Business

Schnurtheorie und Quantenphysik

Schnurtheorie und Quantenphysik - Dummies

Eine Hoffnung, die Wissenschaftler haben, ist, dass die Stringtheorie einige der ungewöhnlichen Ergebnisse in der Quantenphysik erklären oder zumindest mit der allgemeinen Relativitätstheorie vereinbaren wird. Die Quantenphysik geht auf das Jahr 1900 zurück, als der deutsche Physiker Max Planck eine Lösung für ein Thermodynamik -Problem vorschlug - ein Problem, das mit Wärme zu tun hat.

Er löste das Problem, indem er einen mathematischen Trick einführte - wenn er annahm, dass Energie in diskreten Paketen gebündelt war, oder Quanten, , verschwand das Problem. (Es erwies sich als brillant, weil es funktionierte.) Dabei verwendete Planck eine Größe, die als Planck-Konstante bekannt ist und sich als unerlässlich für die Quantenphysik- und Stringtheorie erwiesen hat.

Planck benutzte dieses Quantenkonzept - das Konzept, dass viele physikalische Größen in diskreten Einheiten vorliegen - um ein Problem in der Physik zu lösen, aber selbst Planck selbst nahm an, dass dies nur ein cleverer mathematischer Prozess war, um die Unendlichkeit zu entfernen. .. Es würde fünf Jahre dauern, bis Albert Einstein die Quantenrevolution in der Physik fortsetzen würde.

Das Schwarzkörperstrahlungsproblem, das Planck zu lösen versuchte, ist ein grundlegendes thermodynamisches Problem, bei dem ein Gegenstand so heiß ist, dass er innen leuchtet. Ein kleines Loch lässt das Licht entweichen und kann untersucht werden. Das Problem ist, dass im 19. Jahrhundert Experimente und Theorien in diesem Bereich nicht übereinstimmten.

Ein heißer Gegenstand strahlt Wärme in Form von Licht aus (heiße Kohlen in einem Feuer oder die Metallringe an Elektroherden sind gute Beispiele dafür). Wenn dieses Objekt innen offen wäre, wie ein Ofen oder eine Metallbox, würde die Hitze im Inneren herumspringen.

Diese Art von Objekt wurde als Schwarzkörper bezeichnet - weil das Objekt selbst kein Licht reflektiert, sondern nur Wärme ausstrahlt - und während des gesamten 19. Jahrhunderts haben verschiedene theoretische Arbeiten in der Thermodynamik untersucht, wie sich Wärme in einem schwarzer Körper.

Nehmen wir nun an, es gibt eine kleine Öffnung - wie ein Fenster - im Ofen, durch die Licht entweichen kann. Das Studium dieses Lichts enthüllt Informationen über die Wärmeenergie innerhalb des schwarzen Körpers.

Im Wesentlichen nahm die Hitze in einem schwarzen Körper die Form von elektromagnetischen Wellen an, und da der Ofen aus Metall besteht, sind sie stehende Wellen, mit Knoten, wo sie auf die Seite des Ofens treffen. Diese Tatsache - zusammen mit einem Verständnis von Elektromagnetik und Thermodynamik - kann verwendet werden, um die Beziehung zwischen der Intensität (oder Helligkeit) und der Wellenlänge des Lichts zu berechnen.

Das Ergebnis ist, dass, da die Wellenlänge des Lichts sehr klein wird (der ultraviolette Bereich der elektromagnetischen Energie), die Intensität dramatisch ansteigen und sich der Unendlichkeit nähern soll.

In der Natur beobachten Wissenschaftler niemals Unendlichkeiten, und das war keine Ausnahme. Die Forschung zeigte, dass es maximale Intensitäten im ultravioletten Bereich gab, was den theoretischen Erwartungen völlig widersprach, wie in dieser Abbildung gezeigt. Diese Diskrepanz wurde als die Ultraviolettkatastrophe bekannt.

Die ultraviolette Katastrophe drohte die Theorien der Elektromagnetik und / oder Thermodynamik zu untergraben. Es ist klar, dass, wenn sie nicht mit dem Experiment übereinstimmten, eine oder beide der Theorien Fehler enthielten.

Als Planck 1900 die Ultraviolettkatastrophe löste, tat er dies, indem er die Idee einführte, dass das Atom nur Licht in Quanten (oder diskreten Energiebündeln) absorbieren oder emittieren könnte. Eine Implikation dieser radikalen Annahme war, dass bei höheren Energien weniger Strahlung emittiert würde.

Durch die Einführung der Idee von diskreten Energiepaketen - durch die Quantifizierung der Energie - erzeugte Planck eine Lösung, die die Situation löste, ohne die existierenden Theorien dramatisch revidieren zu müssen (zumindest zu dieser Zeit).

Plancks Einsicht kam, als er sich die Daten ansah und herauszufinden versuchte, was vor sich ging. Die Vorhersagen für lange Wellenlängen waren offensichtlich nahe an der Übereinstimmung mit dem Experiment, aber das Licht mit kurzer Wellenlänge war dies nicht. Die Theorie übersagte die Lichtmenge, die bei kurzen Wellenlängen erzeugt werden würde, so dass er eine Möglichkeit benötigte, diese kurze Wellenlänge zu begrenzen.

Da Planck einige Dinge über Wellen kannte, wusste er, dass die Wellenlänge und die Frequenz umgekehrt verwandt waren. Wenn Sie also über Wellen mit kurzer Wellenlänge sprechen, sprechen Sie auch von Wellen mit hoher Frequenz. Alles, was er tun musste, war einen Weg zu finden, die Strahlungsmenge bei hohen Frequenzen zu senken.

Planck überarbeitete die Gleichungen unter der Annahme, dass die Atome nur in endlichen Mengen Energie abgeben oder absorbieren konnten. Die Energie und Frequenz wurden durch einen Anteil von Planck-Konstante miteinander in Beziehung gesetzt. Physiker verwenden die Variable h , um die Planck-Konstante in seinen resultierenden physikalischen Gleichungen darzustellen.

Die resultierende Gleichung diente zur Erklärung der experimentellen Ergebnisse der Schwarzkörperstrahlung. Planck und scheinbar alle anderen dachten, dies sei nur ein mathematischer Trick, der das Problem in einem seltsamen Sonderfall gelöst habe. Es war kaum jemandem bewusst, dass Planck gerade den Grundstein für die seltsamsten wissenschaftlichen Entdeckungen in der Geschichte der Welt gelegt hatte.