Principio de incertidumbre:
El principio de incertidumbre, también conocido como principio de incertidumbre, fue propuesto por primera vez por Heisenberg en 1927. Refleja las leyes básicas del movimiento de partículas microscópicas y es otro principio importante en física.
Cuando Heisenberg creó la fuerza matricial, tenía una actitud negativa hacia las imágenes visuales. Pero todavía necesita palabras como "coordenadas" y "velocidad" para expresarse. Por supuesto, estas palabras ya no son equivalentes a las de la teoría clásica. Sin embargo, ¿cómo debemos entender el nuevo significado físico de estas palabras? Heisenberg comprendió el problema de observar las trayectorias de los electrones en el experimento de la cámara de niebla y pensó en ello. Intentó utilizar la mecánica matricial para expresar matemáticamente las trayectorias de los electrones, pero fracasó. Esto puso a Heisenberg en una situación difícil. Pensó una y otra vez y se dio cuenta de que la clave está en la expresión de la propia órbita del electrón. Lo que se ve no es la verdadera órbita del electrón, sino una neblina de gotas de agua mucho más grandes que el electrón, por lo que sólo se puede observar una serie de posiciones inciertas del electrón en lugar de la órbita precisa del electrón. Por lo tanto, en mecánica cuántica, un electrón sólo puede estar en una determinada posición, con un cierto grado de incertidumbre, y también sólo puede tener una determinada velocidad, con un cierto grado de incertidumbre. Estas incertidumbres pueden limitarse a un rango mínimo, pero no igual a cero. Éste fue el pensamiento original de Heisenberg sobre la incertidumbre. Según los últimos años de Heisenberg, una conversación que Einstein tuvo en 1926 lo inspiró. Cuando Einstein y Heisenberg estaban discutiendo si se podían considerar las órbitas de los electrones, le preguntaron a Heisenberg: "¿Realmente crees que sólo las cantidades observables deberían entrar en la teoría física?". Heisenberg respondió: "¿No es así? ¿Es así como se maneja la relatividad?" Enfatizó que el tiempo absoluto no está permitido simplemente porque el tiempo absoluto es inobservable. Einstein lo reconoció, pero dijo: "Es instructivo y útil tener en cuenta lo que realmente observó".... En principio, es completamente inapropiado intentar construir una teoría únicamente a partir de cantidades observables. De hecho, por el contrario, es la teoría la que determina lo que podemos observar... Sólo la teoría, es decir, sólo el conocimiento de las leyes de la naturaleza, nos permite deducir fenómenos fundamentales a partir de impresiones sensoriales. "
Heisenberg comenzó su artículo de 1927 diciendo: "Si uno desea dilucidar el significado de la frase 'la posición de un objeto' (por ejemplo, la posición de un electrón), entonces debe describir un objeto. en el que se puede medir el electrón. Un experimento en el lugar, de lo contrario la frase no tiene ningún sentido.
"Esta incertidumbre es la causa fundamental de las relaciones estadísticas en la mecánica cuántica, cuando se trata de algunas relaciones inciertas de yugos regulares, como la posición y el impulso, o la energía y el tiempo", dijo Heisenberg. ”
El principio de incertidumbre de Heisenberg se demostró mediante algunos experimentos. Imagine observar las coordenadas de un electrón con un microscopio de rayos gamma. Debido a que la resolución de un microscopio de rayos gamma está limitada por la longitud de onda λ, la más corta. A mayor longitud de onda λ de la luz, mayor es la resolución del microscopio, por lo que la incertidumbre al determinar las coordenadas del electrón es menor, por lo que △q ∝λ Por otro lado, cuando la luz incide sobre un electrón, se puede considerar como una colisión de fotones y electrones. Cuanto más corta es la longitud de onda λ, mayor es el momento del fotón, por lo que △p∝1/λ: “Por el momento. cuando se determina la posición, es decir, el momento en que el fotón es desviado por el electrón, el impulso del electrón cambia de forma discontinua. Por lo tanto, en un momento en que se conoce la posición del electrón, sólo podemos saber en qué medida su impulso corresponde a su cambio discontinuo. Entonces, cuanto más precisa sea la posición, menos preciso será el impulso y viceversa. ”
Heisenberg también determinó el momento magnético atómico analizando el experimento de Stern-Gelach, que demostró que cuanto más tiempo tarda el átomo en pasar por la deflexión, menor es la incertidumbre ΔE en la medición de energía. , Alemania Relación de Broglie λ = h/p, Heisenberg obtuvo △ e△ t < h, y concluyó: “La determinación precisa de la energía sólo puede obtenerse a partir de la correspondiente incertidumbre del tiempo. ”
Bohr apoyó el principio de incertidumbre de Heisenberg, pero Bohr no estaba de acuerdo con su método de razonamiento y creía que los conceptos básicos que utilizó para establecer la relación de incertidumbre eran problemáticos. La base de la relación indeterminada reside en la dualidad onda-partícula "Éste es el núcleo del problema. Heisenberg dijo: "Tenemos un método de razonamiento matemático consistente que le dice a la gente todo lo que observamos". No hay nada en la naturaleza que no pueda describirse mediante este método de razonamiento matemático. "Bohr dijo: "Una explicación física completa debería ser absolutamente superior al sistema matemático formal. ”
Bohr prestó más atención al pensamiento filosófico. En 1927, Bohr pronunció un discurso sobre el postulado cuántico y los nuevos desarrollos en la teoría atómica, y propuso el famoso principio de complementariedad. Siempre se piensa que se puede observar un objeto sin perturbarlo, pero esto es imposible desde la perspectiva de la teoría cuántica, porque cualquier observación de un sistema atómico implicará que el objeto observado cambie durante el proceso de observación, por lo que no puede haber un solo objeto. Las diferentes propiedades que se excluyen mutuamente en la teoría clásica se han convertido en aspectos complementarios en la teoría cuántica y son manifestaciones importantes del principio de incertidumbre. Las conclusiones de la mecánica cuántica también se pueden explicar aquí. p>Paradoja de los gemelos:
Einstein propuso la famosa teoría de la relatividad, y pronto algunos genios utilizaron gemelos. Aunque esta paradoja ha sido refutada durante mucho tiempo, todavía podemos vislumbrar el pensamiento contraintuitivo del genio. Se dice que si nacen gemelos en la Tierra, un niño se quedará en la Tierra y el otro viajará cerca de la velocidad de la luz. La nave espacial sale de la Tierra. Cuando los niños en la Tierra tienen veinte años, la nave espacial regresa. la misma velocidad Cuando los niños en la Tierra tienen cuarenta años, la nave espacial llega sana y salva. Si pensamos que el tiempo se ralentiza a medida que se acerca a la velocidad de la luz, entonces la mayoría de la gente pensaría que el niño sale de la Tierra a la velocidad de la luz. más joven Sin embargo, cuando la nave espacial sale de la Tierra a la velocidad de la luz, también podemos pensar que la nave espacial está estacionaria y la Tierra sale de la nave espacial a la velocidad de la luz. Así que ahora la mayoría de la gente debe pensar que la nave espacial se está alejando. desde la tierra a la velocidad de la luz. ¡El niño es más pequeño! Por supuesto, la respuesta es simple. Simplemente compare a los dos niños. No le diga a todos que los dos niños son igualmente pequeños...
El Demonio de Maxwell:
El Demonio de Maxwell es un mecanismo o "monstruo" imaginario que tiene la misma función de detectar y controlar el movimiento de moléculas individuales en física. Fue creado en 1871. El físico británico Maxwell lo concibió. para explicar la posibilidad de violar la segunda ley de la termodinámica.
En ese momento, Maxwell se dio cuenta de que existía en la naturaleza un mecanismo de control de la energía que se oponía al aumento de la entropía. Pero no pudo explicar el mecanismo. Sólo podía suponer con humor que un "demonio" podría distribuir partículas que hicieran movimientos térmicos aleatorios en ciertas células de acuerdo con un orden y reglas determinados. El demonio de Maxwell es el prototipo de estructuras disipativas.
A principios del siglo XIX, muchas personas estaban obsesionadas con la construcción de una máquina misteriosa: la primera máquina de movimiento perpetuo, porque la máquina imaginaria sólo necesitaba una fuerza inicial para funcionar y no se necesitaba ninguna fuerza adicional. necesaria para que funcione con energía o combustible, puede realizar el trabajo de forma automática y continua. Antes de que se propusiera la primera ley de la termodinámica, hubo una intensa discusión sobre la posibilidad de crear una máquina de movimiento perpetuo.
No fue hasta que se descubrió la primera ley de la termodinámica que se rompió el mito de la primera máquina de movimiento perpetuo.
La primera ley de la termodinámica es una expresión específica de la ley de conservación y transformación de la energía en termodinámica, que indica que el calor es una forma de movimiento material. Esto muestra que la energía (calor) transferida desde el exterior al sistema material es igual a la suma del aumento de la energía interna del sistema y el trabajo realizado por el sistema. Niega que la energía provenga de la nada, por lo que la primera máquina de movimiento perpetuo que puede realizar un trabajo sin energía ni combustible se convirtió en una fantasía.
La primera ley de la termodinámica se desarrolló a finales de 2018 y principios de 2019. Con la aplicación generalizada de las máquinas de vapor en la producción, la gente prestó cada vez más atención a la conversión de calor y trabajo. Así nació la termodinámica. En 1798, Thompson negó la existencia del calórico mediante experimentos. El médico y físico alemán Meyer propuso la idea de la conversión mutua de calor y movimiento mecánico en 1841-843. Esta fue la primera vez que se propuso la primera ley de la termodinámica. Joule diseñó experimentos para medir los equivalentes eléctricos y mecánicos del calor y determinó experimentalmente la primera ley de la termodinámica, complementando los argumentos de Meyer.
Después de la primera ley de la termodinámica, la gente comenzó a considerar la eficiencia de convertir la energía térmica en trabajo. En ese momento, alguien diseñó una máquina que podía extraer calor de una fuente de calor para realizar un trabajo de forma indefinida. A este se le llama el segundo tipo de máquina de movimiento perpetuo.
En 1824, el ingeniero militar francés Carnot concibió una máquina térmica ideal que no realizaba trabajo externo ni fricción. Al estudiar el ciclo simple de calor y trabajo (ciclo de Carnot) entre dos fuentes de calor de diferentes temperaturas en esta máquina térmica, se concluye que la máquina térmica debe realizar trabajo entre las dos fuentes de calor, y la eficiencia de la máquina térmica solo depende de la diferencia de temperatura con la fuente de calor. Incluso en condiciones ideales, la eficiencia de un motor térmico no puede llegar a 100. Es decir, el calor no se puede convertir completamente en trabajo.
En 1850, Clausius unificó las leyes de conservación y transformación de la energía y el principio de Carnot sobre la base de Carnot, señalando que es imposible que una máquina automática transfiera calor de un objeto de baja temperatura a uno de alta. -temperatura del objeto sin ningún cambio, esta es la segunda ley de la termodinámica. Pronto Kelvin propuso que era imposible obtener calor de una sola fuente y hacerlo completamente útil sin otros efectos o que era imposible obtener trabajo mecánico enfriando cualquier parte de la materia por debajo de la temperatura ambiente más baja mediante maquinaria inanimada; Ésta es la expresión Kelvin de la segunda ley de la termodinámica. Ostwald lo expresó así: El segundo tipo de máquina de movimiento perpetuo no puede construirse con éxito.
Al proponer la segunda ley, Clausius también propuso el concepto de entropía S=Q/T, y expresó la segunda ley de la termodinámica como: En un sistema aislado, el proceso real siempre es aumentar la entropía de todo el sistema. Pero después de eso, Clausius extendió erróneamente la ley del aumento de entropía de un sistema aislado a todo el universo, creyendo que en todo el universo el calor continúa cambiando de temperatura alta a temperatura baja hasta que en un momento determinado no hay diferencia de temperatura y el total La entropía del universo alcanza un valor máximo. En este momento, no habrá energía para transferir calor. Esta es la llamada "teoría de la muerte por calor".
Para refutar la "teoría de la muerte por calor", Maxwell imaginó un alma invisible (el demonio de Maxwell), que estaba en una caja cerca de una puerta. Permite que las partículas rápidas pasen a través de la puerta hacia un lado de la caja y las partículas lentas pasen a través de la puerta hacia el otro lado de la caja. De esta forma, al cabo de un tiempo, habrá una diferencia de temperatura entre los dos lados de la caja. El demonio de Maxwell es en realidad un prototipo de estructura disipativa.
En 1877, Boltzmann descubrió la relación entre la entropía macroscópica y la probabilidad termodinámica del sistema S=KlnQ, donde k es la constante de Boltzmann.
En 1906, Nernst propuso que △S/O = 0 cuando la temperatura está cerca del cero absoluto T→0, que es el "principio térmico de Nernst". Sobre la base de la investigación de Nernst, Planck señaló que los cristales perfectos de diversas sustancias tienen entropía cero (S 0 = 0) en el cero absoluto, que es la tercera ley de la termodinámica.
Las tres leyes de la termodinámica se denominan colectivamente las leyes básicas de la termodinámica. A partir de entonces, se completaron básicamente los fundamentos de la termodinámica.