Kvantu fizika (Raksts Latvijas Nacionālajai enciklopēdijai, nerediģēts)

Marcis Auzins 21.03.2016
Pamats:

Kas ir kvantu fizika?

Kvantu fizika, bieži saukta par kvantu mehāniku vai kvantu teoriju, pēta procesus, kuros mazas daļiņas, tādas kā atomi un molekulas, mijiedarbojas savā starpā un ar ārējo starojumu, piemēram, gaismu. Tā pēta arī mazākas daļiņas, tādas kā elektroni, protoni, neitroni  un eksotiskie kvarki un gluoni.

Etimoloģija un jēdziena lietojums mūsdienās

Termins kvants ir cēlies no latīņu valodas – quantum, kas nozīmē daudzumu. Lai arī termins kvants tika lietots jau ilgi pirms kvantu fizikas rašanās, galvenokārt medicīnā, lai apzīmētu zāļu vielu daudzumu, savu specifisko nozīmi kvantu fizikā tas ieguva 20. gadsimta sākumā, pateicoties Maksa Planka, Alberta Einšteina un citu fiziķu darbiem. Fizikā terminu kvants sākotnēji lietoja, lai apzīmētu mazāko iespējamo tālāk nedalāmo gaismas enerģijas daudzumu — gaismas kvants. Vēlāk jēdziena lietojumu kvantu fizikā paplašināja, un šobrīd tiek runāts par atoma kvantu stāvokļiem, enerģijas kvantēšanos utt., ar to saprotot daļiņu un starojuma diskrētus stāvokļus. Piemēram, aprakstot parādību, ka atoms nevar atrasties stāvoklī ar jebkuru enerģiju, bet tikai noteiktos stāvokļos ar diskrētām enerģijas vērtībām – diskrētos kvantu stāvokļos.

Kvantu fizikas iedalījums (pielietojuma jomas)

Kvantu fiziku sīkāk iedala pēc izpētes objekta, piemēram, kodolfizika, atomu fizika, molekulu fizika, vielas uzbūve, vai ķīmiskajā fizikā, ja runa ir par sarežģītākām sistēmām, piemēram, par komplicētām molekulām vai cietu vielu. To var iedalīt arī pēc tā, kādi procesi tiek pētīti. Piemēram, daļiņu, tādu kā atomi vai molekulas, mijiedarbība ar gaismu vai – vispārīgā gadījumā – ar elektromagnētisko starojumu arī citos viļņu garuma diapazonos, tai skaitā ar rentgena un gamma starojumu. Protams, kvantu fizika pēta arī daļiņu savstarpējo mijiedarbību, tām saduroties savā starpā vai ar virsmām.

Īss kopsavilkums.  Kvantu fizikas kā fizikas apakšnozares raksturojums

Kvantu fizikas pamatpriekšstati balstās 20. gadsimta sākumā veiktajos pētījumos, kas viennozīmīgi pierādīja, ka gaismai, par kuru bija izveidojies stabils priekšstats kā par elektromagnētisko vilni, bez viļņu īpašībām noteiktās situācijās var piemist arī daļiņas jeb korpuskulas īpašības. Šiem pētījumiem attīstoties tālāk, tika konstatēts, ka ne tikai gaismai var būt gan viļņa, gan daļiņas īpašības. Arī tādiem objektiem kā, piemēram, elektrons, ko atklājot uzskatīja par daļiņu, noteiktos apstākļos var piemist viļņa īpašības. Šo zināmā mērā paradoksālo situāciju kvantu fizikā pieņemts saukt par daļiņas–viļņa duālismu, ko var aprakstīt matemātiski. Viens no tā stūrakmeņiem ir kvantu fizikas pamatvienādojums jeb Šrēdingera vienādojums, kas veido mūsdienu kvantu fizikas pamatu. Balstoties uz šiem priekšstatiem, mūsdienās ar ļoti augstu precizitāti iespējams aprakstīt gan atoma, kurš sastāv no kodolā esošajiem protoniem, neitroniem un ar kodolu saistītajiem elektroniem, uzbūvi, gan arī paša kodola un to veidojošo daļiņu uzbūvi. Kvantu fizika, izmantojot kvantu optikas priekšstatus, ļauj daudz dziļāk izprast gaismas īpašības un tās mijiedarbību ar vielu.

Tomēr, neskatoties uz kvantu fizikas milzīgajiem panākumiem, skaidrojot parādības un izmantojot kvantu fizikā balstītās tehnoloģijas praktiski visās mūsdienās lietojamās elektroniskajās ierīcēs, virkne kvantu fizikas pamatprincipu izraisa aktīvas diskusijas. Piemēram, jau minētais daļiņas–viļņa duālisms, kas ir šķietamā pretrunā ar ikdienas pieredzi, kura mudina domāt, ka objekts var būt vai nu daļiņa, vai vilnis, bet tam nevar piemist abu (daļiņas un viļņa) daba. Šī ir viena no tēmām, par ko aktīvi tiek diskutēts ne tikai profesionālu fiziķu vidū. Šajā diskusijā iesaistās gan zinātnes vēsturnieki, gan filozofi, gan sabiedrības daļa.

Īsa kvantu fizikas attīstības vēsture, galvenās teorijas un to rašanās

Līdzīgi kā daudzu zinātņu nozaru un apakšnozaru, arī kvantu fizikas pirmsākumus var atrast Senās Grieķijas domātāju darbos. Tie saistāmi ar tādiem domātājiem kā Taless, kurš viens no pirmajiem aizdomājās, ka vielai ir jābūt kādam pirmelementam, Dēmokritu, kurš uzskatīja, ka šim pirmelementam ir jābūt vismazākajai vienībai, no kurienes cēlies termins atoms (grieķiski atomos – nedalāmais), un Zenonu, kurš formulēja virkni paradoksu, Grieķijā sauktu par aporijām, kas attīstīja tālāk domu par mazākajām vienībām, to attiecinot gan uz vielu, gan telpu, gan arī laiku.

Taču mūsdienu kvantu fizikas pirmsākumi ir datējami samērā precīzi. Tie saistās ar vācu fiziķa Maksa Planka 1900. gadā publicēto pētījumu par sakarsētu ķermeņu starojumu. Fizikā šādu starotāju idealizētu modeli sauc par absolūti melnu ķermeni. Lai pārvarētu pretrunu starp eksperimentos novēroto un klasiskās fizikas paredzēto šāda starotāja spektru, Planks ieviesa gaismas kvanta jēdzienu. Tas bija pieņēmums, ka starotājs gaismu nevar izstarot nepārtraukti, bet tikai noteiktās porcijās. Šīs porcijas jeb kvanta enerģijas E lielums ir atkarīgs no izstarotās gaismas frekvences v  un uzrakstāms kā

E = hv,

kur proporcionalitātes koeficients h šobrīd ir pazīstams kā viena no dabu aprakstošām fundamentālām konstantēm – Planka konstante. Lieki teikt, ka Planka konstante ir ļoti maza un tādēl kvantu fizika dominē mazu daļiņu pasaulē. Tās skaitliskā vērtība ir h = 6.62607004 × 10-34 m2 kg / s. Šī bija konceptuāli jauna un negaidīta ideja, jo iepriekš klasiskajā fizikā bija zināms, ka gaisma ir elektromagnētisks vilnis, ko uzskatāmi pierādīja gaismas viļņa difrakcija un interference. Sākotnēji šķita, ka Planka ideju būs iespējams savienot ar klasiskās fizikas priekšstatiem, uzskatot, ka gaismas korpuskulārā daba ir nevis pašas gaismas īpašība, bet gan melnā ķermeņa kā starotāja īpašība – tātad gaisma, kad tā izplatās telpā, ir vilnis, vienkārši no melnā ķermeņa kā starotāja tā tiek izstarota porcijās jeb kvantos.

Taču ļoti drīz šī cerība saglābt klasiskās fizikas priekšstatus par gaismu zuda. 1905. gadā Alberts Einšteins piedāvāja skaidrojumu vēl vienai fizikas parādībai – fotoefektam. Fotoefekta rezultātā gaisma no metāla virsmas izrauj elektronus. Lai šo parādību varētu kvantitatīvi aprakstīt, Einšteinam nācās pieņemt, ka gaisma arī tad, kad ir izstarota, joprojām saglabā savas korpuskulārās jeb daļiņas īpašības. Lai izskaidrotu elektronu atbrīvošanu no metāla, tam mijiedarbojoties ar gaismu, Einšteins pieņēma, ka gaismas korpuskula saduras ar vielā esošo elektronu un to izsit no vielas. Tālāk sekoja vēl citi eksperimenti, kas veidoja kvantu fizikas pamatpriekšstatus. Jāmin arī Ernesta Rezerforda un viņa līdzstrādnieku Hansa Geigera un Ernesta Mārsdena 1913. gadā publicētie pētījumi par to, kā izkliedējas alfa daļiņas (hēlija atoma kodoli), ja tās tiek virzītas uz plānu metāla foliju. Balstoties uz šiem pētījumiem, dāņu fiziķis Nilss Bors 1913. gadā izveidoja savu atoma uzbūves modeli. Tas vēl nebija pilnīgs un dažos aspektos bija pretrunā ar mūsdienu priekšstatiem par atoma uzbūvi. Taču tas ļāva izskaidrot diskrēto enerģijas stāvokļu eksistenci atomos un tādēļ ir uzskatāms par mūsdienu atomu uzbūves kvantu teorijas pirmsākumu.

Jauns etaps kvantu fizikas attīstībā iesākās 1924. gadā, kad tobrīd vēl pavisam jaunais franču fiziķis Luijs de Brojī izteica hipotēzi, ka jebkurai daļiņai ar masu m, kustoties ar ātrumu v, piemīt viļņa īpašības. Šo vilni tagad pazīstam kā de Brojī vilni, un tā viļņa garums ir saistīts ar mums jau zināmo Planka konstanti h. Šo viļņa garumu saskaņā ar de Brojī hipotēzi var aprēķināt kā

lambda_Debroji = h/(mv).

No šā brīža sākās tāda kvantu fizikas matemātiskā apraksta, kādu mēs to pazīstam mūsdienās, formulēšana. Kad bija formulēta de Brojī hipotēze, bija jāformulē vienādojums, kam pakļaujas de Brojī viļņi. Šādu vienādojumu formulēja un 1926. gadā publicēja austriešu fiziķis Ervīns Šrēdingers. Šobrīd tas ir viens no visplašāk lietotajiem vienādojumiem kvantu fizikā un, iespējams, fizikā kopumā. Šo vienādojumu mūsdienās sauc par Šrēdingera vienādojumu.

Tālāk, apvienojot kvantu fiziku ar relativitātes teoriju, angļu fiziķis Pols Dīraks 1928. gadā uzrakstīja relatīvistisko viļņu vienādojumu, ko mūsdienās pazīstam kā Dīraka vienādojumu.

Kvantu fizikas attīstība ir novedusi pie vairākiem priekšstatiem, kas ir pretrunā ar mūsu makropasaulē un klasiskajā fizikā balstītu pieredzi. Viens no šiem priekšstatiem ir ieguvis nosaukumu Heizenberga nenoteiktības sakarības. Tās 1927. gadā formulēja vācu fiziķis Verners Heizenbergs. Saskaņā ar šo principu, kas matemātiski formulēts tādiem fizikāliem objektiem kā daļiņas, atšķirībā no klasiskās fizikas kvantu fizikā virkni fizikālu lielumu vienlaicīgi precīzi zināt nav iespējams. Piemēram, nav iespējams vienlaicīgi precīzi zināt, kur atrodas elektrons, kādā virzienā un ar kādu ātrumu tas kustas. Jo precīzāk uzzinām elektrona atrašanās vietu, jo aptuvenāk zinām tā ātrumu. Robežu, cik precīzi šie lielumi vienlaicīgi ir zināmi, nosaka Planka konstante.

Vēl viens kvantu fizikai īpašs jēdziens ir sapītā stāvokļa jēdziens, kas tika ieviests 1935. gadā. To pirmo reizi formulēja Alberta Einšteina un viņa kolēģu Borisa Podoļska un Natana Rozena publicētajā rakstā. Interesanti, ka raksta mērķis bija loģiskas analīzes ceļā parādīt šādu stāvokļu neiespējamību un līdz ar to demonstrēt kvantu fizikas ierobežotību.  Kopš tā laika šī analīze, kas pazīstama kā Einšteina–Pododoļska–Rozena paradokss, ir viens no visvairāk diskutētajiem kvantu fizikas tā saucamajiem domu eksperimentiem.

Šī diskusija aizsākās 20. gadsimta trīsdesmitajos gados ar nu jau fizikas vēsturē slavenu kļuvušo Einšteina—Bora daudzu desmitu gadu garumā ilgušo strīdu par kvantu fiziku. Einšteins līdz sava mūža beigām kvantu fiziku neuzskatīja par harmonisku un loģisku teoriju. Pēc viņa domām, kvantu teorijai piemīt nopietnas iekšējas pretrunas, kas jālabo, pirms tā iegūst pabeigtas fizikas teorijas statusu. Lai aizstāvētu savu viedokli, Einšteins nemitīgi visas savas dzīves garumā piedāvāja domu eksperimentus, kas, viņaprāt, demonstrēja kvantu teorijas iekšējās pretrunas. Turpretī Bors nemitīgi centās šīs pretrunas atrisināt un loģiskā ceļā parādīt kvantu fizikas kā fizikas teorijas iekšēju saskaņotību.

Einšteina–Podoļska–Rozena paradoksa būtība ir tā, ka viņi domu eksperimentā pierādīja, ka saskaņā ar kvantu fiziku daļiņas uzvedas nelokāli. Tas nozīmē, ka noteiktos procesos vienlaicīgi radušās daļiņas var palikt noteiktā veidā saistītas pat tad, ja tās pēc to rašanās ir aizlidojušas ļoti tālu viena no otras. Šādu daļiņu saistību sauc par šo daļiņu sapītu stāvokli. Einšteinam un viņa kolēģiem šāda stāvokļa eksistence likās neiespējama, jo tā pavisam noteikti ir pretrunā ar makropasaulē gūto pieredzi. Ierastajā vidē divas daļiņas, ja tās ir bezgalīgi tālu viena no otras, vairs viena otru ietekmēt nevar.

Šā paradoksa eksperimentāli pārbaudāmu risinājumu 1964. gadā piedāvāja īru fiziķis Džons Bells, formulējot savas slavenās Bella nevienādības. Tie ir matemātiski formulēti ierobežojumi eksperimentiem ar sapītām daļiņām, kas ļauj eksperimentāli pārliecināties, vai šie sapītie stāvokļi, neskatoties uz Einšteina iebildumiem, dabā eksistē vai ne. Ja Bella nevienādības eksperimentā tiek pārkāptas, tad sapītie stāvokļi dabā objektīvi eksistē un Einšteina argumenti par to, ka kvantu fizika ir iekšēji pretrunīga, tiek noraidīti. Ja nevienādības pārkāptas netiek, taisnība ir Einšteinam.

Lai arī šie eksperimenti ir ļoti sarežģīti, kopš 1964. gada tas, ka Bella nevienādības eksperimentā tiek pārkāptas, ir pārbaudīts daudzas reizes, un tādējādi šajā diskusijā par kvantu mehānikas saskanīgumu ir uzvarējis Nilss Bors. Šis ir viens to tiem gadījumiem fizikas vēsturē, kad nākas atzīt, ka arī izcili, pat ģeniāli, fiziķi, kāds nešaubīgi bija Alberts Einšteins, var kļūdīties.

Kvantu fizikas pašreizējā attīstība

Bez kvantu fizikas šobrīd nav iedomājami gan fundamentāli pētījumi par vielas uzbūvi, gan arī praktiski lietojamu kvantu elektronikas ierīču, piemēram, dažādu sensoru, lāzeru, izveide. Arī sadzīvē lietojamo elektronisko ierīču ražošanā nevar iztikt bez kvantu fizikas. Droši var apgalvot, ka kvantu teorija šobrīd ir eksperimentāli vislabāk pārbaudītā fizikas teorija. Piemēram, ir izmērīta elektrona magnētiskā un mehāniskā momenta attiecība – 2,002 319 304 361 82+/- 0,00000000000052. Tas nozīmē, ka pirmos 13 ciparus šajā skaitlī mēs zinām absolūti precīzi un šaubāmies tikai par 14. un 15. ciparu šajā skaitlī. Vienlaicīgi, balstoties kvantu elektrodinamikā un relatīvistiskajā kvantu fizikā, šo momentu attiecību var izrēķināt arī teorētiski, iegūstot tieši to pašu skaitli. Tātad mēs nešaubāmies par kvantu fizikas spēju precīzi aprakstīt procesus mikropasaulē.

Joprojām diskutabli jautājumi par kvantu fizikas konceptuālajiem pamatiem. Tiek diskutēts, kā loģiski nepretrunīgi būtu jāsaprot tas, ka viens un tas pats objekts mikropasaulē var izpausties gan kā daļiņa, gan arī kā vilnis (daļiņas un viļņa duālisms). Vai arī – lai gan sapīti stāvokļi jau praktiski tiek izmantoti kvantu kriptogrāfijā un tos uzskata par svarīgu elementu, veidojot kvantu datorus, to konceptuālā jēga nav viennozīmīgi izprasta un diskusijas par to turpinās.

Tāpat, spriežot par kvantu fizikas un tādu tās elementu kā de Brojī viļņi fizikālo jēgu, tiek piedāvātas un apspriestas dažādas kvantu fizikas interpretācijas. Jāuzsver, ka interpretācija nav jauna teorija. Atšķirīgu teoriju patiesums ir pārbaudāms eksperimentāli, bet interpretācijas ir viena un tā paša matemātiskā formālisma dažādas izpratnes. Līdz ar to priekšroka kādai no kvantu fizikas interpretācijām nav dodama, eksperimentāli pārbaudot, bet tikai un vienīgi balstoties to iekšējā harmoniskumā.

Šīs diskusijas par to, kā jāsaprot kvantu teorija, kas mēdz būt pretrunā ar makropasaules pieredzē veidoto intuīciju, bieži nonāk arī ārpus profesionālas fiziķu vides. Ir mākslinieki, kuri savu iedvesmu smeļas kvantu fizikas piedāvātajos priekšstatos par pasauli. Piemēram, angļu dramaturga Maikla Freina ļoti populārā un arī Jaunajā Rīgas teātrī 2011. gadā uzvestā luga Kopenhāgena, kuras sižeta pamatā ir divu izcilu fiziķu, kvantu fizikas pamatlicēju Nilsa Bora un Vernera Heizenberga fizikā balstītas personiskā attiecības.

Svarīgākie periodiskie izdevumi

Kvantu fizika ir pamats praktiski visai pētniecībai, kas notiek atomu, molekulu un cietvielu fizikas tematikā, un tā ir viena no mūsdienu fizikas pamatkomponentēm. Protams, zinātniskie raksti kvantu fizikā tiek publicēti ļoti daudzos fizikas žurnālos, kuru virsrakstā termins kvants nefigurē.

Svarīgākie rezultāti, kas saistīti ar kvantu fiziku un tās pielietojumiem, ir atrodami žurnālos:

Nature;
Science;
Nature Physics;
Nature Photonics;
Physical Review Letters;
Physical Review A (Atomic, molecular, and optical physics);
Physical Review B (Condensed matter and materials physics);
Physical Review C (Nuclear physics);
Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical Physics;
Journal of Physics B: Atomic Molecular and Optical Physics;
The European Physical Journal D: Atomic, Molecular, Optical and Plasma Physics

un daudzos citos.

Pētniecības iestādes

Praktiski visās pasaules lielākajās universitātēs tiek veikti pētījumi kvantu fizikā vai tās pielietojumos citās fizikas nozarēs.

Tāpat ir lieli pētniecības institūti, kas nodarbojas ar pētniecību kvantu fizikā. Piemēram Vācijas Maksa Planka biedrībā tādi ir

Max Planck Institute of Microstructure Physics, Halle/Saale
Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, Dresden
Max Planck Institute for Physics, München
Max Planck Institute for the Science of Light, Erlangen
Max Planck Institute for Nuclear Physics, Heidelberg
Max Planck Institute for Plasma Physics, Garching
Max Planck Institute for Plasma Physics (Greifswald), Greifswald
Max Planck Institute of Quantum Optics, Garching
Max Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart

Dažas no Ameriaks Savienoto Valstu nacionālajām laboratorijām, kas nodarbojas ar pētījumiem kavantu fizikas jomā

Lawrence Berkeley National Laboratory at Berkeley, California
Los Alamos National Laboratory at Los Alamos, New Mexico
Oak Ridge National Laboratory at Oak Ridge, Tennessee
Argonne National Laboratory at DuPage County, Illinois
Brookhaven National Laboratory at Upton, New York
Idaho National Laboratory between Arco and Idaho Falls, Idaho
Princeton Plasma Physics Laboratory at Princeton, New Jersey
Lawrence Livermore National Laboratory at Livermore, California

Protams arī CERN

Bibliogrāfija

Ievads kvantu fizikas pamatos, tiem kas grib saprast tās būtību un nebaidās no matemātikas

1. The Feynman Lectures on Physics, boxed set: The New Millennium EditionJan 4, 2011
by Richard P. Feynman and Robert B. Leighton, volume 3

2. Modern Physics, Paul A. Tipler, Ralph Llewellyn: W. H. Freeman; Sixth Edition edition (January 1, 2012)

Nopietnas kvantu fizikas mācību grāmatas.

1. Quantum Mechanics, Third Edition: Non-Relativistic Theory (Volume 3) 3rd Edition
by L. D. Landau (Author), L. M. Lifshitz (Author): Butterworth-Heinemann; 3 edition (January 15, 1981)

2. Modern Quantum Mechanics: Pearson New International Edition by J. J. Sakurai (Author), Jim J. Napolitano (Author), Pearson; 2 edition (August 29, 2013)

Kvantu fizikas vēsture un populāri izdevumi

1. How the Hippies Saved Physics: Science, Counterculture, and the Quantum Revival 1st Edition
by David Kaiser, W. W. Norton & Company; 1 edition (July 16, 2012)

2. How to Teach Quantum Physics to Your Dog, by Chad Orzel (Author), Scribner (December 3, 2009)

3. Dancing Wu Li Masters: An Overview of the New Physics Later Printing Used Edition
by Gary Zukav (Author), HarperOne; Later Printing Used edition (October 27, 2009)

4. Planck: Driven by Vision, Broken by War 1st Edition
by Brandon R. Brown (Author), Oxford University Press; 1 edition (June 1, 2015)

5. Niels Bohr's Times, In Physics, Philosophy, and Polity Hardcover use pre formatted date that complies with legal requirement from media matrix – October 3, 1991 by Abraham Pais (Author), Oxford University Press; First Edition edition (October 3, 1991)

6. Erwin Schrodinger and the Quantum Revolution 1st Edition by John Gribbin (Author), Wiley; 1 edition (April 1, 2013)

Interneta resursi

Oriģināli raksti fizikā

Cornell University Library
http://arxiv.org

Pasaules vadošu augstskolu tiešsaistes lekciju kursi kvantu fizikā

Masačūsetsas Tehnoloģiskā institūta (MIT) lekciju kursi fizikā
http://ocw.mit.edu/courses/physics/

Stredforda Universitātes lekcijas fizikā (prof. Leonards Saskinds)
https://www.youtube.com/playlist?list=PLQrxduI9Pds1fm91Dmn8x1lo-O_kpZGk8

Coursera platformas interaktīvie kursi kvantu fizikā
https://www.coursera.org

Uzziņu materiāli

Wolfram Scinece World, Physics
http://scienceworld.wolfram.com/physics/

Hyper Physics, Georgia State University
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html

Materiāli par kvantu fizikas vēsturi

American Institute of Physics - History of Physics
https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories

American Philosophical Society - Resources for History of Quantum Physcis
https://amphilsoc.org/guides/ahqp/

Fizikas diskusiju forumi

Physics Forums
https://www.physicsforums.com/forums/general-discussion.14/

Physics Stack Exchange
http://physics.stackexchange.com

Tags:

Autortiesības

Šajā lapā atrodamie materiāli ir domāti nekomerciālai lietošanai studentiem, pētniekiem un visiem interesentiem. Tos nedrīks lietot komerciālos nolūkos. Daļa materiālu ir aizsargāti ar autortiesībām. Materiālu tālākai pārpublicēšanai ir nepieciešams saņemt autortiesību īpašnieka atļauju. Parasti tas ir izdevējs, bet atsevišķos gadījumos – Mārcis Auziņš.