Kvanttifysiikka

Kvanttifysiikan sisältää kaikki ilmiöt ja vaikutukset, jotka perustuvat tiettyjen muuttujien , mutta ei voi ottaa mitään arvoa, vain kiinteitä, diskreetti arvot (katso kvantisointi ). Tämä sisältää myös aalto-hiukkasten dualismin , fysikaalisten prosessien epävarmuuden ja niiden väistämättömän vaikutuksen havainnoinnin kautta. Kvanttifysiikan sisältää kaikki havainnot, teorioita , malleja ja käsitteitä quantum theory of Max Planck laskuun. Planckin hypoteesi oli tullut tarpeelliseksi noin vuonna 1900, koska klassinen fysiikka mm. B. oli saavuttanut rajansa kuvattaessa valoa tai rakennetta asiasta .

Erot kvanttifysiikan ja klassisen fysiikan välillä ovat erityisen ilmeisiä mikroskooppisessa (esim. Atomien ja molekyylien rakenteessa ) tai erityisen "puhtaissa" järjestelmissä (esim. Suprajohtavuus ja lasersäteily ). Mutta jopa jokapäiväiset asiat, kuten eri aineiden kemialliset tai fysikaaliset ominaisuudet ( väri , ferromagnetismi , sähkönjohtavuus jne.), Voidaan ymmärtää vain kvanttifysiikan avulla.

Teoreettinen kvanttifysiikan sisältää kvanttimekaniikka ja Kvanttikenttäteoria . Ensimmäinen kuvaa kvanttiobjektien käyttäytymistä kenttien vaikutuksen alaisena . Jälkimmäinen kohtelee kenttiä myös kvanttiobjekteina. Kummankin teorian ennusteet sopivat erittäin hyvin kokeiden tuloksiin.

Tärkeä avoin kysymys on suhde yleiseen suhteellisuusteoriaan . Huolimatta suurista pyrkimyksistä kohti yhtenäistä teoriaa , näitä 1900 -luvun suuria fyysisiä teorioita ei voitu vielä tiivistää kvanttipainovoiman teoriaan .

Kvanttifysiikan teorioita

Varhaiset kvanttiteoriat

Jo ennen kvanttimekaniikan kehittymistä tehtiin löytöjä, jotka väittävät tiettyjen määrien kvantisoinnin ja joskus perustelevat sen aaltohiukkasten kaksinaisuudella, mutta eivät salli syvempää näkemystä taustalla olevista mekanismeista. Erityisesti nämä teoriat eivät ole ennustaneet aihepiiriään. In Englanti käyttö , nämä esiasteita kvanttimekaniikan kutsutaan vanhoja quantum theory .

Vuonna 1900 Max Planck kehittämä kaavan kuvaamaan mitattu taajuus jakautuminen säteilyn emittoiman jonka mustan kappaleen , Planckin lain säteilyn , joka perustuu oletukseen, että mustan kappaleen koostuu oskillaattorit , jossa on erilliset energian tasoilla . Planck piti tätä energian kvantifiointia aineen ominaisuutena eikä valona itsessään.Valoon vaikutti vain sikäli kuin valo hänen mallissaan pystyi vaihtamaan energiaa vain aineen kanssa tietyissä osissa, koska vain tietyt energiatasot ovat mahdollisia aineessa. Näin tehdessään hän löysi yhteyden energiaosan ja valon taajuuden välillä . ${\ displaystyle \ Delta E}$${\ displaystyle \ nu}$${\ displaystyle \ Delta E = h \ nu}$

Albert Einstein laajensi näitä käsitteitä ja ehdotti vuonna 1905 itse valon energian kvantisointia valosähköisen vaikutuksen selittämiseksi. Valosähköisen vaikutus syntyy siitä, että otetaan huomioon tietyt värit voivat vapauttaa elektroneja päässä metallipinnoille . Valonsäde voi toimittaa vain saman määrän energiaa kullekin yksittäiselle elektronille, mikä on myös verrannollinen taajuuteen, joka on valon ominaisuus. Tästä Einstein teki johtopäätöksen, että energiatasot eivät vain kvantisoidu aineessa, vaan että valo koostuu myös vain tietyistä energiaosista, valokvantteista . Tämä käsite ei ole yhteensopiva valon puhtaan aallon kanssa. Joten oli oletettava, että valo ei ole klassinen aalto eikä klassinen hiukkasvirta, vaan käyttäytyy joskus tällä tavalla, joskus tällä tavalla.

Vuonna 1913, Niels Bohrin käytetty käsite kvantisoitujen energian tasoilla selittää spektriviivoja vetyatomi . Hänen nimensä saavan atomin Bohr -malli olettaa, että vetyatomin elektroni pyörii ytimen ympärillä tietyn energian avulla . Elektronia pidetään edelleen klassisena hiukkasena sillä ainoalla rajoituksella, että sillä voi olla vain tiettyjä energioita, ja toisin kuin klassinen elektrodynamiikka , kun se kiertää ytimen tällaisella energialla, se ei luo sähkömagneettista aaltoa eli se ei säteile mitään energiaa. Bohrin käyttämät oletukset vahvistettiin kokeellisesti Franck-Hertzin kokeessa vuonna 1914. Bohrin atomimallia laajennettiin sisällyttämään siihen joitain käsitteitä, kuten elektronin elliptiset kiertoradat, erityisesti Arnold Sommerfeld , jotta voitaisiin selittää muiden spektrit atomit. Tätä tavoitetta ei kuitenkaan ole saavutettu tyydyttävästi. Lisäksi Bohr ei voinut perustella väitteitään paitsi, että vedysspektri voitaisiin selittää sillä; hänen mallinsa ei johtanut syvempään näkemykseen.

Vuonna 1924 Louis de Broglie julkaisi teoriansa aineaalloista , jonka mukaan millä tahansa aineella voi olla aalto -luonne ja päinvastoin, aalloilla voi olla myös hiukkasluonne. Hänen teoriansa avulla valosähköinen vaikutus ja Bohrin atomimalli voitaisiin jäljittää yhteiseen alkuperään. Atomiytimen ympärillä olevan elektronin kiertoradat ymmärrettiin aineen seisovina aaltoina . Bohrin mallin mukaan laskettu elektronin aallonpituus ja kiertoratojen pituudet sopivat hyvin tähän konseptiin. Muiden atomispektrien selitys ei kuitenkaan ollut vielä mahdollista.

De Broglien teoria vahvistettiin kolme vuotta myöhemmin kahdessa itsenäisessä kokeessa, jotka osoittivat elektronien diffraktion . British fyysikko George Paget Thomson johti elektronisuihkun läpi ohut metallikalvo ja havaittu ennusti de Broglie interferenssikuvion . Jo 1921, samankaltainen koe, jonka Clinton Davisson'in ja Charles Kunsman on Bell Labs oli esitetty diffraktiokuvioita käytettäessä elektronisuihku heijastuu mukaan nikkeliä , mutta niitä ei ole vielä tulkittaisiin häiriöiksi. Davisson ja hänen avustajansa Lester Germer toistivat kokeen vuonna 1927 ja selittivät selkeät diffraktiokuviot, jotka havaittiin de Broglien aaltoteorian avulla.

Kvanttimekaniikka

Moderni kvanttimekaniikka alkoi vuonna 1925 kanssa muotoilussa matriisin mekaniikka vuoteen Werner Heisenberg , Max Born ja Pascual Jordan . Muutamaa kuukautta myöhemmin Erwin Schrödinger kehitti aaltomekaniikkaa ja Schrödingerin yhtälön käyttäen täysin erilaista lähestymistapaa - De Broglien aineaaltojen teorian perusteella . Pian sen jälkeen Schrödinger pystyi osoittamaan, että hänen lähestymistapansa vastaa matriisimekaniikkaa.

Uudet lähestymistavat Schrödinger ja Heisenberg sisältävät uutta näkemystä havaittavissa fysikaalisia suureita, niin sanottu havaittavuutta . Näitä oli aiemmin pidetty suuruuksina, joilla on tietyt numeeriset arvot järjestelmän jokaisessa tilassa, kuten (yhden ulottuvuuden hiukkaselle ) vastaava sijainti tai vauhti . Toisaalta Heisenberg ja Schrödinger yrittivät laajentaa havaittavaa termiä siten, että se olisi yhteensopiva kaksoisraon diffraktion kanssa . Jos lisämittaus määrittää, minkä raoista se lentää kullekin hiukkaselle , kaksoisrakohäiriökuviota ei saada, vaan kaksi yksittäistä rakokaaviota. Tämän mittauksen lopussa havaitun hiukkasen tila on erilainen kuin ennen. Havaittavat ymmärretään siis muodollisesti funktioina, jotka muuttavat yhden tilan toiseksi. Lisäksi jokaisen hiukkasen täytyy "jotenkin" lentää molempien rakojen läpi, jotta häiriökuvio voidaan selittää ollenkaan. Molemmat mahdollisuudet on liitettävä jokaisen (!) Hiukkasen tilaan lennon aikana, jolloin tarkka havainto toteutuu. Tämän seurauksena hiukkasen tilaa ei voida enää määrittää yksiselitteisillä arvoilla, kuten sijainnilla ja vauhdilla, vaan se on erotettava havaittavista ja niiden arvoista. Mittausprosessin aikana tila muutetaan yhdeksi niin sanotuista havaittavien ominaistiloista, joille on nyt määritetty selkeä todellinen mittausarvo . Tämä käsite kvanttimekaanisesta tilasta ei siis ole yhteensopiva vanhemman kvanttiteorian (matemaattisesti tarkan) liikeradan käsitteen kanssa . Matemaattisesti kvanttimekaanista tilaa edustaa aaltofunktio tai (vähemmän selkeästi) tilavektori .

Seuraus tästä uudesta havaittavien käsitteestä on se, että muodollisesti ei ole mahdollista antaa kahden havaittavissa olevan vaikuttaa tilaan määrittämättä sekvenssiä. Jos kahden mittausprosessin järjestys ei ole tärkeä (esim. X- ja y -koordinaattien mittaus), niitä kutsutaan keskenään vaihdettaviksi. Muussa tapauksessa (esim. X-koordinaatin ja x-pulssin mittaus) niiden järjestys on määritettävä, ja juuri näissä tapauksissa toinen mittaus muuttaa ensimmäisen mittauksen tuottaman tilan vielä kerran. Ensimmäisen mittauksen myöhemmällä toistolla olisi näin ollen myös erilainen tulos. Siksi on mahdollista, että kaksi havaittavaa, jos ne vaikuttavat tilaan eri järjestyksessä, voivat tuottaa erilaisia ​​lopputiloja. Jos mittauksen järjestys on ratkaiseva kahdelle havaittavalle, koska lopulliset tilat ovat muuten erilaiset, tämä johtaa niin sanottuun epävarmuussuhteeseen . Heisenberg kuvaili sijaintia ja impulssia ensimmäisen kerran vuonna 1927. Nämä suhteet yrittävät kuvata kvantitatiivisesti mitattujen arvojen hajontaa havaittavien vaihdettaessa ja siten eroa lopullisissa tiloissa.

Vuonna 1927 Bohr ja Heisenberg muotoilivat Kööpenhaminan tulkinnan , joka tunnetaan myös nimellä ortodoksinen tulkinta kvanttimekaniikasta. Se perustui Max Bornin ehdotukseen, että aaltofunktion absoluuttisen arvon neliö , joka kuvaa järjestelmän tilaa, tulisi ymmärtää todennäköisyystiheytenä . Tähän päivään asti Kööpenhaminan tulkinta on kvanttimekaniikan tulkinta, jota useimmat fyysikot ovat kannattaneet, vaikka nyt on olemassa lukuisia muita tulkintoja.

Noin vuosina 1927 Paul Dirac yhdisti kvanttimekaniikan erityiseen suhteellisuusteoriaan . Hän esitteli myös operaattoriteorian käytön, mukaan lukien Bra-Ket- merkintä , ensimmäistä kertaa ja kuvasi tämän matemaattisen laskelman monografiassa vuonna 1930 . Samaan aikaan John von Neumann muotoili tiukan matemaattisen perustan kvanttimekaniikalle, kuten B. teorian lineaarinen operaattoreiden on Hilbertin avaruus , jossa hän kuvasi monografian vuonna 1932.

Termin kvanttifysiikka käyttö dokumentoitiin ensimmäisen kerran vuonna 1929 Max Planckin luennossa The World View of New Physics . Tässä kehitysvaiheessa laaditut tulokset ovat edelleen voimassa, ja niitä käytetään yleensä kuvaamaan kvanttimekaanisia tehtäviä.

Kvanttikentän teoria

Vuodesta 1927 lähtien kvanttimekaniikkaa yritettiin soveltaa hiukkasten lisäksi myös kenttiin , joista kvanttikenttäteoriat syntyivät. Ensimmäiset tulokset tällä alalla saivat Paul Dirac, Wolfgang Pauli , Victor Weisskopf ja Pascual Jordan . Jotta aaltoja, hiukkasia ja kenttiä voitaisiin kuvata yhtenäisesti, ne ymmärretään kvanttikentiksi, samankaltaisiksi kohteiksi kuin havaittavissa olevat. Niiden ei kuitenkaan tarvitse täyttää todellista arvoa omaisuutta . Tämä tarkoittaa, että kvanttikentät eivät välttämättä edusta mitattavia määriä. Ongelma syntyi kuitenkin siitä, että kvanttikenttien monimutkaisten sirontaprosessien laskeminen antoi loputtomia tuloksia. Yksinkertaisten prosessien laskeminen tuottaa kuitenkin usein tuloksia, jotka poikkeavat merkittävästi mitatuista arvoista.

Vasta 1940 -luvun lopulla äärettömyyden ongelma voitiin kiertää renormalisoimalla . Tämä mahdollisti muotoilussa Kvanttisähködynamiikka vuoteen Richard Feynman , Freeman Dyson , Julian Schwinger ja Shin'ichirō Tomonaga . Kvanttelektrodynamiikka kuvaa elektronit , positronit ja sähkömagneettisen kentän johdonmukaisesti ensimmäistä kertaa, ja sen ennustamat mittaustulokset voidaan vahvistaa erittäin tarkasti. Tässä kehitettyjä käsitteitä ja menetelmiä käytettiin malleina myöhemmin kehitetyille kvanttikenttäteorioille.

Teorian Kvanttikromodynamiikka on selvittänyt 1960-luvun alussa. Nykyään tunnetun teorian muodon muotoilivat vuonna 1975 David Politzer , David Gross ja Frank Wilczek . Pohjalta uraauurtavaa työtä Julian Seymour Schwinger , Peter Higgs , Jeffrey Goldstone ja Sheldon Glashow , Steven Weinberg ja Abdus Salam pystyivät itsenäisesti kuinka heikko ydinvoimalla ja Kvanttisähködynamiikka voidaan yhdistää teorian sähköheikko vuorovaikutus .

Tähän päivään asti kvanttikenttäteoria on aktiivinen tutkimusalue, joka on kehittänyt monia uusia menetelmiä. Se on perusta kaikille yrityksille muodostaa yhtenäinen teoria kaikista perusvoimista . Erityisesti supersymmetria , merkkijonoteoria , silmukan kvanttipainovoima ja twistor -teoria perustuvat suurelta osin kvanttikenttäteorian menetelmiin ja käsitteisiin.

Katsaus tutkimushistoriaan

Seuraava luettelo ei väitä olevan täydellinen.

kirjallisuus

• Jürgen Audretsch: Entangled World-Fascination of the Quanta , Wiley-VCH-Verlag GmbH, Weinheim 2002, ISBN 3-527-40318-3 .
• Marcelo Alonso, Edward J.Finn: Kvanttifysiikka ja tilastollinen fysiikka . Viides, muuttumaton painos. München: Oldenbourg Wissenschaftsverlag 2012, ISBN 978-3-486-71340-4
• Stephen Gasiorowicz: Kvanttifysiikka . 9. painos 2005. ISBN 978-3-486-27489-9
• Silvia Arroyo Camejo : Omituinen kvanttimaailma . 3. painos 2011. ISBN 978-3-596-17489-8
• Anton Zeilinger : Einsteinin aave . 2007, Goldmann. ISBN 978-3-442-15435-7
• Claus Kiefer : kvanttiteoria . 2. painos 2012, Fischer Compact. ISBN 978-3-596-19035-5
• Thomas Walther , Herbert Walther : Mikä on valo? 3. painos 2010, CH Beck. ISBN 978-3-406-44722-8 .
• John Polkinghorne : Kvanttiteoria. 3. painos 2019, Reclam. ISBN 978-3-15-018861-3 .

nettilinkit

Wikisanakirja: kvanttifysiikka  - merkitysten selitykset, sanojen alkuperä, synonyymit, käännökset

• Esimerkkejä vapaasti saatavilla olevista kvanttifysiikan kursseista Internetissä
• SWR 2 Impulse -lähetys kvanttimekaniikassa (47,9 Mt, varsinainen lähetys alkaa vasta noin 2 minuutin kuluttua; MP3)
• Kokeita kvanttifysiikassa: kvanttien sotkeutuminen, kvanttisatunnaisuus, kvanttisalaus
• Lähteet kvanttifysiikan historialle American Philosophical Society
• Archivos históricos de la mecánica quántica (laaja kokoelma historiallisia tekstejä kvanttimekaniikasta)

Yksilöllisiä todisteita

1. ↑ M. Planck: Teoriasta energian jakautumislaista tavallisella spektrillä , neuvottelut Saksan fyysisestä yhteiskunnasta 2 (1900) nro 17, s. 237–245, Berliini (esitetty 14. joulukuuta 1900).
2. ↑ A. Einstein: Heuristisesta näkökulmasta, joka liittyy valon syntymiseen ja muutokseen , Annalen der Physik 17 (1905), s. 132-148. ( PDF ).
3. ↑ L. de Broglie: Recherches sur la théorie des Quanta , väitöskirja. Englanninkielinen käännös (käännös AF Kracklauer): Ann. de Phys., 10e -sarja, t. III, (1925).
4. ^ GP Thomson: The Thiffraction of Cathode Rays by Thin Films of Platinum. Nature 120: 802 (1927).
5. ↑ C. Davisson, CH Kunsman: NICKEL : ELECTRONS SCATTERING In: Science Vuosikerta 54 s.1104
6. ↑ C. Davisson ja LH Germer: Diffraction of Electrones by a Crystal of Nickel In: Phys. Rev. 30, nro 6, 1927, doi : 10.1103 / PhysRev.30.705 .
7. ^ W. Heisenberg: Kineettisten ja mekaanisten suhteiden kvanttiteoreettisesta tulkinnasta Zeitschrift für Physik 33 (1925), s. 879-893.
8. ↑ M.Born , P.Jordania : Zur Quantenmechanik , Zeitschrift für Physik 34 (1925), 858
9. ^ M.Born , W.Heisenberg , P.Jordania : Zur Quantenmechanik II , Zeitschrift für Physik 35 (1926), 557.
10. ↑ E. Schrödinger: Kvantisointi ominaisarvoon liittyvänä ongelmana I , Annalen der Physik 79 (1926), 361–376. E. Schrödinger: Kvantisointi ominaisarvoon liittyvänä ongelmana II , Annalen der Physik 79 (1926), 489-527. E. Schrödinger: Kvantisointi ominaisarvo -ongelmana III , Annalen der Physik 80 (1926), 734–756. Schrödinger: Kvantisointi ominaisarvo-ongelmana IV , Annalen der Physik 81 (1926), 109-139.
11. ↑ E.Schrödinger: Heisenberg-Born-Jordanin kvanttimekaniikan ja minun välisestä suhteesta , Annalen der Physik 79 (1926), 734-756.
12. ↑ PAM Dirac: "Principles of Quantum Mechanics" , Oxford University Press, 1958, neljäs. toim., ISBN 0-19-851208-2 .
13. ↑ John von Neumann: "Kvanttimekaniikan matemaattiset perusteet" , Springer Berlin, 1996, 2. painos. Engl. (Valtuutettu) painos (käännetty R. T Beyer): ”Matemaattinen Foundations of Quantum Mechanics” , Princeton Univ. Lehdistö, 1955 (siellä s. 28 neliömetriä)
14. ↑ M. Planck, Das Weltbild der neue Physik , kuukausikirjat matematiikalle, Springer, Wien, Vuosikerta 36 (1929), s. 387-410. Ote google -kirjoista .
15. ^ Richard Feynman: QED. Valon ja aineen outo teoria 1987, ISBN 3-492-21562-9-  Helposti ymmärrettävä johdanto kvanttelektrodynamiikkaan .
16. ↑ Lähteet ja lisätiedot löydät linkitetyistä pääartikkeleista.
17. ↑ Friedrich Hund, tunnelitehoste ja tähtien loistaminen Deutschlandfunk -lähetyksessä 4. helmikuuta 2016.

	Tämä artikkeli on saatavilla äänitiedostona:
	Kvanttifysiikka  | 21:32 (20,0 Mt) Puhutun tekstin teksti (2021-05-21)
	Lisätietoja puhutusta Wikipediasta