Kuantum mekaniğinin tarihi - History of quantum mechanics

Kuantum mekaniği tarihinin en etkili 10 figürü. Soldan sağa:

Tarihçesi kuantum mekaniği temel bir parçası olan modern fizik tarihinin . Kuantum mekaniğinin tarihi, kuantum kimyasının tarihi ile iç içe geçtiği için, esasen bir dizi farklı bilimsel keşifle başladı: 1838'de Michael Faraday tarafından katot ışınlarının keşfi ; Gustav Kirchhoff'un kara cisim radyasyonu sorununa ilişkin 1859-60 kış beyanı ; 1877 öneri Ludwig Boltzmann bu enerji durumları olabilir, fiziksel bir sistemin ayrık ; 1887'de Heinrich Hertz tarafından fotoelektrik etkinin keşfi ; ve 1900 kuantum hipotezi Max Planck herhangi bir enerji yayan atom sistemi teorik olarak ayrı "enerji elemanları", bir dizi halinde bölünebilir bu £ değerinin (Yunan harfi epsilon ), bu enerji elemanlarının her orantılı olduğu şekilde frekans cyclotron frekansının hangi biri ile Aşağıdaki formülle tanımlandığı gibi , bunlardan her biri ayrı ayrı enerji yayar :

burada h adı verilen bir sayısal değerdir Planck sabitesi .

Daha sonra, 1905'te Albert Einstein , 1887'de Heinrich Hertz tarafından daha önce bildirilen fotoelektrik etkiyi açıklamak için , Max Planck'ın ışığın kendisinin bireysel kuantum parçacıklarından oluştuğuna dair kuantum hipotezi ile tutarlı bir şekilde öne sürdü ve 1926'da Gilbert N tarafından foton olarak adlandırıldı. .Lewis . Fotoelektrik etki, metaller gibi belirli malzemeler üzerinde belirli dalga boylarında parlayan ışık üzerinde gözlendi ve bu, yalnızca ışık kuantum enerjisi metal yüzeyinin iş fonksiyonundan daha büyük olduğunda elektronların bu malzemelerden dışarı çıkmasına neden oldu .

"Kuantum mekaniği" ifadesi , 1920'lerin başında Göttingen Üniversitesi'nde Max Born , Werner Heisenberg ve Wolfgang Pauli gibi fizikçiler grubu tarafından (Almanca, Quantenmechanik ) yapıldı ve ilk olarak Born'un 1924 tarihli makalesi "Zur"da kullanıldı. Quantenmekanik" . Takip eden yıllarda, bu teorik temel, yavaş yavaş kimyasal yapı , reaktivite ve bağlanmaya uygulanmaya başlandı .

Öncüller ve "eski kuantum teorisi"

19. yüzyılın başlarında, John Dalton ve Amedeo Avogadro tarafından yapılan kimyasal araştırmalar , maddenin atom teorisine ağırlık verdi ; James Clerk Maxwell , Ludwig Boltzmann ve diğerlerinin gazların kinetik teorisini kurmak için üzerine inşa ettikleri bir fikir . Kinetik teorinin başarıları, maddenin atomlardan oluştuğu fikrine daha fazla güven verdi, ancak teorinin sadece kuantum mekaniğinin gelişmesiyle çözülebilecek eksiklikleri de vardı. Atomların varlığı fizikçiler veya kimyagerler arasında evrensel olarak kabul edilmedi; Örneğin Ernst Mach , sadık bir atom karşıtıydı.

Ludwig Boltzmann , 1877'de bir molekül gibi fiziksel bir sistemin enerji seviyelerinin (sürekli değil) ayrık olabileceğini öne sürdü. Boltzmann'ın iyot gazı gibi moleküllerde ayrık enerji seviyelerinin varlığına ilişkin mantığı, kökenlerini istatistiksel termodinamik ve istatistiksel mekanik teorilerine dayandırmıştır ve yirmi yıl sonra ilk kuantum teorisinde olduğu gibi matematiksel argümanlarla desteklenmiştir. Max Planck tarafından ileri sürülmüştür .

1900 yılında ayrık atomlar inanıyordu hiç Alman fizikçi Max Planck, istemeyerek enerji olduğu fikrini ortaya kuvantalaması bir yaydığı enerjinin gözlenen frekans bağımlılığı için bir formül elde etmek için siyah gövde denilen, Planck'ın kanunu olduğunu, bir Boltzmann dağılımını içeriyordu (klasik limitte uygulanabilir). Planck yasası şu şekilde ifade edilebilir:

nerede:
I ( ν , T ) T sıcaklığında bir siyah cisim tarafından birim frekans başına birim katı açı başına normal yönde yayan yüzeyin birim alanı başına yayılan birim zaman (veya güç ) başına enerjidir ;
h , Planck sabitidir ;
c , ışığın boşluktaki hızıdır;
k , Boltzmann sabitidir ;
ν ( nu ) elektromanyetik radyasyonun frekansıdır ; ve
T , kelvin cinsinden vücudun sıcaklığıdır .

Daha önceki Wien yaklaşımı , Planck yasasından varsayılarak türetilebilir .

1905'te Albert Einstein , Brownian hareketini açıklamak için kinetik teoriyi kullandı . Fransız fizikçi Jean Baptiste Perrin , Einstein'ın makalesindeki modeli atomların kütlesini ve boyutlarını deneysel olarak belirlemek için kullandı ve böylece atom teorisinin doğrudan ampirik doğrulamasını sağladı. Ayrıca 1905'te Einstein , ışığın veya daha genel olarak tüm elektromanyetik radyasyonun , uzayda lokalize noktalar olan sonlu sayıda "enerji kuantası"na bölünebileceğini varsayarak fotoelektrik etkiyi açıkladı . Einstein, Mart 1905 tarihli kuantum makalesinin giriş bölümünde, "Işığın yayılması ve dönüşümü ile ilgili buluşsal bir bakış açısı üzerine" şöyle diyor:

"Burada düşünülecek varsayıma göre, bir ışık ışını bir noktadan yayıldığında, enerji sürekli artan boşluklara sürekli olarak dağılmaz, ancak uzaydaki noktalarda lokalize olan sınırlı sayıda 'enerji kuantasından' oluşur. , bölünmeden hareket edin ve yalnızca bir bütün olarak emilebilir veya oluşturulabilir."

Bu ifade, yirminci yüzyılın bir fizikçisi tarafından yazılmış en devrimci cümle olarak adlandırılmıştır. Bu enerji kuantumları daha sonra 1926'da Gilbert N. Lewis tarafından ortaya atılan bir terim olan " fotonlar " olarak adlandırıldı . Her fotonun kuantum cinsinden enerjiden oluşması gerektiği fikri dikkate değer bir başarıydı; ışık sadece dalgalarla açıklanacak olsaydı, teoride ortaya çıkan sonsuz enerjiye ulaşan kara cisim radyasyonu problemini etkili bir şekilde çözdü . 1913 yılında, Bohr açıklandığı spektral çizgiler arasında hidrojen atomu daha Temmuz 1913 kendi kağıt, niceleme kullanarak, Atomlar ve Molekül yapısında daha . Gelen Bohr modeli , hidrojen atomu, bir ağır olarak hafif yörüngesinde pozitif yüklü bir çekirdek, negatif yüklü bir elektron resmedilmiştir. Elektron yalnızca , indirgenmiş Planck sabitinin bir tamsayı katıyla sınırlandırılan açısal momentumlarıyla etiketlenmiş, ayrı ayrı ayrılmış belirli yörüngelerde var olabilir . Modelin kilit başarısı , atomik hidrojenin spektral emisyon çizgileri için Rydberg formülünü açıklamada yatıyordu . Rydberg formülü deneysel olarak bilinmesine rağmen, Bohr modeli tanıtılana kadar teorik bir temel kazanmadı. Bohr modeli sadece Rydberg formülünün yapısının nedenlerini açıklamakla kalmadı, aynı zamanda formülün ampirik sonuçlarını oluşturan temel fiziksel sabitler için bir gerekçe sağladı.

Ayrıca, elektron Planck'ın kuantum uygulanması izin Ştefan Procopiu 1911-1913 içinde ve daha sonra Niels Bohr hesaplamak için, 1913 yılında manyetik momenti bir elektron sonra adlandırılan, " magneton ;" Benzer kuantum hesaplamaları, ama sayısal olarak oldukça farklı değerlerle, sonradan her ikisi için mümkün olmuştur manyetik anları arasında proton ve nötron üçü büyüklükte siparişleri elektronun daha küçük.

Bu teoriler, başarılı olsalar da, kesinlikle fenomenolojikti : bu süre zarfında, belki de Henri Poincaré'nin 1912 tarihli makalesi Sur la théorie des quanta'da Planck'ın teorisini tartışması dışında, niceleme için kesin bir gerekçe yoktu . Topluca eski kuantum teorisi olarak bilinirler .

"Kuantum fiziği" ifadesi ilk olarak Johnston'ın Planck'ın Universe in Light of Modern Physics'inde (1931) kullanıldı.

1923'te Fransız fizikçi Louis de Broglie , parçacıkların dalga özellikleri gösterebileceğini ve bunun tersini yaparak madde dalgaları teorisini ortaya koydu. Bu teori tek bir parçacık içindi ve özel görelilik teorisinden türetildi . De Broglie'nin yaklaşımına dayanan modern kuantum mekaniği, Alman fizikçiler Werner Heisenberg , Max Born ve Pascual Jordan'ın matris mekaniğini geliştirmesi ve Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger'in dalga mekaniğini ve göreceli olmayan Schrödinger denklemini yaklaşık olarak icat etmesiyle 1925'te doğdu . de Broglie'nin teorisinin genelleştirilmiş hali. Schrödinger daha sonra iki yaklaşımın eşdeğer olduğunu gösterdi. Kuantum mekaniğinin fiziksel sistemlere ilk uygulamaları, Wolfgang Pauli tarafından hidrojen spektrumunun cebirsel olarak belirlenmesi ve Lucy Mensing tarafından iki atomlu moleküllerin işlenmesiydi .

Modern kuantum mekaniği

Heisenberg , 1927'de, bir elektronun konumunu ve momentumunu aynı anda ölçmeye çalışan bir düşünce deneyini analiz ederek , belirsizlik ilkesinin erken bir versiyonunu formüle etti . Bununla birlikte, Heisenberg, bu ölçümlerdeki "belirsizliğin" ne anlama geldiğine dair kesin matematiksel tanımlar vermedi; bu, kısa bir süre sonra Earle Hesse Kennard , Wolfgang Pauli ve Hermann Weyl tarafından atılacak bir adımdı . 1927'den başlayarak Paul Dirac , elektron için Dirac denklemini önererek kuantum mekaniğini özel görelilik ile birleştirme sürecine başladı . Dirac denklemi, Schrödinger'in elde edemediği bir elektronun dalga fonksiyonunun göreli tanımını başarır. Elektron dönüşünü tahmin ediyor ve Dirac'ın pozitronun varlığını tahmin etmesine yol açtı . 1930'daki ünlü ders kitabında açıklandığı gibi, etkili bra-ket notasyonu da dahil olmak üzere operatör teorisinin kullanımına öncülük etti . Aynı dönemde, Macar bilgin John von Neumann , aynı şekilde ünlü 1932 ders kitabında tanımlandığı gibi, Hilbert uzayları üzerindeki lineer operatörler teorisi olarak kuantum mekaniğinin kesin matematiksel temelini formüle etti . Bunlar, kuruluş dönemine ait diğer birçok eser gibi hala ayaktadır ve yaygın olarak kullanılmaya devam etmektedir.

Alan kuantum kimyası fizikçiler tarafından öncülük edilmiştir Walter Heitler ve Fritz Londra bir çalışma yayınladı, kovalent bağ ve hidrojen molekülü sonradan Amerikan teorik kimyager dahil işçilerin çok sayıda tarafından geliştirildi 1927 Kuantum kimyasında Linus Pauling de Caltech ve John C. Slater , Moleküler Yörünge Teorisi veya Değerlik Teorisi gibi çeşitli teorilere dönüştürdü.

kuantum alan teorisi

1927'den başlayarak, araştırmacılar kuantum mekaniğini tek parçacıklar yerine alanlara uygulamaya çalıştılar ve bu da kuantum alan teorileriyle sonuçlandı . Bu alandaki ilk çalışanlar arasında PAM Dirac , W. Pauli , V. Weisskopf ve P. Jordan bulunmaktadır . Bu araştırma alanı , 1940'larda RP Feynman , F. Dyson , J. Schwinger ve S. Tomonaga tarafından kuantum elektrodinamiğinin formülasyonunda doruğa ulaştı . Kuantum elektrodinamiği, elektronların , pozitronların ve elektromanyetik alanın kuantum teorisini tanımlar ve sonraki kuantum alan teorileri için bir model olarak hizmet eder .

Arasında Feynmann diyagramı gluon radyasyon olarak kuantum

Kuantum renk dinamiği teorisi 1960'ların başında formüle edildi. Bugün bildiğimiz teori , 1975'te Politzer , Gross ve Wilczek tarafından formüle edildi .

Fizikçiler Glashow , Weinberg ve Salam , Schwinger , Higgs ve Goldstone'un öncü çalışmalarına dayanarak , bağımsız olarak, zayıf nükleer kuvvet ve kuantum elektrodinamiğinin tek bir elektrozayıf kuvvette nasıl birleştirilebileceğini gösterdiler ve bunun için 1979 Nobel Fizik Ödülü'nü aldılar .

kuantum bilgisi

Kuantum enformasyon bilimi gibi kuramsal sonuçların başlayarak 20. yüzyılın ikinci on yılda geliştirilen Holevo teoremi , genelleştirilmiş ölçümlerin ya kavramının POVMs , teklifi kuantum anahtar dağıtımı ile Bennett ve Brassard ve Shor'un algoritması .

kurucu deneyler

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

  • Bacciagaluppi, Guido; Valentini, Antony (2009), Kavşakta Kuantum teorisi: 1927 Solvay konferansını yeniden değerlendirmek , Cambridge, İngiltere: Cambridge University Press, s. 9184, arXiv : quant-ph/0609184 , Bibcode : 2006quant.ph..9184B , ISBN 978-0-521-81421-8, OCLC  227191829
  • Bernstein, Jeremy (2009), Quantum Leaps , Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press'in Belknap Press, ISBN 978-0-674-03541-6
  • Cramer, JG (2015). Kuantum El Sıkışma: Dolanıklık, Yerel Olmayanlık ve İşlemler . Springer Verlag. ISBN'si 978-3-319-24642-0.
  • Greenberger, Daniel, Hentschel, Klaus , Weinert, Friedel (Ed.) Kuantum Fiziği Özeti . Kavramlar, Deneyler, Tarih ve Felsefe , New York: Springer, 2009. ISBN  978-3-540-70626-7 .
  • Jammer, Max (1966), Kuantum mekaniğinin kavramsal gelişimi , New York: McGraw-Hill, OCLC  534562
  • Jammer, Max (1974), Kuantum mekaniğinin felsefesi: Tarihsel perspektifte kuantum mekaniğinin yorumları , New York: Wiley, ISBN 0-471-43958-4, OCLC  969760
  • F. Bayen, M. Flato, C. Fronsdal, A. Lichnerowicz ve D. Sternheimer, Deformasyon teorisi ve nicemleme I ve II, Ann. Fizik (NY) , 111 (1978) s. 61–151.
  • D. Cohen, An Introduction to Hilbert Space and Quantum Logic , Springer-Verlag, 1989. Bu, kapsamlı ve iyi örneklenmiş bir giriştir.
  • Finkelstein, D. (1969), Matter, Space and Logic , Boston Studies in the Philosophy of Science, V , s. 1969, doi : 10.1007/978-94-010-3381-7_4 , ISBN 978-94-010-3383-1.
  • A. Gleason. Hilbert Uzayının Kapalı Altuzayları Üzerindeki Ölçüler, Journal of Mathematics and Mechanics , 1957.
  • R. Kadison. Operatör Cebirlerinin İzometrileri, Annals of Mathematics , Vol. 54, s. 325–38, 1951
  • G. Ludwig. Kuantum Mekaniğinin Temelleri , Springer-Verlag, 1983.
  • G. Mackey. Kuantum Mekaniğinin Matematiksel Temelleri , WA Benjamin, 1963 (Dover 2004 tarafından ciltsiz yeniden basım).
  • R. Omnes. Kuantum Mekaniğini Anlamak , Princeton University Press, 1999. (Kuantum mekaniğinin mantıksal ve felsefi konularını konunun tarihine dikkat ederek tartışır).
  • N. Papanikolaou. Kuantum Sistemleri Hakkında Resmi Olarak Akıl Yürütme: Genel Bir Bakış , ACM SIGACT Haberleri, 36(3), s. 51–66, 2005.
  • C. Piron. Kuantum Fiziğinin Temelleri , WA Benjamin, 1976.
  • Hermann Weyl. Gruplar Teorisi ve Kuantum Mekaniği , Dover Yayınları, 1950.
  • A. Whitaker. Yeni Kuantum Çağı: Bell Teoreminden Kuantum Hesaplama ve Işınlamaya , Oxford University Press, 2011, ISBN  978-0-19-958913-5
  • Stephen Hawking. Eşyaların Yapıldığı Düşler , Koşu Basın, 2011, ISBN  978-0-76-243434-3
  • A.Douglas Taş. Einstein ve Kuantum, Valiant Swabian Quest , Princeton University Press, 2006.
  • Richard P. Feynman. QED: Işığın ve Maddenin Garip Teorisi . Princeton University Press, 2006. Baskı.

Dış bağlantılar