Κβαντική Φυσική

Κβαντική Φυσική

Η Κβαντική Φυσική ή Κβαντομηχανική, είναι μία αξιωματικά θεμελιωμένη φυσική θεωρία που επεκτείνει και διορθώνει την Νευτώνεια θεωρία και περιγράφει τη συμπεριφορά της ύλης σε μικροσκοπικές κλίμακες, ειδικά στο ατομικό και υποατομικό επίπεδο.

Εισαγωγή
Ο όρος κβάντο (Λατινικά, quantum, σημαίνει ποσό, ποσότητα, κάτι που μπορεί να μετρηθεί) αναφέρεται σε διακριτές μονάδες που χαρακτηρίζουν συγκεκριμένες φυσικές ποσότητες, όπως η ενέργεια ενός ατόμου υλης σε κατάσταση ηρεμίας.

Η κβαντομηχανική είναι μια θεωρία Μηχανικής. Θεωρείται από πολλούς ως πιο θεμελιώδης από την Κλασσική Μηχανική, καθώς σε έναν αιώνα πειραματισμού δεν έχει διαψευστεί.

Η κβαντομηχανική βρίσκεται πίσω από πολλά φυσικά φαινόμενα και ιδιαιτέρως τα χημικά φαινόμενα.

Η κβαντομηχανική εξηγεί τουλάχιστον τρεις κλάσεις φαινομένων που η Κλασσική Μηχανική και η κλασσική Ηλεκτροδυναμική αδυνατούν να αναλύσουν:
 * 1) την κβάντωση (διακριτοποιήση) πολλών φυσικών ποσοτήτων
 * 2) τον κυματοσωματιδιακό δυϊσμό
 * 3) τον κβαντικό εναγκαλισμό

Σε συγκεκριμένες περιπτώσεις, οι νόμοι που περιγράφουν τα κβαντικά φαινόμενα συγκλίνουν με τους νόμους της κλασσικής μηχανικής. Η περίπτωση αυτή είναι γνωστή ως Αρχή Αντιστοιχίας, που αρχικά συνέλαβε ο Νηλς Bohr.

Ιστορία
Η κβαντομηχανική θεμελιώθηκε στο πρώτο μισό του 20ού αιώνα από τους Planck, Einstein, Bohr, Heisenberg, Schrodinger, Born, Neumann, Dirac, Pauli, και άλλους.

Στις αρχές του 20ού αιώνα μερικά πειράματα παρήγαγαν αποτελέσματα που δεν θα μπορούσαν να εξηγηθούν από την Κλασσική Φυσική (δηλ. την επιστήμη που αναπτύχθηκε από τους Γαλιλαίο, τον Ισαάκ Νεύτωνα, κ.λπ.).

Επιπλέον ήταν αρκετά γνωστό ότι τα ηλεκτρόνια κινούνταν σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου. Εν τούτοις, εάν συνέβαινε αυτό, με έναν τρόπο που έμοιαζε με την περιφορά των πλανητών γύρω από τον ήλιο, η Κλασσική Φυσική πρόβλεπε ότι τα ηλεκτρόνια θα κινούνταν σπειροειδώς συνεχώς προς τα μέσα και θα συντρίβονταν στον πυρήνα εντός ενός κλάσματος του δευτερολέπτου. Αλλά αυτό δεν συμβαίνει, γιατί ή ζωή όπως την ξέρουμε δεν θα υπήρχε. (Η χημεία εξαρτάται από την αλληλεπίδραση των ηλεκτρονίων με τα άτομα, και η ζωή εξαρτάται από τη χημεία).

Εκείνη η ανακριβής πρόβλεψη, μαζί με μερικά άλλα πειράματα που η κλασσική φυσική δεν μπορούσε να εξηγήσει, έδειξε στους επιστήμονες ότι κάτι νέο απαιτείται για να εξηγήσει τι συμβαίνει στο ατομικό επίπεδο.

Περιγραφή Θεωρίας
Υπάρχουν διάφορες μαθηματικές θεμελιώσεις περί της κβαντικής μηχανικής. Μια από τις πιο παλιές και κοινά χρησιμοποιούμενες είναι αυτή της θεωρίας της μετατροπής θεμελιωμένη από τον Πωλ Ντιράκ, η οποία ενώνει και γενικοποιεί δύο προηγούμενες θεμελιώσεις, εκείνη της θεωρίας των πινάκων ή μητρών του Βέρνερ Χάϊζενμπεργκ και της κυματομηχανικής θεωρίας του Έρβιν Σρέντινγκερ. Σε αυτή την θεωρία η στιγμιαία κατάσταση ενός κβαντικού συστήματος αποδίδεται με τη μορφή μετρήσεων των πι8ανοτήτων των "παρατηρήσιμων" ιδιοτήτων του ( παρατηρήσιμες ιδιότητες είναι η ενέργεια, η θέση, η ορμή και η γωνιακή ορμή). Παρατηρήσιμες μεταβλητές μπορούν να είναι είτε συνεχείς (π.χ. η θέση ενός σωματιδίου), είτε διάκριτες (π.χ. η ενέργεια ενός ηλεκτρονίου ελκούμενο από ένα άτομο υδρογόνου).

Μαθηματική Θεμελίωση
Η κβαντική μηχανική θεμελιώνεται μαθηματικά σύμφωνα με τα παρακάτω:

1. Για κάθε φυσικό σύστημα υπάρχει μία τετραγωνικά ολοκληρώσιμη συνάρτηση Ψ, που ανήκει σε ένα κατάλληλο χώρο Hilbert και ονομάζεται κυματοσυνάρτηση, και περιέχει όλες τις πληροφορίες που μπορούν να εξαχθούν για το σύστημα.

2. Σε κάθε φυσικό μέγεθος αντιστοιχεί ένας κατάλληλος Eρμιτιανός Tελεστής, του οποίου οι ιδιοτιμές είναι τα μοναδικά δυνατά εξαγόμενα μιας μέτρησης.

3. Η εξέλιξη της κυματοσυνάρτησης καθορίζεται από την "εξίσωση Schrödinger".

4. Η ερμηνεία της κυματοσυνάρτησης είναι, σύμφωνα με την Σχολή της Κοπεγχάγης, μια στατιστική ερμηνεία.

5. Η μέτρηση ενός μεγέθους και η εύρεση μίας ιδιοτιμής του αντίστοιχου τελεστή αλλάζει το σύστημα έτσι ώστε αμέσως μετά τη μέτρηση να περιγράφεται από το αντίστοιχο ιδιοδιάνυσμα της ιδιοτιμής που μετρήθηκε (αρχή του φιλτραρίσματος).

Υλο-κυματικός Δυισμός
Η διττή φύση (σωματίδιο ή κύμα) της ύλης είναι μια επιστημονολογική πλάνη η οποία βασάνισε τους φυσικούς στις αρχές του 1920 όταν θεμελιώθηκε η Κβαντική Μηχανική.


 * Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα είναι ότι η ύλη είναι πραγματικά σωματιδιακή με ιδιότητες αιτιοκρατικές (δηλ. τα μετρούμενα φυσικά μεγέθη των κλασσικών σωματιδίων έχουν στατιστική κατανομή η οποία υπακούει σε συγκεκριμένους μαθηματικούς νόμους).


 * Τα φαινόμενα περίθλασης και συμβολής που εμφανίζει η ύλη (π.χ. μία δέσμη ηλεκτρονίων) δεν υποδεικνύουν κυματική φύση αλλά κυματική συμπεριφορά. Η ουσιώδης διαφορά μεταξύ αυτών των δυο εννοιών είναι ότι μπορούμε να ομιλούμε για κυματική φύση ενός σωματιδίου μόνο αν κάποιο φυσικό μέγεθος, που το χαρακτηρίζει, «κυμαίνεται» δηλαδή η χρονική του εξέλιξη δίνεται από διαφορική εξίσωση παρόμοια με αυτήν του κύματος. Στην περίπτωση της ύλης αυτό που «κυμαίνεται» δεν είναι κάποιο φυσικό χαρακτηριστικό (επομένως κάποιο φυσικό μέγεθος του) του σωματιδίου αλλά η πιθανότητα του να βρεθεί σε κάποιο χωρικό σημείο όταν αποφασίσουμε να μετρήσουμε την θέση του. Για να είμαστε πιο ακριβείς, αυτό που κυμαίνεται σε ένα κβαντικό σωματίδιο είναι η κυματοσυνάρτηση (Ψ) η οποία είναι μία εγγενώς μιγαδική συνάρτηση και δεν έχει καμία απολύτως φυσική σημασία εκτός από το τετράγωνό της (|Ψ|2) που ταυτίζεται με την προαναφερθείσα πιθανότητα. Τα κυματικά φαινόμενα οφείλονται στο ότι η χρονική εξέλιξη της κυματοσυνάρτησης (Ψ), η οποία δίνεται από την εξίσωση Schrodinger, έχει μορφή παραπλήσια με αυτήν της εξίσωσης ενός κύματος, για αυτό και τόσο οι λύσεις τους όσο και τα φαινόμενα στα οποία αντιστοιχούν, είναι παρόμοια. Ωστόσο, υπάρχει μία κρίσιμη διαφορά. Η εξίσωση Schrodinger δεν ομοιάζει απόλυτα με την κυματική εξίσωση καθόσον η πρώτη είναι πρωτοτάξια ως προς το χρόνο ενώ η δεύτερη δευτεροτάξια.

Δεν υπάρχει καμία ιδιότητα ενός σωματιδίου η οποία να χαρακτηρίζεται από έκταση στον χώρο όπως οι ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά των πραγματικών κυμάτων. Η Κβαντική Φυική γενίκευσε και εκλογίκευσε την έννοια του σωματιδίου και των ιδιοτήτων του, χωρίς να δημιουργεί αντιφάσεις μεταξύ βασικών εννοιών.

Ιστογραφία

 * Βικιπαίδεια
 * Livepedia
 * 'Υλη και Φύση
 * Εργαστήριο Φυσικής Σωματιδίων
 * Physics-4u