Ako sa naučiť a porozumieť obmedzeniam všeobecných vedeckých teórií a kvantovej teórie?

Matematických štruktúrach vrátane teórie relativity — Kvantová teória hmoty je exotická (neobvyklá) teória vo svojich fyzikálnych a matematických štruktúrach vrátane teórie relativity.

Tento článok prináša prehľad o stave kvantovej teórie hmoty a svetla v súčasnej podobe a diskutuje o obmedzeniach (hľadáme a očakávame generačný rast), ako sa znalosti vyvíjajú vo fázach vedeckých teórií vo fyzike a chémii.

Kroky

1

Študujte, ako vedecké inovácie rastú po etapách, a tak bola opísaná kvantová teória materiálu a svetla približne od roku 1899: ktorá bola potom formulovaná na začiatku 20. storočia ako výsledok experimentov, ktoré sa robili v rôznych oblastiach klasickej fyziky v ktorom klasické zákony mechaniky opísané Issacom Newtonom neboli schopné vysvetliť predtým vhodné matematické rovnice fyziky/fyzikálnych vied.
2

Prečítajte si príklady vrátane zlyhania Newtonových zákonov v matematickom meraní alebo vysporiadaní sa s fenoménom žiarenia čiernych telies (to neúspešné motivovalo hľadanie nových teórií), pretože čierne telesá nevyžarujú ani neodrážajú svetlo. Existencia čiernych dier vo vesmíre je teóriou, ktorá je teraz podporovaná teoreticky aj pozorovaniami vzdialených astronomických javov, ktoré naznačujú, že čierna diera môže „prehltnúť“ hviezdy, planetárne systémy a rásť, až kým nezrúti galaxiu a nezmizne. diera. Matematika môže modelovať (opisovať/ukazovať), ako teoreticky vypočítať fyzikálne vlastnosti vzdialených/vzdialených hviezdnych telies (hviezd alebo vzťahujúcich sa k hviezdam alebo pozostávajúcich z hviezd) vo vesmíre, ako je teplota povrchu hviezd a ich atómový obsah. Tieto informácie sa zvyčajne získavajú interpretáciou detekovaného svetelného spektra (difrakčných farieb) emitovaného konkrétnou hviezdou a analýzou vlnových dĺžok na vzdialenosť a teplotu - a stavu hviezdy v štádiách hviezdnej existencie, ako je kvasar, supernova, červený obr, biely trpaslík, zrúti sa na neutrónovú hviezdu, ako je pulzar, a nakoniec sa stane čiernou dierou.
3

Uvedomte si, že niektoré javy súvisiace s ohýbaním svetla (odkloneného gravitačnými poľami) okolo nebeských telies neposkytli uspokojivé výsledky v matematických rovniciach, ktoré ich znázorňujú, vrátane svetla okolo čiernych telies. Svetelná energia sa vždy predtým predpokladala, že cestuje priestorom v priamych líniách. Objavy a súvisiace merania neboli k dispozícii (pretože nikto nerobil pozorovania), keď bola klasická fyzika vrátane Newtonovej napísaná tak, aby opisovala fyzikálne zákony „filozofiou“. Tento problém bol vyriešený až v 20. storočí pomocou kvantových (nových) mechanických konceptov kvantifikácie energie svetla „vo forme diskrétnych (kvantifikovateľných) fotónov.
Fotóny - subatomárne častice svetla bez elektrického náboja, ktoré však majú hybnosť a prenášajú elektromagnetickú silu ako kvantovú [„množstvo/koľko“] merateľnú silu elektromagnetického žiarenia. Vysvetľujú ich konkrétne rovnice (vrátane Schroedingerových, Einsteinových a Planckových) uvedené v základnej forme nižšie. Rôzne experimenty vo fyzike na atómovej úrovni tiež viedli k podobným problémom, keď bolo objavené a popísané žiarenie čierneho telesa . Tieto boli tiež vyriešené použitím podobných konceptov kvantifikácie energie a iných fyzikálne pozorovateľných javov, ako je hybnosť atómovej častice, ktoré boli v Newtonových časoch úplne neznáme.

Nefungovanie tohto princípu pri jednej príležitosti môže viesť k zlyhaniu celistvosti kvantovej teórie hmoty.
4
Zistite niečo o tom, prečo sa zdá, že aplikácia konceptov kvantizácie, kvanta fyzických pozorovateľných, funguje dobre pri riešení matematických problémov, ktoré vznikli v dôsledku zlyhania newtonových zákonov opísať, modelovať a uspokojivo umožniť novoobjavené javy. Kvantová teória bola ďalej vysvetlená vývojom Schroedingerovej rovnice (pozri obrázok), ktorá sa spolieha na predpoklade „vĺn ako častíc“ v dualite hmoty v prírode:
- Ψ je vlnová funkcia a i imaginárna jednotka. „Hbar“ je znížená Planckova konštanta. „Hhat“ je hamiltonovský operátor. D / dt malá "delta / delta t" označuje početnej diferenciáciu na t (čas).
- Jeho rovnica v rôznych formách je veľmi zásadná pre rozvoj mnohých oblastí fyziky a chémie. Schrödingerovu pohybovú rovnicu je možné preskúmať a prečítať si o nej vrátane Wikipedie: schrödingerovej rovnice.
5

Matematicky vyhodnotte Schroedingerovu rovnicu, aby ste znázornili typy tvarov vĺn. To vysvetľuje názov vlnovej funkcie a spôsobuje „dualitu vlnových častíc“. Vlnová funkcia je amplitúda pravdepodobnosti v kvantovej mechanike, ktorá popisuje kvantový stav častice a jej správanie, typicky pre priestor a čas. A jeho hodnoty sú komplexné čísla. Zákony kvantovej mechaniky (Schrödingerova rovnica) opisujú, ako sa vlnová funkcia vyvíja v priebehu času. Vlnová funkcia chová kvalitatívne ako iné vlny, ako je voda vlny alebo vlny na provázku.
6
Získajte informácie o histórii a definíciách:
- Planckova konštanta h - fyzikálna konštanta veľkostí kvant v kvantovej mechanike. Je pomenovaná po Maxovi Planckovi, ktorý získal Nobelovu cenu za fyziku v roku 1918 „ako uznanie za služby, ktoré poskytol rozvoju fyziky objavom energetických kvant“. Bol jedným zo zakladateľov kvantovej teórie, ktorý ju popísal v roku 1899.
  - Planckova konštanta - bola prvýkrát popísaná ako konštanta proporcionality medzi energiou (E) fotónu a frekvenciou jeho pridruženej elektromagnetickej vlny (ν) nu. Vzťah medzi energiou a frekvenciou sa nazýva Planckov vzťah alebo Planck-Einsteinova rovnica:
    
    E = hν
    Pretože frekvencia ν, vlnová dĺžka λ (Lambda) a rýchlosť svetla c súvisia s λν = c, Planckov vzťah možno tiež vyjadriť ako:
    
    E = ^hc / _λ
  - konštanta - určitá číselná hodnota, napríklad π (pi), je dobre známa konštanta
- Hilbertov priestor - používa metódy vektora-algebry a zubného kameňa z dvojrozmernej euklidovskej rovine a mimo trojrozmernom priestore s teoretickými priestoroch s nejakou konečnou alebo pravdepodobne nekonečného počtu všetkých rozmerov. Hilbertov priestor je „abstraktný vektorový priestor“ so štruktúrou vnútorného produktu, ktorý umožňuje zmerať dĺžku a uhol. Ďalej je potrebné, aby boli Hilbertove priestory úplné, čo je vlastnosť, ktorá určuje existenciu dostatočného počtu limitov (parametrov) v priestore, aby bolo možné v oblasti použiť techniky kalkulu.
7

Študujte operatívnu teóriu v matematike, ktorá by mala byť rozsiahla, aby ste zistili, či táto teória môže naďalej platiť za každých okolností (alebo môže byť platná iba pre určité obmedzenia a parametre, ktoré môžu byť špecifikované). Túto teóriu by sme mali tiež preskúmať z hľadiska možných chýb v matematických aplikáciách a fyzikálnych štruktúrach. Teórie, ktoré zobrazujú prírodné/fyzikálne javy, nemožno považovať za samozrejmé a vždy treba pokračovať v hľadaní alternatívnych, lepšie a úplnejších teórií.
8

Uvedomte si, že nájdenie akéhokoľvek objavu, ktorý by mohol viesť k oslabeniu vedeckej dôveryhodnosti fyzikálnej rovnice, ako sa to stalo pri teórii relativity, môže mať katastrofické (zmenové) účinky na opis takejto vedy: To je pravda, pretože je použiteľná vo všeobecnej vede a na všetky ostatné vedné oblasti, ktoré sa vo svojom vedeckom vývoji spoliehajú na formulácie týchto základných rovníc, ak nie sú všetky priamo pozorovateľné, a preto sú teoreticky založené (odvodené ich matematickým popisom).

Vlnová funkcia je amplitúda pravdepodobnosti v kvantovej mechanike, ktorá popisuje kvantový stav častice a jej správanie, typicky pre priestor a čas.
9

Buďte veľmi opatrní pri vytváraní a formulovaní nových teórií vo vede, pretože nástrahy a chyby vo vašej teórii môžu ohroziť jej vedeckú dôveryhodnosť a môžu nakoniec viesť k jej zneplatneniu (napríklad: nekonzistentnosť).
10

Aplikujte podobnú diskusiu na ďalšie teórie vo fyzike a iných testovateľných vedách. To by malo zahŕňať napríklad aj Newtonovu teóriu pohybu masívnych telies, ktoré už ukázali zlyhanie presnosti, ako v atómovom meradle, a zahŕňa znalosti, ktoré v Newtonovej ére ešte neboli odhalené. Oblasť gravitačného zákona v klasickej teórii pohybu je potrebné ďalej študovať a poskytnúť primeranejšiu teóriu na jej fyzikálne vysvetlenie ako jedinečný jav, ktorý je charakteristický pre každú hviezdu a časticu vo vesmíre. Neschopnosť formulovať teóriu kvantovej gravitácie by mala poskytnúť výstražný signál, či sú tieto teórie presne správne alebo nie (pretože sa zaznamenávajú a analyzujú nové údaje).

Tipy

Dobrá vedecká teória musí odolávať všetkým vedeckým výzvam, ktorým môže čeliť.
Slabé stránky kvantovej teórie hmoty a svetla je možné zhrnúť takto:
- Kvantizácia fyzických pozorovateľných v kontraste k kontinuálnej povahe týchto pozorovateľných v klasickej mechanike je predpoklad, ktorý funguje dobre ako matematické modely, ale je to exotická predstava o fyzickom nepriamom, pozorovateľnom aspekte častíc a vzdialenej hmoty. Tiež princíp neurčitosti (to znamená pravdepodobnosť, a to: s vysokým skóre, alebo nie), je exotická predpoklad (abstrakcie), ktorá nemá analogický jav "veľmi betónu", klasickej mechaniky. Tento princíp je experimentálnym faktom, ktorý je možné overiť a ktorý má matematické vzorce na modelovanie.
- Vektorový priestor, ktorý podporuje funkcie a základy tejto teórie, sa nazýva Hilbertov priestor. Tento priestor je predmetom skúmania vlastností vlnových funkcií a kvantových, mechanických operátorov, ktoré sa v tejto oblasti teoretickej mechaniky široko používajú.
- V úspechu tejto teórie mechaniky hrá úlohu mnoho faktorov. Ak niektorý z týchto faktorov neposkytne uspokojivé výsledky, ktoré by zodpovedali logike jeho používania, môže to ohroziť celú teóriu a viesť k jej neplatnosti. Tu je opatrnosť kľúčovým faktorom, aby ste si neboli istí žiadnou teóriou fyzikálnych vied. Je to tak preto, že väčšina týchto teórií bola postavená tak, aby zodpovedala iba experimentálnym údajom, a nie matematickým abstrakciám. Skutočnosť, že teória funguje dobre pri predpovedaní experimentálnych výsledkov, nezaručuje správnosť teórie.

Varovania

Nefungovanie tohto princípu pri jednej príležitosti môže viesť k zlyhaniu celistvosti kvantovej teórie hmoty. Pravdepodobnostná povaha vlnovej funkcie, ktorá je spojená s kvantovým systémom, je tiež predmetom kontroverzií, ale funguje dobre matematicky a ich výsledky poskytujú dobré predpovede o správaní kvantovaného systému.
Komplexná povaha vlnovej funkcie nemá žiadny fyzický význam a je potrebné zaobchádzať s jej druhou hodnotou, aby sme získali výsledky fyzického významu. Jeho dôveryhodnosť je opäť udržiavaná uspokojivými matematickými výsledkami, ktoré poskytujú s experimentálnymi výsledkami.

Energia základného stavu v kvantovej teórii hmoty je predmet vyvolávajúci myšlienky, ktorý by mohol viesť k novým vyjadreniam celej (úplnej, udržateľnej) teórie.
Kvantová teória hmoty je exotická (neobvyklá) teória vo svojich fyzikálnych a matematických štruktúrach vrátane teórie relativity. Príkladom konceptu hodného skúmania tejto teórie je energetický koncept nulového bodu fyzických veličín, ako je energia základného stavu harmonického oscilátora. Skutočnosť, že kvantové fyzikálne systémy majú energie nenulového stavu, je kontraindikovaná v základných prírodných zákonoch, ktoré hovoria, že „každý fyzický systém vo vesmíre smeruje k maximálnej termodynamickej stabilite, čo sa prejavuje prítomnosťou v ustálenom stave minimálnej energie“ (tj.: rovnováha).
Energia základného stavu v kvantovej teórii hmoty je predmet vyvolávajúci myšlienky, ktorý by mohol viesť k novým vyjadreniam celej (úplnej, udržateľnej) teórie. Tiež použitie operátorov v tejto teórii na zobrazenie abstraktných, implikovaných fyzikálnych pozorovateľných je exotická myšlienka (abstrakcia teoretického, fyzického správania) a aplikácia matematických konceptov na opis prirodzeného sveta vo fyzike overených procesov priamejšími prostriedkami.

Prečítajte si tiež: Ako porozumieť klasickej mechanike?