Teori Quantum

Teori Quantum berkembang sebagai cabang baru teori fisika selama beberapa dekade pertama abad ke-20 dalam usaha untuk memahami sifat-sifat dasar materi. Hal ini dimulai dengan mempelajari interaksi materi dan radiasi. Efek radiasi tertentu tidak dapat dijelaskan oleh mekanika klasik, atau dengan teori elektromagnetisme. Secara khusus, fisikawan dibuat bingung oleh sifat cahaya. Garis aneh dalam spektrum sinar matahari telah ditemukan sebelumnya oleh Joseph von Fraunhofer (1787-1826). Garis-garis spektral kemudian sistematis katalog untuk berbagai zat, namun tak ada yang bisa menjelaskan mengapa garis spektrum yang ada dan mengapa mereka akan berbeda untuk setiap zat. Butuh waktu sekitar seratus tahun, sampai penjelasan yang masuk akal itu dipasok oleh teori kuantum

Teori kuantum adalah tentang sifat materi.

Berbeda dengan Relativitas Einstein, yang tentang hal-hal terbesar di alam semesta, teori kuantum berurusan dengan hal-hal terkecil yang kita ketahui, partikel yang terbuat dari atom-atom, yang kita sebut "subatomik" partikel. Berbeda dengan Relativitas, teori kuantum bukanlah pekerjaan satu orang, tetapi usaha kolaborasi dari beberapa fisikawan paling cemerlang abad ke-20, di antara mereka Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Wolfgang Pauli, dan Max Born. Dua nama jelas menonjol: Max Planck (1858-1947) dan Werner Heisenberg (1901-1976). Planck diakui sebagai pencetus teori kuantum, sementara Heisenberg merumuskan salah satu hukum paling terkemuka dari teori kuantum, Prinsip Ketidakpastian, yang kadang-kadang juga disebut sebagai prinsip ketidakpastian

teori kuantum adalah tentang sifat materi.

Berbeda dengan Relativitas Einstein, yang tentang hal-hal terbesar di alam semesta, teori kuantum berurusan dengan hal-hal terkecil yang kita ketahui, partikel yang terbuat dari atom-atom, yang kita sebut "subatomik" partikel. Berbeda dengan Relativitas, teori kuantum bukanlah pekerjaan satu orang, tetapi usaha kolaborasi dari beberapa fisikawan paling cemerlang abad ke-20, di antara mereka Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Wolfgang Pauli, dan Max Born. Dua nama jelas menonjol: Max Planck (1858-1947) dan Werner Heisenberg (1901-1976). Planck diakui sebagai pencetus teori kuantum, sementara Heisenberg merumuskan salah satu hukum paling terkemuka dari teori kuantum, Prinsip Ketidakpastian, yang kadang-kadang juga disebut sebagai prinsip ketidakpastian.

konstanta Planck: Energi tidak kontinyu.

Sekitar tahun 1900, Max Planck dari Universitas Kiel peduli dirinya dengan pengamatan dari radiasi bahan dipanaskan. Dia berusaha untuk menarik kesimpulan dari radiasi ke atom radiasi. Berdasarkan data empiris, ia mengembangkan suatu formula baru yang kemudian menunjukkan perjanjian yang luar biasa dengan pengukuran akurat dari spektrum radiasi panas. Hasil dari rumus ini sehingga energi selalu dipancarkan atau diserap dalam unit diskrit, yang ia sebut quanta. Mengembangkan teori kuantum Planck-nya lebih lanjut dan yang berasal universal konstan, yang kemudian dikenal sebagai konstanta Planck. Undang-undang menyatakan bahwa energi yang dihasilkan dari masing-masing kuantum sama dengan frekuensi radiasi dikalikan dengan konstanta universal: E = f * h, dimana h adalah 6,63 * 10E-34 Js. Penemuan fisika merevolusi quanta, karena bertentangan dengan ide-ide konvensional tentang sifat radiasi dan energi.

Model atom Bohr.

Untuk memahami inti dari pandangan kuantum materi, kita harus kembali ke model dominan abad ke-19 materi. Para ilmuwan pada saat itu percaya-seperti atomists Yunani-materi yang terdiri dari dibagi, atom padat, sampai Rutherford membuktikan sebaliknya.
Fisikawan Inggris Ernest Rutherford (1871-1937) eksperimental menunjukkan bahwa atom tidak padat seperti sebelumnya diasumsikan tetapi bahwa ia memiliki struktur internal yang terdiri dari inti kecil padat tentang yang elektron dalam orbit lingkaran.

Model atom Bohr Niels Bohr (1885-1962) halus model Rutherford dengan memperkenalkan orbit yang berbeda di mana elektron berputar inti. Model ini masih digunakan dalam kimia. Elemen dibedakan dengan "nomor atom" mereka, yang menentukan jumlah proton dalam inti atom. Elektron diadakan di orbit mereka melalui daya tarik listrik antara inti positif dan elektron negatif. Bohr menyatakan bahwa elektron masing-masing memiliki jumlah tetap tertentu energi, yang sesuai dengan orbit tetapnya. Karena itu, ketika elektron menyerap energi, melompat ke orbit berikutnya yang lebih tinggi daripada terus bergerak antara orbit. Karakteristik elektron memiliki jumlah energi tetap (kuanta) juga dikenal sebagai teori kuantum dari atom.

Model tersebut dikenakan kesamaan yang mencolok dengan model Newton tata surya kita. Elektron mengitari inti, seperti planet berputar mengelilingi matahari. Oleh karena itu tidak mengherankan bahwa fisikawan mencoba menerapkan mekanika klasik dengan struktur atom. Pasukan antara inti dan elektron yang disamakan dengan gaya gravitasi antara benda-benda angkasa. Ide ini bekerja cukup baik untuk atom hidrogen, yang paling sederhana dari semua elemen, tetapi gagal untuk menjelaskan perilaku atom yang lebih kompleks.

Jika hal ini tidak jauh dibagi, mengapa harus energi itu?

Gagasan bahwa energi bisa dipancarkan atau diserap hanya di quanta energi diskrit tampak aneh, karena tidak bisa dipasang ke dalam kerangka tradisional fisika. Perilaku kuantum elektron dalam atom tidak hanya bertentangan dengan mekanika klasik, tetapi juga teori elektromagnetik Maxwell, yang dibutuhkan untuk memancarkan jauh energi sementara mengorbit dalam keadaan energi kuantum. Bahkan Max Planck, yang adalah orang yang konservatif, awalnya meragukan penemuan sendiri. Pandangan tradisional adalah bahwa energi mengalir dalam sebuah kontinum seperti sungai, mulus tak terputus air. Bahwa harus ada kesenjangan antara entitas diskrit energi tampak sepenuhnya tidak masuk akal. Bahkan, gagasan Planck hanya mendapat kepercayaan ketika Einstein menggunakannya pada tahun 1905 untuk menjelaskan efek fotolistrik. - Setelah semua, jika materi tidak jauh dibagi, mengapa harus energi itu?

Dalam perjalanan waktu, fisikawan turun lebih dalam bidang atom. Model atom Bohr adalah sangat berhasil menggambarkan spektrum dari atom hidrogen dengan menggunakan rumus Planck untuk berhubungan tingkat energi elektron yang berbeda untuk frekuensi yang berbeda dari radiasi cahaya. Sayangnya, hal itu tidak bekerja dengan baik untuk atom yang lebih kompleks, dan teori yang lebih canggih harus dikembangkan. Masalahnya tampaknya berakar pada asumsi bahwa elektron berputar mengelilingi inti seperti sebuah obyek yang masif berkisar pusat gravitasi. De Broglie, Schrödinger, dan Heisenberg menunjukkan bahwa mekanika klasik harus ditinggalkan untuk menggambarkan dunia sub-atomik memadai. Dalam inferensi tidak kurang dramatis dari penemuan Planck quanta, mereka menyatakan bahwa partikel tidak benar-benar memiliki lintasan atau garis edarnya, apalagi yang mereka berperilaku seperti bola yang ditembak melalui koridor atau berbalik pada akhir sebuah kabel.

Dualitas gelombang-partikel.

Sama seperti cahaya dianggap memiliki sifat ganda, kadang-kadang menunjukkan karakteristik gelombang, dan kadang-kadang yang dari partikel (foton), teori kuantum atribut sifat yang dual serupa gelombang-partikel partikel sub-atomik. Elektron yang mengorbit di sekeliling inti berinteraksi satu sama lain dengan menunjukkan pola interferensi, tidak seperti orang-orang dari interferensi gelombang. Jika kecepatan elektron adalah dianggap sebagai panjang gelombang, puncak-puncak gelombang elektron tetangga memperkuat atau membatalkan satu sama lain, sehingga menciptakan pola yang sesuai dengan orbit Bohr diperbolehkan.
Model Probabilitas awan model Bohr atom itu digantikan oleh model awan probabilitas yang menggambarkan realitas fisik yang lebih baik. Awan orbital adalah deskripsi matematis dari mana elektron dalam atom yang paling mungkin untuk ditemukan, yang berarti model ini menunjukkan distribusi spasial elektron. Gambar (disederhanakan) ke kiri menunjukkan awan probabilitas elektron dalam molekul air.
Bahkan model awan adalah perkiraan saja. Perhitungan distribusi aktual elektron dalam atom sangat melelahkan dan hasilnya terlalu rumit untuk digambarkan dalam suatu model 3D single layer.

Tentang bertingkah elektron, atau: model awan probabilitas.

Sifat elektron tampaknya aneh. Tampaknya mereka ada di tempat yang berbeda di berbagai titik dalam waktu, tetapi tidak mungkin untuk mengatakan di mana elektron akan berada pada suatu waktu tertentu. Pada saat t1 itu pada titik A, maka pada saat t2 itu adalah pada titik B, namun tanpa bergerak dari A ke B. tampaknya muncul di tempat yang berbeda tanpa menjelaskan lintasan. Oleh karena itu, bahkan jika t1 dan A dapat menunjuk, adalah mustahil untuk menurunkan t2 dan B dari pengukuran ini. Dengan kata lain: Sepertinya tidak ada hubungan kausal antara dua posisi. Konsep kausalitas tidak dapat diterapkan pada apa yang diamati. Dalam kasus elektron dari atom, yang paling dekat kita bisa untuk menjelaskan posisi elektron adalah dengan memberikan angka untuk kemungkinan itu berada di suatu tempat tertentu. Selain itu, partikel memiliki lain "mengganggu" properti: Mereka memiliki kecenderungan untuk membusuk menjadi partikel lain atau menjadi energi, dan kadang-kadang-dalam situasi khusus-mereka bergabung dan membentuk partikel baru. Mereka melakukannya setelah rentang waktu tak tentu. Meskipun kita dapat membuat pernyataan statistik tentang seumur hidup partikel, adalah mustahil untuk memprediksi nasib suatu partikel individu.

Apakah fisika kuantum katakan tentang alam semesta?

Bisakah kita mendapatkan pengetahuan baru tentang alam semesta dari fisika kuantum? Setelah semua, seluruh alam semesta terdiri dari sejumlah besar yang tak terbayangkan materi dan energi. Sepertinya menjadi sangat penting untuk memahami teori kuantum benar dalam pandangan struktur skala besar kosmos. Sebagai contoh, pertanyaan yang menarik dalam konteks ini adalah mengapa materi di alam semesta diamati dikemas bersama dalam galaksi dan tidak merata di seluruh ruang angkasa. Mungkinkah ada hubungannya dengan karakteristik kuantum energi? Apakah efek kuantum yang bertanggung jawab dalam hal pembentukan entitas diskrit, bukannya menyebar merata selama kelahiran alam semesta? Jawaban atas pertanyaan ini masih diperdebatkan.

Jika kesimpulan kosmologis tampaknya bekerja keras, kita mungkin dapat memperoleh wawasan filosofis dari fisika kuantum. Setidaknya Fritjof Capra berpikir ini mungkin ketika ia menggambarkan kesejajaran antara fisika modern dan filsafat Timur kuno dalam bukunya The Tao Fisika. Dia menyatakan bahwa dengan cara, esensi fisika modern adalah sebanding dengan ajaran filsafat Timur kuno, seperti Tao Te Ching Cina, India Upanishad, atau Sutra Buddhis. filsafat Timur sepakat dalam titik bahwa realitas tidak dapat digambarkan dan didekati, tidak hanya dalam hal bahasa umum, tetapi juga dalam bahasa matematika. Artinya, sains dan matematika harus gagal pada tahap tertentu dalam menggambarkan realitas terdalam. Kita melihat contohnya di Prinsip Ketidakpastian, yang dijelaskan pada bagian berikut.

Molekul dan atom tidak dapat dibagi menjadi unit independen. Semua bagian berinteraksi di semua tingkat.

Tulisan suci oriental setuju pada titik bahwa semua realitas diamati dan describable adalah manifestasi dari prinsip dasar yang sama "ilahi". Meskipun banyak fenomena dunia yang tampaknya tidak berhubungan diamati, mereka semua kembali ke sumber yang sama. Hal-hal yang saling terkait dan saling tergantung untuk gelar tak terduga, seperti partikel dalam atom adalah. Meskipun elektron dalam atom dapat dianggap sebagai partikel individu, mereka tidak benar-benar partikel individu, karena hubungan gelombang rumit yang ada di antara mereka. Oleh karena itu, model awan elektron menjelaskan struktur atom lebih memadai. Jumlah elektron dalam atom tidak dapat dipisahkan dari inti, yang memiliki struktur senyawa itu sendiri dan tidak dapat dianggap sebagai entitas yang terpisah. Jadi, dalam keanekaragaman hal ada persatuan. Materi banyak hal dan satu hal pada waktu yang sama.

Tulisan suci Timur mengatakan bahwa tidak ada pernyataan tentang dunia ini akhirnya berlaku ("The Tao yang bisa dikatakan bukan Tao yang kekal." Tao Te Ching, Ayat 1), karena tidak bahkan bahasa yang paling rumit mampu rendering model yang sempurna alam semesta. Ilmu sering dibandingkan dengan pohon yang cabang-cabang keluar ke banyak arah. Disposisi fisika adalah bahwa ia mengikuti pohon ke atas untuk cabang-cabangnya dan daun, sedangkan meta-fisika mengikutinya ke akar. Apakah cabang-cabang di luar pengetahuan peregangan tanpa batas masih menjadi bahan perdebatan. Namun, tampak bahwa penemuan paling ilmiah tidak hanya menjawab pertanyaan, tetapi juga meningkatkan yang baru.

Filsuf Jerman, FriedrichHegel dirumuskan ide pada awal abad ke-19 yang menjelaskan proses ini. Ia mengusulkan tiga serangkai dialektika tesis, antitesis, dan sintesis, di mana ide (tesis) selalu berisi ketidaklengkapan dan dengan demikian menghasilkan ide yang bertentangan (antitesis). Sebuah titik pandang ketiga (sintesis) muncul, yang mengatasi konflik dengan mendamaikan kebenaran yang terkandung dalam kedua tesis, dan antitesis, pada tingkat yang lebih tinggi pemahaman. Sintesis kemudian menjadi tesis baru, menghasilkan antitesis lain, dan proses dimulai atas. Pada bagian berikutnya, kita akan melihat bagaimana fisika abad ke-20 merupakan perwujudan prinsip dialektik Hegel. Kami juga akan melihat dari dekat implikasi filosofis dari Prinsip Ketidakpastian Heisenberg