Dunia yang sangat, sangat kecil adalah sebuah keajaiban keanehan. Molekul, atom, dan zarah konstituennya tidak dengan mudah mendedahkan rahsia mereka kepada saintis yang bergelut dengan fizik atom pada awal abad ke-20. Drama, kekecewaan, kemarahan, kebingungan, dan gangguan saraf bertimpa-timpa, dan sukar bagi kita sekarang, satu abad penuh kemudian, untuk memahami apa yang dipertaruhkan. Apa yang berlaku ialah proses perobohan pandangan dunia yang berterusan. Anda mungkin perlu berputus asa untuk mempercayai semua yang anda fikirkan benar tentang sesuatu. Dalam kes perintis fizik kuantum, ini bermakna mengubah pemahaman mereka tentang peraturan yang menentukan cara jirim berkelakuan.

 

Tenaga rentetan

Pada tahun 1913, Bohr mencipta model untuk atom yang kelihatan agak seperti sistem suria dalam bentuk kecil. Elektron bergerak mengelilingi nukleus atom dalam orbit bulat. Bohr menambah beberapa kelainan pada modelnya — kelainan yang memberikan mereka satu set sifat pelik dan misteri. Pusingan adalah perlu untuk model Bohr mempunyai kuasa penjelasan — iaitu, untuk dapat menerangkan keputusan pengukuran eksperimen. Sebagai contoh, orbit elektron telah ditetapkan seperti landasan kereta api di sekeliling nukleus. Elektron tidak boleh berada di antara orbit, jika tidak, ia boleh jatuh ke dalam nukleus. Sebaik sahaja ia sampai ke anak tangga terendah dalam tangga orbit, elektron kekal di sana melainkan ia melompat ke orbit yang lebih tinggi.

 

Kejelasan tentang mengapa ini berlaku bermula dengan idea de Broglie bahawa elektron boleh dilihat sebagai zarah dan gelombang. Dualiti zarah gelombang cahaya dan jirim ini amat mengejutkan, dan Prinsip Ketidakpastian Heisenberg memberikannya ketepatan. Lebih tepat anda menyetempatkan zarah, semakin kurang tepat anda mengetahui berapa pantas ia bergerak. Heisenberg mempunyai teori mekanik kuantum, peranti kompleks untuk mengira kemungkinan hasil eksperimen. Ia cantik tetapi amat sukar untuk mengira sesuatu.

 

Tidak lama kemudian, pada tahun 1926, ahli fizik Austria Erwin Schrödinger mempunyai idea yang besar. Bagaimana jika kita boleh menulis persamaan untuk apa yang dilakukan oleh elektron di sekeliling nukleus? Oleh kerana de Broglie mencadangkan bahawa elektron berkelakuan seperti gelombang, ini akan menjadi seperti persamaan gelombang. Ia adalah idea yang benar-benar revolusioner, dan ia merangka semula pemahaman kita tentang mekanik kuantum.

 

Dengan semangat elektromagnetisme Maxwell, yang menggambarkan cahaya sebagai medan elektrik dan magnet yang melambai, Schrödinger mengejar mekanik gelombang yang boleh menggambarkan gelombang jirim de Broglie. Salah satu akibat daripada idea de Broglie ialah jika elektron adalah gelombang, maka adalah mungkin untuk menjelaskan mengapa hanya orbit tertentu dibenarkan. Untuk melihat mengapa ini benar, bayangkan rentetan dipegang oleh dua orang, Ana dan Bob. Ana menyentaknya dengan pantas, mencipta gelombang bergerak ke arah Bob. Jika Bob melakukan perkara yang sama, gelombang bergerak ke arah Ana. Jika Ana dan Bob menyegerakkan tindakan mereka, gelombang berdiri muncul, corak yang tidak bergerak ke kiri atau kanan dan yang mempamerkan titik tetap di antara mereka dipanggil nod. Jika Ana dan Bob menggerakkan tangan mereka dengan lebih pantas, mereka akan menemui gelombang berdiri baharu dengan dua nod, kemudian tiga nod, dan seterusnya. Anda juga boleh menjana gelombang berdiri dengan memetik rentetan gitar dengan kekuatan yang berbeza-beza sehingga anda menemui gelombang berdiri dengan bilangan nod yang berbeza. Terdapat korespondensi satu dengan satu antara tenaga gelombang berdiri dan bilangan nod.

 

Legasi Lahir

De Broglie menggambarkan elektron sebagai gelombang berdiri di sekeliling nukleus. Oleh itu, hanya corak getaran tertentu yang sesuai dalam bulatan tertutup - orbit, setiap satu dicirikan oleh bilangan nod tertentu. Orbit yang dibenarkan dikenal pasti dengan bilangan nod gelombang elektron, masing-masing dengan tenaga khususnya. Mekanik gelombang Schrödinger menjelaskan mengapa gambar de Broglie tentang elektron sebagai gelombang berdiri adalah tepat. Tetapi ia pergi lebih jauh, menyamaratakan gambaran ringkas ini kepada tiga dimensi spatial.

 

Dalam urutan enam kertas yang luar biasa, Schrödinger merumuskan mekanik baharunya, menerapkannya dengan jayanya pada atom hidrogen, menjelaskan bagaimana ia boleh digunakan untuk menghasilkan jawapan anggaran kepada situasi yang lebih rumit, dan membuktikan keserasian mekaniknya dengan Heisenberg.

 

Penyelesaian kepada persamaan Schrödinger dikenali sebagai fungsi gelombang. Pada mulanya, dia menganggapnya sebagai menggambarkan gelombang elektron itu sendiri. Ini adalah selaras dengan tanggapan klasik tentang bagaimana gelombang berkembang dalam masa, mematuhi determinisme. Memandangkan kedudukan dan halaju awal mereka, kita boleh menggunakan persamaan gerakan mereka untuk meramalkan apa yang berlaku pada masa hadapan. Schrödinger amat berbangga dengan fakta ini - bahawa persamaannya memulihkan beberapa susunan kepada kekacauan konsep yang disebabkan oleh fizik atom. Dia tidak pernah menyukai idea elektron "melompat" antara orbit diskret.

 

Walau bagaimanapun, Prinsip Ketidakpastian Heisenberg merosakkan tafsiran deterministik fungsi gelombang ini. Dalam dunia kuantum, semuanya kabur, dan adalah mustahil untuk meramalkan dengan tepat evolusi masa elektron, sama ada zarah atau gelombang. Persoalannya menjadi: Kemudian apakah maksud fungsi gelombang ini?

Ahli fizik telah hilang. Bagaimanakah dualiti zarah-gelombang jirim dan cahaya dan Prinsip Ketidakpastian Heisenberg dapat diselaraskan dengan mekanik gelombang Schrödinger yang indah (dan berterusan)? Sekali lagi idea baru yang radikal diperlukan, dan sekali lagi seseorang memilikinya. Kali ini giliran Max Born, yang selain daripada menjadi salah seorang arkitek utama mekanik kuantum juga merupakan datuk kepada bintang rock 1970-an Olivia Newton-John.

 

Lahir dicadangkan, betul, bahawa mekanik gelombang Schrödinger tidak menggambarkan evolusi gelombang elektron, tetapi kebarangkalian untuk mencari elektron dalam kedudukan ini atau itu di angkasa. Menyelesaikan persamaan Schrödinger, ahli fizik mengira bagaimana kebarangkalian ini berkembang mengikut masa. Kita tidak dapat meramalkan dengan pasti sama ada elektron akan ditemui di sini atau di sana. Kami hanya boleh memberikan kebarangkalian ia ditemui di sini atau di sana sebaik sahaja pengukuran dibuat. Dalam mekanik kuantum, kebarangkalian berkembang secara deterministik mengikut persamaan gelombang, tetapi elektron itu sendiri tidak. Percubaan yang sama, diulang berkali-kali dalam keadaan yang sama, boleh memberikan hasil yang berbeza.

 

Superposisi kuantum

Ini agak pelik. Buat pertama kalinya, fizik mempunyai persamaan yang tidak menerangkan kelakuan sesuatu fizikal kepunyaan objek — seperti kedudukan, momentum atau tenaga bola atau planet. Fungsi gelombang bukanlah sesuatu yang nyata di dunia. (Sekurang-kurangnya, ia tidak begitu kepada ahli fizik ini. Kami akan menangani isu yang menyusahkan ini tidak lama lagi.) Ia segi empat sama —, nilai mutlaknya, kerana ia adalah kuantiti yang kompleks — memberikan kebarangkalian untuk mencari zarah pada titik tertentu dalam ruang sekali. pengukuran dibuat. Tetapi apa yang berlaku sebelum pengukuran? Kami tidak boleh memberitahu. Apa yang kita katakan ialah fungsi gelombang ialah superposisi banyak keadaan yang mungkin untuk elektron. Setiap keadaan mewakili kedudukan elektron mungkin ditemui sekaligus pengukuran dibuat.

 

Imej yang mungkin berguna (semuanya rapuh) ialah membayangkan diri anda di dalam bilik yang gelap, berjalan ke arah dinding di mana banyak gambar tergantung. Lampu menyala apabila anda sampai ke lokasi tertentu di dinding, di hadapan lukisan. Sudah tentu, anda tahu bahawa anda seorang bujang yang berjalan ke arah salah satu lukisan itu. Tetapi jika anda adalah zarah subatom seperti elektron atau foton, terdapat banyak salinan anda berjalan ke arah dinding secara serentak. Anda akan berada dalam superposisi ramai anda, dan hanya satu salinan akan mencapai dinding dan menyebabkan lampu menyala. Setiap salinan anda akan mempunyai kebarangkalian yang berbeza untuk mencapai dinding. Mengulangi percubaan berkali-kali, kebarangkalian berbeza ini terbongkar.

 

Adakah semua salinan bergerak di dalam bilik gelap benar, atau hanya salinan yang mengenai dinding dan menyalakan lampu? Jika hanya yang itu benar, bagaimana mungkin orang lain juga boleh memukul dinding? Kesan ini, yang dikenali sebagai superposisi kuantum, mungkin adalah yang paling pelik dari semuanya. Sangat pelik dan menarik sehinggakan ia patut mendapat artikel lengkap.