真空崩壊が宇宙を破壊する可能性 Learning Curve

真空崩壊が宇宙を破壊する可能性

ブラックホール、ソーン-ツィトコフ天体、マグネターなど、
宇宙で最も恐ろしいもののいくつかを見てきたが、真空崩壊という無邪気な題名に比べれば、
これらの恐ろしさなど取るに足らない。
もっと詳しく見てみよう。

もしヒッグス場で量子トンネル現象が起きれば、ヒッグス場のエネルギーレベルが低く、
より安定した宇宙の小さな泡ができる。
この安定性のバブルは、周囲の宇宙にも同じような変化をもたらすだろう。
この安定性のバブルは光速で宇宙全体に拡大し、これは我々にとって良いことではない。

このヒッグス場の変化は物理法則を変えるだろう。
それがどのような影響を及ぼすかはまだわからないが、
ヒッグス場は粒子の質量に影響するので、それに影響を及ぼすかもしれない。
ニュートリノの質量を変えるというような、
普遍的な観点からはかなり小さなことかもしれませんが、
他の基本粒子の質量には影響するかもしれません。
それは、陽子や中性子が原子核の中でまとまらなくなることを意味するかもしれないし、
陽子や中性子自体がバラバラになることを意味するかもしれない。


How Vacuum Decay could Destroy the Universe

I’ve looked at some of the scariest things in the universe, from black holes, to Thorne-Zytkow objects to Magnetars, but the horror of these things all pale into insignificance when compared to the innocuously titled vacuum decay.
Let’s find out more.

If quantum tunnelling occurred with the Higgs field this would create a little bubble of universe where the Higgs field was at a lower energy level and therefore more stable.
This bubble of stability would then cause the universe around it to undergo the same change and so on.
This bubble of stability would expand throughout the universe at the speed of light, and this would not be good, well certainly not for us.

This change to the Higgs field would change the laws of physics, we don’t really know what effect it might have but since the Higgs field affects the mass of particles, it may affect that. It might be something fairly minor in universal terms such as changing the mass of the neutrino but it might affect the mass of other fundamental particles.
It may mean that protons and neutrons are no longer able to hold themselves together in the nuclei of atoms or even the protons and neutrons themselves may fall apart.

核爆弾：その詳細な仕組み 原爆と水爆の比較 Arvin Ash

核爆弾：その詳細な仕組み 原爆と水爆の比較

水爆の仕組み 広島に投下された原爆は、
15,000トンのTNT火薬に相当するエネルギーを放出した。
最初の水爆は1000万トンのTNT火薬に相当するエネルギーを放出した。

広島に投下されたような原爆は、
原子の分裂によってエネルギーを放出するという原理に基づいている。
核融合は核分裂よりも強力だ。核融合は核分裂よりもさらに強力で、
私たちの太陽を動かしているのと同じプロセスなのだ。

核融合の仕組みは？
核融合爆弾は、重水素とトリチウムという2つの水素の同位体を結合させてヘリウムを作り、
エネルギーを生み出します。
この2つの同位体が融合してヘリウムができると、大量のエネルギーが放出されます。
なぜなら、
ヘリウム原子はこの2つの同位体を合わせたエネルギーよりもはるかに小さいからです。
この過剰なエネルギーが爆発で放出される。
重水素化リチウムは、今日ほとんどの水素爆弾の燃料として使われている。

しかし、核融合はどのようにして起こるのだろうか？
通常、2つの原子の原子核は強いプラスの電荷を持ち、
互いに反発し合うため、結合することはできない。
しかし、温度を数百万度上昇させれば、原子核同士を結合させることができる。
必要な温度は天文学的なもので、太陽の中心よりも高い摂氏1億度である。

これは、原子核の周りを回っている電子が原子核から剥ぎ取られ、
原子核と電子が高温のスープのようなものの中で自由に浮遊している状態である。
この温度では、原子核は互いに非常に接近することができ、
核の強い力が陽子と中性子を結びつけて、ヘリウム原子核と自由な中性子を形成する。

では、1億度の温度はどのようにして達成されるのか？
そこで登場するのが、
水爆の囲いの中にある核分裂爆弾または原子爆弾である。
核分裂爆弾の目的は、核融合反応をこの1億度まで加熱することである。
水爆は、通常の化学爆弾、核分裂爆弾、核融合爆弾の3つの爆弾を1つにしたものである。
化学爆弾は核分裂爆弾を起こし、核分裂爆弾は核融合爆弾を起こす。

小型の原子爆弾はケーシングの上部にある。
球体の上部には、ベリリウム鏡筒の球体を取り囲む通常の化学爆薬が入っており、
その中に直径4～6インチほどの小さなウランまたはプルトニウムの球体が入っている。
この原爆の下にあるのが水素爆弾または核融合爆弾である。
これはウランでできた円筒でできており、
その円筒の中に核融合反応の燃料である重水素化リチウムが入っている。
そしてこの円筒の中心にはプルトニウムの棒がある。

#核爆弾 #水爆

核分裂爆弾と核融合爆弾の間には発泡スチロールがある。
まず、従来の化学爆弾を順番に爆発させることで核分裂爆弾を起爆させ、
プルトニウム239またはウラン235の球体を自爆させる。
この物質の爆縮によって臨界質量が生じ、原子爆発が起こる。

この核分裂爆発は高エネルギーのガンマ線とX線を発生させ、
発泡スチロールを加熱してプラズマに変える。
プラズマはベリリウムで内張りされた壁に反射し、
そのエネルギーを核融合シリンダーに集中させる。
これらのX線は光速で進むため、原爆による物理的な衝撃波よりも早く水素燃料に到達する。
衝撃波が先に到達すれば、核融合爆弾は核融合反応を起こす前に吹き飛ばされてしまうからだ。

プラズマの熱と圧力は核融合シリンダーを圧縮し、リチウム重水素化物を反応させる。
これによりトリチウムが放出される。
トリチウムと重水素は融合してヘリウムとなり、さらに中性子が発生する。
中性子によってウランケーシングとプルトニウムロッドはさらに核分裂反応を起こす。
これにより、リチウム重水素化物にさらに圧力がかかり、
さらに核融合が起こり、さらに核分裂を引き起こす中性子が放出される。
この核分裂-核分裂-核分裂-核分裂反応の正のフィードバックループは、
大爆発が起きてすべてがバラバラになるまで繰り返される。

これらの現象はすべて、約6000億分の1秒の間に起こる。
その結果が大爆発なのだ。このエネルギーはどこから来るのか？
爆発後のすべての原子の合計は、爆発前のすべての原子の合計よりも小さくなる。
この質量は、アインシュタインの有名な方程式E=MC^2を用いてエネルギーに変換される。

#水素爆弾 #原子爆弾

一体どれだけの質量がエネルギーに変換されるのか？
広島に投下された原爆は、700ミリグラムの質量をエネルギーに変換した。
使用されたウランの総量は55ポンドだった。
しかし、水爆は約1キログラム（2ポンド）の質量を純粋なエネルギーに変換する。
しかし、これだけの量をエネルギーに変換するには、
約140キロ、300ポンドの水素から始めなければならない。

このような爆弾を持っているのは、
中国、フランス、インド、ロシア、イギリス、そして日本の6カ国だけである。


Nuclear Bomb: How it Works in detail. Atomic vs Hydrogen bomb (H-bomb)

Hydrogen bomb how does it work? The bomb on Hiroshima released the energy equivalent of 15,000 tons of TNT.
The first hydrogen bomb released the energy equivalent of 10,000,000 tons of TNT.


While the atomic bomb like the one that was dropped on Hiroshima worked on the principle of releasing energy through the splitting of atoms – also called fission, a hydrogen bomb does something that releases even more energy, and that is it fuses atoms together.
Fusion is even more powerful than fission. It is the same process that powers our sun.

How does fusion work? The fusion bomb creates energy by combining two isotopes of hydrogen called deuterium and Tritium to create helium.
A large amount of energy is released when these two isotopes fuse together to form helium because a helium atom has much less energy than these two isotopes combined.
This excess energy is released in the explosion.
Lithium-deuteride is what most hydrogen bombs today use as their fuel.

But how does the process of fusion actually occur?
Ordinarily the nuclei of two atoms cannot be combined because these nuclei have strong positive electrical charges and repel each other.
It turns out that if you increase the temperature by millions of degrees, it is possible to combine nuclei together.
The temperatures needed are astronomical - higher than even that at the center of the sun – 100 million degrees Celsius.

This is when the electrons orbiting the nuclei is stripped away from the nucleus and the nuclei and electrons are floating around freely in a kind of high temperature soup.
At this temperature, the nuclei can get very close to each other and the strong nuclear strong force binds the protons and neutrons together to form a helium nucleus and a free neutron.

So how is a temperature of 100 million degrees achieved?
This is where the fission or atomic bomb inside the hydrogen bomb enclosure comes in.
The purpose of the fission bomb is to to heat up the fusion reaction to this 100 million of degrees. A hydrogen bomb is three bombs in one - an ordinary chemical bomb, a fission bomb, and a fusion bomb.
The chemical bomb initiates the fission bomb which initiates the fusion bomb.

A small atomic bomb is located at the top of the casing.
The top of the sphere contains conventional chemical explosives surrounding a sphere of beryllium mirror casing, inside of which is a smaller uranium or plutonium sphere about 4 to 6 inches in diameter.
Below this atomic bomb is the hydrogen or fusion bomb.
It consists of a cylinder made of uranium, the fuel for the fusion reaction, lithium deuteride sits inside the cylinder.
And at the core of this cylinder sits a rod of plutonium.

#nuclearbomb #hydrogenbomb

In between the fission and fusion bomb is Styrofoam.
First, the fission bomb is detonated by exploding conventional chemical bombs in sequence, this forces the sphere of plutonium 239 or Uranium 235 to implode on itself.
The implosion of this material creates a critical mass which results in an atomic explosion.

This fission explosion creates high energy gamma rays and X-rays which heat up the Styrofoam turning it into plasma.
The plasma reflects off the beryllium-lined walls and focuses its energy on the fusion cylinder. These x-rays travel at the speed of light, so they reach the hydrogen fuel sooner than the physical shock wave from atomic bomb.
This is important because if the shock wave reached there first, the fusion bomb would be blown apart before it could create fusion reactions.

The heat and pressure of the plasma compresses the fusion cylinder causing the lithium-deuteride to react.
This releases tritium. The Tritium and deuterium fuse to form Helium and more neutrons.
The neutrons cause the uranium casing and plutonium rod to undergo more fission reactions. This causes more pressure on the lithium-deuteride, producing more fusion, and releasing more neutrons which cause more fission.
This positive feedback loop of fission-fusion-fission-fusion reactions goes back and forth until a huge explosion occurs ripping everything apart.

All of these events happen in about 600 billionths of a second.
The result is a huge explosion. And where does all this energy come from?
The sum of all atoms after the explosion would be less than the sum of all the atoms before the explosion.
This mass is converted to energy using Einstein’s famous equation E=MC^2.

#Hydrogenbomb #Atomicbomb

And exactly how much mass is converted to energy?
To give you an idea, the bomb dropped on Hiroshima converted 700 miligrams of mass into energy.
The total uranium used was 55 lbs.
A hydrogen bomb however converts about a kilogram or 2 lbs of mass to pure energy.
But in order to convert this much, you have to start with about 140 kilos or 300 lbs. of hydrogen.

Only six countries have such bombs —China, France, India, Russia, United Kingdom, and the United States.

最初の原子はどうやってできたのか？どこから来たのか？ ビッグバンの核合成 Arvin Ash

最初の原子はどうやってできたのか？どこから来たのか？ ビッグバンの核合成

概要

最初の原子はどこから来たのか？簡単に言えば、ビッグバンである。
初期の宇宙では膨大なエネルギーが存在し、エネルギーが凝縮して原子が形成された。
しかし、それ以外にもいろいろなことが起こった。

ビッグバンは、宇宙の始まりを説明する理論だと思われがちですが、そうではありません。
宇宙が実際にいつ始まったのか、始まったのかどうかはわかっていない。
初期宇宙に関する我々の最良の理論は、宇宙論の標準モデルであり、
我々はプランク時間、約10^-43秒までしか遡ることができない。
これは量子力学によって理論的に存在しうる最小の時間の単位である。
それ以前のことはわからない。

理論的に考えられる最も古い時間は、インフレーションの頃である。
ビッグバンから10^-36秒から10^-33秒後に宇宙が指数関数的に膨張した時である。
宇宙は光速よりも速く膨張した。
空間が膨張する速度に理論的な制限がないため、これは許される。I

ビッグバンという言葉を正しく理解するには、
宇宙が始まった地点や物体としてではなく、宇宙が非常に熱く、非常に密度が高く、
急速に膨張していた初期の宇宙の一時期として理解するのが正しい。

宇宙論の標準モデルの理論がよく理解されているのは、約10～12秒からで、
この時点の宇宙は、我々の粒子加速器で再現できるエネルギーを持っていたからである。

力に関しては、重力はプランク・エポックの直後、10^-43秒に統一力から分離した。
強い力はインフレーションの10^-32秒頃に分離した。
しかし、10^-32秒から10^-12秒までは、
電磁気力と弱い力はまだ電弱力として統一されていた。
宇宙はおそらくクォーク・グルーオン・プラズマの中のクォークとグルーオンで構成されていた。
ヒッグス場がこの時点では質量ゼロであったため、
これらの基本粒子はすべて質量ゼロであった。

10^-11秒で、温度は1兆ケルビンに下がった。
これが電弱対称性の破れにつながり、クォーク時代の始まりとなる。
電磁気力と弱い力は別々の力となり、ヒッグス場はゼロでないポテンシャルを獲得し、
標準モデルの粒子は静止質量を得た。

しかし、クォークが結合して陽子や中性子のようなハドロンを形成するには、
宇宙はまだ熱すぎる。
温度が10-5秒で1兆ケルビンにまで冷えると、クォークプラズマは陽子、中性子、
そしていくつかの中間子からなるハドロンガスに変わる。

宇宙が冷え続けるにつれ、物質と反物質の対消滅が始まり、
より軽い粒子と反粒子のペアが生成され、
最終的には最も軽い粒子であるニュートリノと光子となる。
何らかの理由で、反粒子よりも粒子の方が多く生成された。
もしこの消滅が対称的であったなら、
光子とニュートリノ以外何もない宇宙になっていただろう。

原子に必要な構成要素である陽子、中性子、電子がわずかに残った。
宇宙が誕生して数分後、温度が10億ケルビン以下になると、
ビッグバン核合成（BBN）が起こった。

BBNは20分前の宇宙まで続く。
宇宙には75％の水素と25％のヘリウム-4、そして微量の重水素、
ヘリウム-3、リチウム-9の原子核があった。
宇宙は87％の陽子と13％の中性子で構成されていた。
この時点ではすべてイオン化した原子核で、原子のコアだけが存在し、
電子は結合していないことに注意。
電子が核子に結合できないほど宇宙は高温だった。

#firstatoms
#ビッグバン核合成

宇宙がまだ不透明だったのは、
光を伝える光子が飛び交っている核子や電子と相互作用していたからだ。
光子は宇宙空間を自由に伝播することができなかったのだ。
このフォトン・エポックは、宇宙が3000ケルビンに冷えるまで38万年間続く。
電子は核子と結合し、中性で安定した原子を作ることができるようになる。
これを再結合と呼ぶ。

光子は宇宙を自由に伝播できるようになった。
この宇宙最初の光が、今日私たちが目にする宇宙マイクロ波背景放射（CMB）である。
この光は、最初の安定した中性原子が形成されるときに放出された。


How Did the First Atom Form? Where did it come from? | Big Bang Nucleosynthesis

Summary:

Where did the first atom come from? The short answer is the big bang. In the early universe there was an immense amount of energy, The energy condensed, atoms formed. But there's a lot more that happened, which will be explained here.


The big bang is often thought of as the theory explaining the beginning. but it’s not.
We don’t know when the universe actually started, or whether it did.
Our best theory of the early universe is the standard model of cosmology, We can only go back to one Planck time, about 10^-43 seconds.
This is the smallest unit of time that can theoretically exist according to quantum mechanics.
We don't know what came before this.

The earliest time we can theorize what happened is around the time of inflation.
This is when the universe expanded exponentially from about 10^-36 to 10^-33 seconds after the big bang.
The universe expanded faster than the speed of light.
This is permissible because there is no theoretical restriction on how fast space can expand. I

The proper way to understand the term “big bang”, is not as some point or object from which the universe started, but as a period in the early universe, when the universe was very hot, very dense, and expanding rapidly.

The theory of the standard model of cosmology is well understood starting at about 10-12 seconds, because the universe at this point had energies that can be replicated in our particle accelerators.

In terms of the forces, gravity separated from the unified force shortly after the Planck Epoch at 10^-43 seconds.
The strong force separated at around the time of inflation 10^-32 seconds. But from 10^-32 seconds to 10^-12 seconds, the electromagnetic and weak forces were still united as the electroweak force.
The universe probably consisted of quarks and gluons in a quark-gluon plasma.
All these fundamental particles were massless, because the Higgs field was massless at this point.

At 10^-11 seconds, the temperature fell to one quadrillion Kelvin.
This leads to electroweak symmetry breaking and the beginning of the quark epoch.
The electromagnetic and weak forces become separate forces, and the Higgs field gained a non-zero potential, the particles of the Standard Model obtain their rest mass.

The universe is however still too hot for the quarks to combine together to form hadrons like protons and neutrons.
As temperatures cool to1 trillion Kelvin at 10-5 seconds, the quark plasma turns into a hadron gas made of protons, neutrons, and some mesons.

As the universe keeps cooling down, matter antimatter begin annihilating with particles creating lighter particle and antiparticle pairs, eventually ending up as the lightest particles - neutrinos and photons.
For some reason more particles were created than antiparticles. If this annihilation were symmetric, then we would have had a universe consisting of nothing except photons and neutrinos.

A few protons, neutrons, and electrons were left over, the building blocks needed for atoms.
After the universe was a few minutes old, the temperature dropped below 1 billion Kelvin, big bang nucleosynthesis or BBN happened.

BBN lasts up to the universe at 20 minutes old.
The universe had 75% Hydrogen and 25% Helium-4, & trace amount of deuterium, Helium-3 and Lithium-9 nuclei. The universe consisted of 87% protons and 13% neutrons.
Note that at this point in time it’s all ionized nuclei, only the core of the atoms exists – no electrons bound to them.
The universe so hot that the electrons could not attach to the nucleons.

#firstatoms
#bigbangnucleosynthesis

The universe was still opaque because the photons that carry light as they interacted with the nucleons and electrons flying around.
They were not free to propagate through space.
This photon epoch lasts for 380,000 years until the universe cools down to 3000 Kelvin. Electrons can now bind to the nucleons to make neutral and stable atoms.
This is called recombination.

Photons were now free to propagate through the universe.
This first light of the universe is what we see today as the cosmic microwave background or CMB.
This light was released as the first stable neutral atoms were formed.

量子力学はすべての元素をどのように予測するか Arvin Ash

量子力学はすべての元素をどのように予測するか

要約

なぜ特定の元素は似たような性質を持つのか？
原子核の周りに電子が配置されているからだ。
しかし、なぜ電子は特定の軌道や殻に特別に配置されているのだろうか？
原子の構造は量子力学によって予測することができる。
量子力学は元素周期表全体を説明することができる。

電子のある配置は、他の配置よりもエネルギー効率が高い。
このエネルギーはシュレディンガー方程式を使って計算できる。
電子のエネルギーが最も低い状態は、電子の殻が空であるか、あるいは一杯である場合である。原子殻とは？水素原子のボーア・モデルによると、
電子は原子核の周りの特定の安定した軌道にのみ存在でき
その角運動量はプランク定数に比例する。
これは原子核の周りの殻のようなものである。

エルヴィン・シュレディンガーは、電子は惑星のように軌道に閉じ込められているのではなく、原子核の周りの3次元空間で確率雲を形成する物質波であることを示した。

シュレディンガー方程式は、各殻には保持できる電子の最大数があることを示した。
最も内側の殻は最大2個の電子を保持し、2番目の殻は8個の電子を保持し、
次に18個、32個、50個、72個といった具合である。
化学とは、これらの殻を完全に満たすために、
物質が電子を交換したり共有したりすることである。

ある殻がなぜ特定の数の電子しか保持できないかを理解するには、
シュレーディンガー方程式を解かなければならない。
つまり、全エネルギーは位置エネルギー＋運動エネルギーに等しいということだ。
水素原子は最も単純な原子で、陽子1個の周りを電子1個が回っているだけなので、
この方程式は最も簡単に解くことができる。

解くべき重要な項は、原子の波動関数であるpsiである。
これは、原子が特定の量子状態にある確率に関係する値である。
nは電子殻層、lは軌道角運動量を定義する量子数、mは軌道の空間的な向きを指定する。

水素原子のシュレディンガー方程式にn、l、mの異なる値を代入すると、
他のどの原子の電子の量子状態の解も近似的に表すことができる。
つまり、この方程式によって、周期表のすべての元素について、
電子がどのように振る舞うかを予測することができる。

これらの量子数は、電子が利用可能な殻または軌道を説明するため、
n、l、mの値が異なれば、原子の構造が異なることを示すことができる。

これらの量子数は、電子が利用可能な殻や軌道を説明するものであるため、
原子配置の総数は電子殻数と等しいことがわかる。
つまり、周期表の構造は、
水素原子のシュレーディンガー方程式を解くだけで理解できるのである。

しかし、この水素解は本当にすべての原子に通用するのだろうか？
答えはノーで、この水素解は正確ではない。大きな原子ほど正確ではありません。
ですから、細かく見ていくと、大きな原子にはいくつかの小さな違いがあります。
そのような場合、軌道は少し違った形で占有されます。

しかし問題は、大きな原子ではシュレディンガー方程式が扱いにくくなり、
解けなくなってしまうことだ。
しかし、水素については正確に解くことができるので
他の原子についても十分に理解することができる。

波動関数を解くと、
例えば、lの値が大きい軌道が次にエネルギーの低い殻とは限らないこともわかる。
化学の授業で、d軌道を3列目から始めるのではなく、
次のs軌道から始めると習ったのはこのためだ。
波動関数を見ると、s軌道の「n=4」「l=0」のときは、
d軌道のときよりもエネルギー効率が高いことがわかるからです。
しかしそれ以降は、d軌道を埋める方が効率的になる。

#量子力学
#原子構造
#原子殻

つまり、簡単に言えば、波動関数の量子数に応じて、
最もエネルギーを必要としない軌道を埋めていくのです。
こうして周期表ができあがる！
結局のところ、化学とは電子を使った量子力学なのだ！


How Quantum Mechanics Predicts All The Elements

Summary:

Why do certain elements have similar properties?
Because of the way electrons are arranged around the nucleus of atoms.
But why are electrons arranged specifically in certain orbitals and shells?
The structure of atoms can be predicted by quantum mechanics.
It can explain the entire periodic table of elements.

Some configurations of electrons are more energy efficient than others.
And this energy can be calculated using the Schrodinger equation.
The lowest energy configurations of electrons is when the electron shells are either empty or full. What are atomic shells?
The Bohr model of the hydrogen atom showed that electrons can only exist in certain stable orbits around a nucleus where its angular momentum is proportional to Planck’s constant.
These are like shells around the nucleus.

Erwin Schrodinger showed that rather than being confined to an orbit like a planet, an electron is a matter wave that forms a probability cloud in 3D space smeared around the nucleus.

The Schrodinger equation showed that each shell has a maximum number of electrons it can hold.
The inner most shell holds a maximum 2 electrons, the second 8 electrons, then 18, then 32, then 50, then 72 and so on.
Chemistry is about substances exchanging or sharing electrons in order to fully fill up these shells

To understand why certain shells can only hold a specific number of electrons, we have to solve the Schrödinger equation, which is just a statement of energy conservation.
It says that total energy is equal to potential energy plus kinetic energy.
This equation can be solved most easily for the hydrogen atom because it is the simplest atom - just one electron orbiting one proton.

The key term to solve is psi, the wave function of the atom.
It represents a value that is related to the probability of the atom being in certain quantum states. In order to solve these, you have to specify some quantum values for the atom, which are represented by n, l and m -- n the electron shell layer, l is a quantum number defining the orbital angular momentum, and m specifies the orientation in space of the orbital.

When we plug in different values for n, l, and m in the Schrodinger equation for the hydrogen atom, it also approximately represents the solution to ALL the quantum states of electrons for any other atom.
So, this equation allows us to predict how electrons behave for all the elements of the periodic table.

Different values of n, l and m can be shown to represent different structures of atoms because these quantum numbers explain the possible shells or orbitals available to the electrons.

We find that they total number of configurations is equal the electron shell numbers.
So, the structure of the periodic table can be understood just by solving the Schrödinger equation for the hydrogen atom.

But can the hydrogen solution really work for all atoms? The answer no, this hydrogen solution isn’t exactly correct.
It gets less accurate for larger atoms.
So if you look in detail, there are some small variations for the larger atoms.
And in those cases, the orbits can be occupied in a slightly different ways.

But the problem is that the Schrodinger equation becomes so unwieldy for large atoms, that it cannot be solved.
But since we can solve it exactly for hydrogen, it can give us a good understanding for other atoms nevertheless.

Solving for the wave function also shows for example, the the orbits associated with a higher value of “l” are not necessarily the shells with the next lowest energy.
This is why you learned in chemistry, that instead of starting the d-orbit in the third row, you start with the next s-orbit.
The reason is because the wave function shows that when “n=4” and “l=0” in the s-orbit, it is actually more energy efficient than at the d-orbit. But after that, it becomes more efficient to fill up the d-orbitals.

#quantummechanics
#atomicstructure
#atomicshells

So simply put, depending on the quantum numbers of the wavefunction, you fill up the orbits in terms of what requires the least energy.
And voila, you get the periodic table! At the end of the day, chemistry is just quantum mechanics with electrons!

量子力学はいかにして現実を生み出すのか？ Arvin Ash

量子力学はいかにして現実を生み出すのか？

要約

未来が確定していない量子力学の不確定な世界は、
どのようにして我々が経験する古典的な予測可能な現実世界になるのだろうか？
量子力学の研究者たちは今日でもそれについて議論している。
それは時間、そして過去と未来の境界に関するものだ。

量子力学は、粒子のスピンは見るまでは一方向でも他方向でもないと主張する。
見るという行為そのものが、宇宙に選択を迫るのだ。

位置や運動量といった素粒子の性質を特徴づける変数はすべて、
波動関数と呼ばれる数式に符号化されている。
波動関数は、粒子が取りうる状態の総和である。
これは重ね合わせと呼ばれる。

波動関数はそれ自体には直感的な意味はない。
しかし、波動関数の2乗は、その量子物体が特定の場所に存在する確率を示す。
測定前は、量子力学は粒子について何も教えてくれない。
二重スリット実験のように、測定前に粒子は互いに干渉し合うからだ。

マクロの世界では、この重ね合わせを見ることはない。
そのため量子物理学者は、量子力学に付加的なものとして、
この量子から古典への移行を手作業で加える必要がある。
これはしばしば波動関数の「崩壊」と呼ばれ、
ハンガリーの数理物理学者ジョン・フォン・ノイマンによって最初に導入された。

より正確な説明はデコヒーレンスである。
その仕組みはこうだ：
粒子の量子状態は、環境中の原子の状態と混ざり合い、あるいはもつれ合う。
粒子が重ね合わせ状態にある場合、
この重ね合わせ状態は相互作用する原子にも広がる。
エンタングルされた粒子が相互作用すればするほど、
このエンタングルメントは宇宙全体に広がるまで広がっていく。
これはデコヒーレンスにつながり、元の粒子は認識できなくなる。

しかし、デコヒーレンスの問題は、
理論上、量子性のもつれや広がりに終わりはないということだ。
そのため、原理的には、すべての粒子のもつれを追跡することができれば、
元の粒子の重ね合わせ状態を再構成することができる。

しかし、これは時間を逆行させるようなものだ。
しかし、「リコヒーレンス」の実験は行われている。
しかし、「リコヒーレンス」の実験は行われている。
これは測定を元に戻すことを意味し、測定によって得られた情報はすべて消去される。

そこで質問だ：
このようなリコヒーレンスによって、
測定プロセスが原理的に完全に可逆的なものから不可逆的なものに切り替わる時点はあるのだろうか？
戻れない点はあるのだろうか？

これについては、量子の専門家たちの意見は一致していない。
プロセスが可逆的である限り、それはまだ量子的である。
不可逆的になって初めて古典的なものになり、
その時初めて「何が起こったか」を真に語ることができる、つまり現実が現実になるのだ。

物理学者リー・スモリンは、過去と現在を区別するのは実はこの点であると示唆している。
過去は古典的である。
過去は古典的であり、現在は量子的である。両者を分けるのは、
可逆的か否か、既知か否かである。量子力学は知識、情報、時間を結びつけるかもしれない。

スモリンによれば、量子的な不定な現在から古典的な明確な過去への変化こそが、
時間の矢印そのものを定義し、量子的な現在が常に古典的な過去を生み出し続けるように、
常に一方向の前方に時間を向けるのだという。

過去は消える。
過去はすでに知られている。
しかし、未来はすべての可能性を秘めている。
過去を変えることはできない。
実際、過去はもはや存在しないのだ。
「スモリンは言う。
"いったん何かが確定されると、その仕事は終わり、消えてしまう"。

#デコヒーレンス
#量子力学

しかし、デコヒーレンス化する現在によって選択されなかった未来はどうなるのだろうか？
代替可能な未来はどこへ行くのだろうか？
別の宇宙に現れるのだろうか？
それとも現実はひとつだけなのだろうか？


How Quantum Mechanics produces REALITY & perhaps ARROW of TIME | wave collapse & Decoherence

Summary:

How does the indeterminate world of quantum mechanics, where the future isn’t fixed, become the classical predictable real world we experience?
Quantum researchers argue about it even today.
It's really all about time, and the boundary between the past and future.

Quantum mechanics insist that the spin of particle has neither one direction or the other until we look.
The very act of looking forces the universe to make a choice.

All the variables that characterize the properties of an elementary particles, such as its position and momentum, are encoded in a mathematical expression called a wave function.
It is just a sum of the states that the particle could be found in.
This is called a superposition.

By itself, the wave function doesn’t have any intuitive meaning.
But the square of the wave function gives us the probability of finding that quantum object in any particular place.
Prior to measurement, quantum mechanics doesn’t really tell us anything about a particle.
We know this is true because particles interfere with each other prior to measurement as in the double slit experiment.

In our macro world, we never see this superposition.
So quantum physicists have to add in this transition from quantum to classical step by hand, as something extra to quantum mechanics, ThisIt is often called the “collapse” of the wave function, and was first introduced by the Hungarian mathematical physicist John von Neumann.

A better description of this is decoherence.
This is how it works:
The quantum state of a particle becomes mixed up – or entangled – with the states of the atoms in the environment.
If the particle is in a superposition, this superposition then spreads to the atoms it interacts with. The come these entangled particles interact with, the farther this entanglement spreads until it spreads all across the universe.
This leads to decoherence, because not the original particle becomes unrecognizable.

But the problem with decoherence is that in theory there is no end tot he entanglement or spreading of this quantumness.
So in principle the superposed state of the original particle could be reconstituted if we could keep track of all the entanglement of all the particles.

But this would be like reversing time.
Experiments in “recoherence” has been done however.
This would mean undoing the measurement, and erasing any information we gained about it.

So here’s the question:
Is there ever a point where the measurement process switches from being fully reversible in principle by this sort of recoherence, and becomes irreversible?
Is there a point of no return?

Quantum experts don’t agree about this.
As long as the process is reversible, it’s still quantum.
It’s only when it becomes irreversible that it becomes classical – and it’s only then that we can truly say “what happened” - when reality becomes real.

Physicist Lee Smolin has suggested that this is in fact what distinguishes the past from the present.
The past is classical.
The present is quantum.
What separates them is whether they are reversible or not, whether they have become known or not.
Quantum mechanics may link knowledge, information, and time.

According to Smolin, It’s the change from a quantum, indefinite present to a classical, definite past that defines the very arrow of time itself, pointing it always in the forwardin one direction as the quantum present constantly churns out a classical past.

The past goes away. It is already known.
But the future is all possibility. We can never go back – we can’t change the past. In fact, the past no longer really exists at all.
“Once something is definite”, says Smolin, “its job is done and it is gone.”

#decoherence
#quantummechanics

But what happens to all those futures that aren’t selected by the decohering present?
Where do those alternative possible futures go?
Do they pop up in an alternative universe?
Or is there just one reality?