Historie kvantové mechaniky - History of quantum mechanics

Viz také: Časová osa kvantové mechaniky a Dějiny fyziky
10 vlivných postav v historii kvantové mechaniky. Zleva do prava:
Max Planck, Albert Einstein,
Niels Bohr, Louis de Broglie,
Max Born, Paul Dirac,
Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli,
Erwin Schrödinger, Richard Feynman.

The historie kvantová mechanika je základní součástí dějiny moderní fyziky. Historie kvantové mechaniky, jak se prolíná s historií kvantová chemie, začal v podstatě řadou různých vědeckých objevů: objev roku 1838 katodové paprsky podle Michael Faraday; zimní prohlášení 1859–60 záření černého těla problém Gustav Kirchhoff; návrh z roku 1877 od Ludwig Boltzmann že energetické stavy fyzického systému oddělený; objev fotoelektrický efekt podle Heinrich Hertz v roce 1887; a kvantová hypotéza z roku 1900 od Max Planck že jakýkoli atomový systém vyzařující energii lze teoreticky rozdělit na několik samostatných „energetických prvků“ ε (Řecké písmeno epsilon ) tak, že každý z těchto energetických prvků je úměrný frekvence ν s nimiž každý z nich jednotlivě vyzařuje energie, jak je definováno následujícím vzorcem:

kde h je číselná hodnota s názvem Planckova konstanta.

Pak, Albert Einstein v roce 1905, aby vysvětlil fotoelektrický efekt dříve nahlášeno uživatelem Heinrich Hertz v roce 1887, důsledně postulováno s kvantovou hypotézou Maxe Plancka, že světlo samotné je tvořeno jednotlivými kvantovými částicemi, které se v roce 1926 nazývaly fotony podle Gilbert N. Lewis. Fotoelektrický efekt byl pozorován při zářícím světle určitých vlnových délek na určité materiály, jako jsou kovy, což způsobilo, že elektrony byly z těchto materiálů vysunuty, pouze pokud byla kvantová energie světla větší než pracovní funkce povrchu kovu.

Byla vytvořena fráze „kvantová mechanika“ (v němčině, Quantenmechanik) skupinou fyziků včetně Max Born, Werner Heisenberg, a Wolfgang Pauli, na Univerzita v Göttingenu na počátku 20. let 20. století a poprvé byl použit v dokumentu Born z roku 1924 "Zur Quantenmechanik".[1] V následujících letech se tento teoretický základ začal pomalu aplikovat chemická struktura, reaktivita, a lepení.

Přehled

Ludwig Boltzmann je schéma I.2 molekula navrženo v roce 1898 ukazující atomovou „citlivou oblast“ (α, β) překrytí.

Ludwig Boltzmann navrhl v roce 1877, že energetické hladiny fyzického systému, jako je a molekula, může být diskrétní (na rozdíl od spojitého). Byl zakladatelem Rakouská matematická společnost spolu s matematiky Gustav von Escherich a Emil Müller. Boltzmannův důvod pro přítomnost diskrétních energetických hladin v molekulách, jako jsou ty z jodového plynu, měl svůj původ v jeho statistická termodynamika a statistická mechanika teorie a byl podpořen matematický argumenty, jak by tomu bylo i o dvacet let později u prvního kvantová teorie předložil Max Planck.

V roce 1900 německý fyzik Max Planck neochotně představil myšlenku, že energie je kvantováno za účelem odvození vzorce pro pozorovanou frekvenční závislost energie emitované a černé tělo, volala Planckův zákon, který zahrnoval a Boltzmannova distribuce (platí v klasickém limitu). Planckův zákon[2] lze konstatovat takto: kde:

Já(ν,T) je energie za jednotku času (nebo Napájení ) vyzařované na jednotku plochy vysílajícího povrchu v normální směr na jednotku plný úhel za jednotku frekvence černým tělesem při teplotě T;
h je Planckova konstanta;
C je rychlost světla ve vakuu;
k je Boltzmannova konstanta;
ν (nu ) je frekvence elektromagnetického záření; a
T je teplota těla v kelvinů.

Čím dříve Vídeňská aproximace lze odvodit z Planckova zákona za předpokladu .

Navíc bylo možné použít Planckovu kvantovou teorii na elektron Stefan Procopiu v letech 1911–1913 a následně Niels Bohr v roce 1913, pro výpočet magnetický moment z elektron, který byl později nazýván „magneton; "podobné kvantové výpočty, ale s numericky zcela odlišnými hodnotami, byly následně možné pro oba magnetické momenty z proton a neutron to jsou tři řádově menší než elektron.

Fotoelektrický efekt
Emise elektronů z kovové desky způsobená světelnými kvantami (fotony) s energií větší než pracovní funkce kovu.
The fotoelektrický efekt nahlášeno Heinrich Hertz v roce 1887,
a vysvětlil Albert Einstein v roce 1905.
Nízkoenergetické jevy: Fotoelektrický efekt
Fenomény střední energie: Comptonův rozptyl
Vysokoenergetické jevy: Výroba párů

V roce 1905 Albert Einstein vysvětlil fotoelektrický efekt postulováním toho světla nebo obecněji všeho elektromagnetická radiace, lze rozdělit na konečný počet „energetických kvant“, což jsou lokalizované body ve vesmíru. V úvodní části svého kvantového dokumentu z března 1905 „Z heuristického hlediska týkajícího se emise a transformace světla“ Einstein uvádí:

„Podle předpokladu, o kterém se zde uvažuje, když se světelný paprsek šíří z bodu, energie není distribuována kontinuálně po stále se zvětšujících prostorech, ale sestává z konečného počtu„ energetických kvant “, které jsou lokalizovány v bodech ve vesmíru , pohybujte se bez dělení a lze je absorbovat nebo generovat pouze jako celek. “

Toto tvrzení bylo nazváno nejrevolučnější větou napsanou fyzikem dvacátého století.[3] Tyto energetické kvantum později se začalo nazývat „fotony ", termín zavedený Gilbert N. Lewis v roce 1926. Myšlenka, že každý foton se musí skládat z energie kvantum byl pozoruhodný úspěch; účinně vyřešil problém záření černého tělesa dosahující nekonečné energie, ke kterému došlo teoreticky, pokud by světlo mělo být vysvětleno pouze pomocí vln. V roce 1913 Bohr vysvětlil spektrální čáry z atom vodíku, opět pomocí kvantizace, ve své práci z července 1913 O ústavě atomů a molekul.

I když byly tyto teorie úspěšné, byly přísné fenomenologický: během této doby nebylo žádné přísné ospravedlnění kvantování, stranou, snad od Henri Poincaré diskuse o Planckově teorii v jeho článku z roku 1912 Sur la théorie des quanta.[4][5] Jsou souhrnně označováni jako stará kvantová teorie.

Fráze „kvantová fyzika“ byla poprvé použita u Johnstona Planckův vesmír ve světle moderní fyziky (1931).

S klesající teplotou, vrchol záření černého těla křivka se posune na delší vlnové délky a má také nižší intenzitu. Křivky záření černého tělesa (1862) vlevo jsou také srovnávány s časným klasickým limitním modelem Rayleigh a Džíny (1900) zobrazený vpravo. Krátká strana vlnových délek křivek byla již v roce 1896 aproximována Zákon o distribuci ve Vídni.
Niels Bohr Kvantový model atomu z roku 1913, který obsahoval vysvětlení Johannes Rydberg rok 1888 vzorec, Max Planck kvantová hypotéza 1900, tj. že radiátory atomové energie mají diskrétní energetické hodnoty (ε = hν), J. J. Thomson rok 1904 model švestkového pudingu, Albert Einstein rok 1905 lehké kvantum postulovat a Ernest Rutherford objev z roku 1907 atomové jádro. Pamatujte, že elektron se při emitování fotonu nepohybuje podél černé čáry. Skáče, mizí z vnější oběžné dráhy a objevuje se na vnitřní a nemůže existovat v prostoru mezi oběžnými dráhami 2 a 3.

V roce 1923 francouzský fyzik Louis de Broglie předložil svou teorii vln hmoty tvrzením, že částice mohou vykazovat vlnové charakteristiky a naopak. Tato teorie byla pro jedinou částici a byla odvozena z speciální teorie relativity. V návaznosti na de Broglieho přístup se moderní kvantová mechanika zrodila v roce 1925, kdy byli němečtí fyzici Werner Heisenberg, Max Born, a Pascual Jordan[6][7] rozvinutý maticová mechanika a rakouský fyzik Erwin Schrödinger vynalezl vlnová mechanika a nerelativistická Schrödingerova rovnice jako aproximace zobecněného případu de Broglieovy teorie.[8] Schrödinger následně ukázal, že oba přístupy byly rovnocenné.

Heisenberg formuloval svůj princip nejistoty v roce 1927, a Kodaňská interpretace se začaly formovat přibližně ve stejnou dobu. Počínaje rokem 1927, Paul Dirac zahájil proces sjednocení kvantové mechaniky s speciální relativita návrhem Diracova rovnice pro elektron. Diracova rovnice dosahuje relativistického popisu vlnové funkce elektronu, který Schrödinger nedokázal získat. Předpovídá elektronovou rotaci a vedlo Diraca k předpovědi existence pozitron. Propagoval také použití teorie operátorů, včetně vlivných braketová notace, jak je popsáno v jeho slavné učebnici z roku 1930. Ve stejném období maďarský polymath John von Neumann formuloval přísný matematický základ pro kvantovou mechaniku jako teorii lineárních operátorů na Hilbertových prostorech, jak je popsáno v jeho stejně slavná učebnice z roku 1932. Ty, stejně jako mnoho jiných děl ze zakládajícího období, stále stojí a zůstávají široce používány.

Pole kvantová chemie byl průkopníkem fyziky Walter Heitler a Fritz London, který publikoval studii o kovalentní vazba z molekula vodíku v roce 1927. Kvantovou chemii následně vyvinulo velké množství pracovníků, včetně amerického teoretického chemika Linus Pauling na Caltech, a John C. Slater do různých teorií, jako je Molecular Orbital Theory nebo Valence Theory.

Počínaje rokem 1927 se vědci pokusili aplikovat kvantovou mechaniku na pole namísto jednotlivých částic, což vedlo k kvantové teorie pole. Mezi první pracovníky v této oblasti patří P.A.M. Dirac, W. Pauli, V. Weisskopf, a P. Jordan. Tato oblast výzkumu vyvrcholila formulací kvantová elektrodynamika podle R.P. Feynman, F. Dyson, J. Schwinger, a S. Tomonaga během čtyřicátých let. Kvantová elektrodynamika popisuje kvantovou teorii elektrony, pozitrony a elektromagnetické pole, a sloužil jako model pro další kvantové teorie pole.[6][7][9]

Feynmanův diagram gluon záření v kvantová chromodynamika

Teorie kvantová chromodynamika byla formulována počátkem šedesátých let. Teorie, jak ji známe dnes, byla formulována pomocí Politzer, Hrubý a Wilczek v roce 1975.

Stavíme na průkopnické práci od Schwinger, Higgs a Goldstone, fyzici Glashow, Weinberg a salám nezávisle ukázal, jak slabá jaderná síla a kvantová elektrodynamika lze sloučit do jednoho elektroslabá síla, za což obdrželi 1979 Nobelova cena za fyziku.

Zakládající experimenty

Viz také

Reference

  1. ^ Max Born, Můj život: Vzpomínky nositele Nobelovy ceny, Taylor & Francis, London, 1978. („Stále více jsme se přesvědčovali, že je nutná radikální změna základů fyziky, tj. Nový druh mechaniky, pro kterou jsme použili termín kvantová mechanika. Toto slovo se objevuje pro poprvé ve fyzické literatuře v mé práci ... ")
  2. ^ M. Planck (1914). Teorie tepelného záření, druhé vydání, přeložil M. Masius, Blakiston's Son & Co, Philadelphia, s. 22, 26, 42–43.
  3. ^ Folsing, Albrecht (1997), Albert Einstein: Životopis, trans. Ewald Osers Viking
  4. ^ McCormmach, Russell (jaro 1967), „Henri Poincaré a kvantová teorie“, Isis, 58 (1): 37–55, doi:10.1086/350182
  5. ^ Irons, F. E. (srpen 2001), „Poincarého důkaz o kvantové diskontinuitě z let 1911–12 interpretovaný jako vztahující se na atomy“, American Journal of Physics, 69 (8): 879–84, Bibcode:2001AmJPh..69..879I, doi:10.1119/1.1356056
  6. ^ A b David Edwards,Matematické základy kvantové mechaniky, Synthese, svazek 42, číslo 1 / září 1979, s. 1–70.
  7. ^ A b D. Edwards, Matematické základy teorie kvantového pole: fermiony, měřicí pole a supersymetrie, část I: Teorie mřížkového pole, International J. of Theor. Phys., Sv. 20, č. 7 (1981).
  8. ^ Hanle, P.A. (Prosinec 1977), „Reakce Erwina Schrodingera na práci Louise de Broglieho o kvantové teorii.“, Isis, 68 (4): 606–09, doi:10.1086/351880
  9. ^ S. Auyang, Jak je možná kvantová teorie pole?, Oxford University Press, 1995.
  10. ^ Davisson – Germerův experiment, který demonstruje vlnovou povahu elektronu

Další čtení

  • Bacciagaluppi, Guido; Valentini, Antony (2009), Kvantová teorie na křižovatce: přehodnocení konference Solvay z roku 1927, Cambridge, Velká Británie: Cambridge University Press, s. 9184, arXiv:quant-ph / 0609184, Bibcode:2006quant.ph..9184B, ISBN  978-0-521-81421-8, OCLC  227191829
  • Bernstein, Jeremy (2009), Kvantové skoky, Cambridge, Massachusetts: Belknap Press z Harvard University Press, ISBN  978-0-674-03541-6
  • Cramer, JG (2015). Kvantové potřesení rukou: zapletení, nelokálnost a transakce. Springer Verlag. ISBN  978-3-319-24642-0.
  • Greenberger, Daniel, Hentschel, Klaus, Weinert, Friedel (Eds.) Kompendium kvantové fyziky. Koncepty, experimenty, historie a filozofie, New York: Springer, 2009. ISBN  978-3-540-70626-7.
  • Jammer, Max (1966), Koncepční vývoj kvantové mechaniky, New York: McGraw-Hill, OCLC  534562
  • Jammer, Max (1974), Filozofie kvantové mechaniky: Interpretace kvantové mechaniky v historické perspektivě, New York: Wiley, ISBN  0-471-43958-4, OCLC  969760
  • F. Bayen, M. Flato, C. Fronsdal, A. Lichnerowicz a D. Sternheimer, teorie deformace a kvantizace I a II, Ann. Phys. (NY), 111 (1978), str. 61–151.
  • D. Cohen, Úvod do Hilbertova prostoru a kvantové logikySpringer-Verlag, 1989. Toto je důkladný a dobře ilustrovaný úvod.
  • Finkelstein, D. (1969), Hmota, vesmír a logika, Boston studia filozofie vědy, PROTI, str. 1969, doi:10.1007/978-94-010-3381-7_4, ISBN  978-94-010-3383-1.
  • A. Gleason. Opatření na uzavřených podprostorech Hilbertova prostoru, Journal of Mathematics and Mechanics, 1957.
  • R. Kadison. Izometrie operátorových algeber, Annals of Mathematics, Sv. 54, s. 325–38, 1951
  • G. Ludwig. Základy kvantové mechanikySpringer-Verlag, 1983.
  • G. Mackey. Matematické základy kvantové mechaniky, W. A. ​​Benjamin, 1963 (brožovaný dotisk Dover 2004).
  • R. Omnès. Porozumění kvantové mechanice, Princeton University Press, 1999. (Diskutuje o logických a filozofických otázkách kvantové mechaniky se zvláštní pozorností věnovanou historii předmětu).
  • N. Papanikolaou. Formální uvažování o kvantových systémech: Přehled„Zprávy ACM SIGACT, 36 (3), s. 51–66, 2005.
  • C. Piron. Základy kvantové fyzikyW. A. ​​Benjamin, 1976.
  • Hermann Weyl. Teorie grup a kvantové mechaniky, Dover Publications, 1950.
  • A. Whitaker. Nový kvantový věk: Od Bellovy věty po kvantové výpočty a teleportace, Oxford University Press, 2011, ISBN  978-0-19-958913-5
  • Stephen Hawking. Sny, ze kterých se věci skládajíBěžící tisk, 2011, ISBN  978-0-76-243434-3
  • A. Douglas Stone. Einstein a kvantum, pátrání udatného Švábska, Princeton University Press, 2006.
  • Richard P. Feynman. QED: Zvláštní teorie světla a hmoty. Princeton University Press, 2006. Tisk.

externí odkazy