Kuantum Mekaniği: Bir Giriş

Kuantum fiziğinin tuhaf ve tuhaf olduğunu ve alıştığınız fizik yasalarına uymadığını muhtemelen duymuşsunuzdur. Bu kesinlikle büyük ölçüde doğrudur. Fizikçilerin yeni bir teori geliştirmelerinin ve son derece küçüklerin dünyasında neler olduğunu açıklamak için eski teorilere güvenmemelerinin bir nedeni var.

Kuantum mekaniğine bu girişte, bilim adamlarının kuantum davranışına ve kuantum fenomenlerine nasıl yaklaştıklarını ve bu fikirlerin nereden geldiğini öğreneceksiniz.

Kuantum dünyasında gerçekten çok fazla tuhaflık var. Kuantum mekaniği, bu tuhaflığı açıklamaya çalışan ve gözlemlenen fenomenlerin tahminlerine ve açıklamalarına izin veren bir çerçeve sağlayan fizik dalıdır.

Kuantum mekaniğinin temel yönleri kuantizasyon kavramını içerir. Yani, daha fazla parçalanamayan bir şeyin en küçük birimi vardır. Enerji kuantize edilir, yani ayrı birimler halinde gelir.

Nicelenmiş birimlerin boyutu genellikle şu şekilde yazılır: Planck sabiti, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 m²kg/sn.

Kuantum mekaniğinin bir başka yönü, tüm parçacıkların aslında parçacık-dalga ikiliğine sahip olduğu, yani bazen parçacıklar gibi davrandıkları ve diğer zamanlarda dalgalar gibi davrandıkları fikridir. Aslında, sözde dalga fonksiyonu ile tanımlanırlar.

Kuantum tuhaflığı, bir parçacığın dalga gibi davranıp davranmamasının bir şekilde ona bakma şeklinize bağlı olduğu fikrini içerir. Ayrıca, bir parçacığın belirli özellikleri - örneğin dönüşünün yönü gibi - siz onları ölçene kadar iyi tanımlanmış bir değere sahip görünmüyor.

Bu doğru, sadece ölçüme kadar bilemezsiniz, ancak gerçek farklı değer ölçüme kadar mevcut değildir.

Kuantum mekaniği, muhtemelen daha aşina olduğunuz günlük nesnelerin fiziği olan klasik fizikle karşılaştırılarak en iyi şekilde anlaşılabilir.

İlk büyük fark, her dalın hangi alemlere uygulanacağıdır. Klasik fizik, fırlatılan top gibi günlük büyüklükteki nesnelere çok iyi uygulanır. Kuantum mekaniği, protonlar, elektronlar vb. gibi çok küçük nesneler için geçerlidir.

Klasik fizikte, parçacıklar ve nesneler, zamanın herhangi bir noktasında farklı bir konuma ve momentuma sahiptir ve her ikisi de her zaman kesin olarak bilinebilir. Kuantum mekaniğinde, bir nesnenin konumunu ne kadar doğru bilirseniz, momentumunu o kadar az doğru bilirsiniz. Parçacıkların her zaman iyi tanımlanmış bir konumu ve momentumu yoktur. Buna Heisenberg belirsizlik ilkesi denir.

Klasik fizik, bir şeyin sahip olabileceği enerji değerlerinin sürekli olduğunu varsayar. Kuantum mekaniğinde ise enerji ayrı parçalar halinde bulunur. Örneğin, atomlardaki elektronlar gibi atom altı parçacıklar, aralarında herhangi bir değer değil, yalnızca farklı enerji seviyelerini işgal edebilir.

Nedenselliğin nasıl çalıştığı da farklıdır. Klasik fizik tamamen nedenseldir, yani ilk durumların bilgisi tam olarak ne olacağını tahmin etmenize izin verir.

Kuantum mekaniği nedenselliğin farklı bir versiyonuna sahiptir. Parçacıklar bir kuantum mekaniği ile tanımlanır dalga fonksiyonu, ölçüldüğünde ne yapabileceğine dair göreceli olasılıklar verir. Bu dalga fonksiyonu, zaman içinde nasıl "evrimleştiği" konusunda belirli fizik yasalarını takip eder ve size ölçümün verebileceği tahmin edilebilir "olasılık bulutları" bırakır.

Yıllar boyunca birçok ünlü bilim insanı kuantum teorisine katkıda bulundu ve birçoğu katkılarından dolayı Nobel Ödülü kazandı. Gerçekten de, kuantum mekaniğinin keşfi ve gelişimi devrim niteliğindeydi. Kuantum teorisinin başlangıcı 1800'lere kadar izlenebilir.

• Fizikçi Max Planck, kara cisim ışıması fenomenini enerjinin kuantizasyonu ile açıklayabildi.
• Daha sonra, Albert Einstein bir açıklama geliştirdi. fotoelektrik etki ışığı dalga yerine parçacık olarak ele alarak ve ona nicelenmiş enerji değerleri vererek.
• Neils Bohr, spektral çizgileri kuantum mekaniksel ilkeler açısından açıklayabildiği hidrojen atomu üzerindeki çalışmalarıyla ünlüdür.
• Louis de Broglie, elektronlar gibi yeterince küçük parçacıkların da parçacık-dalga ikiliği gösterdiği fikrini sundu.
• Erwin Schrödinger, ünlü Schrödinger denklemi, dalga fonksiyonlarının zaman içinde nasıl geliştiğini açıklar.
• Werner Heisenberg'in geliştirdiği belirsizlik ilkesiBu, bir kuantum parçacığının ne konumunun ne de momentumunun kesin olarak bilinemeyeceğini kanıtladı.
• Paul Dirac, antimaddenin varlığını öngördü ve genel görelilik teorisi ile kuantum teorisini uzlaştırma yolunda adımlar attı.
• John Bell, hiçbir gizli değişken olmadığını kanıtlayan Bell teoremi ile tanınır. (Başka bir deyişle, sadece bir kuantum parçacığının çevirmek veya ölçümden önce başka bir özellik, ancak aslında ölçümden önce iyi tanımlanmış bir değeri yok.)
• Richard Feynman, kuantum elektrodinamiği teorisini geliştirdi.

Kuantum mekaniği çok garip ve sezgisel olduğu için, farklı bilim adamları onun farklı yorumlarını geliştirdiler. Ne olacağını tahmin eden denklemler bir şeydir - çalıştıklarını biliyoruz çünkü tutarlı oldukları için gözlemler - ancak gerçekte ne anlama geldiklerini anlamak daha felsefi bir meseledir ve çok fazla konu olmuştur. tartışma.

Einstein, farklı yorumları dört özelliğe dayanarak tanımladı:

• Gerçeklik, ölçümden önce özelliklerin gerçekten var olup olmadığıyla ilgilidir.
• Mevcut kuantum teorisinin tamamlanmış olup olmadığını ele alan tamlık.
• Yerel gerçekçilik, gerçekçiliğin yerel, doğrudan bir düzeyde var olup olmadığına ilişkin bir gerçekçilik alt kategorisi.
• Determinizm, kuantum mekaniğinin ne kadar iyi deterministik olduğuna inanılıyor.

Kuantum mekaniğinin standart yorumuna Kopenhag yorumu denir. Bohr ve Heisenberg tarafından 1927'de Kopenhag'dayken formüle edilmiştir. Özünde, bu yorum, bir kuantum parçacığının olduğu ve onun hakkında bilinebilecek her şeyin dalga fonksiyonu tarafından tanımlandığını belirtir. Başka bir deyişle, kuantum mekaniğinin tüm tuhaflığı gerçekten o kadar tuhaftır ve işler aslında böyledir.

Alternatif bir bakış açısı, kuantumun olasılıksal sonuçlarını ortadan kaldıran Birçok Dünya Yorumudur. tüm olası sonuçların gerçekte meydana geldiğini, ancak mevcut dünyamızın dalları olan farklı dünyalarda olduğunu belirterek gözlemler. gerçeklik.

Gizli değişken teorileri, kuantum dünyasında, şu tahminlerde bulunmamıza izin verecek daha çok şey olduğunu belirtir. olasılıklara dayanmaz, ancak bize bu tahminleri verecek bazı gizli değişkenleri ortaya çıkarmamız gerekir. Başka bir deyişle, kuantum mekaniği tamamlanmış değildir. Ancak Bell'in teoremi, yerel düzeyde gizli değişkenlerin olmadığını kanıtladı.

Pilot dalga teorisi olarak da bilinen De Broglie-Bohm teorisi, Bell teoremi ile çelişmeyen global bir yaklaşımla gizli değişkenler kavramını ele alır.

Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, birçok başka yorum var çünkü bilim adamlarının kuantum dünyasının gerçekten tuhaf doğasını denemek ve anlamak için bir yüzyıldan fazla zamanı var.

Kuantum teorisinin farklı yönlerine yol açan ve kanıtlayan birçok ünlü deney gerçekleştirilmiştir.

Çok ünlü bir deney, bilim adamları Einstein, Podolsky ve Rosen için adlandırılan EPR deneyidir. Bu deney, bir kuantum sisteminde dolaşıklık fikrini ele aldı. Her ikisi de spin adı verilen bir özelliğe sahip iki elektron düşünün. Dönüşleri ölçüldüğünde ya yukarı konumda ya da aşağı konumdadır.

Tek bir elektronun dönüşünü ölçerken, yüzde 50 yukarı olma ve yüzde 50 aşağı olma şansına sahiptir. Kuantum mekaniğine göre sonuçlar önceden tahmin edilemez. Ancak bu deneyde, iki elektron, birleşik spinleri 0 olacak şekilde dolanmıştır. Bununla birlikte, kuantum mekaniğine göre, hangisinin yukarı, hangisinin aşağı olduğunu hala bilemeyiz. ve aslında hiçbiri her iki konumda da değildir ve bunun yerine her ikisinin de "süperpozisyonunda" olduğu söylenir. devletler.

Bu iki dolaşık elektron, dönüşlerini aynı anda ölçecek farklı cihazlara zıt yönlerde gönderilir. Her iki elektronun da spininin ne olarak ölçüldüğünü bilmesi için diğerine görünmez bir “sinyal” göndermesi için zaman olmadığı için ölçüm sırasında birbirlerinden yeterince uzaktadırlar. Yine de, ölçüm gerçekleştiğinde, her ikisinin de ters dönüşe sahip olduğu ölçülür.

Schrödinger'in kedisi hem kuantum davranışının tuhaflığını göstermeyi hem de Ölçümün gerçekten ne anlama geldiği ve kedi gibi büyük nesnelerin kuantum gösterip gösteremeyeceği sorusu davranış.

Bu deneyde, bir kedinin gözlemci tarafından görülemeyecek şekilde bir kutunun içinde olduğu söylenir. Kedinin hayatı bir kuantum olayına bağlıdır - örneğin, belki bir elektronun dönüşünün yönü. Eğer dönerse, kedi ölür. Eğer dönerse, kedi yaşar.

Ancak elektronun durumu, kutudaki kedi gibi gözlemciden gizlenir. Yani soru, siz kutuyu açana kadar, kedi canlı mı, ölü mü yoksa elektronun ölçüme kadar olduğu gibi tuhaf bir durum süperpozisyonunda mı?

Ancak içiniz rahat olsun, hiç kimse böyle bir deney yapmamıştır ve kuantum bilgisinin peşinde koşan hiçbir kedi zarar görmemiştir!

1900'ler fiziğin gerçekten yükseldiği bir zamandı. Klasik mekanik artık çok küçüğün dünyasını, çok büyüklerin dünyasını veya çok hızlıların dünyasını açıklayamazdı. Fiziğin birçok yeni dalı doğdu. Bunlar arasında:

• ​Kuantum alan teorisi:Alan fikrini kuantum mekaniği ve özel görelilik ile birleştiren bir teori.
• ​Parçacık fiziği:Tüm temel parçacıkları ve bunların birbirleriyle etkileşim yollarını tanımlayan bir fizik alanı.
• ​Kuantum hesaplama:Daha hızlı ve daha iyi işlemeye izin verecek kuantum bilgisayarlar yaratmaya çalışan bir alan. Böyle bir bilgisayarın işleyişinin kuantum mekaniğine nasıl dayanacağından dolayı şifreleme prensipler.
• ​Özel görelilik:Işık hızına yakın hareket eden nesnelerin davranışını tanımlayan ve hiçbir şeyin ışık hızından daha hızlı hareket edemeyeceği fikrine dayanan teori.
• ​Genel görelilik:Yerçekimini uzay-zaman eğriliği olarak tanımlayan teori.