Kvantová mechanika

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Kvantová mechanika je vedle kvantové teorie pole součástí kvantové teorie, což je základní fyzikální teorie, která nahradila klasickou mechaniku na atomové a subatomové úrovni. Klasická mechanika se dá získat z kvantové limitním přechodem k velkým objektu podobně, jako nerelativistická mechanika je limitou relativistické pro malé rychlosti, přechod ale není triviální. Kvantová mechanika se zabývá soustavami obsahujícími konečný počet bodových částic s nenulovou klidovou hmotností. Společně s teorií relativity je považována za pilíř moderní fyziky, přestože spolu netvoří konzistentní celek. Zatímco teorie relativity, ať již speciální, či obecná, nachází uplatnění pro velké rychlosti, rozměry a hmotnosti, kvantová mechanika se projeví u malých (subatomárních) rozměrů, což jsou například elektrony, neutrony,atomy, molekuly, fotony atd. Na rozdíl od kvantové teorie pole zůstávají v rámci kvantové mechaniky typ a počet částic zcela beze změn vzhledem k okolí. Kvantová mechanika tvoří výchozí teoretický rámec v mnoha dalších oblastech fyziky a chemie, např. v teorii pevných látek či v kvantové chemii.

Obsah

1 Vznik kvantové mechaniky
2 Hlavní rozdíly mezi klasickou a kvantovou mechanikou
3 Význam kvantové mechaniky
4 Reference
- 4.1 Související články

[editovat] Vznik kvantové mechaniky

Kvantová mechanika dostala jméno podle myšlenky Maxe Plancka z roku 1900, podle níž energie elektromagnetického záření je přenášena po nepatrných, ale konečně velkých, kvantech (z latinského „quantus“, kolik). Důležitým krokem pro další vývoj kvantové teorie měl Bohrův model atomu (1913), který vysvětloval rozložení spektrálních čar vodíku pomocí předpokladu, že moment hybnosti elektronu nemůže nabývat libovolných hodnot, ale je vždy celistvým násobkem Planckovy konstanty. Einstein pak vysvětlil podobným způsobem fotoelektrický jev, za což mu byla udělena Nobelova cena za rok 1921. V počátku dvacátých let 20. století bylo již zřejmé, že do té doby nesystematicky a do značné míry libovolně aplikovaná pravidla kvantování, přidávaná ke klasické mechanice pro vysvětlení některých mikroskopických jevů, budou vyžadovat vytvoření nové konzistentní fyzikální teorie, značně odlišné od dosavadní fyziky. Krokem správným směrem byla de Broglieho hypotéza, uvažující u veškeré látky dvojí podstatu, vlnovou a částicovou. Tato hypotéza pomáhala interpretaci interferenčních jevů při rozptylu částic, v té době především elektronů. (Například Youngův experiment prováděný s různými typy částic.)

V roce 1926 E. Schrödinger zveřejnil vlnovou rovnici umožňující popisovat v podstatě libovolný systém, která zároveň přirozeným způsobem předpovídala pravidla pro kvantování fyzikálních veličin. Prakticky zároveň W.Heisenberg vytvořil operátorový (maticový) formalismus umožňující zobecnit v klasické mechanice používané Hamiltonovy rovnice tak, aby byly použitelné pro novou teorii. Kvantová mechanika se pak velmi rychle stala akceptovanou díky vynikající shodě předpovědí s experimentálně získanými daty, ovšem zůstávala spornou v oblasti interpretace (viz níže).

[editovat] Hlavní rozdíly mezi klasickou a kvantovou mechanikou

princip superpozice – kvantový objekt může být ve více různých stavech „naráz" – např. může mít současně několik hodnot energie, souřadnic atd.
diskrétní spektrum – některé veličiny (např. energie atomů, moment hybnosti elektronů) nemohou nabývat libovolných hodnot, ale jen hodnot z diskrétní množiny; odtud název „kvantová mechanika"
výsledky měření dané veličiny ve známém stavu nelze s jistotou předpovědět, lze jen určit pravděpodobnosti, s jakými dostaneme jednotlivé výsledky měření
vliv měření na pozorovaný objekt nelze eliminovat, meření vede k tzv. redukci (kolapsu) stavu měřeného objektu – ze superpozice se vybere jen jedna možnost, a to zcela náhodně; mechanismus tohoto kolapsu není dosud uspokojivě vysvětlen
tunelový jev – částice mohou pronikat i do míst, kam by se podle klasické mechaniky nemohly dostat (např. tam, kde by měly zápornou kinetickou energii); naopak částice se může odrazit od překážky, kterou by měla bez problémů překonat
vlnově částicový dualismus – kvantové objekty se v některých situacích mohou chovat jako vlny, v jiných jako tělíska
princip nerozlišitelnosti – stejné částice (např. dva elektrony) nemůžeme od sebe ani v principu odlišit – nelze je „očíslovat"
kvantová provázanost (entanglement) – nejpodivuhodnější a nejzáhadnější vlastnost kvantových systémů

[editovat] Význam kvantové mechaniky

Kvantová mechanika výrazně a neustále ovlivňuje náš život, aniž si to uvědomujeme. Díky ní pokračuje enormní pokrok v technice, zde zejména v elektronice, za posledních 50 let. Tranzistor (počítače, internet, mobily, mikroelektronika) a laser pracují na čistě kvantových principech. Pevné a ultratvrdé materiály, různé plasty a speciální materiály – možno konstruovat díky znalostem o struktuře látek. Například chemická vazba by bez kvantové mechaniky nefungovala tak jako dnes, např. molekula H2 by se s jistou pravděpodobností po čase samovolně rozpadla (viz chaotické chování problému tří těles), díky zákonum kvantové mechaniky drží pevně. I samy atomy by byly nestabilní, ve velmi krátké dobe by se zhroutily, elektrony by vyzářily svoji energii ve formě rentgenového a gama záření a po velmi krátké dobe by dopadly na jádro. Bez Pauliho vylučovacího principu by neexistovala taková chemická rozmanitost různých prvků. Hlubší studium kvantových pouček a zákonů odhalí, že kvantová mechanika je vlasně nezbytná pro fungování světa. Svět by bez kvantové mechaniky musel být vystavěn úplně jinak než je, nevíme však ale jak, aby nohl vůbec nějak fungovat.