Forside Kvantefysik
Tema
Kvantefysik
Kvantefysik beskriver naturen på de mindste skalaer, hvor partikler opfører sig som bølger og tilfældighed er indbygget. En introduktion til historien, nøglebegreberne og forbindelsen til kosmologien.
Fysikken i det helt små
Kvantefysik – eller kvantemekanik – er teorien for, hvordan atomer, elektroner, lys og andre elementarpartikler opfører sig. Den er en af de mest præcist testede teorier i videnskabens historie og ligger bag transistorer, lasere, LED-lys, MR-scannere og atomure. Alligevel strider den mod næsten alt, hvad vores hverdagserfaring siger om verden.
Kort historie
| År | Hvad skete der |
|---|---|
| 1900 | Max Planck foreslår, at energi udsendes i små portioner – kvanter |
| 1905 | Albert Einstein forklarer den fotoelektriske effekt med lyskvanter (fotoner) |
| 1913 | Niels Bohr præsenterer sin atommodel med faste elektronbaner |
| 1924 | Louis de Broglie foreslår, at også partikler har bølgeegenskaber |
| 1925–26 | Werner Heisenberg og Erwin Schrödinger formulerer den moderne kvantemekanik |
| 1927 | Heisenbergs ubestemthedsrelation; Bohr formulerer komplementaritetsprincippet |
| 1935 | Einstein, Podolsky og Rosen udfordrer teorien med sammenfiltring |
| 1964 | John Bell viser, hvordan man kan teste, om naturen er "lokalt realistisk" |
| 1970'erne–80'erne | Eksperimenter (bl.a. John Clauser og Alain Aspect) bekræfter kvantemekanikkens forudsigelser |
| 2022 | Aspect, Clauser og Anton Zeilinger får Nobelprisen for eksperimenter med sammenfiltrede fotoner |
Mange af de afgørende diskussioner foregik i København, hvor Niels Bohrs institut var et samlingspunkt for unge fysikere. Læs mere på siden om danske bidrag.
Fem nøglebegreber
Kvantisering
Mange størrelser kan kun antage bestemte værdier. En elektron i et atom kan fx kun have bestemte energier – ligesom man kun kan stå på trinene på en trappe, ikke imellem dem. Når elektronen springer mellem niveauerne, udsendes eller optages lys med en helt bestemt farve. Derfor har hvert grundstof sit eget "fingeraftryk" i lyset, og det er sådan astronomer kan se, hvad fjerne stjerner består af.
Bølge–partikel-dualitet
Lys og stof opfører sig nogle gange som partikler og andre gange som bølger. I det berømte dobbeltspalteforsøg danner selv enkelte elektroner, sendt én ad gangen, et interferensmønster – som om hver elektron går gennem begge spalter.
Superposition
Et kvantesystem kan være i en blanding af flere tilstande på én gang, indtil det måles. Det er grundlaget for kvantecomputere, hvor en qubit kan være 0 og 1 samtidig.
Ubestemthed
Heisenbergs ubestemthedsrelation siger, at visse par af størrelser – fx position og impuls – ikke begge kan kendes med vilkårlig præcision. Det er ikke et måleproblem, men en grundlæggende egenskab ved naturen.
Sammenfiltring
To partikler kan være forbundet, så målinger på dem hænger sammen, uanset hvor langt fra hinanden de er. Einstein kaldte det "spøgelsesagtig fjernvirkning". Sammenfiltring kan ikke bruges til at sende signaler hurtigere end lyset, men den bruges i kvantekryptering og kvantecomputere.
Hvad betyder det hele? Fortolkningerne
Kvantemekanikkens matematik er ikke til debat – den virker. Men hvad den siger om virkeligheden, er der stadig uenighed om:
- Københavnerfortolkningen (knyttet til Bohr og Heisenberg): Teorien beskriver, hvad vi kan vide om et system; målingen får bølgefunktionen til at "kollapse".
- Mangeverdensfortolkningen (Everett): Intet kollaps – alle udfald realiseres i hver sin gren af virkeligheden. Se multivers-idéen.
- Pilotbølgeteori (de Broglie–Bohm): Partikler har altid bestemte positioner, men styres af en bølge.
- Kollapsteorier: Bølgefunktionen kollapser spontant via en fysisk proces, der endnu ikke er fundet.
Kvantefysik og kosmos
Kvantefysik er ikke kun for laboratoriet – den er afgørende for at forstå universet:
- Stjerner skinner takket være kvantetunnelering, som lader atomkerner i Solens indre smelte sammen, selv om de klassisk set ikke har energi nok.
- Hvide dværge og neutronstjerner holdes oppe mod tyngdekraften af et kvanteprincip (Paulis udelukkelsesprincip).
- Galaksernes frø kan stamme fra kvanteudsving, der blev strakt ud under inflationen.
- Sorte huller udsender ifølge Hawking svag stråling på grund af kvanteeffekter. Se sorte huller.
Det store uløste problem
Kvantefysikken og Einsteins generelle relativitetsteori lader sig ikke uden videre forene. En teori for kvantetyngdekraft er nødvendig for at beskrive Big Bang og sorte hullers centrum. De mest kendte kandidater er strengteori og loop-kvantetyngdekraft – ingen af dem er eksperimentelt bekræftet.
Slå begreber som foton, bølgefunktion og Planck-længde op i ordbogen.