Mechanika kwantowa – Wikipedia, wolna encyklopedia

Gęstości prawdopodobieństwa zlokalizowania elektronu w atomie wodoru w zależności od dyskretnych liczb kwantowych: n=1,2,3, oraz l=0,1,2. Wynik uzyskany z rozwiązania równania Schrödingera.
Wzór interferencyjny strumienia elektronów przechodzących przez podwójną szczelinę

Mechanika kwantowateoria fizyczna rozszerzająca mechanikę klasyczną, konieczna do poprawnego opisu mikroświata, tj. pojedynczych cząstek elementarnych i ich układów jak atomy czy jony. Jest też konieczna do wyjaśnienia niektórych zjawisk makroskopowych jak nadprzewodnictwo i nadciekłość. Termin ten bywa synonimem fizyki kwantowej, jednak ta druga nazwa obejmuje też teorie pól kwantowych, którym mechanika kwantowa bywa przeciwstawiana – jako model zachowań cząstek w zadanych, zwykle klasycznych polach, ignorujący ich kwantową naturę.

Charakterystyczną cechą mechaniki kwantowej jest to, że nie opisuje ona wprost zmienności (ewolucji) mierzalnych wielkości fizycznych jak położenie ciała czy jego prędkość. Zamiast tego opisuje zachowanie abstrakcyjnego wektora stanu oraz jak on wpływa na wyniki pomiarów, które są częściowo losowe, inaczej indeterministyczne. Prowadzi to do paradoksalnych zjawisk jak:

Bezpośredni twórcy podstawowej mechaniki kwantowej, nieuwzględniającej efektów relatywistycznych to:

Jednolitą i ścisłą postać nadali tej teorii Paul Dirac i John von Neumann w latach 30., odwołując się do analizy funkcjonalnej – konkretniej teorii spektralnej operatorów na przestrzeni Hilberta. Ten poczet uczonych budował na pracach szeregu poprzedników jak Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Arnold Sommerfeld i Louis de Broglie, których wyniki bywają nazywane wczesną teorią kwantów. Relatywistyczną wersję mechaniki kwantowej stworzyli między innymi Oskar Klein, Walter Gordon i Paul Dirac, a Richard Feynman podał nowy, lagranżowski i wariacyjny formalizm, który okazał się skuteczny w kwantowaniu pól.

Mimo kontrowersji interpretacyjnych i swojej nieintuicyjności mechanika kwantowa okazała się zgodna z obserwacjami. Wyjaśniła stabilność atomów i pomiary spektroskopowe, np. rozwiązała problem katastrofy w nadfiolecie; stała się paradygmatem i podstawą fizyki atomowej, molekularnej, materii skondensowanej oraz chemii. Stworzyła nowe kierunki badań jak chemia kwantowa, kwantowa biologia czy inżynieria, np. kwantowa informatyka i kryptografia. Została też fundamentem fizyki cząstek elementarnych – w wersji relatywistycznej przewidziała istnienie antycząstek oraz doprowadziła do stworzenia kwantowych teorii pola. Te ostatnie próbuje się też stosować do opisu grawitacji w warunkach ekstremalnych, np. czarnych dziur czy Wielkiego Wybuchu. Mechanika kwantowa doprowadziła też bezpośrednio do pewnych spekulacji kosmologicznych – niektóre z jej interpretacji opisują rozgałęziony przyczynowo Wieloświat. Za przewidzenie i potwierdzenie zjawisk kwantowych przyznano co najmniej kilkanaście Nagród Nobla w dziedzinie fizyki.

Otwartą kwestią pozostaje, czy mechanika kwantowa jest teorią ostateczną i fundamentalną. Albert Einstein żywił nadzieje na zastąpienie jej teorią klasyczną, pozbawioną wspomnianych paradoksów; John Stewart Bell udowodnił, że wiązałoby się to z częściową rewizją – twierdzenie nazwane jego nazwiskiem opisuje, jak w pewnych warunkach teorie tego typu nie mogą się zgadzać z przewidywaniami kwantowymi. Doświadczenia Alaina Aspecta i innych fizyków potwierdziły skuteczność kwantowego opisu, falsyfikując wspomniane hipotezy. Mimo to nigdy nie wykluczono koncepcji superdeterminizmu, teorii fali pilotującej ani modyfikacji równania Schrödingera, choć podejrzenia te mogą nie być sprawdzalne.

Historia[edytuj | edytuj kod]

Dziesięciu głównych twórców mechaniki kwantowej – w kolejnych wierszach Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Louis de Broglie, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born, Paul Dirac i John von Neumann; oprócz ostatniego z nich wszyscy zostali noblistami. Nestorzy tej teorii nie zgadzali się co do jej interpretacji – szkoła kopenhaska Bohra i Heisenberga była wewnętrznie zróżnicowana[potrzebny przypis] oraz spotykała się z krytyką przez Einsteina, de Broglie’a i Schrödingera[potrzebny przypis].

Pod koniec XIX w. fizykę uważano za najbardziej kompletną ze wszystkich nauk ścisłych (patrz historia fizyki). Istniało jedynie kilka słabo zbadanych problemów, których rozwiązanie spodziewano się wkrótce otrzymać, jakkolwiek nie przypuszczano, by te rezultaty miały znaczący wpływ na fizyczny obraz świata. Bardzo niewielu ludzi zdawało sobie sprawę z wagi nierozwiązanych problemów, do których w szczególności należał problem objaśnienia zjawiska promieniowania termicznego ciała doskonale czarnego[b]. Bliższe badania promieniowania ciała doskonale czarnego, zjawiska fotoelektrycznego, a także zjawiska Comptona sprawiły, że całkowicie zmieniło się postrzeganie świata przez fizyków.

Mechanika klasyczna a mechanika kwantowa[edytuj | edytuj kod]

Ogólną wskazówką, którą się kiedyś posługiwano, aby rozsądzić, czy należy użyć mechaniki kwantowej, by uniknąć znaczących błędów w opisie zjawisk, jest porównanie długości fali de Broglie’a z wielkością analizowanego układu fizycznego. Jeśli są to wielkości zbliżone do siebie, zastosowanie mechaniki klasycznej da najpewniej nieprawidłowe wyniki. Obecnie, z racji postępu doświadczalnego, znane jest wiele zjawisk kwantowych, dla których ta prosta reguła nie obowiązuje.

Zasady mechaniki kwantowej określają sposób patrzenia na wszelkie zjawiska fizyczne i chemiczne, także te, których opis prowadzi się przy użyciu mechaniki klasycznej: stara się wówczas wykazać, że jest to klasyczna granica opisu kwantowego (zasada korespondencji). Stanowi ona podstawę badawczą takich działów nauki jak: fizyka materii skondensowanej, chemia kwantowa, fizyka jądrowa, fizyka cząstek elementarnych czy astrofizyka.

Sformułowanie matematyczne[edytuj | edytuj kod]

Matematycznie ścisłe sformułowanie mechaniki kwantowej pochodzi od Paula Diraca i Johna von Neumanna. W tym sformułowaniu stan układu kwantowego (stan czysty) reprezentowany jest przez wektor jednostkowy (nazywany wektorem stanu) w zespolonej przestrzeni Hilberta (nazywanej często przestrzenią stanów układu fizycznego).

Każda wielkość fizyczna (obserwabla) reprezentowana jest przez hermitowski (czyli samosprzężony) operator liniowy działający w przestrzeni stanów (przestrzeni Hilberta). Zbiór wartości własnych tego operatora, nazywany widmem punktowym operatora, interpretuje się jako zbiór możliwych wartości obserwowalnych (pomiarowych). Dla hermitowskich operatorów wartości w widmie są liczbami rzeczywistymi, co stanowi motywacje ich wprowadzenia w takiej, a nie innej roli. Stany własne tego operatora do tych wartości własnych interpretuje się jako możliwe stany, w których znajdzie się układ po dokonaniu pomiaru.

Alternatywnym sformułowaniem jest feynmanowskie funkcjonalne całkowanie po trajektoriach. Jest to odpowiednik zasady najmniejszego działania w mechanice klasycznej.

Zjawiska opisywane przez mechanikę kwantową[edytuj | edytuj kod]

 Główny artykuł: zjawisko kwantowe.

Obok zjawisk będących inspiracją do budowy mechaniki kwantowej jej wielki sukces wiąże się z prawidłowym opisem następujących zjawisk:

Konsekwencje filozoficzne[edytuj | edytuj kod]

Mechanika kwantowa wywarła wpływ na filozofię. Interpretacja kopenhaska związana z Nielsem Bohrem głosi, że probabilistyczna natura mechaniki kwantowej nie może być wyjaśniona w ramach innej, deterministycznej teorii, ale jest odbiciem probabilistycznej natury samego Wszechświata.

Albert Einstein, będący jednym z twórców mechaniki kwantowej, był przeciwny interpretacji kopenhaskiej – uważał, że powinna istnieć ukryta deterministyczna teoria u podstaw mechaniki kwantowej, którą w obecnej postaci uważał za teorię niedokończoną. Popierał teorie zmiennych ukrytych. W celu wykazania sprzeczności między mechaniką kwantową a szczególną teorią względności zaproponował paradoks EPR.

Teoria de Broglie’a-Bohma, sformułowana przez Davida Bohma w 1952 roku, jest deterministyczną interpretacją mechaniki kwantowej – ale jest sformułowana na sposób niezgodny ze szczególną teorią względności Einsteina.

W latach 60. John Stewart Bell opublikował dalsze prace na temat lokalności i realizmu w mechanice kwantowej, odwołując się do paradoksu EPR.

Mechanika kwantowa doczekała się alternatywnych interpretacji, jak np. hipoteza Wieloświata zaproponowana przez Everetta. Obecnie stosuje się teorię opisującą dekoherencję środowiskową niezdeterminowanej superpozycji do stanów mieszanych determinujących zachowania zgodnie z mechaniką klasyczną. Jest ona poparta eksperymentalnie i pozwala ominąć paradoks kota Schrödingera[1].

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Uwagi[edytuj | edytuj kod]

  1. Postulat Borna bywa nazywany interpretacją, jednak nie jest to hipotetyczna, subiektywna interpretacja w takim sensie jak interpretacje kopenhaska, zmiennych ukrytych czy Everetta.
  2. Przeciwnikiem takiego rozpowszechnionego poglądu był Richard Feynman, zdaniem którego fizycy tacy jak Maxwell czy Jeans dostrzegali poważne braki klasycznej mechaniki statystycznej w opisywaniu własności termodynamicznych gazu dwuatomowego. Zdaniem Feynmana „sumienna lektura ówczesnej (tzn. z końca XIX wieku) literatury wskazuje, że wszyscy fizycy przeżywali jakiś niepokój”. Feynman, Leighton i Sands 1974 ↓, s. 230.

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. Art Hobson, Kwanty dla każdego, s. 403–410, Prószyński i S-ka; 2018, ISBN 978-83-8123-376-7.

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

Literatura[edytuj | edytuj kod]

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]

Polskojęzyczne
Anglojęzyczne

publikacja w otwartym dostępie – możesz ją przeczytać Artykuły na Stanford Encyclopedia of Philosophy (ang.) [dostęp 2018-01-28]: