Kvantu mehānika

No atsevišķiem kobalta atomiem izveidota elipse uz vara pamatnes. Skanējošā tuneļmikroskopa attēls, kas balstīts uz kvantu efektiem

Kvantu mehānika, zināma arī kā kvantu fizika un kvantu teorija, ir teorētiskās fizikas nozare, kas papildina un izlabo^{[nepieciešama atsauce]} klasisko mehāniku, īpaši atomu un subatomāru daļiņu līmenī. Tās nosaukums veidots no termina "kvants" (latīņu: quantum — ‘cik daudz’), kas fizikā tiek lietots, lai apzīmētu mazākās vienības, kurās kaut kas tiek dalīts.

Kvantu mehānikā atšķirībā no klasiskās mehānikas ķermenim vienā laikā var noteikt vai nu ātrumu vai stāvokli telpā, bet ne abus vienlaicīgi. Kvantu un klasiskās mehānikas aptuvenu robežu nosaka akcijas tuvums Planka konstantei. Kad akcijas lielums ir tuvs (tātad ļoti mazs) Planka konstantei, klasiskās mehānikas likumi vairs nav piemērojami.

Kvantu fizikas pamats ir Šrēdingera vienādojums.

Kvantu fizikas pamatprincipi

Kvantu fizika balstās uz vairākiem pamatprincipiem. Nozīmīgākie no tiem ir šādi:

• Heizenberga nenoteiktības princips,
• kvantu informācijas nenoteiktība (koherence),
• daudzdaļiņu sapinums (nelokalitāte jeb sapītais stāvoklis).

Vēsture

Makss Planks tiek uzskatīts par kvantu mehānikas "tēvu"

Fizikā 18. gadsimtā pastāvēja uzskats, ka gaisma ir īpašu daļiņu plūsma. Šāds priekšstats par gaismas dabu bija arī Īzakam Ņūtonam un viņa laikabiedriem.

Elektromagnētiskā lauka teorijā Džeimss Maksvels un Heinrihs Rudolfs Hercs pierādīja, ka gaismas viļņi ir elektromagnētiskā lauka svārstības, kas izplatās vakuumā vai vielā. Par kvantu mehānikas pirmsākumu uzskata vācu fiziķa Maksa Planka 1900. gadā publicēto darbu par sakarsētu ķermeņu starojumu. Tajā bija daudzas pretrunas ar klasisko mehāniku, tāpēc Planks ieviesa jēdzienu kvants. Kvantu teoriju tālāk attīstīja ne tikai Makss Planks, bet daudzi citi zinātnieki, piemēram, Alberts Einšteins un Nilss Bors. Tā, pamatojoties uz eksperimentiem, kuri apstiprināja kvantu pastāvēšanu, tika apvienoti viļņu un daļiņu priekšstati par gaismu un elektromagnētisko starojumu. Mūsdienu kvantu mehānikā uzskata, ka starojums ir elektromagnētiskais lauks, kas vakuumā izplatās kā viļņi ar gaismas ātrumu c, un starojuma enerģija ir kvantēta. Katram enerģijas kvantam ir inerce — masa m un impulss p. Kvanta enerģija, masa un impulss mainās atkarībā no elektromagnētiskā viļņa garuma λ jeb tam atbilstošās frekvences ν. Sakarības starp šiem lielumiem ir kvantu fizikas pamatformulas:

E = mc²

E = hν

kur h ir Planka konstante.

Alberts Einšteins 1905. gadā, izmantojot kvantu hipotēzi, veiksmīgi spēja izskaidrot fotoelektrisko efektu. Attīstot tālāk Planka ideju, Einšteins pieņēma, ka emitētie kvanti arī pēc emisijas izturas kā patstāvīgi fizikāli objekti. Par šo skaidrojumu Einšteins 1921. gadā saņēma Nobela prēmiju fizikā. 1913. gadā Nilss Bors, balstoties uz iepriekšējiem pētījumiem kvantu fizikas jomā, izveidoja atoma uzbūves modeli.

1924. gadā franču fiziķis Luijs de Brojī izvirzīja ideju, ka matērijas daļiņām ir viļņu īpašības, tā sauktais de Brojī vilnis. Tas bija jauns etaps kvantu mehānikā. 1925. gadā šveiciešu fiziķis Volfgangs Pauli kvantu mehānikā ieviesa spina jēdzienu. 1926. gadā austriešu fiziķis Ervīns Šrēdingers formulēja matemātisku vienādojumu, kam pakļaujas de Brojī viļņi. Tas ir zināms kā Šrēdingera vienādojums, kas ir visplašāk izmantotais vienādojums kvantu mehānikā. 1927. gadā vācu fiziķis Verners Heizenbergs formulēja tā saukto Heizenberga nenoteiktības principu. 1932. gadā viņš saņēma Nobela prēmiju fizikā "par kvantu mehānikas radīšanu".

Vieni no pirmajiem, kas pētīja kvantu parādības dabā, bija Arturs Komptons, Čandrasekhara Venkata Rāmans un Pīters Zēmanis. Katra vārdā ir nosaukts viens no efektiem — Komptona efekts, Rāmana efekts un Zēmaņa efekts.

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Kvantu mehānika.
• Vjačeslavs Kaščejevs. «Teorētiskās fizikas elementi: kvantu mehānika» (.pdf).
• Mārcis Auziņš. «Kvantu fizika (Raksts Latvijas Nacionālajai enciklopēdijai, nerediģēts)». Arhivēts no oriģināla, laiks: 2016. gada 7. septembrī. Skatīts: 2016. gada 24. maijā.
• Kārlis Podnieks. «Kvantu mehānika: matemātiķu piedzīvojumi (lekcijas 2008. gada novembrī un decembrī)» (.pdf).