История квантовой механики

10 влиятельных фигур в истории квантовой механики. Слева направо:

Макс Планк , Альберт Эйнштейн ,
Нильс Бор , Луи де Бройль ,
Макс Борн , Поль Дирак ,
Вернер Гейзенберг , Вольфганг Паули ,
Эрвин Шредингер , Ричард Фейнман .

История квантовой механики является фундаментальной частью истории современной физики . История квантовой механики, поскольку она переплетается с историей квантовой химии , началась, по сути, 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 с помощьюГенрих Герц 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:

${\ Displaystyle \ varepsilon = ч \ ню \,}$

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, в соответствии с квантовой гипотезой Макса Планка постулировал, 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. Квантенмеханик " . ^[1] В последующие годы эту теоретическую основу начали постепенно применять к химической структуре , реакционной способности и связи .

Обзор [ править ]

Людвиг Больцманн предположил в 1877 году, что уровни энергии физической системы, такой как молекула , могут быть дискретными (в отличие от непрерывных). Он был основателем Австрийского математического общества вместе с математиками Густавом фон Эшерихом и Эмилем Мюллером . 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 подкреплено математическими аргументами, как и двадцать лет спустя с первой квантовой теорией. выдвинут Максом Планком.

В 1900 году немецкий физик Макс Планк неохотно ввел идею квантования энергии , чтобы вывести формулу для наблюдаемой частотной зависимости энергии, излучаемой черным телом , называемую законом Планка , которая включала распределение Больцмана (применимое в классической предел). Закон Планка ^[2] можно сформулировать так: где:${\ displaystyle I (\ nu, T) = {\ frac {2h \ nu ^ {3}} {c ^ {2}}} {\ frac {1} {e ^ {\ frac {h \ nu} {kT }} - 1}},}$

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; и

T - температура тела в кельвинах .

Раннее приближение Вина можно вывести из закона Планка, допустив .${\ displaystyle h \ nu \ gg kT}$

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.

В 1905 году Альберт 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. ^[3] 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 имела место в теории, если бы свет можно было объяснить только в терминах волн. В 1913 г. Бор объяснил спектральные линии на атоме водорода , снова с помощью квантования, в своей статье в июле 1913О строении атомов и молекул .

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 . ^{[4] [5] Все} они известны как старая квантовая теория .

Фраза «квантовая физика» была впервые 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 зародилась в 1925 году, когда немецкие физики Вернер Гейзенберг , Макс Борн и Паскуаль Джордан ^{[6] [7]} разработали матричную механику, а австрийский физик Эрвин Шредингер изобрел волновую механику и нерелятивистскую механику. Уравнение Шредингера как приближение обобщенного случая теории де Бройля.^[8] Шредингер впоследствии показал, что эти два подхода эквивалентны.

Гейзенберг сформулировал свой принцип неопределенности в 1927 году, и примерно в то же время начала формироваться копенгагенская интерпретация . 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 обозначений на скобках., 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.

Начиная с 1927 года, исследователи пытались применить квантовую механику к полям вместо отдельных частиц, что привело к созданию квантовых теорий 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 послужила моделью для последующих квантовых теорий поля . ^{[6] [7] [9]}

Теория квантовой хромодинамики была сформулирована с начала 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 единую электрослабую силу , за что они получили Нобелевскую премию по физике 1979 года .

Основополагающие эксперименты [ править ]

• 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 со столкновениями электронов показывает, что поглощение энергии атомами ртути квантовано. (1914)
• Отто Штерн и Вальтер Герлах проводят эксперимент Штерна-Герлаха , демонстрирующий квантованную природу спина частиц . (1920)
• Клинтон Дэвиссон и Лестер Гермер демонстрируют волновую природу электрона ^[10] в эксперименте по дифракции электронов . (1927)
• 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)

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Бачиагалуппи, Гвидо; Валентини, Энтони (2009), Квантовая теория на распутье: 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
• Ф. Байен, М. Флато, К. Фронсдал, А. Лихнерович и Д. Штернхеймер, 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 вопроса).
• 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 . Princeton University Press, 2006. Печать.

Внешние ссылки [ править ]

В Wikiquote есть цитаты, связанные с: История квантовой механики

• История квантовой механики
• Краткая история квантовой механики
• Домашняя страница проекта Quantum History