Уикипедия

Квантова механика: Разлика между версии

Интерактивен преглед на историята
← По-стара редакцияПо-нова редакция →
Изтрито е съдържание Добавено е съдържание
ВизуаленУикитекст
Граматически и стилистически поправки
мРедакция без резюме
Ред 1:
{{квантова механика}}
'''Квантовата механика''' е фундаментална [[физика|физична]] [[теория|теория,]] раздел от [[теоретична физика|теоретичната физика,]] описващ поведението на елементарните частици и физичните явления, съпоставими по големина с [[Константа на Планк|константата на Планк.]] В микросвета квантовата механика замества [[Класическа механика|класическата механика]] на [[Исак Нютон|Нютон]] и [[електромагнетизъм|теорията на електромагнетизма,]] защото те не съумяват да обяснят наблюдаваните явления на [[атом]]но и субатомно ниво: предсказанията им се отличават съществено от предсказанията на квантовата механика. Като правило квантовите ефекти се наблюдават само при микроскопични мащаби, а класическата механика е валидна при макроскопични мащаби. Квантовата механика успешно описва и обяснява основните свойства и поведението на [[атом|атомите,]] [[молекула|молекулите,]] [[йон|йоните,]] кондензираните среди, [[електрон|електроните]]ите и [[фотон|фотоните.]]На свой ред квантовата механика представлява нерелативистко приближение на [[квантова теория на полето|квантовата теория на полето.]]
 
Квантовата механика работи със следните основни понятия: състояние, уравнение на Шрьодингер, уравнение на фон Нойман, уравнение на Хайзенберг и уравнение на Паули. Те са свързани с различни раздели на математиката — – [[теория на вероятностите|теория на вероятностите,]] [[функционален анализ|функционален анализ,]] [[векторен анализ|векторен анализ,]] [[теория на групите]] и други.
 
Математическата функция, наречена [[вълнова функция|вълнова функция,]] предоставя информация за вероятността на местоположението, скоростта и други физични свойства на частиците. Математическите действия с вълновата функция обикновено изискват разбиране на комплексните числа и линейните функционали. Тази функция третира обекта като квантов [[хармоничен осцилатор|хармоничен осцилатор,]] което математически е равносилно на описанието на [[акустика|акустичен]] [[резонанс|резонанс.]] Квантовата механика дава възможност за много по-динамични, хаотични възможности.
 
Най-ранните версии на квантовата механика са формулирани през първото десетилетие на XX век. По същото време корпускулярната теория на светлината и атомната теория (актуализирани от Айнщайн) за пръв път са широко приети като научен факт. Основите на квантовата механика са формулирани по нов начин в средата на 1920 година от [[Вернер Хайзенберг]], [[Макс Борн]], [[Волфганг Паули]] и техните сътрудници, а тълкуването на [[Нилс Бор]] в [[Копенхаген]] се приема повсеместно. До 1930 г. квантовата механика се обогатява допълнително с работите на [[Пол Дирак]] и [[Джон фон Нойман|Джон фон Нойман,]] като се акцентира на измерването, статистическия характер на нашето знание за действителността и философските разсъждения за ролята на наблюдателя. В средата и края на XX век се появяват много нови дисциплини, основани на квантовата механика — – [[квантова химия|квантова химия,]] [[квантова електроника|квантова електроника,]] [[квантова оптика]] и други.
 
== История ==
[[Файл:Solvay conference 1927.jpg|мини|дясно|300п|Солвеевската конференция в [[Брюксел]], [[1927]] г.]]
Историята на квантовата механика води началото си още от 1838 година, когато [[Майкъл Фарадей]] открива [[Катоден лъч|катодните лъчи.]] Следват няколко важни открития, които поставят основите на квантовата механика. През 1859 година [[Густав Кирхоф]] формулира законите за излъчване на [[абсолютно черно тяло]]; през 1877  г.[[Лудвиг Болцман]] изказва предположението, че [[Енергийно ниво|енергетичните нива]] на дадена физична система могат да бъдат дискретни.<ref>J. Mehra and H. Rechenberg, ''The historical development of quantum theory'', Springer-Verlag, 1982.</ref> През 1887 година [[Хайнрих Херц]] открива [[фотоелектричен ефект|фотоелектричния ефект,]] а през 1900 година [[Макс Планк]] формулира квантовата хипотеза, че всяка енергия може да се поглъща или отделя само във вид на малки порции, наречени [[квант]]и, имащи енергия ε, пропорционална на честотата ν с коефициент на пропорционалност, който е универсална константа:
 
:<math> \varepsilon = h \nu \ </math>,
Ред 18:
Според самия Планк това равенство е само един аспект на поглъщането и излъчването на лъчения и няма общо с начина на съществуване на самата [[енергия|енергия.]]<ref>T.S. Kuhn, ''Black-body theory and the quantum discontinuity 1894 – 1912'', Clarendon Press, Oxford, 1978.</ref> Малко по-късно, през 1905 година, изследвайки [[Фотоелектричен ефект|фотоелектричния ефект]], открит от Херц преди това, [[Алберт Айнщайн]] стига до извода в съответствие с квантовата хипотеза, че [[светлина]]та представлява поток от отделни кванти, които впоследствие, в 1926 година, са наречени [[фотон|фотони.]]<ref>A. Einstein, Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt, Annalen der Physik 17 (1905) 132 – 148</ref> Фотоелектричният ефект се наблюдава, когато някои материали, предимно метали, се осветят със светлина с определена [[дължина на вълната|дължина на вълната.]] Светлината избива електрони от материала, стига нейните кванти (фотоните) да имат достатъчно енергия, за да преодолеят силата, с която веществото задържа електроните. Това минимално количество енергия се нарича отделителна работа.
 
Терминът ''квантова механика'' е използван за първи път от [[Макс Борн]] през [[1924]] година в неговия труд ''Zur Quantenmechanik'' ("За„За квантовата механика"механика“).
 
Други експерименти от началото на XX век доказват, че класическата механика и класическата електродинамика не са в състояние да обяснят свойствата на атомите, молекулите и елементарните частици —– електрони, [[протон|протоните]]ите и [[неутрон|неутроните.]] Класическата теория не може да обясни взаимодействието на частиците с електромагнитното излъчване. Например при опитите на Франк и Херц (1913 г.) енергията, която характеризира състоянието на отделните атоми, проявява дискретен спектър, т.е. атомите могат да имат не произволни, а само точно определени стойности на енергията. Съгласно с [[експеримент на Щерн-Герлах|експеримента на Щерн—Герлах]] (1922 г.) дискретни стойности притежават и величините [[магнитен момент]] и [[момент на импулса]] на атомите.
 
[[Файл:10 Quantum Mechanics Masters.jpg|мини|10 от най-влиятелните фигури в историята на квантовата механика. От ляво на дясно: [[Макс Планк]], [[Алберт Айнщайн]], [[Нилс Бор]], [[Луи дьо Бройл]], [[Макс Борн]], [[Пол Дирак]], [[Вернер Хайзенберг]], [[Волфганг Паули]], [[Ервин Шрьодингер]] и [[Ричард Файнман]]]]
Основите на квантовата механика са положени през първата половина на XX век от [[Макс Планк|Макс Планк,]] [[Нилс Бор|Нилс Бор,]] [[Вернер Хайзенберг|Вернер Хайзенберг,]] [[Луи дьо Бройл|Луи дьо Бройл,]] [[Артър Холи Комптън|Артър Комптън,]] [[Алберт Айнщайн|Алберт Айнщайн,]] [[Ервин Шрьодингер|Ервин Шрьодингер,]] [[Макс Борн|Макс Борн,]] [[Джон фон Нойман|Джон фон Нойман,]] [[Пол Дирак|Пол Дирак,]] [[Енрико Ферми|Енрико Ферми,]] [[Волфганг Паули|Волфганг Паули,]] [[Давид Хилберт|Давид Хилберт,]] [[Вилхелм Вин|Вилхелм Вин,]] [[Сатиендра Нат Бозе|Сатиендра Нат Бозе,]] [[Арнолд Зомерфелд]] и др. В средата на [[1920-те|20-те години на XX век]] квантовата механика става основа на атомната физика. През лятото на 1925 г. Нилс Бор и Вернер Хайзенберг публикуват резултати, които приключват с т.нар. стара квантова теория (полукласически начин на работа с квантовите обекти). От простия постулат на Айнщайн (за който той получава и Нобелова награда) се раждат вълнения, дебати, теоретизиране и експерименти, в резултат на което възниква нова област във физиката, а именно квантовата физика. Нейното по-широко приемане се осъществява на Петата конференция в [[Солвей]] през 1927 г.
 
Другата насока, която води до квантовата механика, е изучаването на електромагнитните вълни, например видимата [[светлина|светлина.]] След като Макс Планк установява през 1900 г., че енергията на вълните може да бъде описана като състояща се от малки пакети (кванти), Алберт Айнщайн доразвива тази идея и показва, че една електромагнитна вълна може да бъде описана като частица (по-късно наречена фотон), чиято енергия зависи от [[честота]]та на вълната.<ref>{{cite journal |first=A. |last=Einstein |title=Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt |trans_title=On a heuristic point of view concerning the production and transformation of light |journal=''Annalen der Physik'' |volume=17 |year=1905 |pages=132 – 148 |doi=10.1002/andp.19053220607 |bibcode = 1905AnP...322..132E |lang=de}} Reprinted in ''The collected papers of Albert Einstein,'' John Stachel, editor, Princeton University Press, 1989, Vol. 2, pp. 149 – 166, in German; see also ''Einstein's early work on the quantum hypothesis,'' ibid. pp. 134 – 148.</ref> Това разбиране — – че микрообектите проявяват свойства и на частици, и на вълни — – се нарича [[корпускулярно-вълнов дуализъм|корпускулярно-вълнов дуализъм.]]
 
За да обясни структурата на атома, през 1913 г. Нилс Бор предполага съществуването на стационарни състояния на електрона, в които енергията може да приема само дискретни стойности. Този подход, разработен от Арнолд Зомерфелд и други физици, често се споменава като стара квантова теория (1900 – 1924 г.). Отличителна черта на старата квантова теория е съчетанието на класическата теория (например идеята за траектория) с допълнителни допускания (за квантуване на някои величини).
 
През 1923 г. Луи дьо Бройл изказва идеята за двойнствената природа на материята въз основа на предположението, че материалните частици имат и вълнови свойства, неразривно свързани с масата и енергията. [[Движение]]то на частицата се описва с разпространението на вълна. Тази теория получава експериментално потвърждение през 1927 г., когато е открита [[дифракция|дифракцията]]та на електрони в [[кристал|кристали.]] Въз основа на тази идея през 1926 г. Шрьодингер развива [[вълнова механика|вълновата механика.]]<ref>Hanle, P.A. (December 1977), „Erwin Schrodinger's Reaction to Louis de Broglie's Thesis on the Quantum Theory.“, Isis 68 (4): 606 – 609, doi:10.1086/351880</ref>
 
Съотношението на Хайзенберг може да се интерпретира най-просто така: колкото по-точно познаваме координатата на една частица, толкова по-неопределена е нейната скорост. В частност това важи за електроните в атома: ние описваме не къде, а с каква вероятност може да бъде намерен електронът на едно или друго място около ядрото. Областта, в която електронът се намира с най-голяма вероятност, се нарича „електронен облак“. Ако се опитаме да локализираме електрона с по-голяма точност, то увеличаваме неопределеността на скоростта му. Оказва се, че произведението на тези две неопределености не може да е по-малко от някаква минимална стойност, която се изразява чрез [[константа на Планк|константата на Планк.]] С аналогично съотношение са свързани и някои други характеристики на микрочастиците, например енергията и времето. Такива двойки величини се наричат спрегнати; за тях е характерно, че колкото по-точно измерваме едната величина, толкова по-неточно познаваме стойността на нейната спрегната величина.
Ред 40:
: <math>h = 6{,}626070040(81) \cdot 10^{-34} \mathrm{J.s}</math> е константата на Планк;
: <math>\hbar = {h\over{2\pi}}</math> е константата на [[Пол Дирак|Дирак,]] наричана още редуцирана константа на Планк;
: <math>\pi</math> е числото [[пи]] —– отношението на дължината на окръжността към нейния диаметър.
 
Съотношението на неопределеност е най-известният представител от групата на функции на неопределеност, които са в основата на съвременната [[физика|физика.]]
Ред 80:
Трябва да се подчертае, че колкото и тежък да изглежда този начин на представяне, до настоящият момент той единствено дава резултати в съответствие с експериментално получените. Това също така предполага, че еволюцията на квантовата система е марковски процес, а броят на частиците постоянен. Тези положения позволяват създаването на подходящ математически апарат за описване на широк спектър от приложения в квантовата механика на хамилтонианови системи в чист вид. По-нататъшното развитие на този апарат е квантовата теория на полето, който обикновено се описва от квантови процеси с променлив брой на частиците. За описанието на състоянието на отворени, нехамилтонианови и дисипативни квантови системи, се използва [[матрица на плътността]], а за описание на развитието на тези системи се използва уравнението на Линдблад.
 
Вероятностният характер на квантовата механика произтича от действието на измерването. Това е един от най-трудните за разбиране аспекти на квантовите системи. Това е и централна тема в известните дебати между Бор и Айнщайн, в която двамата учени се опитват да изяснят тези основни принципи чрез [[Мисловен експеримент|мисловни експерименти]]. Основната идея е, че когато една квантова система взаимодейства с измервателната апаратура, техните съответни вълнови функции се „оплитат“, така че първоначалната квантова система престава да съществува като независима единица.<ref name="google215">{{Cite book
|title=The Quantum Challenge: Modern Research on the Foundations of Quantum Mechanics, Second edition
|first1=George
Ред 93:
</ref>
 
Като цяло, квантовата механика не приписва определени стойности. Вместо това прави [[Прогнозиране|прогнози]] с помощта на [[разпределение на вероятностите]], което означава, че описва вероятността отза получаване на възможните резултати от наблюдаваните измервания. Често тези резултати са отместени или изкривени по много причини, като например плътните облаци на вероятността. Облаците на вероятността са също приближения, но по-добри от модела на Бор, мястото на електрона се дава с функция на вероятността.<ref>{{cite web|url=http://www.actapress.com/PaperInfo.aspx?PaperID=25988&reason=500 |title=[Abstract&#93; Visualization of Uncertain Particle Movement |publisher=Actapress.com |accessdate=2012-08-18}}</ref><ref>{{Cite book
|title=The Dark Side of the Force: Economic Foundations of Conflict Theory
|first1=Jack
Ред 104:
</ref>
 
ВълновиВълновите функции се променят с течение на времето. Уравнението на Шрьодингер описва тази промяна и играе роля, подобна на [[втория закон на Нютон]] в класическата механика. Уравнението на Шрьодингер, приложено към свободна частица прогнозира, че центърът на вълновия пакет ще се движи през пространството с постоянна скорост (като класическа частица, безкогато никаквивърху сили,нея действащине върхудействат негоникакви сили). Въпреки това, с течение на времето вълновият пакет се разпространява по-широко с времето, което означава, че позицията му става все по-несигурна с течение на времето.
 
Някои вълнови функции произвеждат вероятностни разпределения, които са постоянни, независими от времето – например, когато в стационарно състояние на постоянна енергия, времето изчезва в абсолютния квадрат на вълновата функция. Много системи, които са описвани като динамични в класическата механика се описват със „статични“ вълнови функции.
Ред 111:
От самото си основаване, много контра-интуитивни аспекти и резултати от квантовата механика предизвикват силни философски дебати и много тълкувания. Дори и за фундаментални въпроси, като например основните правила на Макс Борн относно вероятностните [[амплитуда|амплитуди]] и вероятностните разпределения са необходими десетилетия, за да бъдат оценени от обществото и много водещи учени. Всъщност, известният физик [[Ричард Файнман]] веднъж казва: „Мисля, че спокойно мога да кажа, че никой не разбира квантовата механика.“<ref>The Character of Physical Law (1965) Ch. 6; also quoted in The New Quantum Universe (2003), by Tony Hey and Patrick Walters</ref>
 
Копенхагенската интерпретация се дължи до голяма степен на датския физик теоретик [[Нилс Бор]] – остава формализмът на квантовата механика, който eе най-широко приет сред физиците, около 75 години след неговото създаване. Според това тълкуване, вероятностният характер на квантовата механика не е временно явление, което в крайна сметка да бъде заменено от детерминистична теория, а вместо това трябва да се счита за окончателен отказ от класическата идея за „причинно-следствена връзка“. Смята се също така, че всяко добре дефинирано приложение на формализма на квантовата механика трябва винаги да се позовава на експерименталните условия, което се дължи на принципа на допълнителността и естеството на доказателствата, получени при различни експериментални ситуации.
 
Алберт Айнщайн, самият той считан за един от основателите на квантовата теория, не харесва тази загуба на детерминизъм в измерването. Айнщайн приема, че трябва да има местна скрита променлива теория в основата на квантовата механика и следователно, че настоящата теория е непълна. Той прави серии от възражеия на теорията, най-известното от които е [[Парадокс на Айнщайн-Подолски-Розен|парадоксът на Айнщайн-Подолски-Розен]]. Експериментите, които са извършени, потвърждават точността на квантовата механика, като по този начин се демонстрира, че физическият свят не може да се опише с местна реалистична теория..<ref>{{cite web|url=http://plato.stanford.edu/entries/qm-action-distance/ |title=Action at a Distance in Quantum Mechanics (Stanford Encyclopedia of Philosophy) |publisher=Plato.stanford.edu |date=2007-01-26 |accessdate=2012-08-18}}</ref> Дебатите Бор-Айнщайн осигуряват жизнена критика на Копенхагенската интерпретация от епистемологична гледна точка.
Взето от „https://bg.wikipedia.org/wiki/Квантова_механика“.