Khám Phá Lý Thuyết Lượng Tử: Khóa Học Cấp Tốc từ Brian Clegg

Khám phá lý thuyết lượng tử một cách dễ hiểu! Tìm hiểu các khái niệm cơ bản, nguyên lý và ứng dụng của vật lý lượng tử trong khóa học cấp tốc này.

Chuyên ngành

Vật lý lượng tử

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Sách

2019

163
1
0

Phí lưu trữ

45 Point

Mục lục chi tiết

INTRODUCTION

1. FOUNDATIONS

1.1. THE DEATH OF VICTORIAN PHYSICS

1.1.1. Two clouds

1.2. The cost of the quantum

1.3. BIOGRAPHIES MAX PLANCK (1858–1947)

2. QUANTUM BEHAVIOR

3. INTERPRETATION & ENTANGLEMENT

4. THE AMAZING QUANTUM

GLOSSARY

FURTHER READING

INDEX

ABOUT THE AUTHOR

ACKNOWLEDGMENTS

Tóm tắt

I. Lý Thuyết Lượng Tử Cấp Tốc Tổng Quan Cơ Sở Vật Lý

Lý thuyết lượng tử, thường bị coi là trừu tượng và kỳ lạ, thực chất là nền tảng cho sự hiểu biết của chúng ta về thế giới. Nó giải thích tương tác của electron, hạt cơ bản, và photon ánh sáng. Hầu như mọi thứ chúng ta tương tác đều cấu tạo từ những hạt lượng tử này. Cho dù đó là vật chất, ánh sáng, hay các hiện tượng như điện và từ, những thành phần nhỏ bé này luôn hoạt động. Vật lý lượng tử không chỉ là lý thuyết suông mà còn có tác động to lớn đến cuộc sống hàng ngày. Ước tính khoảng 35% GDP ở các nước phát triển liên quan đến công nghệ (điện tử, khoa học vật liệu, y học) không thể xây dựng nếu thiếu kiến thức về lý thuyết lượng tử. Khái niệm "lượng tử" đề cập đến một thứ gì đó đến theo từng khối thay vì liên tục. Việc áp dụng cách tiếp cận này vào thế giới tự nhiên đã gây sốc cho những người khám phá ra nó. Hóa ra, các thực thể lượng tử rất khác so với các vật thể mà chúng ta có thể nhìn thấy và chạm vào. Thay vì có các thuộc tính riêng biệt như vị trí và hướng spin, chúng tồn tại dưới dạng một loạt các xác suất cho đến khi tương tác với một thứ khác. Trước khi tương tác diễn ra, tất cả những gì chúng ta có thể nói về một hạt lượng tử là nó có một xác suất nhất định ở đây, một xác suất khác ở đó, v.v. Điều này rất khác với xác suất quen thuộc của việc tung một đồng xu.

1.1. Nguồn Gốc của Lượng Tử Từ Khủng Hoảng Tia Cực Tím

Cuối thế kỷ 19, vật lý gần như hoàn thiện. Tuy nhiên, “khủng hoảng tia cực tím” xuất hiện. Lý thuyết vật lý thời đó dự đoán chính xác bức xạ vật đen ở tần số thấp, nhưng lại cho thấy tần số càng cao, bức xạ càng lớn – điều vô lý. Max Planck tìm ra giải pháp năm 1900. Ông giả định bức xạ điện từ không phải là sóng, mà là các gói nhỏ, gọi là lượng tử. Giải pháp này khớp với thực tế, nhưng Planck không tin bức xạ điện từ thực sự gồm các hạt. Theo Brian Clegg, A Crash Course in Quantum Theory, Planck đã tìm cách giải quyết bài toán này bằng cách “coi bức xạ điện từ như thể nó ở dạng các gói năng lượng thay vì sóng liên tục.”

1.2. Lượng Tử Hóa Bước Ngoặt Trong Nhận Thức Vật Lý

Lượng tử hóa không phải là vấn đề mới. Tiền bạc, chẳng hạn, là lượng tử hóa. Không có 0,5 đồng. Đơn vị tiền tệ vật chất có lượng tử là 1 xu, và không có gì nhỏ hơn. Tương tự, nguyên tử lượng tử hóa vật chất. Nhưng tại sao lượng tử hóa ánh sáng lại tạo ra một cuộc cách mạng trong vật lý? Ban đầu, đó là vì sự thay đổi từ việc coi ánh sáng thuần túy là sóng. Nhưng những khía cạnh của vật lý lượng tử khiến Einstein lo lắng hơn - sự xâm nhập của xác suất như một khía cạnh cơ bản của tự nhiên, và cách vật lý lượng tử khiến hành động đo lường trở nên quan trọng hơn bản chất thực tại tiềm ẩn.

II. Hiệu Ứng Quang Điện Chứng Minh Lượng Tử Ánh Sáng Là Thật

Năm 1902, Philipp Lenard phát hiện ra rằng chiếu tia cực tím vào kim loại trong chân không tạo ra “tia âm cực” - gần đây đã được xác định là dòng electron. Năng lượng trong ánh sáng tạo ra điện. Bản thân nó không có gì đáng ngạc nhiên khi, với đủ năng lượng, ánh sáng có thể đánh bật electron ra. Nhưng hiệu ứng quang điện này không hoạt động như bình thường. Nếu ánh sáng là sóng - như người ta nghĩ từ thế kỷ 19 - thì ánh sáng càng mạnh, càng có nhiều electron được tạo ra. Tuy nhiên, Lenard phát hiện ra rằng chỉ ánh sáng có bước sóng tương đối ngắn mới tạo ra bất kỳ electron nào. Ánh sáng đỏ, ví dụ, có bước sóng dài hơn tia cực tím, không tạo ra electron nào, dù ánh sáng có mạnh đến đâu. Albert Einstein đã sử dụng lượng tử Planck để giải thích hiệu ứng quang điện. Ông nói rằng, nếu lượng tử là có thật chứ không chỉ là một công cụ tính toán hữu ích, thì một lượng tử ánh sáng riêng lẻ phải có khả năng đánh bật một electron ra khỏi kim loại - điều này chỉ có thể xảy ra nếu lượng tử đó có đủ năng lượng, nghĩa là ánh sáng có bước sóng ngắn.

2.1. Einstein và Hiệu Ứng Quang Điện Nobel Vật Lý 1921

Einstein bắt đầu bài báo năm 1905 của mình giải thích về hiệu ứng quang điện bằng cách chỉ ra “một sự khác biệt hình thức sâu sắc” giữa cách các nhà vật lý tiếp cận vật chất và ánh sáng. Vật chất được cho là “hoàn toàn được xác định bởi vị trí và vận tốc của một số lượng nguyên tử và electron rất lớn nhưng hữu hạn”. Nhưng ánh sáng được coi là một hiện tượng điện động lực học hoàn toàn, mà Einstein lập luận là không đủ để đối phó với hiệu ứng quang điện. Theo Einstein, mỗi lượng tử bức xạ điện từ có một giá trị rất cụ thể: năng lượng của lượng tử ánh sáng như vậy là tần số của bức xạ nhân với một hằng số tự nhiên mới mà bây giờ chúng ta gọi là hằng số Planck, được biểu thị bằng h.

2.2. Photon Hạt Ánh Sáng và Năng Lượng Lượng Tử

Để giải thích hiệu ứng quang điện, Albert Einstein đưa ra giả định rằng lượng tử ánh sáng của Planck, sau này được gọi là photon, là có thật. Planck đã sử dụng chúng như một sự thuận tiện cho các tính toán, nhưng Einstein coi chúng là các thực thể vật lý thực tế. Công trình này đã mang về cho Einstein giải Nobel. Thuật ngữ “photon” thay thế “lượng tử ánh sáng” sau khi được nhà hóa học người Mỹ Gilbert Lewis đặt ra.

III. Mô Hình Nguyên Tử Lượng Tử Bohr Cách Mạng Vật Lý Nguyên Tử

Năm 1911, Ernest Rutherford đã chứng minh rằng nguyên tử có một hạt nhân dương nhỏ, để lại các electron ở đâu đó bên ngoài. Niels Bohr đã xây dựng một mô hình nguyên tử lượng tử, xuất bản năm 1913. Lấy cảm hứng từ Albert Einstein và Max Planck, Bohr tưởng tượng một cấu hình trong đó các electron chỉ chiếm các quỹ đạo cụ thể, giống như các đường ray, xung quanh hạt nhân. Các electron thực hiện các bước nhảy tức thời giữa các quỹ đạo, được gọi là bước nhảy lượng tử. Nhảy lên một quỹ đạo cao hơn đòi hỏi một lượng tử năng lượng - hấp thụ một photon - trong khi nhảy xuống tạo ra một photon. Bohr phát hiện ra bài báo của Johann Balmer về mô hình trong quang phổ của hydro và nhận ra rằng nó cung cấp bằng chứng cho mô hình của riêng mình. Khi một electron nhảy giữa các quỹ đạo, nó sẽ luôn hấp thụ hoặc phát ra cùng một lượng năng lượng. Và màu sắc (tần số hoặc bước sóng) của ánh sáng tương đương với năng lượng của photon.

3.1. Vạch Quang Phổ Chìa Khóa Giải Mã Cấu Trúc Nguyên Tử

Ngay từ thế kỷ 17, các nhà khoa học đã biết rằng ánh sáng trắng từ Mặt trời chứa một quang phổ màu sắc. Tuy nhiên, chỉ đến năm 1802, William Wollaston phát hiện ra nó có các đường tối, hoặc khoảng trống, trong đó. Rõ ràng là những khoảng trống này xuất hiện ở tần số tương tự như những tần số được tạo ra bởi các nguyên tố hóa học cụ thể khi chúng được nung nóng. Có vẻ như khi ánh sáng từ Mặt trời đi qua các nguyên tố khác nhau trong các lớp bên ngoài của nó, chúng đang hấp thụ các màu giống như chúng phát ra khi chúng được nung nóng. Khoa học mới về quang phổ, nghiên cứu các đường này, trở thành một công cụ hữu ích cho cả các nhà thiên văn học, những người có thể sử dụng nó để khám phá thành phần của các ngôi sao và cho các nhà hóa học, những người có thể xác định các nguyên tố có trong một mẫu được nung nóng.

3.2. Bước Nhảy Lượng Tử Cơ Chế Hấp Thụ và Phát Xạ Ánh Sáng

Mô hình của Bohr có hiệu quả chỉ đối với hydro. Khi nhiều electron hơn được thêm vào mô hình cho các nguyên tử nặng hơn, khái niệm này bị phá vỡ. Gilbert Lewis, nhà hóa học đằng sau ý tưởng về liên kết cộng hóa trị, cho rằng có điều gì đó về cấu trúc nguyên tử khiến số lượng electron chẵn trong một lớp vỏ xung quanh hạt nhân ổn định hơn, với tám electron đặc biệt mạnh mẽ. Chín năm sau khi tạo ra mô hình ban đầu của mình, Bohr đã đưa ra một phiên bản nâng cao trong đó mỗi lớp vỏ có một dung lượng cụ thể - hai electron ở lớp vỏ bên trong, sau đó là tám, sau đó là mười tám, v.v.

IV. Tính Chất Sóng Hạt Thuyết Dị Biệt Trong Vật Lý Lượng Tử

Sau khi Albert Einstein đưa ra giả định rằng lượng tử là có thật, cho rằng ánh sáng, từ lâu đã được biết đến là một làn sóng, đôi khi phải được coi là một luồng hạt, các nhà vật lý theo chủ nghĩa truyền thống đã bị sốc. Tuy nhiên, Louis de Broglie đã nhận ra khái niệm này tự do như thế nào. Nếu ánh sáng giống sóng có thể được coi là hạt, tại sao các hạt lượng tử như electron không hoạt động như thể chúng là sóng? Năm 1927, chỉ bốn năm sau đề xuất ban đầu của de Broglie, hai nhà thực nghiệm riêng biệt đã chứng minh rằng một chùm electron có thể tạo ra các loại mô hình nhiễu xạ được tạo ra bởi ánh sáng. Chẳng bao lâu sau, các electron đã được sử dụng để sao chép thí nghiệm hai khe của Thomas Young, mà Young đã sử dụng lần đầu tiên vào năm 1801 để chứng minh bản chất sóng của ánh sáng, để chỉ ra rằng sóng electron giao thoa với nhau để tạo ra một mô hình giao thoa. Không còn thực tế khi chỉ nói về sóng hoặc hạt - có một bản chất kép kỳ lạ đối với các thực thể lượng tử.

4.1. Thí Nghiệm Hai Khe Young Bằng Chứng Của Tính Sóng

Năm 1801, Thomas Young đã chứng minh ánh sáng hoạt động như một làn sóng bằng cách gửi nó qua các khe đến một màn hình, nơi một mô hình đặc biệt của các rìa cho thấy một hiện tượng sóng gọi là giao thoa đã xảy ra. Nhưng nếu một chùm ánh sáng hoạt động như một tập hợp các hạt photon, mỗi photon sẽ đi qua khe này hay khe kia, vì vậy mong đợi chỉ là nhìn thấy một giọt ánh sáng trên màn hình tương ứng với mỗi khe. Tuy nhiên, phương trình Schrödinger đã giải quyết vấn đề này bằng cách giới thiệu lại ý tưởng về ánh sáng như sóng và đưa ra các giá trị cho sóng xác suất - chính những sóng xác suất này giao thoa với nhau để gây ra mô hình giao thoa.

4.2. Tính Bổ Sung Hạt và Sóng Hai Mặt Của Một Thực Thể

Các nhà vật lý cho rằng các đối tượng lượng tử nhấn mạnh vào việc bị ghim xuống nếu được quan sát. Chúng hoặc xuất hiện là sóng hoặc hạt, nhưng không bao giờ cả hai cùng một lúc. Nhóm Copenhagen của Niels Bohr mô tả bản chất hoặc/hoặc này là tính bổ sung - cho thấy một liên kết giữa hai nguyên tắc. Cấu trúc liên kết này cũng xuất hiện trong nguyên tắc bất định của Heisenberg.

V. Nguyên Lý Bất Định Heisenberg Giới Hạn Tri Thức Lượng Tử

Sau con mèo của Schrödinger, khái niệm nổi tiếng nhất từ vật lý lượng tử là nguyên lý bất định của Werner Heisenberg. Nó thường được sử dụng bởi những người không làm khoa học để gợi ý rằng mọi thứ đều mơ hồ và không thể biết được, nhưng giống như các khía cạnh xác suất của phương trình Schrödinger, nguyên lý bất định là một mối quan hệ chính xác về mặt toán học, đặt ra một giới hạn về khả năng của chúng ta để biết các giá trị cụ thể. Nguyên lý bất định liên kết các cặp thuộc tính của các hệ lượng tử của các hạt - động lượng (khối lượng nhân với vận tốc) và vị trí, hoặc năng lượng và thời gian, chẳng hạn. Nguyên lý bất định nói rằng chúng ta càng biết chính xác một trong các thuộc tính được ghép nối, thì chúng ta càng biết ít hơn về thuộc tính kia. Vì vậy, ví dụ, nếu chúng ta biết chính xác một hạt lượng tử ở đâu, nó có thể có bất kỳ động lượng nào. Tương tự, nếu chúng ta có thể ghim nó xuống một mốc thời gian chính xác, ngắn, nó có thể có bất kỳ phạm vi năng lượng nào.

5.1. Ảnh Hưởng Của Quan Sát Bất Định Không Đến Từ Quan Sát

Khi Heisenberg lần đầu tiên đưa ra nguyên lý bất định, ông đã mắc lỗi khi mô tả nó. Ông đã sử dụng một ví dụ về một kính hiển vi, nói rằng khi chúng ta sử dụng ánh sáng để nhìn vào một hạt lượng tử, sẽ không thể chắc chắn về cả động lượng và vị trí của hạt vì ánh sáng dội lại nó sẽ ảnh hưởng đến nó. Niels Bohr, người có mặt trong khán giả, đã xé nát lập luận của Heisenberg, bởi vì nó dường như ngụ ý rằng chính hành động quan sát đã thiết lập sự không chắc chắn - nhưng sự không chắc chắn là một khía cạnh cơ bản của hạt lượng tử cho dù chúng có được quan sát hay không.

5.2. Ứng Dụng Của Bất Định Tại Sao Không Có Nhiệt Độ Tuyệt Đối

Nguyên lý bất định quan trọng trong việc hiểu bản chất của các hạt lượng tử tạo nên vật chất. Ví dụ, nó dẫn đến ý tưởng rằng chúng ta không thể có các hạt lượng tử hoàn toàn đứng yên - bởi vì nếu đó là trường hợp, cả vị trí và động lượng của chúng đều có thể được xác định. Do đó, không thể đạt đến nhiệt độ không tuyệt đối, nơi các hạt phải đứng yên.

VI. Nguyên Lý Loại Trừ Pauli Quy Tắc Vàng Của Cấu Trúc Electron

Wolfgang Pauli có thể là nhà vật lý lượng tử thế hệ thứ hai ít quen thuộc nhất, nhưng đã đặt tên của mình cho một đặc điểm cơ bản của vật lý lượng tửmô hình lượng tử của nguyên tử. Khi Niels Bohr lần đầu tiên tạo ra mô hình nguyên tử lượng tử của mình vào năm 1913, nó chỉ có hiệu quả đối với hydro. Khi ngày càng có nhiều electron được thêm vào mô hình cho các nguyên tử nặng hơn, khái niệm này bị phá vỡ. Pauli đưa ra một logic đằng sau cấu trúc của Bohr. Đó là trạng thái của một electron được xác định bởi bốn thuộc tính khác nhau. Một là mức năng lượng - lớp vỏ mà electron đang ở trong đó. Những cái còn lại là động lượng, động lượng góc và vị trí. Nguyên lý loại trừ nói rằng không có hai electron nào trong cùng một hệ thống lượng tử của các hạt có thể có tất cả bốn thuộc tính giống hệt nhau.

6.1. Ý Nghĩa Hóa Học Sự Phân Bố Electron và Liên Kết Hóa Học

Nguyên lý loại trừ chịu trách nhiệm cho hầu hết các hoạt động của hóa học. Nó xác định cách electron được sắp xếp trong các lớp vỏ xung quanh các nguyên tử, và do đó cách chúng sẽ phản ứng với các nguyên tố hóa học khác. Các phản ứng phụ thuộc vào electron và không gian có sẵn trong lớp vỏ chiếm đóng ngoài cùng - vì vậy, ví dụ, các khí hiếm như heli và neon hiếm khi phản ứng với các nguyên tố khác vì các khí hiếm có các lớp vỏ ngoài đầy đủ.

6.2. Ứng Dụng Thực Tế Chất Bán Dẫn và Kích Thước Nguyên Tử

Nguyên lý loại trừ cũng có ảnh hưởng lớn đến tính khả dụng của electron để dẫn điện và để tạo ra một số phần tử chất bán dẫn, và cho bản chất của vật chất, vì chính cấu trúc electron mang lại cho một nguyên tử kích thước của nó.

28/09/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

com A CRASH COURSE QUANTUM THEORY www.com A CRASH COURSE QUANTUM THEORY BRIAN CLEGG www.com First published in the UK in 2019 by Ivy Press An imprint of The Quarto Group The Old Brewery, 6 Blundell Street London N7 9BH, United Kingdom T (0)20 7700 6700 F (0)20 7700 8066 www.com © 2019 Quarto Publishing plc All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording, or by any information storage-and-retrieval system, without written permission from the copyright holder. British Library Cataloguing-in-Publication Data A catalogue record for this book is available from the British Library ISBN: 978-1-78240-871-0 Digital edition: 978-1-78240-8-727 Hardcover edition: 978-1-78240-8-710 This book was conceived, designed, and produced by Ivy Press 58 West Street, Brighton BN1 2RA, United Kingdom Publisher Susan Kelly Art Director James Lawrence Editorial Director Tom Kitch Project Editor Elizabeth Clinton Design JC Lanaway Illustrators Nick Rowland, Andrea Ucini Design Manager Anna Stevens Series Concept Design Michael Whitehead Printed in China 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 www.com INTRODUCTION 6 1 FOUNDATIONS 12 2 QUANTUM BEHAVIOR 46 INTERPRETATION 3 & ENTANGLEMENT 80 4 THE AMAZING QUANTUM 114 GLOSSARY 148 FURTHER READING 152 INDEX 155 ABOUT THE AUTHOR 159 ACKNOWLEDGMENTS 160 www.com INTRODUCTION Quantum physics is often regarded as obscure and weird. While it can certainly be counterintuitive, the reputation for obscurity is misplaced.

Quantum theory explains the interactions of electrons, subatomic particles, and photons of light. As such, it provides a key foundation of our understanding of the world in general. Nearly everything we interact with is composed of these quantum particles. Whether we are thinking of matter, light, or phenomena such as electricity and magnetism, these tiny components are at work.

It might seem that we never experience quantum objects as separate entities, but quantum phenomena have a huge impact on our lives. It has been estimated that thirty-five percent of GDP in developed countries involves technology—notably electronics, but also materials science, medicine, and more—that could not be constructed without a knowledge of the theory behind the amazing quantum. Probability to the fore So, where does the apparent strangeness come from? That word “quantum” refers to something that comes in chunks rather than being continuous. And the result of applying this chunky approach to the natural world proved a shock to its discoverers.

It turned out that quantum entities are very different from the objects that we can see and touch. Quantum particles do not behave like tiny tennis balls. Instead, left to their own devices, quantum particles cease to have distinct properties such as location and direction of spin. Instead, they exist solely as an array of probabilities until they interact with something else.

Before that interaction takes place, all we can say about a quantum particle is that it has a certain probability of being here, another probability of being there, and so on. This is very different from the familiar probability of the toss of a coin. When we toss a fair coin, there is a 50/50 chance of it being heads or tails. Fifty percent of the time that we look at the tossed coin, it will be heads, and fifty percent of the time, it will be tails.

However, in reality, once the coin has been tossed, it has a specific value with one hundred percent certainty—we just do not know what that value is until we look. But in quantum theory, all that exists until we take a look at the quantum equivalent of a coin is the probabilities.com It is easy to regard quantum particles as strange. But we need to bear in mind that this is what nature is like. The only reason we think of such behavior as weird is that we are used to the way large-scale objects work—and, in a sense, it is their behavior that is odd, because they do not seem like the ordinary quantum particles that make them up.

The biggest struggle that quantum physicists have had over the years has not been with the science, but with finding an interpretation of what is happening that could form a bridge between everyday observations and events at the quantum level. Even today, there is no consensus among physicists on how quantum theory should be interpreted. Many simply accept that the math works well and get on with it, a philosophy known as “shut up and calculate.” The quantum revolution 01_A_Small_Problem_ElectroMagnetic_Waves_dashliness This lack of fixed values for properties of particles did not sit comfortably for some of the earliest scientists involved in quantum theory at the beginning of the twentieth century. Notably, both Max Planck, who came up with the basic concept that light could be quantized, and Albert Einstein, who showed that this quantization was real and not just a useful calculating tool, hated the intrusion of probability into what they felt should be the fixed and measurable reality of nature.

Einstein was convinced for his entire career that beneath the apparent randomness and probability there was some structure, something that behaved like the “ordinary” physical world. Yet all the evidence is that he was wrong. The younger players, starting with Niels Bohr, and people such as Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Paul Dirac, and Max Born, quantified probability-driven quantum behavior during the 1920s. Their progress was remarkable.

These were theoreticians who had little time for experiment. Their ideas could be described as inspired guesswork. And yet the mathematics they developed matched what was later observed in experiments with impressive accuracy. 01_B_packets of light INTRODUCTION 7 www.com From the 1930s to the present day, there were a whole string of technological advancements in electronics, the development of the laser, the increasing employment of superconductivity, and more, each of which made direct use of the supposedly weird behavior of quantum particles.

It is hard to deny something exists when you build it into gadgets found in every home. And the trigger for quantum physics to move from obscurity to center stage would be World War II. Many of the key players in the second and third generation of quantum physicists, from Niels Bohr to Richard Feynman, played a significant role in World War II. Their involvement primarily revolved around nuclear fission.

In 1938, German physicist Otto Hahn and Austrian physicist Lise Meitner demonstrated radioactive decay, a quantum process, subject to the same influence of probability as other behaviors of quantum particles. In itself, nuclear fission was interesting, but the importance of the process became clear when combined with the idea of the chain reaction. It could either run as a controlled reaction, generating heat, or given its head, it could run away with itself in an ever-increasing cascade, producing a nuclear explosion. As the world headed unsteadily toward all-out war, there was a fear that Germany— with Denmark and Austria key centers for quantum physics—would produce a nuclear weapon, giving it a terrifying military advantage.

In response to this threat, one of the first of the familiar names in the quantum theory story to become involved was Albert Einstein. Einstein was a lifelong pacifist, and it had not occurred to him that the intersection of E = mc2 and nuclear decay could produce a devastating bomb. He was asked to sign letters to the US authorities—and President Roosevelt was persuaded into action, setting up the Manhattan Project, which saw the United States produce and deploy the first atomic bombs in 1945.com Quantum becomes practical Many key quantum physicists left continental Europe, either because they had a Jewish background or were horrified by the rise of the Nazis. Schrödinger went to Ireland and Born to Scotland.

Meitner, who had moved to Stockholm, was invited to join the Manhattan Project, but wanted nothing to do with the bomb. Meanwhile, a young Feynman was drafted into the project. Bohr helped refugee scientists from Germany find new academic homes. He remained in occupied Denmark, but refused to be involved with the German nuclear program.

It was in Copenhagen that he was visited by the most controversial of his colleagues, Heisenberg, who led the German project. Exactly what happened in the meeting has never been clear—but it seems likely that Heisenberg hoped to get help from Bohr. Bohr escaped to Sweden in 1943 when it seemed likely he would be arrested. He was a regular presence at Los Alamos where the US bomb was developed, providing consultancy.

In the end, Heisenberg failed—whether, as he later claimed, because he did not want to produce a weapon, or because it was simply too difficult. The vast Manhattan Project succeeded, and quantum physics changed the world. Wartime also saw electronics start to take off as early electronic computers were constructed to help with the war effort. The Colossus development at Bletchley Park in the UK went into full operation in 1944 cracking German ciphers, while in the United States, the more sophisticated ENIAC was running by 1946, making calculations for hydrogen bomb development.

These early computers used traditional vacuum tubes, which were fragile, bulky, and needed a lot of energy to run. They were the last leading-edge development to depend on electronics where an appreciation of quantum theory was not essential. It is no surprise that quantum physics was brought to the fore just one year after ENIAC went live with the development of the first working transistor. The wartime developments showed the potential for electronics to transform the world, but it took quantum devices to make electronic devices feasible mass-market products.

A quantum journey To explore the development of quantum science, and applications from lasers and transistors through superconducting magnets and quantum computers, we will divide the subject into four sections, pulling together fifty-two bite-size articles with features covering key aspects and characters in the development of our quantum understanding of the world. The first chapter, Foundations, brings in Planck’s initial (and in his words, desperate) invocation of the quantum to explain an odd behavior of hot, glowing objects. We will see how Einstein showed the concept was real, and how the way different atoms INTRODUCTION 9 www.com give off and absorb a range of colors of light is central to Bohr’s model of a quantum atom. Here, electrons cannot occupy any orbit, like planets around a star, but rather can exist only in fixed shells, jumping between them in quantum leaps.

We will discover how quantum physics blurs the concepts of a wave and a particle and how the mathematical developments to explain quantum behavior brought probability into our understanding, leading to the taunting thought experiment that is Schrödinger’s cat. We will see how Heisenberg’s uncertainty principle and Pauli’s exclusion principle made it clear that we could never know everything about quantum systems, and how these quantum principles shape the reactions of chemical elements. And we will find out how quantum physics brought in a new property of quantum particles called spin—which has nothing to do with rotating. In the second chapter, Quantum Behavior, we discover the implications for the involvement of probability and how physicists attempted to reconcile the probabilistic nature of particles with the apparently ordinary behavior of the objects made up of them.

We will see how the concepts of fields and infinite seas of negative-energy electrons transformed the mathematical representation of the quantum, and how all the interactions of matter and light came under the quantum banner. We will explore strange quantum concepts such as zero-point energy, quantum tunneling, and experiments where particles appear to travel faster than light. For the third chapter, Interpretation & Entanglement, we move onto two of the strangest aspects of quantum science. We discover why, uniquely in physics, quantum theory has a wide range of interpretations (even though the mathematical outcomes remain the same, whichever interpretation is used).

And, with quantum entanglement, we uncover Einstein’s greatest challenge to quantum theory.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ