Квантовый мир победил. Часть 1

Сегодня мы приступаем к новому разделу физики: квантовая механика. Или не приступаем? Эта наука полна неопределенностей и вероятностей.

Пройдемся немного по истории возникновения, с высокой долей вероятности погрузимся в мир элементарных частиц и узнаем, наконец, кто победил: Альберт Эйнштейн (синий угол ринга) или Нильс Бор (вероятностно размазан по рингу).

***

Принято считать, что квантовая механика (подраздел квантовой физики) - это что-то за гранью разумного. Что-то, о чем знают 3,5 человека в мире, а больше никто не способен понять. Но попробуем всё-таки вместе разобраться, что это и с чем ее едят.

Свой старт квантовая механика получает в 1900 году с исследования Макса Планка об излучении абсолютно черного тела. Именно постоянная Планка и станет краеугольным камнем во всей этой истории.

Влияние квантовой физики

Давайте сразу к сути. А именно к так называемой Ультрафиолетовой катастрофе. Пусть название нас не пугает. Никто не пострадал, ничего не взрывалось. Вот что произошло.

Ультрафиолетовая катастрофа - это парадокс классической физики. Существует классический закон Рэлея - Джинса (речь не про магазин Глорию Джинс), который говорит о том, что некое тело (в исследовании Макса Планка - абсолютно черное, а вообще любое нагретое тело) испускает энергию в виде волн. И энергия эта прямо пропорциональна квадрату частоты этих самых волн. При этом из школьного курса физики мы знаем, что длина волны обратно пропорционально частоте этой самой волны. Улавливаете суть? Чем длиннее волна, тем меньше ее частота, тем меньше энергия волны.

В формуле u - это плотность энергии, но будем считать, что это просто энергия, для простоты понимания. w - это частота

И всё шло хорошо, пока длина волны "длинная", частота маленькая, энергия тоже небольшая.

Обратите внимание: MIT: ядерная энергия является неотъемлемой частью будущего энергетики с низким содержанием углерода.

Экспериментальные данные согласуются с теорией.

Всё пошло не так, когда на коротких длинах волн частота стала возрастать, и при определенных значениях энергия резко стала уходить в бесконечность.

По оси Х - энергия. По оси Y - частота

"Почему так?" - задумались классические физики (Лоренц, Рэлей, Джинс, Томсон и другие).

"А вот так" - сказал андерграундный физик Макс Планк. Сделал финт ушами и предложил считать, что энергия на самом деле излучается порциями, уменьшить которые нельзя.

Где h - это постоянная Планка имени Макса. И теория стала согласовываться с экспериментом.

Макс думал, что подогнал теорию под эксперимент, а оказалось, что создал новую физику и получил за это Нобелевскую премию через 18 лет.

При этом Альберт Эйнштейн, пользуясь интерпретацией излучения энергии порциями, создал свою теорию с блекджеком и квантами по фотоэффекту. В которой говорится о том, что кванты света выбивают из металлической пластины электроны. И тоже выбился в люди, получив Нобелевскую премию (не за теорию относительности). Тем самым поддержав развитие квантовой механики, против которой выступал всю оставшуюся жизнь.

И отсюда дал старт корпускулярно-волновой дуализм. То есть элементарная частица, когда ей удобно, ведет себя то как частица, то как волна. И этот парадокс будет играть важную роль всю дорогу развития квантовой механики.

Частица поет песню "я волна"

И тут на арену выходит Нильс Бор - главный будущий антагонист Альберта Эйнштейна в споре "действительно ли квантовый мир победил, а весь существующий мир не определен, а лишь подчиняется законам вероятности?" Он высказал определенные соображения по поводу испускания/поглощения квантов электронами при переходе от одной орбитали к другой (вертевшихся вокруг ядра) и говорит: "послушайте, что скажет Луи де Бройль, а я появлюсь в этой истории позднее, в самый неподходящий для Альберта момент".

А Луи де Бройль нам и говорит.

Послушайте, ̶в̶е̶д̶ь̶ ̶е̶с̶л̶и̶ ̶з̶в̶е̶з̶д̶ы̶ ̶з̶а̶ж̶и̶г̶а̶ю̶т̶ есть формула Планка и формула Эйнштейна:

А может не будем тянуть кота за эээ хвост и объединим их?

И получил за это что? Правильно, Нобелевскую премию.

"Но позвольте!" - скажет неугомонный читатель, - "Нобелевка за то, что он приравнял одну часть формулы к другой?"

Да. Но при этом он не просто нарисовал значок равенства, но и объяснил, что каждому материальному телу (или частице) соответствует волна. Мы есть волна, электрон есть волна. Всё есть волна. Просто колебания разные. Даже у нас с вами есть колебания, но с оооочень маленькой длиной волны, которой можно пренебречь.

"Ну и что?" - возразит наш дотошный читатель.

"А вот что" - ответим мы, не моргнув подергивающимся глазом.

И перейдем к небезызвестному и набившему оскомину двухщелевому опыту.

Титры.

Если вдруг понравилась статья, то ставьте лайки и подписывайтесь на канал, дабы не пропустить новые публикации.