نقد مکانیک کوانتومی و چرا گرانش نیوتنی به نفع نسبیت عام رد شد؟

نقد مکانیک نیوتنی از مکانیک نسبیتی و کوانتومی

اسحاق نیوتن، که اکثر آنها را پدر فیزیک می دانند. کار او در تنظیم قوانین اساسی حاکم بر جهان انقلابی بود، بنابراین به یک معنا امکان پیدایش فیزیک را فراهم کرد. همه ما داستان سیبی را شنیده‌ایم که از درخت افتاد و به نیوتن برخورد کرد و چگونه به او کمک کرد تا چیزی را که اکنون به عنوان گرانش و مکانیک نیوتنی می‌شناسیم، ایجاد کند. حالا اینکه آیا این داستان درست است یا نه جای بحث دیگری است اما نمیتوانیم اهمیت آن را در فیزیک انکار کنیم. با این حال، چرا در سرعت های بالا و/یا در مقیاس اتمی، مکانیک نیوتنی شروع به شکستن می کند؟ چرا گرانش نیوتنی به نفع نسبیت عام رد شد؟ این مقاله ایرادات پشت مکانیک نیوتنی را مورد بحث قرار می‌دهد، اینکه چه زمانی و در کجا قابل اجرا نیست و به این سؤال می‌پردازد. آیا مکانیک نیوتنی اشتباه است؟

سفارش طراحی سایت در فریلنس پروژه

اول از همه، ما باید در مورد اینکه مکانیک نیوتنی چیست بحث کنیم. سه قانون وجود دارد

از حرکت

    جسمی که در حرکت است در حرکت می ماند مگر اینکه نیروی دیگری بر آن وارد شود.

    نیروی وارد بر یک جسم برابر است با حاصل ضرب جرم و شتاب آن.

    هنگامی که دو جسم با هم برخورد می کنند، نیرویی به یکدیگر وارد می کنند که از نظر قدر مساوی اما در جهت مخالف هستند.

علاوه بر این، ما همچنین باید گرانش نیوتنی را درک کنیم. طبق گرانش نیوتنی همه چیز جذب همه چیز می شود، قلم روی میز شما جذب شما می شود اما جاذبه آنقدر کوچک است که ناچیز است. هر چند توده های بزرگتر مانند اجرام آسمانی می توانند گرانش بسیار بالاتری داشته باشند در نتیجه اجرام آسمانی دیگر را جذب می کنند. نیروی جاذبه با حاصلضرب هر دو جرم نسبت مستقیم دارد و با مجذور جدایی آنها بین مراکز جرم ها نسبت معکوس دارد و G ثابت گرانشی جهانی است (6.67*10^-11). در نتیجه به فرمول می رسیم:

انجام پروژه در فریلنس پروژه

در بیشتر موارد، این قوانین صحیح هستند و در فیزیک اجسامی در حال حرکت که با سرعت های بسیار بالا (مانند سرعت نزدیک به نور) یا در مقیاس های اتمی کوچک حرکت نمی کنند، قابل اجرا هستند. از این رو دو نقد فیزیک نیوتنی از منظر مکانیک نسبیتی و مکانیک کوانتومی است.

اجازه دهید ابتدا نقد مکانیک نسبیتی را مورد بحث قرار دهیم. در سال 1905 مردی به نام آلبرت انیشتین مقاله ای در مورد نسبیت خاص منتشر کرد. این لحظه یک نقطه محوری برای فیزیک بود زیرا نقص های مکانیک نیوتنی/کلاسیک را نشان می داد. به طور خلاصه، نسبیت خاص رابطه چگونگی تأثیر سرعت بر زمان، فضا و جرم را توصیف می کند. طبق مکانیک نیوتنی، فضا و زمان به هیچ وجه به هم مرتبط نیستند و این کمیت ها مطلق هستند زیرا بدون توجه به منطقه فضا و چارچوب های مرجع اینرسی مربوطه خود، همانطور که از ماریون، جری ب و مارک A بیان شد، مطلق هستند. شفا یافت (410). با این حال، ما می دانیم که این از طریق همزمانی رویدادها نادرست است که می تواند از طریق یکی از مشهورترین آزمایش های فکری اینشتین توضیح داده شود. به گفته انیشتین (46)، فرض کنید دو ناظر وجود دارد، یک ناظر در قطاری است که با سرعت نور حرکت می کند، و ناظری دیگر روی یک سکو ایستاده و منتظر عبور قطار است. با عبور قطار، دو رعد و برق اتفاق می افتد، یکی در جلوی قطار و دیگری در عقب. ناظر روی سکو متوجه می شود که اعتصابات در همان زمان اتفاق افتاده است، اما ناظر در قطار متوجه چیز دیگری می شود. از آنجایی که قطار با سرعت نور حرکت می کند و به سمت جلو حرکت می کند، ناظر در قطار ابتدا متوجه ضربه در جلو و بعداً ضربه به عقب می شود. بنابراین سوال نهفته است؛ کدام رویداد واقعا رخ داده است؟ آیا صاعقه در همان زمان اتفاق افتاد یا ابتدا به جلو و سپس به عقب برخورد کرد؟ در واقع هر دو رویداد به این دلیل اتفاق افتادند که زمان برای هر دو ناظر به دلیل هر یک از چارچوب های مرجع اینرسی مربوطه آنها نسبی است. به گفته انیشتین "رویدادهایی که با ارجاع به خاکریز همزمان هستند در مورد قطار همزمان نیستند و بالعکس (نسبیت همزمانی). هر مرجع مرجع (سیستم مختصات) زمان خاص خود را دارد. مگر اینکه به ما گفته شود بدن مرجعی که بیان زمان به آن اشاره دارد، در بیان زمان یک رویداد معنایی وجود ندارد. .

طراحی لوگو با بهترین طراحان لوگو

علاوه بر این، انیشتین توانست ثابت کند که انرژی و جرم یکسان هستند و به عنوان مظاهر مختلف یکدیگر وجود دارند. در نتیجه به معادله می رسیم

جایی که c سرعت نور است:

به گفته ویکی استین (Space.com)، با نزدیک شدن یک جسم به سرعت نور، جرم آن بی نهایت می شود، بنابراین انرژی آن نیز که از نظر فیزیکی غیرممکن است، کاهش می یابد. به این معنی که هیچ چیز نمی تواند سریعتر از سرعت نور حرکت کند. توجه به این مهم است، زیرا این در واقع با گرانش نیوتنی در تضاد است. اگر بخواهید خورشید را از آن بیرون بکشید

منظومه شمسی، با توجه به گرانش نیوتنی، زمین بلافاصله از مدار خارج می شود (این را می توان به راحتی از معادله مربوط به گرانش که برای اولین بار ذکر شد ارائه کرد). با این حال، این مورد نیست زیرا اطلاعات نمی توانند سریعتر از سرعت نور حرکت کنند زیرا به ذره حامل نیاز دارند. در نتیجه در واقع حدود هشت دقیقه طول می کشد تا مدار زمین تغییر کند، زیرا این زمان طول می کشد تا نور از خورشید به زمین برسد. این بدان معنا نیست که گرانش نیوتنی اشتباه نیست، زیرا معادله همچنان نیروی گرانش بین اجسام را به دقت به ما می گوید، بلکه اساس بنیادی که نظریه بر آن بنا شده است نادرست است، طبق نظر کوگوت (2) "نظریه اجازه می دهد تا سرعت های نامحدودی داشته باشد و اطلاعات را می توان به صورت آنی انتقال داد. این منجر به یک زمان جهانی مستقل از فریم می شود."

با توجه به توسعه نسبیت خاص، اجماع بین جامعه فیزیک برای نظریه گرانش که با نسبیت خاص سازگار است وجود داشت. به سرعت به سال 1915، انیشتین مقاله خود را در مورد نسبیت عام منتشر کرد.

انجام پروژه متلب با بهترین متلب دونا

نظریه نسبیت عام اصلاحی از نظریه نیوتن بود که آنچه را که ما به عنوان گرانش مشاهده می کنیم، تاب برداشتن فضا و زمان با استفاده از هندسه غیراقلیدسی به نام هندسه ریمانی توصیف می کند. نکته کلیدی این نظریه این است که فضا و زمان به عنوان کمیت های جداگانه توصیف نمی شوند (برخلاف گرانش نیوتنی) بلکه به عنوان یک پارچه فضا-زمان نامیده می شوند که می تواند به دلیل تأثیر جرم های بزرگ تحت تأثیر / تاب خورده باشد. هر چه جرم بزرگتر باشد، انحنا/تابیدگی بیشتری صورت می گیرد (شکل 1.0).

شکل 1.0 مثالی از 3 جرم و تأثیر آنها بر فضا-زمان

نسبیت عام به زودی به عنوان مدل استاندارد در هنگام توضیح گرانش پذیرفته شد، زیرا نه تنها قادر به ترکیب نسبیت خاص بود، بلکه قادر به توضیح و پیش بینی پدیده هایی بود که گرانش نیوتنی قادر به انجام آن نبود. برای مثال، یکی از اولین آزمایش‌هایی که نسبیت عام انجام داد، توضیح مدار عجیب جیوه بود. طبق «گرانش نیوتنی و نسبیت عام» (3)، برای هر مداری که وجود دارد، نقطه‌ای وجود دارد که سیاره در نزدیک‌ترین نقطه به خورشید است، که به عنوان حضیض شناخته می‌شود، برای هر مداری به دور خورشید، حضیض جیوه پیشروی می‌کند. کمی (شکل 1.1 را ببینید). گرانش نیوتنی نمی تواند این پدیده عجیب را توضیح دهد.

شکل 1.1 توضیح مدار عجیب عطارد

با این حال، نسبیت عام می تواند این پدیده را توضیح دهد. همانطور که در "گرانش نیوتنی و نسبیت عام" (7) توضیح داده شده است، "همانطور که عطارد به سمت حضیض خود (یعنی نزدیکتر به خورشید) حرکت می کند، به عمق چاه گرانش خورشید می رود. حرکت آن در این ناحیه با انحنای بیشتر فضا-زمان باعث پیشروی حضیض می شود. نظریه نسبیت عام اینشتین دقیقاً میزان پیشروی حضیض را در عطارد پیش بینی می کند. انیشتین این نتیجه را به عنوان «بحرانی‌ترین آزمون نظریه‌اش تا به امروز» می‌داند. این یکی از آزمایش‌هایی است که نسبیت عام تحت آن قرار گرفته است، نظریه انیشتین همچنین عدسی‌های گرانشی و پیش‌بینی‌های کسوف را توضیح می‌دهد که گرانش نیوتنی نتوانسته است انجام دهد.

حال بیایید نقد نیوتن را از منظر مکانیک کوانتومی مورد بحث قرار دهیم. مکانیک نیوتنی بیان می‌کند که ما می‌توانیم هم موقعیت و هم حرکت هر چیزی را بدانیم، اگر در مورد اجسام و مقیاس‌های معمولی صحبت کنیم، مانند مردی که در حال دویدن است، این کار را می‌توان به راحتی انجام داد. به گفته Orzel (TED-Ed)، ما می دانیم که نیوتن در قلمرو کوانتومی نادرست است، زیرا در مکانیک کوانتومی می دانیم که همه چیز هم به عنوان موج و هم به عنوان یک ذره رفتار می کند، این در ذرات بیشتر مشهود است زیرا طول موج آنها به دلیل بزرگ است. اندازه کوچک آنها در نتیجه، طبق اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، ما نمی‌توانیم موقعیت و تکانه یک ذره را بدانیم، هر چه بیشتر در مورد موقعیت آن بدانیم، نسبت به تکانه اطمینان کمتری داریم و برعکس، بنابراین با گفته قبلی نیوتن در تضاد است. علاوه بر این مشکل دیگری که به وجود می آید به دلیل تشعشعات جسم سیاه است. هر جسمی که دمای آن بالاتر از صفر مطلق باشد در تمام طول موج ها نور ساطع می کند، نور ساطع شده از یک جسم کاملا سیاه به عنوان تابش جسم سیاه شناخته می شود، با این حال این تابش به طور مساوی بین تمام طول موج ها تقسیم نمی شود، برخی از طول موج ها انرژی بیشتری نسبت به بقیه دریافت می کنند. (شکل 2.0 را ببینید).

شکل 2.0 طیف نشری تابش جسم سیاه

انجام پروژه برنامه نویسی با برنامه نویسان

بر اساس فیزیک نیوتنی، هرچه یک جسم گرمتر باشد، انرژی بیشتری باید تابش کند، بنابراین نور بیشتری باید ساطع کند. با این حال این اصل با طیف هایی که در تابش جسم سیاه دیده می شود همبستگی ندارد. اما در سال 1900، ماکس پلانک راه‌حلی ارائه کرد که بیان می‌کرد این اصل که انرژی بر اساس فرکانس ارتعاشی خاص الکترون توزیع می‌شود، نادرست است و «انرژی به صورت توده‌ای می‌آید. او توده ای از انرژی را کوانتوم نامید. اندازه یک توده انرژی - کوانتومی - به فرکانس ارتعاش بستگی دارد. "، "شکست های فیزیک کلاسیک". سپس این به استخراج معادله کمک کرد:

جایی که انرژی الف کوانتوم حاصل ضرب ثابت پلانک و فرکانس الکترون ارتعاشی است. بنابراین در فرکانس‌های بالاتر انرژی آنقدر زیاد است که ارتعاشات در الکترون‌ها رخ نمی‌دهد، بنابراین طیف‌ها در سمت چپ کوچک‌تر است همانطور که در "شکست‌های فیزیک کلاسیک" توضیح داده شد.

انجام پروژه پایتون با بهترین برنامه نویسان

اثر فوتوالکتریک نیز پدیده دیگری است که مکانیک نیوتنی در توضیح آن ناکام مانده است. اثر فوتوالکتریک پدیده‌ای است که زمانی رخ می‌دهد که نور به سطح هر ماده‌ای مانند فلز برخورد می‌کند و در نتیجه انتشار الکترون‌ها از مواد مذکور را ممکن می‌سازد. با توجه به «شکست‌ها در فیزیک کلاسیک»، از دیدگاه مکانیک نیوتنی، باور عمومی این بود که هر چه نور کم‌تر باشد، انرژی کمتری منتشر می‌شود، بنابراین زمان می‌برد تا انرژی ایجاد شود تا گسیل الکترون انجام شود. با این حال، این اشتباه است. در عوض، انیشتین بر اساس نظریه پلانک ساخته شد و تشخیص داد که نور نیز به مقدار کمی از انرژی به نام فوتون می آید و انرژی به طور مساوی در یک موج توزیع نمی شود، بلکه در این فوتون ها توزیع می شود. نور کم‌تر مقدار فوتون‌ها را کاهش می‌دهد اما انرژی همچنان ثابت می‌ماند زیرا (همانطور که قبلاً در تابش جسم سیاه بحث کردیم) انرژی به فرکانس وابسته است و فرکانس بدون توجه به اینکه نور چقدر کم است همچنان بدون تغییر باقی می‌ماند. بنابراین حداقل مقدار انرژی مورد نیاز به عنوان تابع کار طبقه بندی می شود که با حداقل مقدار فرکانس در غیر این صورت به عنوان فرکانس آستانه شناخته می شود.

علاوه بر این، یکی دیگر از پدیده های کوانتومی که مکانیک نیوتنی را نقض می کند، اثر آهرونوف-بوم است. بر اساس "تظاهرات ولفرام"، اثر آهرونوف-بوم زمانی است که یک ذره باردار در مناطقی که پتانسیل الکترومغناطیسی صفر است، نیرویی را تجربه کند. این را می توان به طور تجربی از طریق آزمایش دو شکاف با یک شیر برقی که یک میدان مغناطیسی در بین شکاف ها ایجاد می کند مشاهده کرد. از آنجایی که ذرات باردار ورودی موازی با میدان الکترومغناطیسی هستند، نیروی تجربه شده باید صفر باشد، بنابراین یک توری پراش معمولی باید دیده شود. با این حال، این مورد نیست، زیرا طبق "Wolfram Demonstrations"، توری پراش دارای یک اختلاف فاز تغییر یافته است.

. به گفته رابینوویتز (2)، این پدیده به وضوح اولین قانون حرکت نیوتن را نقض می کند، زیرا حرکت یک ذره تغییر کرده است، حتی زمانی که هیچ نیروی خارجی بر آن اثر نمی گذارد.

(شکل 3.0 و 3.1 را ببینید).

شکل 3.0 توری پراش بدون میدان مغناطیسی شکل 3.1 توری پراش با میدان

لیست مجریان نظام مهندسی اراک

به وضوح مشهود است که بسیاری از اصول مکانیک نیوتنی هم از نظر تجربی و هم از نظر تئوری در قلمرو کوانتومی جعل شده اند. نمونه های بسیار دیگری از این تضادها در مکانیک کوانتومی مانند اتم هیدروژن و مسئله چاه بی نهایت وجود دارد.

بنابراین برای پاسخ به سوال نهایی. آیا مکانیک نیوتنی اشتباه می کند؟ اول از همه، مکانیک نیوتنی نادرست نیست، آنها تقریباً در هر جنبه ای از زندگی بشر مدرن قابل استفاده هستند و توسط مهندسان و فیزیکدانان به طور یکسان استفاده می شود، بنابراین نادرست است که بگوییم مکانیک نیوتنی اشتباه است، در عوض آنها در سناریوهای خاصی قابل اجرا نیستند. از طریق مکانیک نسبیتی یا از طریق مکانیک کوانتومی خواهد بود. حتی نسبیت در بسیاری از سناریوها با مکانیک کوانتومی موافق نیست. برای مثال، می‌توانیم آزمایش دو شکاف را مثال بزنیم. همانطور که توسط Hossenfelder توضیح داده شد، از آنجایی که ذرات دارای ماهیت دوگانه هستند (هم به عنوان یک ذره و هم به عنوان موج رفتار می کنند)، الکترون هایی که از طریق یک شکاف دوتایی شلیک می شوند، یک توری پراش نشان می دهند که به عنوان رفتار موجی در نظر گرفته می شود، حتی اگر ذره باشند. علاوه بر این، وقتی الکترون‌ها را مشاهده می‌کنیم، آنها در یک زمان از شکاف‌ها عبور می‌کنند، اما این منجر به یک توری پراش نمی‌شود، بنابراین فیزیکدانان توافق کردند که در عوض، وقتی الکترون را مشاهده نمی‌کنیم، در همان زمان از شکاف‌ها عبور می‌کند. معمای گرانش کوانتومی در این نقطه به وجود می آید، زیرا اگر همان الکترون در همان زمان از شکاف ها عبور کند، گرانش از کدام جهت می آید؟ آیا این بدان معناست که نسبیت عام و مکانیک کوانتومی اشتباه هستند؟ باز هم پاسخ منفی است. مکانیک کوانتومی در مقیاس اتمی و نسبیت در سناریوهای سرعت نور و برای گرانش قابل استفاده است. این مسئله از فقدان یک نظریه متحد کننده ناشی می شود که مکانیک نیوتنی، نسبیتی و کوانتومی را در یک نظریه ترکیب کند. هر نظریه ناسازگاری های خاص خود را دارد اما آنها همچنان در سناریوهای مربوط به خود عمل می کنند.