Kvantfysiken

 

Kvantfysik

Kvantfysiken är nog den mest omvälvande fysikaliska teori som har lagt fram hittills.

Relativitetsteorin revolutionerande vårt sätt att se på rummet och tiden. Relativitetsteorin är en klassisk teori som visserligen förändrade Newtons teorier i grunden, men den sade ingenting om hur materien var uppbyggd. Relativitetsteorin sade oss hur universum är uppbyggt.
Kvantfysiken revolutionerade vårt sätt att se på det lilla.
Den sade oss inget om universums uppbyggnad, rumtid m.m. men den förändrade vår syn på hur materien är i grunden uppbyggd.
Enligt mig är kvantfysiken den största revolutionen inom fysik sedan Isaac Newton.

Jag påstår på inget sätt att jag förstår den egentligen, man kunde kanske säga att jag har lite skissartade kunskaper men jag vill inte ge mig in i en diskussion om den.
Den lades fram under 1900-talets första hälft och förtfarande förbryllar den forskare. Man kan till viss del använda sig av den (i tillverkningsindustrin) men vad den egentligen innebär, bl.a. för "filosofin", det är en annan sak.

I slutet på 1800-talet hade man ett problem med ett så till synes enkelt problem som spektret från en svartkropp.
En svartkropp är en teoretisk kropp som inte reflekterar någonting av den energin som den mottar. En perfekt svartkropp strålar ut elektomagnetisk strålning (värme, ljus, röntgenstrålar) med en intensitet som är enbart beroende av temperaturen. Spektret hos strålningen har en karakteristisk form, det s.k. svartkroppsspektret. En perfekt svartkropp har alltså albedo = 0.
Mängden strålning är en funktion av temperaturen hos svartkroppen. (se diagrammet till höger) Detta kallas Rayleigh-Jeans lag.
Så var teorin och den verkar logisk när man ser på den som hastigast.
Men den har ett stort problem. Om man tänker efter så inser man att vilken temperatur på svartkroppen man än väljer så kommer alltid någon gnutta av strålning att finnas där. Det kan vara väldigt lite men inte noll.
Det innebär att i princip säger teorin att en svartkropp (eller vilken kropp som helst, för den delen) oberoende av temperatur strålar ut energi med en oändlig hastighet.
För att undvika detta löjliga resultat var det uppenbart att teorin måste modifieras på något sätt.
År 1900 kom Max Planck på ett sätt. Förut hade man antagit (givetvis) att strålning sändes ut som en kontinuerlig våg. (eller vad jag nu ska kalla det)
Det Max Planck gjorde var att anta att strålning sändes ut i "paket". Energiinnehållet i varje paket var högre ju kortare våglängden var. Då undvek han problemet med svartkroppsstrålningen, en svartkropp med relativt låg temperatur hade helt enkelt inte energi nog att avge någon strålning på mycket korta våglängder (i paket med hög energi). Han kallade dessa "paket" för "kvanta". Detta kallas för Plancks strålningslag.
Max Planck lade där en av hörnstenarna till kvantfysiken, han (och ingen annan heller) insåg dock inte det då, utan först några år senare.

Den fotoelektriska effekten är en effekt som man inte heller kunde förklara i början av 1900-talet. I korthet är det så att om man bestrålar en metallyta med elektomagnetisk strålning "så slår strålningen loss" elektroner från metallen. Det visade sig emellertid att mängden av utstrålade elektroner inte var proportionell mot styrkan hos strålningen. För att fortsätta liknelsen med ljus (som ju i och för sig också är en elektomagnetisk strålning) så kan det liknas vid att det var inte ljusstyrkan som avgjorde hur många elektroner som slogs loss, det var färgen hos ljuset.
Om man använde ljus med en färg under en viss energinivå/frekvens hos ljuset så slogs inga elektroner loss hur mycket ljus man än använde. Om man däremot använde ljus med en hög energi/frekvens så räckte det med att bara svagt belysa metallen för att elektroner skulle slås loss.
Det var Einstein som till slut löste problemet med den fotoelektriska effekten. Effekten gick att förklara med att ljuset var kvantiserat. Ett ljuskvanta var helt enkelt tvunget att ha en viss energi/frekvens för att orka slå loss en elektron från metallen. Om ljuskvanta med en för låg energi/frekvens användes, spelade det ingen roll hur många man använde.
Einstein fick Nobelpriset för att han förklarade den fotoelektriska effekten men konstigt nog inte för relativitetsteorin. (Obegripligt nog, om man frågar mig) Ironiskt var det också, därför att Einstein trots sina insatser runt den fotoelektriska effekten blev en motståndare till kvantfysiken.

En grundläggande princip i kvantfysiken är att det går inte att bestämma en partikels läge och hastighet mycket noggrannt samtidigt. Om man försöker beräkna hastigheten exakt tappar man noggrannhet i position och omvänt.
Om man tar ett exempel:
Anta att man vill försöka att mäta exakt position och hastighet för en partikel. Det enda sättet man kan göra det på är att utsätta partikeln för strålning (ljus eller liknande). Men man kan aldrig bestämma en partikels position noggrannare än en våglängd på det sättet. (eller vilket sätt som helst egentligen) Partikeln kommer också att påverkas av energiinnehållet i strålningskvantat vilket påverkar partikelns hastighet.
För att öka noggrannheten vad gäller positionen är det logiska då att använda strålning med en kortare våglängd. Strålning med en kortare våglängd har högre energi/kvanta så partikeln kommer att knuffas till starkare vilket gör att värdet på partikelns hastighet blir onoggrannare.
Med andra ord: Högre noggrannhet i position = lägre noggranhet i hastighet och omvänt.
Man kan göra en analogi (jämföra med :)) med att man vill mäta fekvensen hos en signal. Det går inte att avgöra vilken frekvens en signal har ögonblickligen, man måste sampla en stund för att kunna avgöra frekvensen. (se figuren till höger) Tiden man måste sampla är beroende av frekvensen och hur exakt man vill vara. Ju lägre frekvens och större exakthet, ju längre måste man sampla. Detta kan sägas "ju längre samplingstid, desto mindre fel i frekvens". (och omvänt) Det här kan man se på en frekvensräknare också, ska man mäta en frekvens mycket exakt så måste man sampla länge. Det här kan man säga är Heisenberg i mätverkstaden.
Relationen mellan bestämning av noggrannhet och position upptäcktes av Werner Heisenberg och kallas Heisenbergs osäkerhetsprincip. Den är inte ett fenomen som uppträder vid experiment utan den är inbyggd i själva universum. Heisenbergs osäkerhetsprincip kallas ibland Heisenbergs obestämbarhetsrelation.

Dubbelspaltsexperimentet är ett berömt experiment som visar på kvantfysikens märkliga värld. I dubbelspaltsexperimentet så har man helt enkelt en ljuskälla som kan ge ifrån sig koherent ljus (allt ljus ska ligga "i takt") - en laser m.a.o. Denna laser ska också vara möjlig att styra så noggrant så man kan antingen lysa koherent ljus eller enstaka fotoner från den.
Lasern ska peka på två mycket smala spalter i en metallskiva samt projiceras på en skärm bakom hela härligheten.
Man behöver också någon form av partikeldetektorer, men glöm dom för närvarande.
Om man börjar men att slå igång lasern på koherent ljus så kommer ett interferensmönster att bildas på skärmen,
helt som man kan vänta sig, därföt att men får inteferens mellan ljusvågorna och spalterna helt enkelt. Om man då övergår till att skjuta en och en foton från lasern så borde det ju bildas två ställen på skärmen (precis bakom spalterna) där det samlas fler fotoner. Men konstigt nog så dyker inteferensmönstret upp igen! Detta är ett exempel på självinterferens. Det verkar faktiskt som om varje foton går genom bägge(!) spalterna samtidigt.
Ännu kusligare blir det om man skjuter en foton i taget och sätter något slags partikeldetektorer vid sidan om spalterna för attt se vilken spalt som varje foton går igenom. OBS! utan att påverka partiklarna på något sätt (vad vi då kan förstå).
Då försvinner interferensmönstret!
Det ställer till slut bl.a. frågan:
Finns det något som verklighet egentligen? Och vad är det? Vi verkar ju kunna förändra den bara vi tittar på den.
Slutligen leder det till såna frågor som "om ett träd ramlar mitt i skogen där ingen hör det, låter det något då"?.
Det är kanske inte så konstigt att många säger att kvantfysiken på många sätt gränsar till filosofin.
En sak ska ni alla veta: om någon säger sig förstå kvantfysiken så ljuger han eller så vet han inte att han inte vet.
Ingen förstår kvantfysiken. Jag såg ett program på TV där några forskare var med och efter ett tag sade vetenskapsjournalisten "jag tror jag förstår..." varpå en forskare avbröt henne och sade "Nej! Ingen förstår den, vi kan till viss del använda oss av den men ingen... INGEN förstår den"


En rolig historia (i samband med Heisenbergs osäkerhetsprincip, avd. nördhumor) är:
Heisenberg var ute på Autobahn och testade toppfarten på sin nya sportbil. Plötsligt blev han stoppad av en polisbil och polisen sade:
"Vet du hur fort du körde egentligen?" varpå Heisenberg svarade "Nej, men jag vet precis var jag är!"

HAHA :)

Niels Bohr (som på många sätt kan sägas vara kvantfysiken's fader) har sagt många tänkvärda (och roliga) saker. Det här är en del citat:
"Den som inte blir illa berörd av kvantfysiken har inte förstått den"
"Ingenting existerar förrän det mäts"
"Det är svårt att göra förutsägelser, speciellt om framtiden"
Einstein vägrade tro att universum styrdes av sannolikheter och sade en gång till Bohr: "Gud spelar inte tärning med universum" varpå Bohr replikerade "Det är inte din sak att säga hur Gud ska göra" - om det är helt sant vet jag inte, men det visar tydligt Einstein och Bohrs inställning till kvantfysiken.

Före kvantfysiken ansåg man att universum var helt deterministiskt (förutsägbart). Det vill säga om man kände till alla partiklars läge och hastighet vid ett visst tillfälle skulle man (åtminstone teoretiskt sett) kunna förutsäga allt i universum. Determinismen finnns i två varianter: en mjuk och en hård. Den hårda varianten säger att ALLT i universum är deterministiskt, inklusive mänskligt beteende. Den hårda varianten säger att den fria viljan är bara en illusion. Den mjuka varianten säger att den finns ingenting som framtid. Det är bara en illusion.
Kvantfysiken satte stopp för detta. Om man inte ens kunde bestämma exakt läge och position för en enda partikel vid en viss tidpunkt kunde man knappast göra några förutsägelser för hela universum heller. Allt som skedde på atomnivå var bara mer eller mindre sannolikt.
Jag anser att kvantfysiken är den "gren" inom naturvetenskapen som är närmast filosofin. Många av de framstående (Niels Bohr inte minst) inom kvantfysiken har/hade också filosofin som "bisyssla".

Det finns mängder med mer eller mindre svårbegriplig litteratur i ämnet. Jag har faktiskt inte hittat någon riktigt bra populärvetenskaplig bok om kvantfysik. Det kanske inte går att göra populärvetenskap av kvantfysik.
Det finns också massor med kurser på universitetsnivå i kvantfysik men man måste ofta ha lite förkunskaper i matematik m.m. - men det finns också kurser som är "för vanligt folk". :)

Se även sidan Länkar/Litteratur för lästips m.m.

 

Parkinsonförbundet