Κβαντομηχανική
Εισαγωγή
Η Κβαντική Φυσική που, σε αντίθεση με τη σχετικότητα δεν είναι ιδέα ενός και μόνον ανθρώπου, είναι μια νέα Μηχανική του μικρόκοσμου. Aφορά στην κατανόηση της δομής της ύλης και της κίνησης στο επίπεδο των μορίων, των ατόμων και των υποατομικών σωματιδίων, που αδυνατεί παντελώς να εξηγήσει η κλασική μηχανική του Νεύτωνα.
Αφετηρία της είναι ο νόμος του Πλανκ (1900), που εισάγει την ριζοσπαστική έννοια της κβάντωσης της ενέργειας. Η συνέχεια έρχεται με τον νεαρό Αϊνστάιν, που με την παραδοχή των φωτονίων εξηγεί, το 1905, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Η νέα θεωρία εδραιώνεται το 1911, στο 1ο Παγκόσμιο Συνέδριο Φυσικής. Ακολουθούν τρία μεγάλα βήματα: η κυματοσωματιδιακή θεωρία του Ντε Μπρολί (1924), η αρχή της απροσδιοριστίας του Χάϊζενμπεργκ (1925) και η εξίσωση του Σρέντιγκερ (1927) και λίγο αργότερα η ενοποίηση της κβαντικής θεωρίας με την ειδική θεωρία της σχετικότητας, από τον Ντιράκ (1928). Οι επιφυλάξεις της επιστημονικής κοινότητας θα ξεπεραστούν στο 5ο συνέδριο Solvay (1927) και ο θρίαμβος της θα επικυρωθεί στο 6ο συνέδριο (1930).
Με βάση την αρχή της αντιστοιχίας (correspondense principle), που εισηγήθηκε ο Μπορ, οι νόμοι που περιγράφουν τα κβαντικά φαινόμενα, πρέπει να συγκλίνουν με τους νόμους της κλασικής φυσικής, όταν μελετάμε μακροσκοπικά σώματα (στο όριο των μεγάλων κβαντικών αριθμών, όπως θα έλεγε ένας φυσικός), άρα η κβαντομηχανική είναι πιο θεμελιώδης από την κλασική μηχανική, την οποία περιέχει σαν οριακή περίπτωση.
Η υπόθεση
Η Κβαντική Φυσική που, σε αντίθεση με τη σχετικότητα δεν είναι ιδέα ενός και μόνον ανθρώπου, είναι μια νέα Μηχανική του μικρόκοσμου. Aφορά στην κατανόηση της δομής της ύλης και της κίνησης στο επίπεδο των μορίων, των ατόμων και των υποατομικών σωματιδίων, που αδυνατεί παντελώς να εξηγήσει η κλασική μηχανική του Νεύτωνα.
Αφετηρία της είναι ο νόμος του Πλανκ (1900), που εισάγει την ριζοσπαστική έννοια της κβάντωσης της ενέργειας. Η συνέχεια έρχεται με τον νεαρό Αϊνστάιν, που με την παραδοχή των φωτονίων εξηγεί, το 1905, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Η νέα θεωρία εδραιώνεται το 1911, στο 1ο Παγκόσμιο Συνέδριο Φυσικής. Ακολουθούν τρία μεγάλα βήματα: η κυματοσωματιδιακή θεωρία του Ντε Μπρολί (1924), η αρχή της απροσδιοριστίας του Χάϊζενμπεργκ (1925) και η εξίσωση του Σρέντιγκερ (1927) και λίγο αργότερα η ενοποίηση της κβαντικής θεωρίας με την ειδική θεωρία της σχετικότητας, από τον Ντιράκ (1928). Οι επιφυλάξεις της επιστημονικής κοινότητας θα ξεπεραστούν στο 5ο συνέδριο Solvay (1927) και ο θρίαμβος της θα επικυρωθεί στο 6ο συνέδριο (1930).
Με βάση την αρχή της αντιστοιχίας (correspondense principle), που εισηγήθηκε ο Μπορ, οι νόμοι που περιγράφουν τα κβαντικά φαινόμενα, πρέπει να συγκλίνουν με τους νόμους της κλασικής φυσικής, όταν μελετάμε μακροσκοπικά σώματα (στο όριο των μεγάλων κβαντικών αριθμών, όπως θα έλεγε ένας φυσικός), άρα η κβαντομηχανική είναι πιο θεμελιώδης από την κλασική μηχανική, την οποία περιέχει σαν οριακή περίπτωση.
Παρά την παραδοχή για την ασυνέχεια της ύλης, που προβλέπει η ατομική θεωρία, ο άλλος πόλος, η ενέργεια, θεωρήθηκε παραδοσιακά πως εκπέμπεται, διαδίδεται και απορροφάται συνεχώς. Σε μια θεωρη-τική του δημοσίευση το 1877, ο Γερμανός φυσικός Μπόλτσμαν διατυ-πώνει την άποψη, ότι οι ενεργειακές καταστάσεις ενός συστήματος δεν αποκλείεται να είναι διακριτές. Η υπόθεση του αυτή, απόλυτα και θεμελιακά ασύμβατη με την κλασική φυσική, θα παραμείνει ανενεργή ως το 1900.
Ludwig Boltzmann (1844-1906) ένας από τους θεμελιωτές της Στατι-στικής Φυσικής και της Θερμοδυναμικής.
Η 'πρώϊμη' κβαντική θεωρία
(1900-1930)
το 1ο βήμα
Max Planc (185-1947)ο 'πατέρας της κβαντικής θεωρίας'
Νόμπελ Φυσικής το 1918
ένα μεγάλο ταλέντο στη μουσική, που τον κέρδισε τελικά η φυσική,
ένας συντηρητικός άνθρωπος που, με την ακλόνητη πίστη του στην ορθολογική σκέψη, διατύπωσε τον πιο επαναστατικό νόμο της σύγχρονης επιστήμης:
E = h.ν
Ένας δυναμίτης, που απρόθυμα τοποθέτησε, το 1900, ο Γερμανός φυσικός Μάξ Πλάνκ στα θεμέλια της κλασικής φυσικής.
E = h.ν
Ένας δυναμίτης, που απρόθυμα τοποθέτησε, το 1900, ο Γερμανός φυσικός Μάξ Πλάνκ στα θεμέλια της κλασικής φυσικής.
'Ήταν μια 'πράξη απελπισίας', όπως δήλωνε αργότερα ο ίδιος, για να ξεπεράσει το αδιέξοδο της ακτινοβολίας του μέλανος σώματος και να καταφέρει απλά να συμφιλιώσει τη θεωρία με το πείραμα.
Ένα απλό 'υπολογιστικό τέχνασμα' κι όχι μια θεμελιακή αρχή, που πάλεψε επί έξι ολόκληρα χρόνια να αποφύγει. O Πλανκ, που προσεγγίζει το πρόβλημα από την πλευρά της θερμοδυναμικής, καταφέρνει με την παραδοχή του να σώσει τα πειραματικά δεδομένα στο χώρο των υψηλών συχνοτήτων, αφού στις χαμηλές αποκαθίσταται η ισχύς της κλασικής φυσικής. Αποδέχεται ακόμη ότι ο 2ος θερμοδυναμικός νόμος δεν έχει καθολική ισχύ, αλλά μόνον στατιστική ισχύ, όπως είχε ήδη αποδεχθεί ο Μπόλτσμαν.
το 2ο βήμα
το φως άλλοτε συμπεριφέρεται ως κύμα κι άλλοτε ως σωματίδια (φωτόνια)
Αν όμως ο 'πατέρας' Πλάνκ αναγκάστηκε να προχωρήσει με κρύα καρδιά στη διατύπωση του νόμου του, που ο ίδιος θεωρούσε σαν μια καθαρά "τυπική παραδοχή", ο 'γιος' Αλβέρτος (ο νεαρούλης, 26χρονος τότε Αϊνστάιν) την πήρε πολύ στα σοβαρά.Γενικεύοντας την έννοια του κβάντου, μιλάει για κβάντα φωτός, διακρι-τά 'πακέτα' ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας, τα φωτόνια (particles of light) και με τον νόμο του σοφού μεσήλικα τότε Πλάνκ, έφτασε το 1905 στην εξήγηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, που του χάρισε το Νόμπελ το 1921. Την ίδια χρονιά διατύπωσε και την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας και ένα χρόνο αργότερα ερμηνεύει την ειδική θερμότητα
των στερεών σε χαμηλές θερμοκρασίες, χρησιμοποιώντας και πάλι την έννοια της κβάντωσης της ενέργειας.
1ο Παγκόσμιο Συνέδριο Φυσικής (Solvay)
στο Hotel Metropole των Βρυξελών, το 1911
Διακρίνονται μεταξύ άλλων, κάτω δεξιά η Μ. Κιουρί και δίπλα της ο κορυφαίος μαθηματικός Η. Πουανκαρέ. Όρθιοι: 2ος (από τα αριστερά) ο Πλάνκ, 4ος ο Sommerfeld, 6os ο De Broglie, 12ος ο Rutherford και προτελευταίος ο Einstein.
Το 1913, ο Μπορ προτείνει την κβάντωση της στροφορμής των τροχιακών ηλεκτρονίων, στην προσπάθειά του να ΄σώσει΄ το πλανητικό μοντέλο του ατόμου, που προέκυψε από την ανακάλυψη του Ράδερφοντ, 2 χρόνια νωρίτερα, της ύπαρξης θετικά φορτισμένου πυρήνα στο κέντρο του ατόμου.Τρία χρόνια αργότερα το μοντέλο του βελτιώνεται από τον Sommerfeld, που προβλέπει και ελλειπτικές τροχιές, ανάλο-γες των πλανητικών τροχιών στο πρότυπο του Κέπλερ.
οι έννοιες σωματίδιο και κύμα ενοποιούνται
Arthur H. Compton
Νόμπελ 1927
Μια ακόμη μεγάλη επιτυχία, ο θρίαμβος της νέας θεωρίας έρχεται το 1924, με την εξήγηση της σκέδασης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από φορτισμένα σωματίδια, στο γνωστό ως φαινόμενο Κόμπτον. Ο αμερικανός φυσικός Α. Κόμπτον, θεωρώντας ότι τα κύματα έχουν και σωματιδιακή υπόσταση (με μάζα ηρεμίας μηδέν, αλλά με ορμή που προκαλεί κρούση), ερμήνευσε την διαφορετική συχνότητα της ακτινο-βολίας που εκπέμπεται, κάτι που δεν μπορούσε να εξηγηθεί με την κλασική φυσική.
το φωτόνιο, μήκους κύματος λ που έρχεται από αριστερά, προσπίπτει σε χαλαρά συνδεδεμένο ηλεκτρόνιο και το νέο φωτόνιο που εκπέμπεται, σχηματίζοντας γωνία θ με τη διεύθυνση του προσπί-πτοντος, έχει διαφορετικό μήκος κύματος, που δίνεται από την εξίσωση Κόμπτον (επάνω).
Ακολουθεί η κυματοσωματιδιακή θεωρία του Ντε Μπρολί (1924), στην οποία κατέληξε καθαρά θεωρητικά, ξεκινώντας από την ειδική θεωρία της σχετι-κότητας, πιστεύοντας απλά στη συμμετρία στη φύση. Η σκέψη του ήταν τόσο απλή: αν ένα κύμα συμπεριφέρεται σαν σωματίδιο, γιατί να μην δεχτούμε και την κυματική φύση των σωματιδίων;λ = h/mu
Louis de Broglie (1892-1987) Γάλλος θεωρητικός φυσικός, που ξεκίνησε σπουδάζοντας ιστορία. Νόμπελ Φυσικής το 1929.
Την επόμενη χρονιά (1925) διατυπώνεται η αρχή της απροσδιοριστίας του Χάϊζενμπεργκ, που αποσα-φήνισε ότι η κλασική έννοια της αιτιότητας έπρεπε να εγκαταλειφθεί, αφού μας είναι αδύνατον να γνωρίζουμε το παρόν σε κάθε του λεπτομέρεια.
Η αρχή της αβεβαιότητας, όπως επίσης λέγεται συχνά, σύμφωνα με τον Δ. Νανόπουλο, είναι ισοδύναμη με το θεώρημα της μη πληρότητας του Γκέντελ, σύμφωνα με το οποίο μια μαθηματική θεωρία (συνεπώς και μια θεωρία της φυσικής), είναι αναπόδραστα αυτοαναφορική, άρα δεν είναι δυνατόν να είναι ταυτόχρονα συνεπής και πλήρης.
Η αρχή της αβεβαιότητας, όπως επίσης λέγεται συχνά, σύμφωνα με τον Δ. Νανόπουλο, είναι ισοδύναμη με το θεώρημα της μη πληρότητας του Γκέντελ, σύμφωνα με το οποίο μια μαθηματική θεωρία (συνεπώς και μια θεωρία της φυσικής), είναι αναπόδραστα αυτοαναφορική, άρα δεν είναι δυνατόν να είναι ταυτόχρονα συνεπής και πλήρης.
Paul Dirac (1902-1984)
Νόμπελ Φυσικής (μαζί με τον Σρέντιγκερ), το 1933.
Πέντε μόνον χρόνια αργότερα θα ανιχνευτεί το πρώτο αντιηλεκτρόνιο, από την αλληλεπίδραση της κοσμικής ακτινοβολίας με την ατμόσφαιρα.
Wolfgang Pauli (1900-1958)Νόμπελ Φυσικής 1945
υπέθεσε την ύπαρξη του νετρίνο, το 1931,
που παρατηρήθηκε πειραματικά 25 χρόνια αργότερα
ασχολήθηκε με την ενοποίηση της σχετικότητας με την κβαντική φυσική
απαγορευτική αρχή του Πάουλι:
είναι αδύνατη η συνύπαρξη δυο ηλεκτρονίων, μέσα στο ίδιο άτομο, με την ίδια κβαντική κατάσταση, 'η διαφοροποίηση δημιουργεί την ταυτότητα'
Μια δυνατή τριάδα της κβαντικής θεωρίας:
Από τα αριστερά:
ο Νιλς Μπόρ,
ο Βέρνερ Χάϊζενμπεργκ και
ο Βόλφγκανγκ Πάουλι
σε φωτογραφία του 1935.
Το ιστορικό 5ο Φυσικής
με θέμα "Ηλεκτρόνια και Φωτόνια"
Βρυξέλες 1927
Βρυξέλες 1927
Στο κέντρο ο 'θείος Άλμπερτ', που σε κάποια στιγμή έντονης αντιπαράθεσης με τον Μπορ (δεξιά στη μεσαία σειρά), σχετικά με την ερμηνεία της κβαντικής θεωρίας, είπε το περίφημο:
"ο θεός δεν παίζει ζάρια"
για να εισπράξει την απάντηση: "άσε το θεό να παίζει ό,τι θέλει κι έλα πάλι στην κουβέντα".
Από τους εικονιζόμενους οι 17 έχουν τιμηθεί ή προταθεί για Νόμπελ φυσικής, ενώ η μοναδική γυναίκα της φωτογραφίας, η περίφημη "Μαντάμ" (Μαρία) Κιουρί, έχει τιμηθεί με 2 βραβεία Νόμπελ (ένα φυσικής το 1903 και ένα χημείας το 1911). Το επόμενο συνέδριο, του 1930, σφραγίστηκε με την οριστική ήττα του Αϊνστάϊν από τον Μπορ, που κατέρριψε και τα τελευταία του επιχειρήματα (έδειξε το λάθος στα νοητικά πειράματα που πρότεινε ο Αλβέρτος).
Μέχρι σήμερα έχουν διοργανωθεί 25 παγκόσμια συνέδρια φυσικής, που χρηματοδοτούνται από τo Ίδρυμα του Βέλγου χημικού Ernest Solvay, βιομήχανου παρασκευής σόδας (με μέθοδο παρασκευής που ο ίδιος ανακάλυψε). Στο συνέδριο του 1998 προήδρευσε ο διαπρεπής Έλληνας φυσικός Ιωάννης Αντωνίου.
Μέχρι σήμερα έχουν διοργανωθεί 25 παγκόσμια συνέδρια φυσικής, που χρηματοδοτούνται από τo Ίδρυμα του Βέλγου χημικού Ernest Solvay, βιομήχανου παρασκευής σόδας (με μέθοδο παρασκευής που ο ίδιος ανακάλυψε). Στο συνέδριο του 1998 προήδρευσε ο διαπρεπής Έλληνας φυσικός Ιωάννης Αντωνίου.
"Οι νέες επιστημονικές αλήθειες δεν επιβάλλονται επειδή οι αντίπαλοι τους πείστηκαν
και άλλαξαν γνώμη, αλλά κυρίως γιατί σιγά-σιγά πεθαίνουν
και η νεότερη γενιά διδάσκεται τη νέα αλήθεια από την αρχή".
Μ. Πλανκ
0 σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου