क्वांटम यांत्रिकी: एक परिचय

आपने शायद सुना होगा कि क्वांटम भौतिकी अजीब और अजीब है और आप उन भौतिकी के नियमों का पालन नहीं करते हैं जिनके आप अभ्यस्त हैं। यह निश्चित रूप से काफी हद तक सच है। एक कारण है कि भौतिकविदों को एक नया सिद्धांत विकसित करना पड़ा और यह समझाने के लिए पुराने पर निर्भर नहीं होना चाहिए कि बेहद छोटे की दुनिया में क्या होता है।

क्वांटम यांत्रिकी के इस परिचय में आप सीखेंगे कि वैज्ञानिक क्वांटम व्यवहार और क्वांटम घटना के साथ-साथ ये विचार कहाँ से आए हैं।

क्वांटम दुनिया में वास्तव में बहुत अजीबता है। क्वांटम यांत्रिकी भौतिकी की वह शाखा है जो उस विचित्रता को समझाने का प्रयास करती है और एक ऐसा ढांचा प्रदान करती है जो प्रेक्षित घटनाओं की भविष्यवाणियों और स्पष्टीकरण की अनुमति देता है।

क्वांटम यांत्रिकी के मौलिक पहलुओं में परिमाणीकरण की धारणा शामिल है। यानी किसी चीज की सबसे छोटी इकाई मौजूद होती है जिसे आगे तोड़ा नहीं जा सकता। ऊर्जा को परिमाणित किया जाता है, जिसका अर्थ है कि यह असतत इकाइयों में आता है।

परिमाणित इकाइयों का आकार आमतौर पर. के रूप में लिखा जाता है प्लैंक स्थिरांक, ​एच​ = 6.62607004 × 10^-34 म²किग्रा/से.

क्वांटम यांत्रिकी का एक अन्य पहलू यह धारणा है कि सभी कणों में वास्तव में कण-तरंग द्वैत होता है, जिसका अर्थ है कि वे कभी-कभी कणों के रूप में कार्य करते हैं और दूसरी बार तरंगों के रूप में कार्य करते हैं। वास्तव में, उन्हें एक तथाकथित तरंग फ़ंक्शन द्वारा वर्णित किया गया है।

क्वांटम अजीबता में यह धारणा शामिल है कि कोई कण तरंग की तरह काम कर रहा है या नहीं, यह इस बात पर निर्भर करता है कि आप इसे देखने के तरीके पर निर्भर हैं। इसके अलावा, एक कण के कुछ गुण - जैसे कि इसके स्पिन का उन्मुखीकरण - तब तक एक अच्छी तरह से परिभाषित मूल्य नहीं लगता जब तक आप उन्हें माप नहीं लेते।

यह सही है, ऐसा नहीं है कि आप माप तक नहीं जानते हैं, लेकिन वास्तविक विशिष्ट मूल्य माप तक मौजूद नहीं है।

क्वांटम यांत्रिकी को शास्त्रीय भौतिकी से तुलना करके सबसे अच्छी तरह से समझा जा सकता है, जो कि रोजमर्रा की वस्तुओं की भौतिकी है जिससे आप अधिक परिचित हैं।

पहला बड़ा अंतर यह है कि प्रत्येक शाखा किस क्षेत्र पर लागू होती है। शास्त्रीय भौतिकी रोजमर्रा के आकार की वस्तुओं पर बहुत अच्छी तरह से लागू होती है, जैसे कि फेंकी गई गेंद। क्वांटम यांत्रिकी उन वस्तुओं पर लागू होती है जो बहुत छोटी होती हैं, जैसे कि प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन आदि।

शास्त्रीय भौतिकी में, कणों और वस्तुओं की किसी भी समय में एक अलग स्थिति और गति होती है, और दोनों को हमेशा सटीक रूप से जाना जा सकता है। क्वांटम यांत्रिकी में, आप किसी वस्तु की स्थिति को जितना अधिक सटीक रूप से जानते हैं, उतनी ही सटीक रूप से आप उसकी गति को जानते हैं। कणों में हमेशा अच्छी तरह से परिभाषित स्थिति और गति नहीं होती है। इसे हाइजेनबर्ग अनिश्चितता सिद्धांत कहा जाता है।

शास्त्रीय भौतिकी मानती है कि किसी चीज के ऊर्जा मूल्य निरंतर हो सकते हैं। क्वांटम यांत्रिकी में, हालांकि, असतत विखंडू में ऊर्जा मौजूद है। उदाहरण के लिए, परमाणुओं में इलेक्ट्रॉन जैसे उप-परमाणु कण, केवल अलग-अलग ऊर्जा स्तरों पर कब्जा कर सकते हैं और बीच में कोई मान नहीं।

कार्य-कारण कैसे काम करता है यह भी अलग है। शास्त्रीय भौतिकी पूरी तरह से कारणात्मक है, जिसका अर्थ है कि प्रारंभिक अवस्थाओं का ज्ञान आपको भविष्यवाणी करने की अनुमति देता है कि वास्तव में क्या होगा।

क्वांटम यांत्रिकी में कार्य-कारण का एक अलग संस्करण है। कणों का वर्णन क्वांटम मैकेनिकल द्वारा किया जाता है तरंग क्रिया, जो मापा जाने पर यह क्या कर सकता है, इसकी सापेक्ष संभावनाएं देता है। वह तरंग कार्य भौतिकी के कुछ नियमों का पालन करता है कि यह समय में "विकसित" कैसे होता है और आपको अनुमानित "संभाव्यता बादल" देता है जो माप दे सकता है।

कई प्रसिद्ध वैज्ञानिकों ने वर्षों में क्वांटम सिद्धांत में योगदान दिया, और कई ने अपने योगदान के लिए नोबेल पुरस्कार जीते। दरअसल, क्वांटम यांत्रिकी की खोज और विकास क्रांतिकारी था। क्वांटम सिद्धांत की शुरुआत का पता 1800 के दशक में लगाया जा सकता है।

• भौतिक विज्ञानी मैक्स प्लैंक ऊर्जा के परिमाणीकरण द्वारा काले शरीर के विकिरण की घटना की व्याख्या करने में सक्षम थे।
• बाद में, अल्बर्ट आइंस्टीन ने इसकी व्याख्या विकसित की प्रकाश विद्युत प्रभाव प्रकाश को एक तरंग के बजाय एक कण के रूप में मानकर और इसे परिमाणित ऊर्जा मान देकर।
• नील्स बोहर हाइड्रोजन परमाणु पर अपने काम के लिए प्रसिद्ध हैं, जहां वे क्वांटम यांत्रिक सिद्धांतों के संदर्भ में वर्णक्रमीय रेखाओं की व्याख्या करने में सक्षम थे।
• लुई डी ब्रोगली ने यह विचार प्रस्तुत किया कि जो कण काफी छोटे होते हैं - जैसे कि इलेक्ट्रॉन - भी कण-तरंग द्वैत प्रदर्शित करते हैं।
• इरविन श्रोडिंगर ने अपना प्रसिद्ध विकसित किया श्रोडिंगर समीकरण, जो बताता है कि तरंग कार्य समय के साथ कैसे विकसित होते हैं।
• वर्नर हाइजेनबर्ग ने विकसित किया अनिश्चितता का सिद्धांत, जिसने सिद्ध किया कि क्वांटम कण की न तो स्थिति और न ही संवेग निश्चित रूप से जाना जा सकता है।
• पॉल डिराक ने एंटीमैटर के अस्तित्व की भविष्यवाणी की और क्वांटम सिद्धांत के साथ सामान्य सापेक्षता सिद्धांत को समेटने की दिशा में कदम उठाए।
• जॉन बेल बेल के प्रमेय के लिए जाने जाते हैं, जिसने साबित किया कि कोई छिपे हुए चर नहीं थे। (दूसरे शब्दों में, ऐसा नहीं है कि आप क्वांटम कण के बारे में नहीं जानते हैं स्पिन या माप से पहले अन्य संपत्ति, लेकिन वास्तव में माप से पहले इसका एक अच्छी तरह से परिभाषित मूल्य नहीं है।)
• रिचर्ड फेनमैन ने क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स का सिद्धांत विकसित किया।

क्योंकि क्वांटम यांत्रिकी इतनी अजीब और इतनी प्रति-सहज है, विभिन्न वैज्ञानिकों ने इसकी अलग-अलग व्याख्याएं विकसित की हैं। समीकरण जो भविष्यवाणी करते हैं कि क्या होता है एक बात है - हम जानते हैं कि वे काम करते हैं क्योंकि वे संगत हैं अवलोकन - लेकिन यह समझना कि उनका वास्तव में क्या मतलब है, एक अधिक दार्शनिक मामला है और यह बहुत कुछ के अधीन है बहस।

आइंस्टीन ने चार गुणों के आधार पर विभिन्न व्याख्याओं की विशेषता बताई:

• यथार्थवाद, जो इस बात से संबंधित है कि क्या गुण वास्तव में माप से पहले मौजूद हैं।
• पूर्णता, जो यह बताती है कि वर्तमान क्वांटम सिद्धांत पूर्ण है या नहीं।
• स्थानीय यथार्थवाद, यथार्थवाद की एक उपश्रेणी जो इस बात से संबंधित है कि क्या यथार्थवाद स्थानीय, तात्कालिक स्तर पर मौजूद है।
• नियतत्ववाद, जो इस बात से संबंधित है कि क्वांटम यांत्रिकी को कितनी अच्छी तरह नियतात्मक माना जाता है।

क्वांटम यांत्रिकी की मानक व्याख्या कोपेनहेगन व्याख्या कहा जाता है। इसे 1927 में कोपेनहेगन में रहते हुए बोहर और हाइजेनबर्ग द्वारा तैयार किया गया था। संक्षेप में, इस व्याख्या में कहा गया है कि क्वांटम कण जो कुछ भी है और इसके बारे में जो कुछ भी जाना जा सकता है वह तरंग फ़ंक्शन द्वारा वर्णित है। दूसरे शब्दों में, क्वांटम यांत्रिकी की सभी अजीबता वास्तव में अजीब है और वास्तव में चीजें ऐसी ही हैं।

देखने का एक वैकल्पिक दृष्टिकोण कई दुनिया की व्याख्या है, जो क्वांटम के संभाव्य परिणामों को दूर करता है यह कहते हुए अवलोकन कि सभी संभावित परिणाम वास्तव में होते हैं, लेकिन विभिन्न दुनिया में जो हमारे वर्तमान की शाखाएं हैं वास्तविकता।

छिपे हुए चर सिद्धांत बताते हैं कि क्वांटम दुनिया के लिए और भी बहुत कुछ है जो हमें भविष्यवाणियां करने की अनुमति देगा कि संभावनाओं पर आधारित नहीं हैं, लेकिन हमें कुछ छिपे हुए चरों को उजागर करने की आवश्यकता है जो हमें ये भविष्यवाणियां देंगे। दूसरे शब्दों में, क्वांटम यांत्रिकी पूर्ण नहीं है। हालांकि, बेल के प्रमेय ने साबित कर दिया कि स्थानीय स्तर पर छिपे हुए चर मौजूद नहीं हैं।

डी ब्रोगली-बोहम सिद्धांत, जिसे पायलट वेव थ्योरी के रूप में भी जाना जाता है, एक वैश्विक दृष्टिकोण के साथ छिपे हुए चर की धारणा को संबोधित करता है जो बेल के प्रमेय के विपरीत नहीं है।

आश्चर्यजनक रूप से, कई अन्य व्याख्याएं मौजूद हैं क्योंकि वैज्ञानिकों को क्वांटम दुनिया की वास्तव में विचित्र प्रकृति को समझने और समझने के लिए एक सदी से अधिक समय लगा है।

कई प्रसिद्ध प्रयोग इस तरह से किए गए हैं कि दोनों ने क्वांटम सिद्धांत के विभिन्न पहलुओं को जन्म दिया और साबित किया।

एक बहुत प्रसिद्ध प्रयोग ईपीआर प्रयोग है, जिसका नाम वैज्ञानिकों आइंस्टीन, पोडॉल्स्की और रोसेन के नाम पर रखा गया है। यह प्रयोग क्वांटम सिस्टम में उलझाव के विचार से निपटता है। दो इलेक्ट्रॉनों पर विचार करें, जिनमें से दोनों में स्पिन नामक एक संपत्ति है। उनका स्पिन, जब मापा जाता है, या तो ऊपर की स्थिति में होता है या नीचे की स्थिति में।

एक इलेक्ट्रॉन के स्पिन को मापते समय, उसके ऊपर होने की 50 प्रतिशत और नीचे होने की 50 प्रतिशत संभावना होती है। प्रति क्वांटम यांत्रिकी परिणामों की भविष्यवाणी पहले से नहीं की जा सकती है। इस प्रयोग में, हालांकि, दो इलेक्ट्रॉन इस तरह उलझे हुए हैं कि उनका संयुक्त स्पिन 0 है। हालाँकि, क्वांटम यांत्रिकी के अनुसार, हम अभी भी यह नहीं जान सकते हैं कि कौन सा स्पिन अप है और कौन सा स्पिन डाउन है, और वास्तव में दोनों में से कोई भी स्थिति में नहीं है और इसके बजाय दोनों के "सुपरपोजिशन" में कहा जाता है राज्यों।

इन दो उलझे हुए इलेक्ट्रॉनों को विपरीत दिशाओं में अलग-अलग उपकरणों पर भेजा जाता है जो एक साथ उनके स्पिन को मापेंगे। वे माप के दौरान काफी दूर हैं कि किसी भी इलेक्ट्रॉन के पास दूसरे को कुछ अदृश्य "सिग्नल" भेजने का समय नहीं है ताकि यह पता चल सके कि इसके स्पिन को किस रूप में मापा जाता है। और फिर भी, जब माप होता है, तो दोनों को विपरीत स्पिन होने के लिए मापा जाता है।

शोडिंगर की बिल्ली एक प्रसिद्ध विचार प्रयोग है, जिसका उद्देश्य क्वांटम व्यवहार की विचित्रता को स्पष्ट करना और उसे प्रस्तुत करना है माप से वास्तव में क्या मतलब है और क्या बड़ी वस्तुएं - जैसे कि बिल्ली - क्वांटम प्रदर्शित कर सकती हैं? व्यवहार।

इस प्रयोग में, एक बिल्ली को एक बॉक्स में कहा जाता है ताकि उसे पर्यवेक्षक द्वारा नहीं देखा जा सके। बिल्ली का जीवन क्वांटम घटना पर निर्भर करता है - उदाहरण के लिए, शायद एक इलेक्ट्रॉन के स्पिन का उन्मुखीकरण। यदि यह घूमता है, तो बिल्ली मर जाती है। अगर यह नीचे घूमता है, तो बिल्ली रहती है।

लेकिन इलेक्ट्रॉन की स्थिति प्रेक्षक से छिपी होती है जैसे कि बॉक्स में बिल्ली है। तो सवाल बन जाता है, जब तक आप बॉक्स नहीं खोलते, क्या बिल्ली जीवित है, मृत है या कुछ अजीब स्थिति में है जैसे इलेक्ट्रॉन माप तक है?

निश्चिंत रहें, हालांकि, किसी ने भी ऐसा प्रयोग नहीं किया है और क्वांटम ज्ञान की खोज में किसी भी बिल्ली को नुकसान नहीं पहुंचाया गया है!

1900 का दशक एक ऐसा समय था जब भौतिकी ने वास्तव में उड़ान भरी थी। शास्त्रीय यांत्रिकी अब बहुत छोटे की दुनिया, बहुत बड़े की दुनिया या बहुत तेज की दुनिया की व्याख्या नहीं कर सका। भौतिकी की कई नई शाखाओं का जन्म हुआ। इनमें से हैं:

• ​क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत:एक सिद्धांत जो क्वांटम यांत्रिकी और विशेष सापेक्षता के साथ क्षेत्रों के विचार को जोड़ता है।
• ​कण भौतिकी:भौतिकी का एक क्षेत्र जो सभी मूलभूत कणों का वर्णन करता है और उन तरीकों का वर्णन करता है जिनसे वे एक दूसरे के साथ बातचीत कर सकते हैं।
• ​क्वांटम कम्प्यूटिंग:एक ऐसा क्षेत्र जो क्वांटम कंप्यूटर बनाने की कोशिश करता है जो त्वरित प्रसंस्करण और बेहतर करने की अनुमति देगा इस तरह के कंप्यूटर की कार्यप्रणाली क्वांटम मैकेनिकल पर कैसे आधारित होगी, इस वजह से एन्क्रिप्शन सिद्धांतों।
• ​विशेष सापेक्षता:वह सिद्धांत जो प्रकाश की गति के निकट गति करने वाली वस्तुओं के व्यवहार का वर्णन करता है और इस धारणा पर आधारित है कि कोई भी वस्तु प्रकाश की गति से तेज गति से यात्रा नहीं कर सकती है।
• ​सामान्य सापेक्षता:वह सिद्धांत जो गुरुत्वाकर्षण को अंतरिक्ष-समय वक्रता के रूप में वर्णित करता है।