Changes: Κβαντική Φυσική

Αναθεώρηση της 15:10, 15 Ιανουαρίου 2021

Κβαντική Φυσική

Quantum Physics

Quantum-world-02-goog — **Κβαντική Φυσική**

Quantum-Apple-goog — **Κβαντική Φυσική**

Quantum-History-01-goog — **Κβαντική Φυσική**

Science-01-goog — Επιστήμη Επιστήμες Φυσικές Επιστήμες Βιο-Επιστήμες Γεω-Επιστήμες Οικονομικές Επιστήμες Θεωρητικές Επιστήμες Κοινωνικές Επιστήμες Επιστήμες Υγείας
Τεχνολογία
Επιστημονικός Κλάδος Επιστημονικός Νόμος Επιστημονική Μέθοδος Επιστημονική Θεωρία Επιστημονικά Κέντρα Γης Επιστήμονες Γης

Particles-Zoo-goog — Μοριακή Φυσική Ατομική Φυσική Πυρηνική Φυσική Σωματιδιακή Φυσική **Κβαντική Φυσική**
Σώμα Σωμάτιο Σωματίδιο
Μόριο Άτομο Ατομικός Πυρήνας
Σωματίδια Θεμελιώδη Σωματίδια Στοιχειώδη Σωματίδια
Βοσόνιο (boson) Φερμιόνιο (fermion)
Μικρόκοσμος

Quantum-Physics-01-goog — Κβαντική Πεδιακή Θεωρία

Equations-Schroedinger-01-goog — **Κβαντική Φυσική**
Εξίσωση Schrodinger Αρχή Διατήρησης Μηχανικής Ενέργειας
Χαμιλτονιανή Κινητική Ενέργεια Δυναμική Ενέργεια
Ιδιοτιμή Ιδιοσυνάρτηση Τελεστής

Quantum-Wave-Particle-01-goog — **Κβαντική Φυσική** Κύμα Σωματίδιο

Hydrogen-Wave-Functions-goog — Κυματοσυνατήσεις υδρογόνου

Quantum-Weirdness-01-goog — **Κβαντική Εξωτικότητα**

- Ένας Επιστημονικός Κλάδος της Φυσικής.

Ετυμολογία

Η ονομασία "κβαντική" σχετίζεται ετυμολογικά με την λέξη "κβάντο".

Η Κβαντική Φυσική ή Κβαντομηχανική, είναι μία αξιωματικά θεμελιωμένη φυσική θεωρία που επεκτείνει και διορθώνει την Νευτώνεια θεωρία και περιγράφει τη συμπεριφορά της ύλης σε μικροσκοπικές κλίμακες, ειδικά στο ατομικό και υποατομικό επίπεδο.

Ο όρος κβάντο (Λατινικά, quantum, σημαίνει ποσό, ποσότητα, κάτι που μπορεί να μετρηθεί) αναφέρεται σε διακριτές μονάδες που χαρακτηρίζουν συγκεκριμένες φυσικές ποσότητες, όπως η ενέργεια ενός ατόμου υλης σε κατάσταση ηρεμίας.

Η κβαντομηχανική είναι μια θεωρία Μηχανικής. Θεωρείται από πολλούς ως πλέον θεμελιώδης από την Κλασσική Μηχανική, καθώς σε έναν αιώνα πειραματισμού δεν έχει διαψευσθεί.

Η Κβαντική Θεωρία βρίσκεται πίσω από πολλά φυσικά φαινόμενα και ιδιαιτέρως τα χημικά φαινόμενα.

Η Κβαντική Θεωρία εξηγεί τουλάχιστον τρεις κλάσεις φαινομένων που η Κλασσική Μηχανική και η Κλασσική Ηλεκτροδυναμική αδυνατούν να αναλύσουν:

την κβάντωση (διακριτοποιήση) πολλών φυσικών ποσοτήτων
τον κυματοσωματιδιακό δυϊσμό
τον κβαντικό εναγκαλισμό

Σε συγκεκριμένες περιπτώσεις, οι νόμοι που περιγράφουν τα κβαντικά φαινόμενα συγκλίνουν με τους νόμους της Κλασσικής Μηχανικής. Η περίπτωση αυτή είναι γνωστή ως Αρχή Αντιστοιχίας, που αρχικά συνέλαβε ο Niels Bohr.

Ιστορία

Η Κβαντική Θεωρία θεμελιώθηκε στο πρώτο μισό του 20ού αιώνα από τους Planck, Einstein, Bohr, Heisenberg, Schrodinger, Born, Neumann, Dirac, Pauli, και άλλους.

Στις αρχές του 20ού αιώνα μερικά πειράματα παρήγαγαν αποτελέσματα που δεν θα μπορούσαν να εξηγηθούν από την Κλασσική Φυσική (δηλ. την επιστήμη που αναπτύχθηκε από τους Γαλιλαίο, τον Ισαάκ Νεύτωνα, κ.λπ.).

Επιπλέον ήταν αρκετά γνωστό ότι τα ηλεκτρόνια κινούνταν σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου. Εν τούτοις, εάν συνέβαινε αυτό, με έναν τρόπο που έμοιαζε με την περιφορά των Πλανητών γύρω από τον Ήλιο, η Κλασσική Φυσική πρόβλεπε ότι τα ηλεκτρόνια θα κινούνταν σπειροειδώς συνεχώς προς το εσωτερικό του ατόμου και θα συντρίβονταν στον πυρήνα εντός ενός κλάσματος του δευτερολέπτου. Αλλά αυτό δεν συμβαίνει, γιατί η Ζωή όπως την γνωρίζουμε δεν θα υπήρχε. (Η Χημεία εξαρτάται από την αλληλεπίδραση των ηλεκτρονίων με τα άτομα, και η Βιολογία εξαρτάται από τη Χημεία).

Εκείνη η ανακριβής πρόβλεψη, μαζί με μερικά άλλα πειράματα που η Κλασσική Φυσική δεν μπορούσε να εξηγήσει, έδειξε στους επιστήμονες ότι κάτι νέο απαιτείται για να εξηγήσει τι συμβαίνει στο ατομικό επίπεδο.

Περιγραφή Θεωρίας

Υπάρχουν διάφορες μαθηματικές θεμελιώσεις της Κβαντικής Μηχανικής. Μια από τις παλαιότερες και κοινά χρησιμοποιούμενες είναι αυτή της θεωρίας της μετατροπής θεμελιωμένη από τον Paul Dirac η οποία ενώνει και γενικοποιεί δύο προηγούμενες θεμελιώσεις, εκείνη της θεωρίας των μητρών του Werner Heisenberg και της κυματομηχανικής θεωρίας του Erwin Schrodinger.

Σε αυτή την θεωρία η στιγμιαία κατάσταση ενός κβαντικού συστήματος αποδίδεται με τη μορφή μετρήσεων των πιθανοτήτων των "παρατηρήσιμων" ιδιοτήτων του ( παρατηρήσιμες ιδιότητες είναι η ενέργεια, η θέση, η ορμή και η στροφορμή).

Παρατηρήσιμες μεταβλητές μπορούν να είναι είτε συνεχείς (π.χ. η θέση ενός σωματιδίου), είτε διακριτές (π.χ. η ενέργεια ενός ηλεκτρονίου ελκούμενο από ένα άτομο υδρογόνου).

Μαθηματική Θεμελίωση

Η κβαντική μηχανική θεμελιώνεται μαθηματικά σύμφωνα με τα παρακάτω:

1. Για κάθε φυσικό σύστημα υπάρχει μία τετραγωνικά ολοκληρώσιμη συνάρτηση Ψ, που ανήκει σε ένα κατάλληλο χώρο Hilbert και ονομάζεται κυματοσυνάρτηση, και περιέχει όλες τις πληροφορίες που μπορούν να εξαχθούν για το σύστημα.

1a. Κάθε κατάσταση ενός Κβαντικού Συστήματος περιγράφεται από μία Μιγαδική Συνάρτηση (Αρχή Κβαντικής Μιγαδικότητας)

1b. Κάθε Φυσικό Μέγεθος του συστήματος αποδίδεται από έναν γραμμικό Τελεστή (Αρχή Κβαντικής Γραμμικότητας)

2. Σε κάθε Παρατηρήσιμο Μέγεθος αντιστοιχεί ένας κατάλληλος Eρμιτιανός Tελεστής, του οποίου οι ιδιοτιμές είναι τα μοναδικά δυνατά εξαγόμενα μιας μέτρησης (Αρχή Ερμιτιανότητας).

3a H κυματοσυνάρτηση υπακούει στην χρονοανεξάρτητη "Εξίσωση Schrödinger" (Αρχή Κβαντικής Στατικής)

3b. Η εξέλιξη της κυματοσυνάρτησης καθορίζεται από την χρονοεξαρτώμενη "Εξίσωση Schrödinger" (Αρχή Κβαντικής Δυναμικής).

4. Η ερμηνεία της κυματοσυνάρτησης είναι, σύμφωνα με την Σχολή της Κοπεγχάγης, μια στατιστική ερμηνεία. (Αρχή Κβαντικής Στατιστικής)

5. Η μέτρηση ενός μεγέθους και η εύρεση μίας ιδιοτιμής του αντίστοιχου τελεστή αλλάζει το σύστημα έτσι ώστε αμέσως μετά τη μέτρηση να περιγράφεται από το αντίστοιχο ιδιοδιάνυσμα της ιδιοτιμής που μετρήθηκε (Αρχή Φιλτραρίσματος) (Αρχή Κβαντικής Διήθησης ( = Αρχή Κβαντικής Κατάρρευσης.

Υλοκυματικός Δυισμός

Η διττή φύση (σωματίδιο ή κύμα) της ύλης είναι μια επιστημονολογική πλάνη η οποία βασάνισε τους φυσικούς στις αρχές του 1920 όταν θεμελιώθηκε η Κβαντική Μηχανική.

Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα είναι ότι η ύλη είναι πραγματικά σωματιδιακή με ιδιότητες αιτιοκρατικές (δηλ. τα μετρούμενα φυσικά μεγέθη των κλασσικών σωματιδίων έχουν στατιστική κατανομή η οποία υπακούει σε συγκεκριμένους μαθηματικούς νόμους).

Τα φαινόμενα περίθλασης και συμβολής που εμφανίζει η ύλη (π.χ. μία δέσμη ηλεκτρονίων) δεν υποδεικνύουν κυματική φύση αλλά κυματική συμπεριφορά. Η ουσιώδης διαφορά μεταξύ αυτών των δυο εννοιών είναι ότι μπορούμε να ομιλούμε για κυματική φύση ενός σωματιδίου μόνο αν κάποιο φυσικό μέγεθος, που το χαρακτηρίζει, «κυμαίνεται» δηλαδή η χρονική του εξέλιξη δίνεται από διαφορική εξίσωση παρόμοια με αυτήν του κύματος. Στην περίπτωση της ύλης αυτό που «κυμαίνεται» δεν είναι κάποιο φυσικό χαρακτηριστικό (επομένως κάποιο φυσικό μέγεθος του) του σωματιδίου αλλά η πιθανότητα του να βρεθεί σε κάποιο χωρικό σημείο όταν αποφασίσουμε να μετρήσουμε την θέση του. Για να είμαστε πιο ακριβείς, αυτό που κυμαίνεται σε ένα κβαντικό σωματίδιο είναι η κυματοσυνάρτηση (Ψ) η οποία είναι μία εγγενώς μιγαδική συνάρτηση και δεν έχει καμία απολύτως φυσική σημασία εκτός από το τετράγωνό της (|Ψ|2) που ταυτίζεται με την προαναφερθείσα πιθανότητα. Τα κυματικά φαινόμενα οφείλονται στο ότι η χρονική εξέλιξη της κυματοσυνάρτησης (Ψ), η οποία δίνεται από την εξίσωση Schrodinger, έχει μορφή παραπλήσια με αυτήν της εξίσωσης ενός κύματος, για αυτό και τόσο οι λύσεις τους όσο και τα φαινόμενα στα οποία αντιστοιχούν, είναι παρόμοια.

Ωστόσο, υπάρχει μία κρίσιμη διαφορά. Η εξίσωση Schrodinger δεν ομοιάζει απόλυτα με την Κυματική Εξίσωση καθόσον η πρώτη είναι πρωτοτάξια ως προς το χρόνο ενώ η δεύτερη δευτεροτάξια.

Δεν υπάρχει καμία ιδιότητα ενός σωματιδίου η οποία να χαρακτηρίζεται από έκταση στον χώρο όπως οι ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά των πραγματικών κυμάτων.

Η Κβαντική Φυσική γενίκευσε και εκλογίκευσε την έννοια του σωματιδίου και των ιδιοτήτων του, χωρίς να δημιουργεί αντιφάσεις μεταξύ βασικών εννοιών.

Νόμοι Κβαντικής Φυσικής

A

Αδιαβατικό Θεώρημα

B

Θεώρημα Bell

C

[[Θεώρημα Cluster decomposition theorem
Θεώρημα Coleman-Mandula
Θεώρημα CPT

E

H

K

M

Θεώρημα Mermin-Wagner

R

Θεώρημα Reeh-Schlieder

Θεώρημα Runge-Gross

S

Θεώρημα Spin-statistics

W

Υποσημειώσεις

Εσωτερική Αρθρογραφία

Βιβλιογραφία

1) D.J. Griffiths, Introduction to quantum mechanics, 2nd Edition, (Pearson Prentice Hall, Upper Saddle River NJ, 2005).

2) S. Gasiorowicz, Quantum physics, 2nd Edition, (John Wiley & Sons, New York NY, 1996).

3) Eisberg R and Resnick R, Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei and Particles, (2nd edn Wiley 1985).

4) E. Merzbacher, Quantum mechanics, 2nd Edition, (John Wiley & Sons, New York NY, 1970).

5) J.J. Sakurai, Modern quantum mechanics, (Benjamin/Cummings, Menlo Park CA, 1985).

Ιστογραφία

Κίνδυνοι Χρήσης

Αν και θα βρείτε εξακριβωμένες πληροφορίες
σε αυτήν την εγκυκλοπαίδεια
ωστόσο, παρακαλούμε να λάβετε σοβαρά υπ' όψη ότι
η "Sciencepedia" δεν μπορεί να εγγυηθεί, από καμιά άποψη,
την εγκυρότητα των πληροφοριών που περιλαμβάνει.

"Οι πληροφορίες αυτές μπορεί πρόσφατα
να έχουν αλλοιωθεί, βανδαλισθεί ή μεταβληθεί από κάποιο άτομο,
η άποψη του οποίου δεν συνάδει με το "επίπεδο γνώσης"
του ιδιαίτερου γνωστικού τομέα που σας ενδιαφέρει."

Πρέπει να λάβετε υπ' όψη ότι
όλα τα άρθρα μπορεί να είναι ακριβή, γενικώς,
και για μακρά χρονική περίοδο,
αλλά να υποστούν κάποιο βανδαλισμό ή ακατάλληλη επεξεργασία,
ελάχιστο χρονικό διάστημα, πριν τα δείτε.

Επίσης,
Οι διάφοροι "Εξωτερικοί Σύνδεσμοι (Links)"
(όχι μόνον, της Sciencepedia
αλλά και κάθε διαδικτυακού ιστότοπου (ή αλλιώς site)),
αν και άκρως απαραίτητοι,
είναι αδύνατον να ελεγχθούν
(λόγω της ρευστής φύσης του Web),
και επομένως είναι ενδεχόμενο να οδηγήσουν
σε παραπλανητικό, κακόβουλο ή άσεμνο περιεχόμενο.
Ο αναγνώστης πρέπει να είναι
εξαιρετικά προσεκτικός όταν τους χρησιμοποιεί.

- Μην κάνετε χρήση του περιεχομένου της παρούσας εγκυκλοπαίδειας
αν διαφωνείτε με όσα αναγράφονται σε αυτήν

>>Διαμαρτυρία προς την wikia<<

- Όχι, στις διαφημίσεις που περιέχουν απαράδεκτο περιεχόμενο (άσεμνες εικόνες, ροζ αγγελίες κλπ.)

@@ Γραμμή 198: / Γραμμή 198: @@
 * [https://www.tcm.phy.cam.ac.uk/~bds10/aqp/lec1_compressed.pdf Advanced Quantum Physics 2, Simons]
 * [http://www.fmt.if.usp.br/~gtlandi/01--qmech-2.pdf quantum mechanics, Landi]
+* [https://quantummechanics.ucsd.edu/ph130a/130_notes/node1.html quantum mechanics, Branson]
 {{Sciencepedia}}