Quantum - co to jest? Definicja i znaczenie dla nauki
Ten artykuł mówi o tym, że "kwant" jest pojęciem fizyki cząstek elementarnych. Definicja tej wartości została podana tutaj, pokazano jej znaczenie i podano krótką historię jej odkrycia.
Matematyka i fizyka
Dwie najstraszniejsze dyscypliny szkolne dla studentów z pomocą humanitarną sposób myślenia raz zjednoczony, aby stworzyć nowy etap w badaniu otaczającego świata. Wszystko zaczęło się od tego, że Max Planck, wyprowadzając formułę rozkładu promieniowania absolutnie czarne ciało wprowadził pojęcie "kwantowej". Znaczenie tego słowa jest dosłownie: najmniejsza część czegoś, na przykład energia, pole, moment bezwładności.
Ta koncepcja dotyczy mikroświata: może istnieć kwant światła i pole grawitacyjne, ale nie może być kwantu masy ani deszczu. Aby czytelnik był dokładniejszy, podajemy przykład. Gdyby wszystkie możliwe stany elektronu były całą krową, to kwant to najmniejsza porcja mięsa, którą można karmić, czyli jeden stek. Przy okazji, w słynnym filmie o Jamesie Bondzie, kwintesencja miłosierdzia z pewnością oznacza, że nawet najbardziej zestarzejąca się osoba ma odrobinę współczucia w swojej duszy.
Walka o fizykę kwantową
Początkowo Max Planck działał w ramach poprzednich pomysłów na temat fizyki. Wprowadził kwant do równania, którego znaczenie w jego oczach polegało wyłącznie na wygodzie matematycznej. Okazuje się, że odkrył tę koncepcję niemal przez przypadek, nie starając się dokonać przełomu.
Generalnie był sumiennym badaczem, ciężko pracował nad każdym tematem i doprowadził sprawę do końca. To wytrwałość i wytrwałość pozwoliły mu zmienić fizykę. Nie było żadnych błyskotliwych wglądów i nagłych pomysłów. Być może dlatego przez długi czas zaprzeczał ważnemu odkryciu i starał się jakoś "dopasować", pogodzić nową koncepcję ze starym podejściem do fizyki. Cała galaktyka naukowców, która pojawiła się dzięki wprowadzeniu kwantu, nie mogła go przekonać o fundamentalnym znaczeniu pojedynczego założenia dla przyszłości nauki.
Wartość dla nauki
Przede wszystkim kwant jest podstawą do zrozumienia natury światła. Naukowcy jeszcze w XVII wieku dość dokładnie mierzyli prędkość światła słonecznego, ale nie potrafili wyjaśnić ich wyglądu ani absorpcji przez powierzchnie. Okazało się, że energia fale elektromagnetyczne z tym samym przyrostem fazy w czasie, może przyjmować tylko wielokrotności E = (N + 1/2) ħω. Wyjaśnimy:
- E to energia;
- N jest liczbą całkowitą;
- ħ - zmniejszona stała Plancka, h / 2π;
- ω jest częstotliwością kątową, która jest przyrostem czasu fazy falowej.
Powyższy wzór oznacza, że energia promieniowania ħω jest kwantyzowana, to znaczy jest zbiorem skończonych pakietów lub fotonów.
Kwant i materia
Wyjaśniwszy naturę światła, ludzie zrozumieli, że kwant to nie tylko żart matematyczny, ale także wielkie możliwości. Później naukowcy odkryli, dlaczego elektrony w atomach mogą znajdować się tylko na pewnych orbitach. Wymagało to wprowadzenia zasady dualizmu falowo-cząsteczkowego dla cząstek elementarnych.
Przejście elektronu między dwoma orbitami w atomie zawsze następuje z szarpnięciem. Prowadzi to do procesów, w których światło kwantowe jest emitowane lub absorbowane. Co ten fakt oznacza dla nauki, wyjaśnimy nieco poniżej. W każdym typie atomów zbiór kwantów przejściowych jest unikalny. Oznacza to, że zbiór energii potrzebnych do wzbudzenia elektronów złota nie pasuje do platyny. Dzięki temu można dokładnie określić, które przejście zostało wykonane, i zrozumieć, który rodzaj atomu jest badany: wodór lub argon, aluminium lub magnez.
Na tej podstawie jest najpotężniejszym narzędziem do badania i podboju materii - spektroskopii. Aplikacje analizy widma są dość obszerne, oto niektóre z nich:
- badanie składu i struktury nowych materiałów;
- polepszanie właściwości już znanych związków;
- badanie procesów zachodzących podczas interakcji różnych rodzajów materii.
Czytelnik sam łatwo sobie wyobrazi, że taką metodę można zastosować we wszystkich sferach ludzkiej działalności.
Rodzaje kwantów
Oprócz już opisanego fotonu istnieją inne typy kwantów:
- Gluon - kwant pola wektorowego.
- Graviton jest kwantem pola grawitacyjnego (przewidzianego teoretycznie, ale jak dotąd jego istnienie nie zostało udowodnione praktycznie).
- Bozon Higgsa jest kwantem pola Higgsa.
Wielki Zderzacz Hadronów, który został zbudowany w 2012 roku, udowodnił, że nowy kwant, bozon Higgsa, narodził się w swojej głębi. W ten sposób fizycy pokazali, dlaczego gluony i fotony nie mają masy spoczynkowej.
Laser w wyniku oswajania kwantów światła
Po zrozumieniu, jak pozyskiwane są fotony, naukowcy byli w stanie "oswoić" je. W rezultacie pojawił się laser - źródło monochromatycznych fal elektromagnetycznych. Z dość prostymi zasadami, które leżą u podstaw jednoczesnego generowania fotonów jednego długość fali (monochromatyczny) i prosta konstrukcja samego urządzenia, były wielkie problemy techniczne.
Pierwszym zadaniem było znalezienie materiału, w którym istniałaby odwrotna populacja elektronów. Drugim zadaniem było stworzenie dwóch lusterek na końcach działającego kryształu. Ale obie z nich zostały od dawna rozwiązane, a zrozumienie tego, czym jest kwant, jest pierwszym krokiem do uzyskania tak złożonych urządzeń.
We współczesnym świecie laser jest wszędzie wykorzystywany. Jest używany do zabawy (wskaźnik laserowy) i do poważnych celów (reakcja termojądrowa).