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क्वांटम यांत्रिकी

क्वांटम यांत्रिकी बहुत छोटी से संबंधित भौतिकी की शाखा है। यह भौतिक दुनिया के बारे में कुछ बहुत ही अजीब निष्कर्ष प्रतीत हो सकता है। परमाणुओं और इलेक्ट्रॉनों के पैमाने पर, शास्त्रीय यांत्रिकी के कई समीकरण, जो बताते हैं कि कैसे चीजें हर रोज़ आकार और गति से चलती हैं, उपयोगी होने के लिए बंद हो जाती हैं। शास्त्रीय यांत्रिकी में, वस्तुएँ एक विशिष्ट स्थान पर एक विशिष्ट समय में मौजूद होती हैं। हालांकि, क्वांटम यांत्रिकी में, वस्तुएं संभावना की धुंध में मौजूद हैं; उनके पास बिंदु ए पर होने का एक निश्चित मौका है, बिंदु बी और इतने पर होने का एक और मौका है।

तीन क्रांतिकारी सिद्धांत

क्वांटम यांत्रिकी (क्यूएम) कई दशकों में विकसित हुई, जो प्रयोगों के विवादास्पद गणितीय स्पष्टीकरण के एक सेट के रूप में शुरू हुई, जो कि शास्त्रीय यांत्रिकी के गणित की व्याख्या नहीं कर सकता था। यह 20 वीं शताब्दी के मोड़ पर शुरू हुआ, उसी समय के आसपास जब अल्बर्ट आइंस्टीन ने सापेक्षता के अपने सिद्धांत को प्रकाशित किया, भौतिकी में एक अलग गणितीय क्रांति जो उच्च गति पर चीजों की गति का वर्णन करती है। हालांकि, सापेक्षता के विपरीत, क्यूएम की उत्पत्ति का श्रेय किसी एक वैज्ञानिक को नहीं दिया जा सकता। इसके बजाय, कई वैज्ञानिकों ने तीन क्रांतिकारी सिद्धांतों की नींव में योगदान दिया, जो धीरे-धीरे 1900 और 1930 के बीच स्वीकृति और प्रयोगात्मक सत्यापन प्राप्त करते थे। वे हैं:

परिमाणित गुण:

कुछ गुण, जैसे कि स्थिति, गति और रंग, कभी-कभी केवल विशिष्ट, निर्धारित मात्रा में, किसी डायल की तरह हो सकते हैं जो संख्या से संख्या तक "क्लिक" करते हैं। इसने शास्त्रीय यांत्रिकी की एक मौलिक धारणा को चुनौती दी, जिसमें कहा गया था कि इस तरह के गुणों को एक चिकनी, निरंतर स्पेक्ट्रम पर मौजूद होना चाहिए। इस विचार का वर्णन करने के लिए कि कुछ गुण विशिष्ट सेटिंग्स के साथ एक डायल की तरह "क्लिक" करते हैं, वैज्ञानिकों ने शब्द "क्वांटाइज़्ड" गढ़ा।

प्रकाश के कण:

प्रकाश कभी-कभी एक कण के रूप में व्यवहार कर सकता है। यह शुरू में कठोर आलोचना के साथ मिला था, क्योंकि यह 200 वर्षों के प्रयोगों के विपरीत था, जिसमें दिखाया गया था कि प्रकाश एक लहर के रूप में व्यवहार करता है; शांत झील की सतह पर लहर की तरह। प्रकाश इसी तरह से व्यवहार करता है कि यह दीवारों से टकराता है और कोनों के चारों ओर झुकता है, और यह कि लहर के जंगलों और गर्तों को जोड़ या रद्द कर सकते हैं। जोड़े गए तरंगों का परिणाम उज्जवल प्रकाश होता है, जबकि तरंगें जो अंधकार को उत्पन्न करती हैं। एक प्रकाश स्रोत को एक छड़ी पर एक गेंद के रूप में सोचा जा सकता है जिसे ताल से झील के केंद्र में डुबोया जाता है। उत्सर्जित रंग crests के बीच की दूरी से मेल खाती है, जो गेंद की लय की गति से निर्धारित होती है।

पदार्थ की तरंगें:

पदार्थ भी एक लहर के रूप में व्यवहार कर सकते हैं। यह लगभग 30 वर्षों के प्रयोगों से संबंधित था, जो उस पदार्थ (जैसे इलेक्ट्रॉनों) को दिखाते हुए कणों के रूप में मौजूद थे।

परिमाणित गुण

1900 में, जर्मन भौतिक विज्ञानी मैक्स प्लैंक ने प्रकाश-बल्ब तंतुओं जैसे लाल-गर्म और सफेद-गर्म वस्तुओं की चमक में स्पेक्ट्रम पर उत्सर्जित रंगों के वितरण की व्याख्या करने की मांग की। जब वह इस वितरण का वर्णन करने के लिए समीकरण की भौतिक समझ बना रहा था, प्लैंक ने यह महसूस किया कि केवल कुछ रंगों के संयोजन (उनमें से एक बड़ी संख्या) को उत्सर्जित किया गया था, विशेष रूप से वे जो कुछ आधार मूल्य के पूरे-संख्या गुणकों थे। किसी तरह, रंग मात्रा निर्धारित किया गया! यह अप्रत्याशित था क्योंकि प्रकाश को एक लहर के रूप में कार्य करने के लिए समझा गया था, जिसका अर्थ है कि रंग के मूल्यों को एक निरंतर स्पेक्ट्रम होना चाहिए। इन संपूर्ण-संख्या गुणकों के बीच रंगों के निर्माण से परमाणुओं का क्या मना हो सकता है? यह इतना अजीब लग रहा था कि प्लैंक ने मात्रात्मककरण को गणितीय चाल से ज्यादा कुछ नहीं माना। हेलिक्स क्रैग के अनुसार फिजिक्स वर्ल्ड पत्रिका में अपने 2000 के लेख में, "मैक्स प्लैंक, द रिलक्टेंट रिवोल्यूशनरी," "यदि दिसंबर 1900 में भौतिकी में क्रांति हुई, तो किसी को भी यह नोटिस नहीं लगा। प्लैंक कोई अपवाद नहीं था ..."

प्लैंक के समीकरण में एक संख्या शामिल थी जो बाद में क्यूएम के भविष्य के विकास के लिए बहुत महत्वपूर्ण हो जाएगी; आज, इसे "प्लैंक कॉन्स्टेंट" के रूप में जाना जाता है।

परिमाणीकरण ने भौतिकी के अन्य रहस्यों को समझाने में मदद की। 1907 में, आइंस्टीन ने प्लैंक की परिकल्पना का उपयोग करके बताया कि यदि आप एक ही मात्रा में ऊष्मा को सामग्री में डालते हैं लेकिन एक ठोस तापमान में परिवर्तन होता है, लेकिन शुरुआती तापमान को बदल दिया जाता है।

1800 के दशक की शुरुआत से, स्पेक्ट्रोस्कोपी के विज्ञान ने दिखाया था कि विभिन्न तत्व प्रकाश के विशिष्ट रंगों का उत्सर्जन और अवशोषित करते हैं जिन्हें "वर्णक्रमीय रेखाएं" कहा जाता है। यद्यपि स्पेक्ट्रोस्कोपी दूर के सितारों जैसी वस्तुओं में निहित तत्वों को निर्धारित करने के लिए एक विश्वसनीय तरीका था, वैज्ञानिकों को इस बात पर आश्चर्य हुआ कि प्रत्येक तत्व ने उन विशिष्ट लाइनों को पहले स्थान पर क्यों छोड़ दिया। 1888 में, जोहान्स राइडबर्ग ने एक समीकरण निकाला जिसमें हाइड्रोजन द्वारा उत्सर्जित वर्णक्रमीय रेखाओं का वर्णन किया गया था, हालांकि कोई भी यह नहीं बता सकता है कि समीकरण क्यों काम करता है। यह 1913 में बदल गया जब नील्स बोह्र ने प्लांक की परिकल्पना अर्नेस्ट रदरफोर्ड के 1911 के "ग्रहीय" मॉडल को लागू किया, जिसने पोस्ट किया कि इलेक्ट्रॉनों ने नाभिक की उसी तरह से परिक्रमा की, जैसे कि ग्रह सूर्य की परिक्रमा करते हैं। भौतिकी 2000 (कोलोराडो विश्वविद्यालय से एक साइट) के अनुसार, बोह्र ने प्रस्तावित किया कि इलेक्ट्रॉन एक परमाणु के नाभिक के चारों ओर "विशेष" कक्षाओं तक सीमित थे। वे विशेष कक्षाओं के बीच "कूद" सकते हैं, और कूदने से उत्पन्न ऊर्जा प्रकाश के विशिष्ट रंगों का कारण बनती है, जिसे वर्णक्रमीय रेखाओं के रूप में मनाया जाता है। हालांकि मात्रात्मक गुणों का आविष्कार किया गया था, लेकिन एक गणितीय चाल के रूप में, उन्होंने इतना समझाया कि वे क्यूएम के संस्थापक सिद्धांत बन गए।

अनिश्चितता का सिद्धांत

1927 में, हाइजेनबर्ग ने क्वांटम भौतिकी में एक और बड़ा योगदान दिया। उन्होंने तर्क दिया कि चूंकि पदार्थ तरंगों के रूप में कार्य करते हैं, इसलिए कुछ गुण, जैसे कि इलेक्ट्रॉन की स्थिति और गति, "पूरक" हैं, जिसका अर्थ है कि एक सीमा (प्लैंक के स्थिर से संबंधित) कितनी अच्छी तरह से प्रत्येक संपत्ति की शुद्धता को जाना जा सकता है।

जिसे "हाइजेनबर्ग का अनिश्चितता सिद्धांत" कहा जाता है, के तहत यह तर्क दिया गया था कि एक इलेक्ट्रॉन की स्थिति जितनी अधिक सटीक होती है, उतनी ही कम गति से उसकी गति ज्ञात की जा सकती है, और इसके विपरीत। यह अनिश्चितता सिद्धांत हर रोज़-आकार की वस्तुओं पर भी लागू होता है, लेकिन ध्यान देने योग्य नहीं है क्योंकि सटीक की कमी असाधारण रूप से छोटी है। मोर्निंगसाइड कॉलेज (सियुक्स सिटी, आईए) के डेव स्लेवेन के अनुसार, यदि एक बेसबॉल की गति 0.1 मील प्रति घंटे की सटीकता के भीतर जानी जाती है, तो गेंद की स्थिति जानने के लिए अधिकतम परिशुद्धता 0.0000000000000000000000000008 मिलीमीटर है।

क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत

मात्रा का ठहराव, तरंग-कण द्वैत और अनिश्चितता के सिद्धांत ने क्यूएम के लिए एक नए युग की शुरुआत की। 1927 में, पॉल डिराक ने "क्वांटम फील्ड सिद्धांत" (QFT) के अध्ययन को जन्म देने के लिए विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों की एक क्वांटम समझ लागू की, जो एक अंतर्निहित भौतिक क्षेत्र के उत्साहित राज्यों के रूप में कणों (जैसे फोटॉन और इलेक्ट्रॉनों) का इलाज करती थी। क्यूएफटी में काम एक दशक तक जारी रहा जब तक कि वैज्ञानिकों ने एक सड़क को नहीं मारा: क्यूएफटी में कई समीकरणों ने भौतिक अर्थ बनाना बंद कर दिया क्योंकि उन्होंने अनन्तता के परिणाम उत्पन्न किए। एक दशक के ठहराव के बाद, हंस बेठे ने 1947 में एक तकनीक का उपयोग करके एक सफलता हासिल की, जिसका नाम है "पुनर्मूल्यांकन।" इधर, बेठे ने महसूस किया कि दो घटनाओं (विशेष रूप से "इलेक्ट्रॉन आत्म-ऊर्जा" और "वैक्यूम ध्रुवीकरण") से संबंधित सभी अनंत परिणाम जैसे कि इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान और इलेक्ट्रॉन आवेश के देखे गए मूल्यों का उपयोग सभी शिशुओं को गायब करने के लिए किया जा सकता है।

पुनर्मूल्यांकन की सफलता के बाद से, QFT ने प्रकृति की चार मूलभूत शक्तियों के बारे में क्वांटम सिद्धांतों को विकसित करने की नींव के रूप में कार्य किया है: 1) विद्युत चुंबकत्व, 2) कमजोर परमाणु बल, 3) मजबूत परमाणु बल और 4) गुरुत्वाकर्षण। QFT द्वारा प्रदान की गई पहली अंतर्दृष्टि "क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स" (QED) के माध्यम से विद्युत चुंबकत्व का एक क्वांटम विवरण था, जो 1940 के दशक के अंत और 1950 के दशक के प्रारंभ में बना। अगला कमजोर परमाणु बल का एक क्वांटम विवरण था, जो 1960 के दशक के दौरान "इलेक्ट्रोकेक सिद्धांत" (EWT) के निर्माण के लिए विद्युत चुंबकत्व के साथ एकीकृत था। अंत में 1960 और 1970 के दशक में "क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स" (क्यूसीडी) का उपयोग करके मजबूत परमाणु बल का क्वांटम उपचार हुआ। QED, EWT और QCD के सिद्धांत मिलकर कण भौतिकी के मानक मॉडल का आधार बनाते हैं। दुर्भाग्य से, क्यूएफटी ने अभी तक गुरुत्वाकर्षण के एक क्वांटम सिद्धांत का उत्पादन किया है। स्ट्रिंग थ्योरी और लूप क्वांटम गुरुत्व के अध्ययन में वह खोज आज भी जारी है।