Ve škole jsme zvyklí studovat fyziku. Existuje však druh fyziky, na který možná nejste zvyklí a který by měl znát každý. Toto je kvantová fyzika. Mnozí nevědí, co je kvantová fyzika. Je to velmi diskutované a fascinující téma, které může změnit naši představu o vesmíru kolem nás. Je to teorie fyziky, která popisuje chování hmoty a má také několik aplikací v každodenním životě.
Proto vám v tomto článku řekneme, co je kvantová fyzika a jaké jsou její vlastnosti.
Co je to kvantová fyzika
Kvantová fyzika se také nazývá kvantová nebo mechanická teorie. Protože je založena na mechanické teorii, která se zaměřuje na měřítko délek a jevy atomové a subatomární energie, čímž dává nový život předchozím teoriím, které jsou dnes považovány za zastaralé.
Jaký je rozdíl mezi klasickou fyzikou a kvantovou fyzikou? Ten popisuje záření a hmotu jako duální jevy: vlny a částice. Dualitu vlny a částic lze proto považovat za jednu z charakteristik této mechaniky. Vztah mezi vlnami a částicemi je studován a potvrzen pomocí dvou principů:
- Princip komplementarity
- Heisenbergův princip neurčitosti (ten první formalizuje).
Můžeme si být jistě jisti, že po objevu teorie relativity a zrodu klasické fyziky tyto poznatky zahájily novou éru, moderní fyziku. Ke komplexnímu studiu kvantové mechaniky je nutná integrace mezi různými sektory fyziky:
- Atomová fyzika
- Fyzikální částice
- Fyzika hmoty
- Nukleární fyzika
Původ
Klasická fyzika nemohl koncem XNUMX. století studovat hmotu na mikroúrovni, o čemž lze říci, že přesahuje rámec atomového měření. Proto je nemožné studovat experimentální realitu, zejména jevy související se světlem a elektrony. Ale lidé vždy chtějí jít dál a jeho vrozená zvědavost ho žene k dalšímu zkoumání.
Na počátku XNUMX. století objevy, které se objevily v atomovém měřítku, zpochybnily staré předpoklady. Kvantová teorie se zrodila díky termínu, který vytvořil akademik Max Planck na začátku XNUMX. století. Základním konceptem je, že mikroskopická velikost a množství některých fyzikálních systémů se může dokonce měnit nespojitě, ale diskrétně.
Toto jsou studie a výzkumy, které umožnily dospět k těmto závěrům:
- 1803: rozpoznání atomů jako základního prvku molekul
- 1860: periodická tabulka seskupuje atomy podle chemických vlastností
- 1874: objev elektronu a jádra
- 1887: studie o ultrafialovém záření
Poslední datum může označovat hlavní dělicí čáru. Pro frekvence záření pod prahem mizí jev interakce (fotoelektrický jev) mezi elektromagnetickým zářením a hmotou. V důsledku fotoelektrického jevu je energie elektronů úměrná frekvenci elektromagnetického záření. Maxwellova vlnová teorie již k vysvětlení určitých jevů nestačí. Více o příběhu se můžete dozvědět v našem článku na co je světlo.
Kvantová teorie
Abychom shrnuli faktory, které přispěly ke zrodu kvantové fyziky, můžeme uvést důležitější data, která jsou spojena s objevy a znalostmi používanými ke sledování historie kvantové mechaniky:
- 1900: Planck zavádí myšlenku, že energie je kvantována, absorbována a vyzařována.
- 1905: Einstein demonstruje fotoelektrický jev (energie elektromagnetického pole je přenášena kvanty světla (fotony)
- 1913: Bohr kvantifikuje orbitální pohyb elektronu.
- 1915: Summerfeld zavádí nová pravidla, zobecňující metody kvantifikace.
Ale právě od roku 1924 položila základy kvantová teorie, jak ji známe dnes. V tento den Louise de Broggie vyvinul teorii vlnění hmoty. Následující rok převzal Heinsburg, formuloval maticovou mechaniku a poté Dirac v roce 1927 navrhl speciální teorii relativity. Až do roku 1982, kdy Orsay Institute of Optics dokončil vyšetřování porušení Bellovy nerovnosti, tyto objevy pokračovaly jeden po druhém. Zajímavé je, že životopis Max Planck vám může nabídnout více podrobností o jejich příspěvku.
Principy kvantové fyziky
Mezi nejvíce fascinující objevy najdeme:
- Dualita vlna-částice
- Princip komplementarity
- Začátek nejistoty
Dualismus vlna-částice
Dříve existovala pouze klasická fyzika. To bylo rozděleno do dvou skupin zákonů:
- Newtonovy zákony
- Maxwellovy zákony
První soubor zákonů popisuje pohyb a dynamiku mechanických objektů, zatímco druhý soubor zákonů popisuje tendence a souvislosti mezi subjekty, které jsou součástí elektromagnetických polí: světlo a rádiové vlny, Například.
Některé experimenty ukazují, že světlo lze považovat za vlnu. Ty se ale nepotvrdily. Na druhé straně má světlo částicovou povahu (od Einsteina a Plancka), a proto myšlenka, že je složeno z fotonů, získávala stále větší legitimitu. Díky Bohrovi bylo pochopeno, že povaha hmoty a záření jsou:
- Udělejte z toho vlnu
- Udělejte z toho tělo
Už nebylo možné přemýšlet z té či oné perspektivy, ale z doplňkové perspektivy. Bohrův komplementární princip pouze zdůrazňuje tento bod, tj. jevy, které se vyskytují v atomovém měřítku, mají dvojí vlastnosti vln a částic. Chcete-li tomuto jevu porozumět dále, můžete si přečíst článek na kvantová superpozice.
Heinsenbergův princip neurčitosti
Jak jsme zmínili dříve v roce 1927, Heinsenberg ukázal, že určité dvojice fyzikálních veličin, jako je rychlost a poloha, nelze současně bezchybně zaregistrovat. Přesnost může ovlivnit jedno ze dvou měření, ale ne obě současně, protože jevy jako rychlost ovlivní výsledek druhého měření a měření znehodnotí.
Pro lokalizaci elektronu je nutné osvětlit foton. Čím kratší je vlnová délka fotonu, tím přesnější je měření polohy elektronu. V kvantové fyzice nese nízká vlnová délka fotonů více energie a rychlosti, než elektrony absorbují. Tato opatření přitom nelze určit. Více o tomto principu si můžete přečíst v článku o Heisenbergův životopis.
Doufám, že s těmito informacemi se můžete dozvědět více o tom, co je kvantová fyzika a jaké jsou její vlastnosti.
