Chung

Bí mật lượng tử: Lịch sử đã mất của Cơ học lượng tử

Bí mật lượng tử: Lịch sử đã mất của Cơ học lượng tử


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Bởi Tiến sĩ Scott Bembenek

Ngày nay, có vẻ như cơ học lượng tử là một từ gia dụng (và không chỉ ở nhà tôi). Tuy nhiên, trước khi chúng ta có rối lượng tử, đa vũ trụ, con mèo của Schrödinger và lời tố cáo của Einstein về cơ học lượng tử (“Tôi tin chắc rằng [Chúa] không chơi xúc xắc.”), Chúng ta chỉ có “khối” năng lượng, hoặc lượng tử năng lượng. Thật vậy, chính lượng tử năng lượng và công việc của Max Planck đã bắt đầu lý thuyết lượng tử, mà sau này sẽ cung cấp cho chúng ta cơ học lượng tử.

Năm 1879, Max Planck 21 tuổi (1858–1947) nhận bằng Tiến sĩ cho công trình nghiên cứu về entropy, một khái niệm sau này phục vụ rất tốt cho anh ta. Tuy nhiên, sự nghiệp của Planck có một khởi đầu chậm chạp. Ban đầu tập trung chú ý vào các vấn đề trong hóa học vật lý, ông nhận thấy mình kém cạnh tranh hơn với những người như Josiah Willard Gibbs (1839–1903) và Jacobus Henricus van 't Hoff (1852–1911), những người có khả năng thăm dò những vấn đề như vậy tốt hơn với một cái nhìn sâu sắc hơn về hóa học.

Tuy nhiên, vào năm 1894, hiện là giáo sư chính thức tại Đại học Berlin, Planck đã sẵn sàng giải quyết một trong những vấn đề lớn nhất mà vật lý phải đối mặt vào thời điểm đó: sự tương tác kỳ lạ giữa vật chất và ánh sáng thể hiện trong quang phổ người đen. Được thúc đẩy bởi những thành công thực nghiệm vào đầu những năm 1890, Wilhelm Wien (1864–1928) đã đề xuất vào năm 1893 một giải pháp toán học rất tổng quát cho vấn đề được gọi là Wien'sLuật dịch chuyểnvà vào năm 1896, ông đã cung cấp một phiên bản nâng cấp được gọi là Định luật bức xạ của Wien. Tuy nhiên, Wien dựa trên một phép loại suy yếu (với một định luật cơ bản khác), không bao giờ cung cấp một dẫn xuất thực tế chặt chẽ. Tuy nhiên, nó đã cho thấy sự đồng ý tuyệt vời với các kết quả thí nghiệm, và do đó, có vẻ như giải pháp được tìm kiếm từ lâu cho vấn đề bức xạ vật đen cuối cùng đã đến. Planck quyết định xem xét kỹ hơn.

Vào khoảng năm 1898, sau nhiều lần tiếp cận thất bại, Planck đã có thể thu được cái gì sẽ là “phương trình cơ bản” của ông, không có gì khác biệt so với phương trình vật chất cân bằng với ánh sáng. Sử dụng điều này, Luật chuyển vị của Wien và entropy của một máy cộng hưởng (mà ngày nay chúng ta tương đương với một nguyên tử hoặc phân tử), ông đã có thể cung cấp - không giống như Wien - một dẫn xuất thực tế của Định luật Chuyển vị của Wien, được gọi là Luật Wien-Planck. Vì vậy, vào đầu năm 1899, Planck tin chắc rằng ông đã tìm thấy thành công dạng phổ của quang phổ vật đen mà các nhà vật lý đã mong muốn trong gần bốn mươi năm. Nhưng sau đó mọi thứ bắt đầu sáng tỏ.

Ngay sau khi Planck kể lại những nỗ lực của mình (trong phần năm của loạt ấn phẩm kể từ khi ông bắt đầu) thì các thí nghiệm mới bắt đầu chọc thủng lỗ hổng trong Định luật Wien-Planck - Planck đã mắc sai lầm ở đâu đó. Nhanh chóng đánh giá lại suy luận ban đầu của mình, anh ta tìm ra sai lầm của mình (đó là trong entropy của phép tính cộng hưởng) và có thể đi đến dạng chính xác của quang phổ vật đen (tức là Định luật bức xạ của Planck), hiện đã hoàn toàn phù hợp với thử nghiệm. Tại thời điểm này, Planck có thể dừng lại và chuyển sang một vấn đề khác, đảm bảo rằng ông sẽ đoạt giải Nobel. Tuy nhiên, Planck vẫn chưa hài lòng.

Mặc dù ông đã có thể có được câu trả lời chính xác (so với thử nghiệm) với định luật mới của mình, ý nghĩa vật lý thực tế vẫn chưa rõ ràng. Hơn nữa, Planck đã phải sử dụng một chút thông minh "phỏng đoán theo cảm hứng" để có được hình thức cuối cùng, điều này cũng khiến anh ta hơi bất an. Planck luôn tiếp cận các giải pháp cho các vấn đề vật lý với sự “đói khát của linh hồn” (như Einstein đã mô tả), và lần này sẽ không khác gì - ngoại trừ việc anh ta phải trả giá một chút linh hồn trong quá trình này.

Ludwig Boltzmann (1844–1906) và Planck đã húc đầu nhau hơn một lần. Trung tâm của các cuộc xung đột của họ là bản chất cơ bản của entropy. Trong khi Boltzmann coi entropy như một đặc tính bắt nguồn từ việc giải thích thống kê, Planck lại coi nó theo những thuật ngữ "tuyệt đối" hơn, không có những điều vô nghĩa thống kê như vậy. Planck không đơn độc trong quan niệm sai lầm của mình. Thật vậy, bản thân Boltzmann cũng mắc phải sai lầm này trước đó, cũng như Einstein sau này (người, giống như Boltzmann, đã nhận ra và sửa chữa nó), và Rudolf Clausius (1822–1888) không bao giờ thừa nhận (ông không bao giờ thấy cần phải mô tả entropy theo các nghĩa khác. hơn định nghĩa nhiệt động lực học của nó).

Dù Planck có nghi ngờ gì với công việc của Boltzmann, anh ta đã nhượng bộ anh ta từ khi anh ta bắt đầu, và vì vậy anh ta sẽ, một lần nữa (anh ta “phải đạt được kết quả tích cực, trong bất kỳ hoàn cảnh nào và bằng bất cứ giá nào.”). Một lần nữa, ông cần phải xem lại biểu thức của mình cho entropy của máy cộng hưởng, và vì vậy ông đã thu hút sự chú ý của Boltzmann (phiên bản thống kê) về entropy:

Toán học thực tế (tính toán entropi) yêu cầu Planck phải chia nhỏ các năng lượng có sẵn cho máy cộng hưởng của mình thành các "phần" rời rạc. Boltzmann cũng đã làm điều này khi xem xét năng lượng có sẵn cho một nguyên tử khí (chứ không phải một máy cộng hưởng). Tuy nhiên, Boltzmann không coi đây là một thủ thuật toán học, và do đó ông đã loại bỏ những điều thuận tiện này - điều mà ông coi là - những phần năng lượng phi vật lý vào cuối phép tính của mình. Nhưng đối với Planck, đây không phải là một lựa chọn; ông ấy cần các khối để đi đến định luật bức xạ của mình. Theo cách này, thủ thuật toán học của Boltzmann đã trở thành thực tế vật lý của Planck: năng lượng có dạng khối, hoặc năng lượnglượng tử.

Planck, bây giờ bốn mươi hai, nhận thức rõ rằng lượng tử năng lượng sẽ thay đổi mạnh mẽ vật lý học mãi mãi. Do đó, anh ấy (và khá nhiều người khác) đã chọn bỏ qua những phần khó chịu đó và tập trung vào độ chính xác đáng kể của Định luật bức xạ Planck. Trên thực tế, phải đến 8 năm sau, Planck mới biết lượng tử năng lượng là thực tế vật lý, và thậm chí sau đó, có lẽ chỉ là nửa vời. Tuy nhiên, vào năm 1905, Einstein hai mươi sáu tuổi không chỉ chấp nhận khái niệm năng lượng đến từng phần, ông còn mở rộng khái niệm này sang cả ánh sáng, để giới thiệu lượng tử ánh sáng, mà bây giờ chúng ta gọi là photon.

Ngày nay, những hậu quả vật lý “điên rồ” liên quan đến sự thành công của cơ học lượng tử đã được nhiều người biết đến. Tuy nhiên, lịch sử hấp dẫn và những cuộc đấu tranh khoa học xung quanh việc tạo ra nó lại ít được biết đến hơn nhiều. Tuy nhiên, những câu chuyện khoa học tuyệt vời này thực sự truyền cảm hứng và chúng cũng quan trọng như chính những khám phá thực tế.

Dr.Scott Bembenek là nhà khoa học chính trong nhóm Khám phá Thuốc có sự hỗ trợ của Máy tính tại Nghiên cứu & Phát triển Dược phẩm Johnson & Johnson ở San Diego. Anh ấy cũng là tác giả củaCỗ máy vũ trụ: Khoa học vận hành vũ trụ của chúng ta và câu chuyện đằng sau nóĐể tìm hiểu thêm về Tiến sĩ Bembenek và công việc của ông, hãy truy cậphttp://scottbembenek.com và kết nối với anh ấy trênTwitter


Xem video: Thế giới lượng tử kì bí: Chẳng một ai hiểu p1 (Tháng Sáu 2022).


Bình luận:

  1. Lasalle

    Nó có thể lấp đầy khoảng trống ...

  2. Cuartio

    Thật đáng tiếc khi tôi không thể thể hiện được bản thân mình bây giờ - đã được chụp rất nhiều. Tôi sẽ trở lại - Tôi sẽ hoàn toàn bày tỏ ý kiến.

  3. Gili

    Tôi đề nghị bạn ghé thăm trang web, trong đó có nhiều bài viết về chủ đề mà bạn quan tâm.

  4. Obiareus

    I mean it's the wrong way.

  5. Vilabar

    cool thought



Viết một tin nhắn