История квантовой механики - History of quantum mechanics
История квантовой механики является фундаментальной частью истории современной физики . История квантовой механики, поскольку она переплетается с историей квантовой химии , началась по существу с ряда различных научных открытий: открытия катодных лучей Майклом Фарадеем в 1838 году ; зимняя постановка проблемы излучения черного тела Густавом Кирхгофом в 1859–60 ; предположение 1877 года Людвига Больцмана о том, что энергетические состояния физической системы могут быть дискретными ; открытие фотоэлектрического эффекта по Герца в 1887 году; и квантовая гипотеза 1900 года Макса Планка о том, что любую излучающую энергию атомную систему теоретически можно разделить на ряд дискретных «энергетических элементов» ε (греческая буква эпсилон ), так что каждый из этих энергетических элементов пропорционален частоте ν, с которой каждый из них индивидуально излучают энергию , как определено следующей формулой:
где h - числовое значение, называемое постоянной Планка .
Затем Альберт Эйнштейн в 1905 году, чтобы объяснить фотоэлектрический эффект, о котором ранее сообщил Генрих Герц в 1887 году, постулировал в соответствии с квантовой гипотезой Макса Планка, что сам свет состоит из отдельных квантовых частиц, которые в 1926 году Гилберт Н. назвал фотонами . Льюис . Фотоэлектрический эффект наблюдался при освещении света определенной длины волны на определенных материалах, таких как металлы, что вызывало выброс электронов из этих материалов только в том случае, если энергия светового кванта была больше, чем работа выхода поверхности металла.
Фраза «квантовая механика» была придумана (на немецком языке Quantenmechanik ) группой физиков, включая Макса Борна , Вернера Гейзенберга и Вольфганга Паули , в Геттингенском университете в начале 1920-х годов и впервые использовалась в статье Борна 1924 года «Zur. Quantenmechanik " . В последующие годы эту теоретическую основу начали постепенно применять к химической структуре , реакционной способности и связи .
Предшественники и "старая квантовая теория"
В начале 19 века химические исследования Джона Далтона и Амедео Авогадро придали вес атомной теории материи - идее, на основе которой Джеймс Клерк Максвелл , Людвиг Больцман и другие основали кинетическую теорию газов . Успехи кинетической теории еще больше укрепили идею о том, что материя состоит из атомов, однако у теории также были недостатки, которые можно было бы устранить только с развитием квантовой механики. Существование атомов не было общепризнанным ни среди физиков, ни среди химиков; Эрнст Мах , например, был стойким антиатомистом.
Людвиг Больцманн предположил в 1877 году, что уровни энергии физической системы, такой как молекула , могут быть дискретными (а не непрерывными). Обоснование Больцмана наличия дискретных уровней энергии в молекулах, таких как уровни газообразного йода, берет свое начало в его теориях статистической термодинамики и статистической механики и было подкреплено математическими аргументами, как и двадцать лет спустя с первой квантовой теорией. выдвинут Максом Планком .
В 1900 году немецкий физик Макс Планк, который никогда не верил в дискретные атомы, неохотно ввел идею квантования энергии , чтобы вывести формулу наблюдаемой частотной зависимости энергии, излучаемой черным телом , называемую законом Планка , которая гласит: включает распределение Больцмана (применимое в классическом пределе). Закон Планка можно сформулировать следующим образом:
- куда:
- I ( ν , T ) - энергия в единицу времени (или мощность ), излучаемая на единицу площади излучающей поверхности в нормальном направлении на единицу телесного угла на единицу частоты черным телом при температуре T ;
- h - постоянная Планка ;
- c - скорость света в вакууме;
- k - постоянная Больцмана ;
- ν ( nu ) - частота электромагнитного излучения; а также
- T - температура тела в кельвинах .
Раннее приближение Вина можно вывести из закона Планка, допустив .
В 1905 году Альберт Эйнштейн использовал кинетическую теорию для объяснения броуновского движения . Французский физик Жан Батист Перрен использовал модель из статьи Эйнштейна для экспериментального определения массы и размеров атомов, тем самым дав прямую эмпирическую проверку атомной теории. Также в 1905 году Эйнштейн объяснил фотоэлектрический эффект , постулировав, что свет или, в более общем смысле, все электромагнитное излучение можно разделить на конечное число «квантов энергии», которые являются локализованными точками в пространстве. Во вводной части своей квантовой статьи от марта 1905 г. «Об эвристической точке зрения на излучение и преобразование света» Эйнштейн утверждает:
"Согласно предполагаемому здесь допущению, когда луч света распространяется из точки, энергия не распределяется непрерывно по постоянно увеличивающимся пространствам, а состоит из конечного числа« квантов энергии », которые локализованы в точках пространства. , двигаться без разделения и могут быть поглощены или созданы только как единое целое ".
Это утверждение назвали самым революционным приговором, написанным физиком двадцатого века. Эти кванты энергии позже стали называть « фотонами » - термин, введенный Гилбертом Н. Льюисом в 1926 году. Идея о том, что каждый фотон должен состоять из энергии в терминах квантов, была замечательным достижением; он эффективно решил проблему получения излучения черного тела бесконечной энергии , которая возникла бы в теории, если бы свет можно было объяснить только в терминах волн. В 1913 г. Бор объяснил спектральные линии на атоме водорода , снова используя квантование в своей статье июля 1913 О Конституции атомов и молекул . В модели Бора атом водорода изображается как тяжелое положительно заряженное ядро, на орбите которого движется легкий отрицательно заряженный электрон. Электрон может существовать только на определенных, дискретно разделенных орбитах, обозначенных их угловым моментом , который ограничен целым числом, кратным приведенной постоянной Планка . Ключевой успех модели заключался в объяснении формулы Ридберга для спектральных эмиссионных линий атомарного водорода . Хотя формула Ридберга была известна экспериментально, она не получила теоретического обоснования до тех пор, пока не была введена модель Бора. Модель Бора не только объясняла причины структуры формулы Ридберга, но и обеспечивала обоснование фундаментальных физических констант, составляющих эмпирические результаты формулы.
Кроме того, применение квантовой теории Планки к электрону позволило Прокоему в 1911-1913, и впоследствии Нильс Бор в 1913 г., чтобы вычислить магнитный момент от электрона , который позже был назван « магнетоном ;» подобные квантовые вычисления, но с численно весьма различными значениями, впоследствии стало возможным для обоих магнитных моментов в протона и нейтрона , которые три порядка меньше , чем у электрона.
Эти теории, хотя и были успешными, были строго феноменологическими : в то время не существовало строгого обоснования квантования , за исключением, возможно, обсуждения теории Планка Анри Пуанкаре в его статье 1912 года « Sur la théorie des Quanta» . Все вместе они известны как старая квантовая теория .
Фраза «квантовая физика» впервые была использована в книге Джонстона «Вселенная Планка в свете современной физики» (1931).
В 1923 году французский физик Луи де Бройль выдвинул свою теорию волн материи, заявив, что частицы могут проявлять волновые характеристики и наоборот. Эта теория была для отдельной частицы и получена из специальной теории относительности . Основываясь на подходе де Бройля, современная квантовая механика родилась в 1925 году, когда немецкие физики Вернер Гейзенберг , Макс Борн и Паскуаль Джордан разработали матричную механику, а австрийский физик Эрвин Шредингер изобрел волновую механику и нерелятивистское уравнение Шредингера как приближение обобщенный случай теории де Бройля. Впоследствии Шредингер показал, что эти два подхода эквивалентны. Первыми приложениями квантовой механики к физическим системам были алгебраическое определение спектра водорода Вольфгангом Паули и рассмотрение двухатомных молекул Люси Менсинг .
Людвиг Больцман «ы схема I 2 молекулы , предложенной в 1898 г. , показывающая атомную„чувствительная область“(α, р) перекрытия.
С понижением температуры пик кривой излучения абсолютно черного тела смещается в сторону более длинных волн, а также имеет меньшую интенсивность. Кривые излучения черного тела (1862 г.) слева также сравниваются с ранней классической предельной моделью Рэлея и Джинса (1900 г.), показанной справа. Коротковолновая сторона кривых была аппроксимирована еще в 1896 г. законом распределения Вина .
Квантовая модель атома водорода Нильса Бора 1913 года.
Современная квантовая механика
Гейзенберг сформулировал раннюю версию принципа неопределенности в 1927 году, анализируя мысленный эксперимент, в котором пытались одновременно измерить положение и импульс электрона . Однако Гейзенберг не дал точных математических определений того, что означает «неопределенность» в этих измерениях - шаг, который вскоре предприняли Эрл Гессе Кеннард , Вольфганг Паули и Герман Вейль . Примерно с 1927 года Поль Дирак начал процесс объединения квантовой механики со специальной теорией относительности , предложив уравнение Дирака для электрона . Уравнение Дирака достигает релятивистского описания волновой функции электрона, которое Шредингеру не удалось получить. Он предсказывает спин электрона и привел Дирака к предсказанию существования позитрона . Он также был пионером в использовании теории операторов, в том числе влиятельных скобочных обозначений , как описано в его знаменитом учебнике 1930 года. В тот же период венгерский эрудит Джон фон Нейман сформулировал строгую математическую основу квантовой механики как теорию линейных операторов в гильбертовых пространствах, как описано в его также известном учебнике 1932 года . Они, как и многие другие произведения периода основания, до сих пор стоят и широко используются.
Область квантовой химии была впервые физиками Гайтлера и Фриц Лондона , который опубликовал исследование ковалентной связи в молекуле водорода в 1927. квантовой химии впоследствии было разработан с большим количеством работников, в том числе американского теоретического химика Лайнус Полинг в Калифорнийский технологический институт и Джон С. Слейтер в различные теории, такие как теория молекулярной орбиты или теория валентности.
Квантовая теория поля
Начиная с 1927 года исследователи пытались применить квантовую механику к полям вместо отдельных частиц, что привело к квантовым теориям поля . Первыми работниками в этой области являются П.А.М. Дирак , В. Паули , В. Вайскопф и П. Джордан . Эта область исследований завершились в формулировке квантовой электродинамики по Р. П. Фейнман , Ф. Дайсона , J. Швингера и С. Томонаги в течение 1940 - х годов. Квантовая электродинамика описывает квантовую теорию электронов , позитронов и электромагнитного поля и служит моделью для последующих квантовых теорий поля .
Теория квантовой хромодинамики была сформулирована в начале 1960-х годов. Теория в том виде, в каком мы ее знаем сегодня, была сформулирована Политцером , Гроссом и Вильчеком в 1975 году.
Основываясь на новаторских работах Швингера , Хиггса и Голдстоуна , физики Глэшоу , Вайнберг и Салам независимо друг от друга показали, как слабое ядерное взаимодействие и квантовая электродинамика могут быть объединены в одну электрослабую силу , за что они получили Нобелевскую премию по физике 1979 года .
Квантовая информация
Квантовая информатика развивалась в последних десятилетиях 20 - го века, начиная с теоретическими результатами , как теорема Holevo в , понятие обобщенных измерений или POVMs , предложение распределения квантового ключа по Беннетам и Brassard и алгоритм Шора .
Основополагающие эксперименты
- Эксперимент Томаса Янга с двумя щелями, демонстрирующий волновую природу света. (ок. 1801 г.)
- Анри Беккерель обнаруживает радиоактивность . (1896)
- Эксперименты с электронно-лучевой трубкой Дж. Дж. Томсона (обнаруживает электрон и его отрицательный заряд). (1897)
- Изучение излучения черного тела между 1850 и 1900 годами, которое невозможно объяснить без квантовых концепций.
- Фотоэлектрический эффект : Эйнштейн объяснил это в 1905 году (и позже получил Нобелевскую премию за него) с использованием концепции фотонов, частицы света с квантованной энергией.
- Эксперимент Роберта Милликена с каплей масла , который показал, что электрический заряд возникает в виде квантов (целых единиц). (1909)
- Эксперимент Эрнеста Резерфорда с золотой фольгой опроверг модель атома, основанную на сливовом пудинге, которая предполагала, что масса и положительный заряд атома распределены почти равномерно. Это привело к планетарной модели атома (1911 г.).
- Эксперимент Джеймса Франка и Густава Герца при столкновении электронов показывает, что поглощение энергии атомами ртути квантовано. (1914)
- Отто Штерн и Вальтер Герлах проводят эксперимент Штерна-Герлаха , демонстрирующий квантованную природу спина частиц . (1920)
- Артур Комптон с экспериментом по комптоновскому рассеянию (1923)
- Клинтон Дэвиссон и Лестер Гермер демонстрируют волновую природу электрона в эксперименте по дифракции электронов . (1927)
- Карл Дэвид Андерсон с открытием позитрона (1932) подтвердил теоретическое предсказание Пола Дирака об этой частице (1928).
- Lamb - Retherford эксперимент обнаружил Lamb сдвиг (1947), которая привела к развитию квантовой электродинамики .
- Клайд Л. Коуэн и Фредерик Райнс подтверждают существование нейтрино в нейтринном эксперименте . (1955)
- Клаусса Йонссон «ы двухщелевой эксперимент с электронами. (1961)
- Квантовый эффект Холла , обнаруженный в 1980 году Клаус фон Клитцингу . Квантованная версия эффекта Холла позволила определить новый практический стандарт электрического сопротивления и чрезвычайно точное независимое определение постоянной тонкой структуры .
- Экспериментальная проверка в квантовой запутанности от Джона Клаузера и Стюарт Фридман . (1972)
- Мах-Цандер эксперимента , проведенный Пол Kwiat, Гарольд Wienfurter, Томас Херцог, Цайлингер и Марк Касевич, обеспечивая экспериментальную проверку бомбы тестера Elitzur-Вайдман , доказав И возможно. (1994)
Смотрите также
использованная литература
дальнейшее чтение
- Бачиагалуппи, Гвидо; Валентини, Энтони (2009), Квантовая теория на перепутье: пересмотр Сольвеевской конференции 1927 г. , Кембридж, Великобритания: Cambridge University Press, стр. 9184, arXiv : Quant-ph / 0609184 , Bibcode : 2006quant.ph..9184B , ISBN 978-0-521-81421-8, OCLC 227191829
- Бернштейн, Джереми (2009), Quantum Leaps , Кембридж, Массачусетс: Belknap Press of Harvard University Press, ISBN 978-0-674-03541-6
- Крамер, JG (2015). Квантовое рукопожатие: запутанность, нелокальность и транзакции . Springer Verlag. ISBN 978-3-319-24642-0.
- Гринбергер, Даниэль, Хентшель, Клаус , Вайнерт, Фридель (ред.) Сборник квантовой физики . Концепции, эксперименты, история и философия , Нью-Йорк: Springer, 2009. ISBN 978-3-540-70626-7 .
- Джаммер, Макс (1966), Концептуальное развитие квантовой механики , Нью-Йорк: McGraw-Hill, OCLC 534562
- Джаммер, Макс (1974), Философия квантовой механики: Интерпретации квантовой механики в исторической перспективе , Нью-Йорк: Wiley, ISBN 0-471-43958-4, OCLC 969760
- F. Bayen, M. Flato, C. Fronsdal, A. Lichnerowicz и D. Sternheimer, Теория деформации и квантование I и II, Ann. Phys. (NY) , 111 (1978), стр. 61–151.
- Д. Коэн, Введение в гильбертово пространство и квантовую логику , Springer-Verlag, 1989. Это подробное и хорошо иллюстрированное введение.
- Финкельштейн, Д. (1969), Материя, пространство и логика , Бостонские исследования в области философии науки, V , стр. 1969, DOI : 10.1007 / 978-94-010-3381-7_4 , ISBN 978-94-010-3383-1.
- А. Глисон. Меры на замкнутых подпространствах гильбертова пространства, Журнал математики и механики , 1957.
- Р. Кадисон. Изометрии операторных алгебр, Annals of Mathematics , Vol. 54, с. 325–38, 1951.
- Г. Людвиг. Основы квантовой механики , Springer-Verlag, 1983.
- Г. Макки. Математические основы квантовой механики , WA Benjamin, 1963 (перепечатка в мягкой обложке Dover 2004).
- Р. Омнес. Понимание квантовой механики , Princeton University Press, 1999. (Обсуждает логические и философские вопросы квантовой механики, уделяя особое внимание истории предмета).
- Н. Папаниколау. Формальные рассуждения о квантовых системах: обзор , ACM SIGACT News, 36 (3), стр. 51–66, 2005.
- С. Пирон. Основы квантовой физики , В.А. Бенджамин, 1976.
- Герман Вейль. Теория групп и квантовая механика , Dover Publications, 1950.
- А. Уитакер. Новый квантовый век: от теоремы Белла до квантовых вычислений и телепортации , Oxford University Press, 2011, ISBN 978-0-19-958913-5
- Стивен Хокинг. Мечты, из которых сделан материал , Running Press, 2011, ISBN 978-0-76-243434-3
- А. Дуглас Стоун. Эйнштейн и квант, поиски доблестного швабца , Princeton University Press, 2006.
- Ричард П. Фейнман. QED: Странная теория света и материи . Издательство Принстонского университета, 2006. Печать.