Quantum chromodynamics Gell-Mann et al 1972 Stærk interaktionsteori , en integreret del af standardmodellen
MR scanning Mansfield , Lauterbur 1973 Brug af nuklear magnetisk resonans til en billeddannelsesprocedure i medicin
Scanning tunnel mikroskop Binnig , Rohrer 1981
Quantum Hall -effekt fra Klitzing 1985
Glimtvis erindring Harari 1994 SanDisk

Anvendelse af tunneleffekten i lagermedier

Bose-Einstein kondensat Cornell , Ketterle , Wieman 1995 Fjerde tilstand af materie forudsagt af Albert Einstein i 1924
Kvanteteleportation Zeilinger 1997 I 1935 betragtede Einstein, Podolski og Rosen denne kvanteindviklingseffekt som paradoksal .
Legende: Eksperimentel fysik Teoretisk fysik Teknisk anvendelse

litteratur

Weblinks

Wiktionary: kvantefysik - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser
Commons : Quantum Physics - samling af billeder, videoer og lydfiler

Individuelle beviser

  1. M. Planck: Om teorien om energidistributionsloven i det normale spektrum , forhandlinger om det tyske fysiske samfund 2 (1900) nr. 17, s. 237–245, Berlin (fremlagt den 14. december 1900).
  2. A. Einstein: På et heuristisk synspunkt vedrørende dannelse og transformation af lys , Annalen der Physik 17 (1905), s. 132-148. ( PDF ).
  3. L. de Broglie: Recherches sur la théorie des Quanta , doktorafhandling. Engelsk oversættelse (oversat af AF Kracklauer): Ann. de Phys., 10e -serien, t. III, (1925).
  4. ^ GP Thomson: Diffraktion af katodestråler af tynde film af platin. Nature 120: 802 (1927).
  5. C. Davisson, CH Kunsman: THE SCATTERING OF ELECTRONS BY NICKEL In: Science Vol. 54 s. 1104
  6. C. Davisson og LH Germer: Diffraktion af elektroner med en krystal af nikkel In: Phys. Rev. 30, nr. 6, 1927, doi : 10.1103 / PhysRev.30.705 .
  7. ^ W. Heisenberg: Om kvanteteoretisk genfortolkning af kinematiske og mekaniske forhold Zeitschrift für Physik 33 (1925), s. 879-893.
  8. M. Born, P. Jordan: Zur Quantenmechanik , Zeitschrift für Physik 34 (1925), 858
  9. ^ M. Born, W. Heisenberg, P. Jordan: Zur Quantenmechanik II , Zeitschrift für Physik 35 (1926), 557.
  10. ^ E. Schrödinger: Kvantisering som et egenværdiproblem I , Annalen der Physik 79 (1926), 361–376. E. Schrödinger: Kvantisering som et egenværdiproblem II , Annalen der Physik 79 (1926), 489-527. E. Schrödinger: Kvantisering som et egenværdiproblem III , Annalen der Physik 80 (1926), 734–756. E. Schrödinger: Kvantisering som et egenværdiproblem IV , Annalen der Physik 81 (1926), 109-139.
  11. ^ E. Schrödinger: Om forholdet mellem Heisenberg-Born-Jordan kvantemekanik og min , Annalen der Physik 79 (1926), 734-756.
  12. ^ PAM Dirac: "Principles of Quantum Mechanics" , Oxford University Press, 1958, fjerde. red., ISBN 0-19-851208-2 .
  13. ^ John von Neumann: "Matematiske grundlag for kvantemekanik" , Springer Berlin, 1996, 2. udgave. Engl. (Autoriseret) udgave (oversat af R. T Beyer): "Mathematical Foundations of Quantum Mechanics" , Princeton Univ. Presse, 1955 (der s. 28 kvm.)
  14. ^ M. Planck, Das Weltbild der neue Physik , månedlige bøger til matematik, Springer, Wien, bind 36 (1929), s. 387-410. Uddrag fra google books .
  15. ^ Richard Feynman: QED. Den mærkelige teori om lys og stof 1987, ISBN 3-492-21562-9 -En letforståelig introduktion til kvanteelektrodynamik.
  16. For kilder og yderligere oplysninger henvises til de linkede hovedartikler.
  17. ^ Friedrich Hund, tunneleffekten og stjernernes lys på Deutschlandfunk udsendt den 4. februar 2016.