क्वांटम यांत्रिकी
Quantum
mechanics
क्वांटम
यांत्रिकी भौतिकी में एक मौलिक सिद्धांत है जो परमाणुओं और उप-परमाणु कणों के
पैमाने पर प्रकृति के भौतिक गुणों का विवरण प्रदान करता है। यह क्वांटम रसायन
विज्ञान, क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत, क्वांटम
प्रौद्योगिकी और क्वांटम सूचना विज्ञान सहित सभी क्वांटम भौतिकी की नींव है।
शास्त्रीय
भौतिकी, भौतिकी का वर्णन जो सापेक्षता और क्वांटम यांत्रिकी के सिद्धांत से
पहले अस्तित्व में था, प्रकृति के कई
पहलुओं का एक साधारण (स्थूल) पैमाने पर वर्णन करता है, जबकि क्वांटम यांत्रिकी छोटे (परमाणु और उप-परमाणु) तराजू पर प्रकृति
के पहलुओं की व्याख्या करता है, जिसके लिए
शास्त्रीय यांत्रिकी अपर्याप्त है। शास्त्रीय भौतिकी में अधिकांश सिद्धांतों को क्वांटम
यांत्रिकी से बड़े (स्थूल) पैमाने पर अनुमानित सन्निकटन के रूप में प्राप्त किया
जा सकता है।
क्वांटम
यांत्रिकी उस ऊर्जा, गति, कोणीय गति में शास्त्रीय भौतिकी से भिन्न होती है, और एक बाध्य प्रणाली की अन्य मात्राएं असतत मूल्यों (मात्रा का ठहराव)
तक सीमित होती हैं, वस्तुओं में
कणों और तरंगों (तरंग-कण द्वंद्व) की विशेषताएं होती हैं, और सीमाएं होती हैं प्रारंभिक मात्रा (अनिश्चितता सिद्धांत) का एक
पूरा सेट दिया गया है, इसके मापन से
पहले भौतिक मात्रा के मूल्य का सही अनुमान कैसे लगाया जा सकता है।
क्वांटम
यांत्रिकी धीरे-धीरे उत्पन्न हुई, उन टिप्पणियों
को समझाने के लिए, जिन्हें
शास्त्रीय भौतिकी के साथ सामंजस्य नहीं बनाया जा सकता था, जैसे कि 1900 में मैक्स-प्लैंक का ब्लैक-बॉडी रेडिएशन की समस्या का
समाधान, और अल्बर्ट आइंस्टीन के 1905 के पेपर में ऊर्जा और आवृत्ति के बीच
पत्राचार, जिसने फोटोइलेक्ट्रिक की व्याख्या की प्रभाव। सूक्ष्म घटनाओं को समझने
के इन शुरुआती प्रयासों को, जिसे अब
"पुराने क्वांटम सिद्धांत" के रूप में जाना जाता है, ने 1920 के दशक के मध्य में नील्स बोह्र, एरविन श्रोडिंगर, वर्नर
हाइजेनबर्ग, मैक्स बोर्न और अन्य द्वारा क्वांटम यांत्रिकी
का पूर्ण विकास किया। आधुनिक सिद्धांत को विभिन्न विशेष रूप से विकसित गणितीय
औपचारिकताओं में तैयार किया गया है। उनमें से एक में, एक गणितीय फ़ंक्शन, तरंग फ़ंक्शन, एक कण के ऊर्जा, गति और अन्य
भौतिक गुणों की संभावना आयाम के बारे में जानकारी प्रदान करता है।
इतिहास
क्वांटम
यांत्रिकी को 20 वीं शताब्दी के शुरुआती दशकों में विकसित किया गया था, जो कि घटनाओं को समझाने की आवश्यकता से प्रेरित था, कुछ मामलों में, पहले के समय
में देखा गया था। प्रकाश की तरंग प्रकृति में वैज्ञानिक जांच 17 वीं और 18 वीं
शताब्दी में शुरू हुई, जब रॉबर्ट हुक, क्रिस्टियान हुयेंस और लियोनहार्ड यूलर जैसे वैज्ञानिकों ने
प्रयोगात्मक टिप्पणियों के आधार पर प्रकाश की एक लहर सिद्धांत का प्रस्ताव रखा।
1803 में अंग्रेजी पॉलीमैथ थॉमस यंग ने प्रसिद्ध डबल-स्लिट प्रयोग का वर्णन किया।
इस प्रयोग ने प्रकाश के तरंग सिद्धांत की सामान्य स्वीकृति में एक प्रमुख भूमिका
निभाई।
1838 में माइकल
फैराडे ने कैथोड किरणों की खोज की। इन अध्ययनों के बाद 1859 में गुस्ताव किरचॉफ
द्वारा ब्लैक-बॉडी रेडिएशन की समस्या, लुडविग
बोल्ट्जमैन द्वारा 1877 का सुझाव दिया गया था कि एक भौतिक प्रणाली की ऊर्जा स्थिति
असतत हो सकती है, और मैक्स
प्लैंक की 1900 क्वांटम परिकल्पना। प्लैंक की परिकल्पना है कि ऊर्जा विकीर्ण होती
है और असतत "क्वांटा" (या ऊर्जा पैकेट) में अवशोषित होती है, जो ब्लैक-बॉडी रेडिएशन के देखे गए प्रतिरूपों से बिल्कुल मेल खाती है।
क्वांटम शब्द लैटिन से निकला है, जिसका अर्थ है
"कितना महान" या "कितना"। प्लैंक के अनुसार, ऊर्जा की मात्रा को "तत्वों" में विभाजित किया जा सकता है, जिसका आकार (E) उनकी आवृत्ति (ν) के समानुपाती
होगा:
{मेरा प्रदर्शन काल E = h \ nu \} E = h \ nu \,
जहां ज प्लैंक
स्थिर है। प्लैंक ने सावधानीपूर्वक कहा कि यह केवल विकिरण के अवशोषण और उत्सर्जन
की प्रक्रियाओं का एक पहलू था और यह विकिरण की भौतिक वास्तविकता नहीं थी। वास्तव
में, उन्होंने अपनी क्वांटम परिकल्पना को एक खोज योग्य खोज के बजाय सही उत्तर
प्राप्त करने के लिए एक गणितीय चाल माना। हालांकि, 1905 में
अल्बर्ट आइंस्टीन ने प्लैंक की क्वांटम परिकल्पना की वास्तविक रूप से व्याख्या की
और इसका उपयोग फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव को समझाने के लिए किया, जिसमें कुछ सामग्रियों पर प्रकाश की चमक सामग्री से इलेक्ट्रॉनों को
बाहर निकाल सकती है। नील्स बोहर ने तब हाइड्रोजन परमाणु के एक मॉडल में विकिरण के
बारे में प्लैंक के विचारों को विकसित किया जिसने हाइड्रोजन की वर्णक्रमीय रेखाओं
का सफलतापूर्वक अनुमान लगाया था। आइंस्टीन ने इस विचार को और विकसित किया कि यह
दिखाने के लिए कि प्रकाश जैसी एक विद्युत चुम्बकीय तरंग को एक कण (जिसे बाद में
फोटॉन कहा जाता है) के रूप में वर्णित किया जा सकता है, ऊर्जा की असतत मात्रा के साथ जो इसकी आवृत्ति पर निर्भर करती है। अपने
पेपर "क्वांटम थ्योरी ऑफ़ रेडिएशन" पर, आइंस्टीन ने
परमाणुओं द्वारा ऊर्जा के अवशोषण और उत्सर्जन की व्याख्या करने के लिए ऊर्जा और
पदार्थ के बीच बातचीत पर विस्तार किया। यद्यपि उस समय सापेक्षता के अपने सामान्य
सिद्धांत के अनुसार, इस पत्र ने
विकिरण के उत्तेजित उत्सर्जन को अंतर्निहित तंत्र को स्पष्ट किया, जो कि लेजर का आधार बन गया।
इस चरण को
पुराने क्वांटम सिद्धांत के रूप में जाना जाता है। कभी भी पूर्ण या आत्मनिर्भर
नहीं, पुराने क्वांटम सिद्धांत बल्कि शास्त्रीय यांत्रिकी के हेयुरिस्टिक
सुधार का एक सेट था। सिद्धांत अब आधुनिक क्वांटम यांत्रिकी के लिए एक
अर्ध-शास्त्रीय सन्निकटन के रूप में समझा जाता है। इस अवधि के उल्लेखनीय परिणामों
में शामिल हैं, प्लैंक, आइंस्टीन और
बोहर के काम के अलावा, ऊपर उल्लेखित, आइंस्टीन और डेबी के ठोस की विशिष्ट गर्मी पर काम करते हैं, बोह्र और वैन लीउवेन के प्रमाण: शास्त्रीय भौतिकी में अतिसूक्ष्मवाद
का जवाब नहीं दिया जा सकता है, और अर्नोल्ड
सोमरफील्ड का विस्तार Boat मॉडल में
सापेक्ष प्रभाव शामिल करने के लिए।
1920 के दशक के
मध्य में क्वांटम यांत्रिकी को परमाणु भौतिकी के लिए मानक सूत्रीकरण के रूप में
विकसित किया गया था। 1925 की गर्मियों में, बोह्र और
हाइजेनबर्ग ने पुराने क्वांटम सिद्धांत को बंद करने वाले परिणामों को प्रकाशित
किया। हाइजेनबर्ग, मैक्स बोर्न और
पास्कल जॉर्डन ने मैट्रिक्स मैकेनिक्स का नेतृत्व किया। अगले वर्ष, इरविन श्रोडिंगर ने इलेक्ट्रॉनों जैसे कणों के तरंग कार्यों के लिए एक
आंशिक अंतर समीकरण का सुझाव दिया। और जब प्रभावी रूप से एक परिमित क्षेत्र तक
सीमित कर दिया जाता है, तो इस समीकरण
ने केवल कुछ मोडों की अनुमति दी है, जो क्वांटम
राज्यों को असतत करने की अनुमति देता है - जिनके गुण मैट्रिक्स मैकेनिक्स द्वारा
निहित समान हैं। इस प्रकार, क्वांटम भौतिकी
का पूरा क्षेत्र उभरा, जिसके कारण
1927 में पांचवें सोल्वे सम्मेलन में इसकी व्यापक स्वीकृति हुई।
1930 तक क्वांटम
मैकेनिक्स को डेविड हिल्बर्ट, पॉल डिराक और
जॉन वॉन न्यूमैन द्वारा माप पर अधिक जोर देने के साथ, वास्तविकता के हमारे ज्ञान के सांख्यिकीय स्वरूप और 'पर्यवेक्षक' के बारे में
दार्शनिक अटकलों द्वारा और अधिक एकीकृत और औपचारिक किया गया था। इसने कई विषयों को
अनुमति दी है, जिसमें क्वांटम रसायन विज्ञान, क्वांटम इलेक्ट्रॉनिक्स, क्वांटम
ऑप्टिक्स और क्वांटम सूचना विज्ञान शामिल हैं। यह तत्वों की आधुनिक आवर्त सारणी की
कई विशेषताओं के लिए एक उपयोगी ढांचा प्रदान करता है, और रासायनिक संबंध और कंप्यूटर अर्धचालकों में इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह
के दौरान परमाणुओं के व्यवहार का वर्णन करता है, और इसलिए कई
आधुनिक प्रौद्योगिकियों में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। जबकि क्वांटम
यांत्रिकी का निर्माण बहुत छोटे की दुनिया का वर्णन करने के लिए किया गया था, लेकिन सुपरकंडक्टर्स और सुपरफ्लुइड्स जैसे कुछ मैक्रोस्कोपिक घटनाओं
को समझाने के लिए भी इसकी आवश्यकता है।
इसके सट्टा
आधुनिक विकास में स्ट्रिंग सिद्धांत और गुरुत्वाकर्षण के क्वांटम सिद्धांत के
निर्माण के अन्य प्रयास शामिल हैं।
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