Kuantum Mekaniği Nedir?

Kuantum Mekaniği fiziksel dünyayla ilgili çok garip sonuçların ortaya çıkmasına neden olabilir. Atom ve elektron ölçeğinde, şeylerin günlük boyutlarda ve hızlarda nasıl hareket ettiğini açıklayan klasik mekaniği denklemlerinin çoğu yararlı olmaktan çıkar. Klasik mekanikte, nesneler belirli bir zamanda belirli bir yerde bulunur. Bununla birlikte, kuantum mekaniği, nesneler bunun yerine bir olasılık sisinde bulunur; A noktasında olma şansları, B noktasında olma şansları da vardır.

Kuantum mekaniği (QM) , klasik mekanik matematiğinin açıklayamadığı deneylerin bir dizi tartışmalı matematiksel açıklaması olarak başlayarak, onlarca yıl boyunca gelişti. 20. yüzyılın başında, Albert Einstein‘ın görelilik teorisini , şeylerin yüksek hızlarda hareketini tanımlayan ayrı bir matematiksel devrim olan görelilik teorisini yayınlamasıyla başladı . Bununla birlikte, göreliliğin aksine, Kuantum mekaniği kökenleri herhangi bir bilim adamına atfedilemez. Daha ziyade, birden fazla bilim adamı, 1900 ve 1930 arasında giderek kabul gören ve deneysel olarak onaylanan üç devrimci ilkenin temeline katkıda bulundu.

Nicemlenmiş özellikler : Konum, hız ve renk gibi belirli özellikler bazen sayıdan sayıya “tıklayan” bir kadran gibi yalnızca belirli, ayarlanmış miktarlarda ortaya çıkabilir. Bu, klasik mekaniğin temel bir varsayımına meydan okudu; bu, bu özelliklerin pürüzsüz, sürekli bir spektrumda var olması gerektiğini söyledi. Bazı özelliklerin belirli ayarlara sahip bir kadran gibi “tıkladığı” fikrini tanımlamak için bilim adamları “nicelleştirildi” sözcüğünü kullandılar.

Işık parçacıkları : Işık bazen bir parçacık gibi davranabilir. Bu, başlangıçta ışığın bir dalga gibi davrandığını gösteren 200 yıllık deneylere aykırı olduğu için sert eleştirilerle karşılandı; sakin bir gölün yüzeyinde dalgalanmalar gibi. Işık benzer şekilde davranır, duvarlardan seker ve köşelerde bükülür ve dalganın tepeleri ve olukları toplanabilir veya iptal edilebilir. Eklenen dalga tepeleri daha parlak ışığa neden olurken, iptal edilen dalgalar karanlık üretir. Bir ışık kaynağı , bir gölün ortasına ritmik olarak batırılmış bir çubuk üzerindeki bir top olarak düşünülebilir . Yayılan renk, topun ritminin hızı ile belirlenen armalar arasındaki mesafeye karşılık gelir.

Maddenin dalgaları : Madde aynı zamanda bir dalga gibi davranabilir. Bu, maddenin (elektronlar gibi) parçacıklar olarak var olduğunu gösteren yaklaşık 30 yıllık deneylere ters düşmüştür.

1900’de Alman fizikçi Max Planck, ampul filamanları gibi kırmızı-sıcak ve beyaz-sıcak nesnelerin parıltısında spektrumdan yayılan renklerin dağılımını açıklamaya çalıştı. Bu dağılımı tanımlamak için türetmiş olduğu denklemin fiziksel anlamını verirken, Planck, sadece belirli renklerin (çok sayıda da olsa) kombinasyonlarının , özellikle de bazı temel değerin tam sayı katları olanların yayıldığını ima etti . Her nasılsa renkler nicelendi! Bu beklenmedik bir şeydi çünkü ışığın bir dalga gibi davrandığı anlaşılıyordu, yani renk değerleri sürekli bir spektrum olmalıdır. Atomları yasaklayan ne olabilir Bu tam sayı katları arasındaki renkleri üretmek? Bu o kadar garip görünüyordu ki Planck nicemlemeyi matematiksel bir numaradan başka bir şey olarak görmedi. Helge Kragh’a göre Physics World dergisindeki 2000 tarihli makalesinde, ” Max Planck, İsteksiz Devrimci ”

Planck’ın denklemi, ileride QM’nin gelecekteki gelişimi için çok önemli olacak bir sayı da içeriyordu; bugün, “Planck Sabiti” olarak biliniyor.

Nicemleme fizikteki diğer gizemleri açıklamaya yardımcı oldu. 1907’de Einstein, aynı miktarda ısıyı malzemeye koyduysanız ancak başlangıç ​​sıcaklığını değiştirdiyseniz, bir katının sıcaklığının neden farklı miktarlarda değiştiğini açıklamak için Planck’ın nicelik hipotezini kullandı.

1800’lerin başından beri, spektroskopi bilimi, farklı elementlerin “spektral çizgiler” adı verilen belirli ışık renklerini yaydığını ve emdiğini göstermiştir. Spektroskopi, uzak yıldızlar gibi nesnelerde bulunan elementleri belirlemek için güvenilir bir yöntem olmasına rağmen, bilim adamları her bir elementin neden bu belirli çizgileri ilk başta verdiğini merak etti . 1888’de Johannes Rydberg, hidrojenin yaydığı spektral çizgileri tanımlayan bir denklem elde etti, ancak kimse denklemin neden çalıştığını açıklayamadı. Bu, Niels Bohr’un Planck’ın nicemleme hipotezini Ernest Rutherford’un 1911 “gezegen” atom modeline uyguladığı zaman değişti. Bu , elektronların çekirdeğin gezegenlerin güneşin yörüngesinde olduğu gibi yörüngesinde olduğunu varsaydı. Physics 2000 (Colorado Üniversitesi’nden bir site) Bohr, elektronların bir atom çekirdeği etrafındaki “özel” yörüngelerle kısıtlandığını öne sürdü. Özel yörüngeler arasında “sıçrayabilirler” ve sıçramanın ürettiği enerji, spektral çizgiler olarak gözlenen belirli ışık renklerine neden olur. Sayısallaştırılmış özellikler sadece bir matematik hilesi olarak icat edilmiş olsa da, o kadar çok açıkladılar ki QM’nin kurucu ilkesi haline geldiler.

1905 yılında Einstein, ışığın bir dalga olarak değil, bir tür “enerji kuantusu” olarak yolculuk etmesini öngördüğü ” Işığın Emisyonu ve Dönüşümü Hakkında Sezgisel Bir Bakış Açısı ” başlıklı bir makale yayınladı . Einstein’ın önerdiği bu enerji paketi, özellikle bir atom, nicelikli titreşim hızları arasında “sıçrarsa” “sadece bir bütün olarak emilebilir veya üretilebilir”. Bu aynı zamanda, birkaç yıl sonra gösterildiği gibi, bir elektronun nicelenmiş yörüngeler arasında “zıplaması” durumunda da geçerlidir. Bu model altında, Einstein’ın “enerji miktarı”, sıçramanın enerji farkını içeriyordu; Planck sabiti ile bölündüğünde, bu enerji farkı, bu miktarların taşıdığı ışığın rengini belirledi.

Işığa göz atmanın bu yeni yolu ile Einstein, Planck’ın bir ampul filamanından yayıldığını tarif ettiği spesifik renkler de dahil olmak üzere dokuz farklı fenomenin davranışı hakkında bilgiler sundu. Ayrıca, belirli ışık renklerinin, “fotoelektrik etki” olarak bilinen bir fenomen olan metal yüzeylerden elektronları nasıl çıkarabileceğini de açıkladı. Ancak Winnipeg Üniversitesi’nde fizik profesörü olan Stephen Klassen, Einstein’ın bu sıçramayı gerçekleştirmede tamamen haklı olmadığını söyledi. 2008 tarihli bir makalede, “Fotoelektrik Etki: Fizik Sınıfının Hikayesini Rehabilitasyon” başlıklı Klassen, Einstein’ın enerji miktarının bu dokuz fenomeni açıklamak için gerekli olmadığını belirtiyor. Bir dalga olarak ışığın bazı matematiksel işlemleri hala Planck’ın bir ampul filamanından yayıldığını tarif ettiği spesifik renkleri ve fotoelektrik etkiyi tanımlayabilir. Gerçekten de Einstein’ın 1921’deki tartışmalı kazanmasında Nobel Ödülü , Nobel komitesi sadece “fotoelektrik etki yasasını keşfettiğini” kabul etti ve bu özellikle enerji kuantusu kavramına dayanmadı.

Einstein’ın gazetesinden yaklaşık yirmi yıl sonra, ” foton ” terimi , bir elektron ışını tarafından dağılan ışığın renk değiştirdiğini gösteren Arthur Compton’un 1923 çalışması sayesinde enerji miktarını tanımlamak için popüler hale getirildi. Bu, ışık parçacıklarının (fotonlar) gerçekten madde parçacıklarıyla (elektronlar) çarpıştığını ve böylece Einstein’ın hipotezini doğruladığını gösterdi. Şimdiye kadar, ışığın hem dalga hem de parçacık olarak davranabileceği ve ışığın “dalga parçacık ikiliği” ni QM’nin temeline yerleştirebileceği açıktı.

1896’da elektronun keşfinden bu yana, tüm maddelerin parçacıklar biçiminde var olduğuna dair kanıtlar yavaş yavaş gelişiyordu. Yine de, ışığın dalga-parçacık ikililiğinin gösterilmesi, bilim insanlarına maddenin sadece parçacık olarak hareket etmekle sınırlı olup olmadığını sorguladı . Belki de dalga-parçacık ikiliği madde için de geçerli olabilir? Bu muhakemeyle önemli ilerleme kaydeden ilk bilim adamı, Louis de Broglie adında bir Fransız fizikçiydi. 1924’te de Broglie, Einstein’ın özel görelilik teorisinin denklemlerini kullandı partiküllerin dalga benzeri özellikler gösterebildiğini ve dalgaların parçacık benzeri özellikler gösterebileceğini göstermek. Daha sonra 1925’te, bağımsız çalışan ve ayrı matematiksel düşünme çizgilerini kullanan iki bilim adamı, de Broglie’nin elektronların atomlarda nasıl dolaştığını açıklamak için uyguladılar ( klasik mekaniğin denklemlerini kullanarak açıklanamayan bir fenomen ). Almanya’da fizikçi Werner Heisenberg (Max Born ve Pascual Jordan ile birlikte) bunu “matris mekaniği” geliştirerek başardı. Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger, “dalga mekaniği” adlı benzer bir teori geliştirdi. Schrödinger 1926’da bu iki yaklaşımın eşdeğer olduğunu gösterdi (İsviçreli fizikçi Wolfgang Pauli yayınlanmamış bir sonuç gönderdi. Ürdün’e, matris mekaniğinin daha eksiksiz olduğunu gösteriyor).

Her bir elektronun Rutherford-Bohr modelinin yerini bir atomun çekirdeği etrafında bir dalga (bazen “bulut” olarak adlandırılır) olarak gördüğü Heisenberg-Schrödinger atom modeli. Yeni modelin şartlarından biri, bir elektron oluşturan dalganın uçlarının buluşması gerektiğiydi. ” Kimyada Kuantum Mekaniği, 3. Baskı.”(WA Benjamin, 1981), Melvin Hanna şöyle yazıyor:” Sınır koşullarının uygulanması enerjiyi ayrık değerlerle sınırlandırdı. ” Atomun Heisenberg-Schrödinger modelinde elektronlar, yörüngelerden ziyade bir “dalga fonksiyonuna” uyuyor ve yörüngelerden “yörüngeler” işgal ediyor Rutherford-Bohr modelinin dairesel yörüngelerinden farklı olarak, atomik yörüngelerin kürelerden çeşitli şekilleri var papatyalar için dambıl.

1927’de Walter Heitler ve Fritz London ayrıca atomik orbitallerin moleküler orbitalleri oluşturmak için nasıl birleşebileceğini göstermek için atomların neden moleküller oluşturmak için birbirlerine bağlandığını etkili bir şekilde gösteren dalga mekaniği geliştirdi . Bu, klasik mekaniğin matematiği kullanılarak çözülemeyen başka bir sorundu. Bu anlayış “kuantum kimyası” alanına yol açtı.

Ayrıca 1927’de Heisenberg kuantum fiziğine büyük bir katkı daha yaptı. Maddenin dalgalar gibi davrandığından, elektronun konumu ve hızı gibi bazı özelliklerin “tamamlayıcı” olduğunu, yani her bir özelliğin hassasiyetinin ne kadar iyi bilinebileceğinin (Planck sabitiyle ilgili) bir sınırı olduğu anlamına geldi. “Heisenberg’in belirsizlik ilkesi ” olarak adlandırılacak şeye göre, bir elektronun pozisyonu ne kadar kesin olarak biliniyorsa, hızı o kadar kesin olarak bilinir ve bunun tersi de geçerlidir. Bu belirsizlik ilkesi günlük boyutlu nesneler için de geçerlidir, ancak fark edilmez çünkü hassasiyet eksikliği olağanüstü küçüktür. Morningside College’dan (Sioux City, IA) Dave Slaven’a göre, eğer bir beyzbol , topun konumunu bilmek mümkün olan maksimum hassasiyet 0.000000000000000000000000000008 milimetredir.

Nicemleme ilkeleri, dalga-parçacık ikiliği ve belirsizlik ilkesi, QM için yeni bir çağ başlattı. 1927’de Paul Dirac, parçacıkları (fotonlar ve elektronlar gibi) altta yatan bir fiziksel alanın heyecanlı durumları olarak tedavi eden “kuantum alan teorisi” (QFT) çalışmasına yol açmak için elektrik ve manyetik alanların kuantum anlayışını uyguladı. QFT’de çalışma, bilim adamları barikata çarpana kadar on yıl boyunca devam etti: QFT’deki birçok denklem, sonsuzluk sonuçları ürettikleri için fiziksel anlam vermeyi bıraktı. On yıllık bir durgunluktan sonra, Hans Bethe 1947’de “renormalizasyon” adlı bir teknik kullanarak bir atılım yaptı. Burada Bethe, iki fenomenle (özellikle “elektron öz enerjisi” ve “vakum polarizasyonu” ile ilgili tüm sonsuz sonuçların

Renormalizasyonun başlangıcından bu yana, QFT doğanın dört temel kuvveti hakkında kuantum teorileri geliştirmenin temelini oluşturmuştur: 1) elektromanyetizma, 2) zayıf nükleer kuvvet, 3) güçlü nükleer kuvvet ve 4) yerçekimi. QFT tarafından sağlanan ilk içgörü, “kuantum elektrodinamiği” (QED) aracılığıyla elektromanyetizmanın kuantum açıklamasıydı ve 1940’ların sonlarında ve 1950’lerin başında atılımlar yaptı. Daha sonra, 1960’larda “elektrokeak teorisi” (EWT) oluşturmak için elektromanyetizma ile birleştirilen zayıf nükleer kuvvetin kuantum açıklaması vardı. Sonunda, 1960’larda ve 1970’lerde “kuantum kromodinamiği” (QCD) kullanarak güçlü nükleer kuvvetin kuantum tedavisi geldi. QED, EWT ve QCD teorileri birlikte Standart Modelin temelini oluşturur parçacık fiziği. Ne yazık ki, QFT henüz bir kuantum yerçekimi teorisi üretmedi. Bu arayış bugün sicim teorisi ve döngü kuantum yerçekimi çalışmalarında devam ediyor.