Квантовая механика и нанотехнология с точки зрения их применимости и важности для развития современных наук

Введение

Квантовая физика работает с изучением поведения самых маленьких вещей в нашей Вселенной: субатомных частиц. Это относительно новая наука, лишь в начале 20 века она стала таковой после того, как физиков стал интересовать вопрос, почему они не могут объяснить некоторые эффекты радиации.
Если классическая физика преимущественно описывает макрообъекты, квантовая физика занимается описанием процессов поведения микрочастиц, а также их наблюдения и измерения. Разница в объектах наблюдения привела к возникновению нового более сложного математического аппарата для описания наблюдений. Квантовая физика легла в основу всех современных космологических теорий.
Вещественная материальная реальность исчезает из поля ее зрения. Нобелевский лауреат В. Гейзенберг говорит: «Оказалось, что мы больше не способны отделить поведение частицы от процесса наблюдения. В результате нам приходится мириться с тем, что законы природы, которые квантовая механика формулирует в математическом виде, имеют отношение не к поведению элементарных частиц как таковых, а только к нашему знанию об этих частицах».
В квантовой механике наряду с объектом исследования и инструментами исследования элементом анализируемой картины становится наблюдатель.
Цель данной работы – рассмотреть квантовую механику и нанотехнологии с точки зрения их применимости и важности для развития современных наук.

1 Квантовая механика
14 декабря 2000 г., научный мир отметил 100-летний юбилей квантовой механики. Событие это осталось практически незамеченным. Между тем, историческая дата 14 декабря 1900 г., когда на заседании Берлинского физического общества Макс Планк впервые произнес слово “квант”, имеет все основания стать одним из самых значительных событий в истории человечества.
Данное событие стало началом пересмотра существующих научных устоев. К настоящему времени разработаны и подтверждены качественно новые фундаментальные научные достижения квантовой теории. Результатом этого стала разработка научной базы для изменений на всех уровнях применения научных разработок, в любой сфере, будь то медицина, самолетостроение, машиностроение и другие сферы производства и технологий.
Все современные космологические теории также опираются на квантовую механику, которая описывает поведение атомных и субатомных частиц. Квантовая физика принципиально отличается от классической, ньютоновой физики. Классическая физика занимается описанием поведения материальных объектов, в то время как квантовая физика сосредоточена только на математическом описании процессов наблюдения и измерения.
В настоящее время наука переживает подлинную революцию. Последние годы ознаменовались значительными продвижениями в области квантовой физики, и это позволило открыто мыслящим и неортодоксальным ученым объявить во всеуслышание, что данные исследования имеют первостепенное значение для нашего понимания паранормальных феноменов и жизни после смерти.
Результаты, полученные этими учеными, ясно демонстрируют, что не существует никаких противоречий между недавними открытиями в области квантовой физики и паранормальными способностями человека, а также жизнью после смерти. Таким образом, те явления, которые мы называем паранормальными, вполне нормальны и согласуются с законами, известными сегодняшней науке.
Квантовая механика является разделом физики, работающим с чрезвычайно малыми объектами. Это приводит к тому, что некоторые выводы о физическом мире могут показаться очень странными. На уровне атомов и электронов, многие из уравнений классической механики, которые описывают, как вещи двигаться повседневных размеров и скорости, перестают быть полезными. В классической механике, объекты существуют в определенном месте, в определенное время. Однако в квантовой механике, объекты вместо того, чтобы существовать в тумане вероятности; они имеют определенный шанс быть в точке А, еще один шанс быть в точке В и так далее.
Три революционных принципа
Квантовая механика развивалась в течение многих десятилетий, начиная как совокупность противоречивых математических объяснений экспериментов, что математика классической механики не мог объяснить. Она берет начало на рубеже 20-го века, примерно в то же время когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою теорию относительности, отдельную математическую революцию в физике, которая описывает движение вещей на высоких скоростях. В отличие от теории относительности, происхождение квантовой механики нельзя приписать какому-либо ученому. Скорее всего, несколько ученых способствовали основам трех революционных принципов, которые постепенно получили признание и экспериментальную проверку в период между 1900 и 1930 годами. К ним относятся:
Квантованные свойства: Некоторые свойства, такие как положение, скорость и цвет, иногда может иметь место только в определенных, установленных количествах, так же, как циферблат, что "щелкает" от числа к числу. Это сомнение фундаментальное предположение классической механики, в которой говорилось, что такие свойства должны существовать на гладкой непрерывного спектра. Для того, чтобы описать идею, что некоторые свойства "щелкнул", как циферблат с определенными параметрами, ученые придумали слово «квантуется».
Частицы света: свет иногда может вести себя как частица. Это был первоначально встретился с резкой критикой, так как она противоречила 200 лет экспериментов, показывающих, что свет вел себя как волна; так же, как рябь на поверхности спокойного озера. Свет ведет себя так же в том, что он отскакивает от стен и изгибы вокруг углов, и что гребни и впадины волны может добавить или отменить выход. Добавлены гребни волн приводит к более ярким светом, в то время как волны, которые компенсируют производят темноту. Источник света можно рассматривать как шар на палке будучи ритмично, смоченным в центре озера. Цвет, излучаемый соответствует расстоянию между гребнями, которая определяется скоростью ритма шара.
Волны материи: материя также может вести себя как волна. Это шло вразрез с примерно 30 лет экспериментов, показывающих, что материя (например, электронов) существует в виде частиц.Первым шагом на пути к математической интеграции обеих теорий является теория квантового поля. Эта теория пытается описать поведение электронов, объединяя квантовую механику и частную теорию относительности Эйнштейна. Такое объединение идей оказалось довольно успешным, но в то же время английский физик, лауреат Нобелевской премии П. Дирак, автор теории квантового поля, признался: «Похоже, что поставить эту теорию на солидную математическую основу практически невозможно». Вторым и гораздо более сложным шагом должна быть интеграция общей теории относительности и квантовой механики, но пока никто не имеет ни малейшего представления о том, как это сделать. Даже такие признанные авторитеты, как Нобелевский лауреат С. Вайнберг, признают, что только для создания математического аппарата новой теории понадобится столетие или два.
Со времен Ньютона и Галилея физики ставят перед собой задачу дать математическое описание исследуемого явления. Это математическое описание должно быть подтверждено наблюдениями и затем проверено экспериментально. Мы уже убедились, что теории большого взрыва не отвечают этим требованиям. Одним из основных требований, предъявляемых к физическим теориям, являлась простота, но, как мы видим, теории большого взрыва не отвечают и этому критерию. С каждой новой формулировкой они принимают все более и более причудливые формы. Эти теории представляют собой как раз то, что так претило Ньютону и Галилею - досужие вымыслы, призванные заполнить зияющий пробел в наших знаниях.
Квантовая механика делится на нерелятивистскую, справедливую в случае малых скоростей, и релятивистскую, удовлетворяющую требованиям специальной теории относительности.
Нерелятивисткая квантовая механика (как и механика Ньютона для своей области применимости) - это законченная и логически непротиворечивая фундаментальная физическая теория.
Релятивистская квантовая механика не является в такой степени завершенной и свободной от противоречий теорией.
Если в нерелятивистской области можно считать, что взаимодействие передается мгновенно на расстоянии, то в релятивистской области оно распространяется с конечной скоростью, значит, должен существовать агент, передающий взаимодействие - физическое поле. Трудности релятивистской теории - это трудности теории поля, с которыми встречается как релятивистская классическая механика, так и релятивистская квантовая механика.
Соотношение между классической и квантовой механикой определяется существованием универсальной мировой постоянной - постоянной Планка, которая называется также квантом действия и имеет размерность действия. Если в условиях данной задачи физические величины размерности действия значительно больше постоянной Планка, то применима классическая механика. Формально это условие и является критерием применимости классической механики.
Общая теория относительности - неквантовая теория. В этом отношении она подобна классической электродинамике Максвелла. Однако наиболее общие рассуждения показывают, что гравитационное поле должно подчиняться квантовым законам точно так же, как и электромагнитное поле. Применение квантовой теории к гравитации показывает, что гравитационные волны можно рассматривать как поток квантов - гравитонов.
С момента открытия электрона в 1896 году, доказательства того, что вся материя существовала в виде частиц медленно строит

. Тем не менее, демонстрация волнового дуализма светового сделали ученые под сомнение, был ли материя ограничивается только действуя в качестве частиц. Возможно, корпускулярно-волновой дуализм может звучать правдоподобно для вещества, а? Первым ученым, чтобы добиться существенного прогресса с этим рассуждения был французский физик по имени Луи де Бройля. В 1924 году де Бройля использовали уравнения теории Эйнштейна специальной теории относительности, чтобы показать, что частицы могут проявлять волнообразные характеристики, и что волны могут проявлять частицеподобные характеристики. Затем в 1925 году двое ученых, работающих независимо друг от друга и, используя отдельные линии математического мышления, применяемой де Бройля рассуждения, чтобы объяснить, как электроны просвистел вокруг в атомах (явление, которое было необъяснимое с помощью уравнений классической механики). В Германии, физик Вернер Гейзенберг (объединяется с Макс Борн и Паскуаль Иордан) достиг этого путем разработки «матричную механику». Австрийский физик Эрвин Шредингер разработали подобную теорию под названием «волновая механика». Шредингер показал в 1926 году, что эти два подхода были эквивалентны (хотя швейцарский физик Вольфганг Паули послал неопубликованный результат в Иорданию показывает, что матричные механики была более полной).
Модель Гейзенберга-Шредингера атома, в котором каждый электрон действует как волна (иногда упоминается как «облако») вокруг ядра атома заменил модель Резерфорда-Бора. Одно условие новой модели было то, что концы волны, которая образует электрон должен отвечать. В "квантовой механики в химии 3-е изд." (W.A. Benjamin, 1981), Мелвин Ханна пишет: "Введение граничных условий ограничил энергию дискретных значений." Следствием этого является то, что оговорки только целые числа гребней и впадин допускается, что объясняет, почему некоторые свойства квантуются. В модели Гейзенберга-Шредингера атома, электроны подчиняются "волновой функции" и занимают "орбитали", а не орбит. В отличие от круговых орбит модели Резерфорда-Бора, атомные орбитали имеют различные формы, начиная от сфер гантелей до ромашек.
В 1927 году Гайтлер и Фрица Лондона провели дальнейшее развитие волновой механики, чтобы показать, как атомные орбитали может объединяться с образованием молекулярных орбиталей, эффективно показать, почему атомы связь друг с другом, образуя молекулы. Это еще одна проблема, которая была неразрешима с помощью математики классической механики. Эти идеи породили области "квантовой химии."


2 Нанотехнологии
Нанотехнологиями называют отдельную самостоятельную отрасль прикладной науки, которая позволяет видоизменять структуру веществ, тем самым позволяя создавать кардинально новые формы. Нанотехнологии — это фундаментальные знания, хотя бы потому, что в их основе лежат методы, позволяющие изменить атомную структуру материала. Другими словами, ученые, определенным образом воздействуя на интересующие их соединения, меняют их связи, вызывая последовательные метаморфозы с неким веществом или материалом.
Чаще всего, процесс происходит в масштабе 1 нм (нанометр, отсюда и назв.). 1 нанометр = 1. Заметим, что размеры большинства атомов лежат в интервале от 0, 1 до 0, 2 нм, ширина молекулы ДНК примерно 2 нм, характерный размер клетки крови приблизительно 7500 нм, человеческий волос — 80 000 нм.
При уменьшении размера частиц возрастает отношение поверхности к объему. По этой причине наночастицы существенно легче вступают в химические реакции. В дополнение к этому на уровне менее 100 нм появляются эффекты квантовой физики. Квантовые эффекты могут влиять на оптические, электрические или магнитные свойства материалов непредсказуемым образом.
Маленькие кристаллические образцы некоторых веществ становятся прочнее, поскольку они просто достигают состояния, при котором не могут раскалываться так, как это происходит у больших кристаллов, когда на них воздействуют с усилием. Металлы становятся похожими в некотором отношении на пластмассу.
Нанотехнологии представляют собой изучение и применение чрезвычайно мелких вещей и может быть использовано во всех других научных областях, таких как химия, биология, физика, материаловедения и инженерии.
Идеи и концепции, лежащие в области нанотехнологий начались с разговора под названием "Там много места в нижней части" физик Ричард Фейнман на заседании Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте (Caltech) от 29 декабря 1959 года, задолго до того, был использован термин нанотехнология. В своей речи Фейнман описал процесс, в ходе которого ученые будут иметь возможность манипулировать и управлять отдельными атомами и молекулами. Более десяти лет спустя, в его исследованиях по механической обработке ultraprecision, профессор Норио Танигучи ввел термин нанотехнология. Он не был до 1981 года, с развитием сканирующего туннельного микроскопа, который может "видеть" отдельные атомы, начал что современные нанотехнологии.
Нанотехнологии включают способность видеть и управлять отдельными атомами и молекулами. Все, что на Земле, состоит из атомов-пищи, которую мы едим, одежду, которую мы носим, ​​зданий и домов мы живем, и наших собственных тел.
Но что-то как малые, как атом невозможно увидеть невооруженным глазом. На самом деле, это невозможно увидеть с микроскопами, обычно используемых в средней школе классов науки. Микроскопы нужно видеть вещи на наноуровне были изобретены сравнительно недавно около 30 лет назад.
После того, как ученые имели правильные инструменты, такие, как сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) и атомно-силового микроскопа (AFM), родился век нанотехнологий.
Хотя современные нанонауки и нанотехнологии являются совершенно новыми, наноразмерные материалы использовались в течение многих столетий. Альтернативные размера золотые и серебряные частицы создали цвета в витражах средневековых церквей и сотни лет назад. Художники тогда просто не знал о том, что процесс, который они использовали для создания этих прекрасных произведений искусства на самом деле привело к изменениям в составе материалов, они работали с.
Сегодня ученые и инженеры находят широкое разнообразие способов намеренно делают материалы на наноуровне, чтобы воспользоваться их улучшенными свойствами, такими как более высокая прочность, легкий вес, усиленный контроль светового спектра, и большей химической активностью, чем их более крупных коллег.
Еще одним важным критерием для определения является требование о том, что наноструктура определяется человеком. В противном случае придется включать каждый естественно сформированный биомолекулы и материальную частицу, в действительности Переосмысление много химии и молекулярной биологии как «нанотехнологии».
Наиболее важным требованием для определения нанотехнологической является то, что нано-структура обладает особыми свойствами, которые исключительно из-за его наноразмерных пропорций.
США Национальная Nantechnology Initiatve (NNI) дает следующее определение:
Нанотехнология является понимание и контроль материи при размерах приблизительно от 1 до 100 нанометров, где представлены уникальные явления позволяют новых приложений. Охватывая наноразмерной науки, техники и технологии, нанотехнологии включает в себя визуализацию, измерение, моделирование и манипуляции материей в этом масштабе длины.
Нанометр это одна миллиардная часть метра. Лист бумаги толщиной около 100000 нанометров; один атом золота составляет около трети нанометра в диаметре. Размеры примерно между 1 и 100 нм известны как наноуровне. Необычные физические, химические и биологические свойства могут появляться в материалы на наноуровне. Эти свойства могут отличаться существенным образом от свойств сыпучих материалов и отдельных атомов или молекул.
Нанотехнологии уже используются при производстве жестких дисков персональных компьютеров, каталитических конвертеров — элементов двигателей внутреннего сгорания, теннисных мячей с длительным сроком службы, а также высокопрочных и одновременно легких теннисных ракеток, инструментов для резки металлов, антистатических покрытий для чувствительной электронной аппаратуры, специальных покрытий для окон, обеспечивающих их самоочистку.
Информации о негативном воздействии наночасттиц не так уж и много. В 2003 г. в одном из исследований было показано, что углеродные нанотрубки могут повреждать легкие у мышей и крыс. Исследование 2004 г. показало, что фуллерены могут накапливаться и вызывать повреждения мозга у рыб. Но в обоих исследованиях были использованы большие порции вещества при необычных условиях. По словам одного из экспертов, химика Кристена Кулиновски (США), «было бы целесообразно ограничить воздействие этих наночастиц, невзирая на то что в настоящее время информация об их угрозе человеческому здоровью отсутствует».
Некоторые комментаторы высказываются также относительно того, что широкое использование нанотехнологий может привести к рискам социального и этического плана. Так, к примеру, если использование нанотехнологий инициирует новую промышленную революцию, то это приведет к потере рабочих мест