Kvantmekanik
Wikipedia
Kvantmekanik, kvantfysik, kvantteori, en teori inom den moderna fysiken. Den formulerades under 1900-talets första hälft och är en framgångsrik beskrivning av materiens och energins beteende i mikrokosmos.
Innehåll |
[redigera] Begreppet
Även om kvantfysik låter mer generellt än kvantmekanik är det svårt att göra en skarp avgränsning mellan dem. Ibland använder man kvantfysik som överordnat begrepp när det ska omfatta kvantelektrodynamiken och andra kvantfältteorier utöver kvantmekaniken. I detta fall inskränker man betydelsen av kvantmekanik till beskrivningen av materien samtidigt som fältteorierna reserveras för beskrivningen av växelverkan (fält).
[redigera] Historik
Kring sekelskiftet 1900 uppenbarade sig alltmer brister i den dåvarande fysikens beskrivning. Framförallt saknade man förståelse för följande experiment och iakttagelser:
- Det elektromagnetiska spektrumet från en svartkropp
- Browns molekylrörelse
- Den fotoelektriska effekten.
Max Plancks historiska hypotes (1900) om kvantiseringen av svartkroppsstrålning betraktas av många som kvantmekanikens utgångspunkt och födelse.
[redigera] Kvantmekanikens möjliga förklaringsmodeller
Kvantfysikens teori har sedermera utvecklats och kan förklara och kvantifiera effekter som den klassiska fysiken inte tar hänsyn till:
-
- Fysikaliska kvantiteter ("observabel") kan endast anta vissa diskreta värden när ett system begränsas som till exempel den totala energin av en atom. Energiändringar av dessa observabler kallas kvanta (från lat. quantum, antal), därav namnet kvantmekanik.
- Elektromagnetiska vågor visar under vissa förutsättningar partikelegenskaper (fotoner) och materia har under vissa förutsättningar vågkaraktär (se våg-partikeldualism).
- Vissa par av observabla, till exempel en partikels position och hastighet (till exempel i z-ledet) kan aldrig mätas samtidigt med godtycklig precision (se Heisenbergs obestämdhetsrelation, komplementaritet).
Kvantmekanikens lagar och validitet är dock inte begränsade till mikroskopiska partiklar. Man kan visa att den klassiska mekanikens lagar återvinns som ett asymptotiskt gränsfall från kvantmekaniken (korrespondensprincipen). Dessutom uppträder makroskopiska effekter till följd av en koherent superposition av partiklarnas vågfunktioner: supraledning, suprafluiditet och Bose-Einstein-kondensation.
Idag förekommer intensiv forskning för att framställa makroskopiska kvantsystem för att bland annat utvidga en fundamental förståelse av kvantmekanik.
[redigera] Tolkning av kvantmekaniken
Kvantmekaniken ger en matematisk bild av naturen som inte helt står i samklang med den klassiskt matematiska bilden av naturen. Fysikaliska system som är mycket små uppvisar förbryllande egenskaper som inte har någon motsvarighet i större fysikaliska system. Ett exempel på ett dylikt fenomen är tunnling, varvid en partikel kan befinna sig i ett, enligt klassisk fysik, förbjudet tillstånd.
Bakgrunden till de besynnerliga fenomen i kvantmekaniken är att naturen, i dessa skalor, beskrivs enligt en sannolikhetsfördelning av olika fysikaliska tillstånd. Schrödingerekvationen ger (vid komplexkonjugering) en sannolikhetsfördelning för de olika tillstånd som ett system kan befinna sig i. Innan en mätning sker kan vi inte uttala oss om vilket tillstånd systemet befinner sig i - bara sannolikheten att finna systemet i respektive av de tillåtna tillstånden, så kallat väntevärde. Vid en mätning av ett specifikt system erhålls, som resultat av mätningen, endast ett av dessa möjliga tillstånd.
Som exempel kan vi ta platsbestämning av en elektron i ett givet ögonblick. Man uttrycker ibland saken så, att elektronen inte har någon bestämd position före mätningen, men får en position genom mätningen. Det kallas för att sannolikhetsfördelningen kollapsar. All sannolikhet hamnar i en punkt, nämligen den där elektronen hittades.
[redigera] Exempel på tolkningar
- Köpenhamnstolkningen – Under utvecklingen av kvantmekaniken under 1920- och 1930-talet, diskuterades ämnet flitigt. Den tolkning som vann flest sympatisörer stod Niels Bohr för. Denna pragmatiska tolkning av kvantmekaniken kallas Köpenhamnstolkningen. Essensen är, något förenklat, att inget kan sägas om (kvant)fysikaliska system förrän en mätning gjorts.
- Flervärldstolkningen – Flera andra tolkningar finns, bland annat J. Everetts flervärldstolkning. I denna tolkning sägs varje tänkbart fall vid en mätning realiseras. Men vid varje mätningstillfälle delar sig universum i lika många delar som antalet tänkbara utfall vid mätningen.
- Dolda variabler – En tolkning har varit att varje partikel har en dold variabel som anger vilket värde den kommer att ge vid mätning. Bells teorem har dock visat att en lokal dold variabeltolkning är omöjlig.
- Håll käft och räkna (från engelska: Shut up and calculate) – Denna "tolkning", som ibland sägs komma från Richard Feynman (även om han troligen inte sagt det, se [1]) är närmast att betrakta som en avsaknad av tolkning. Kvantmekaniken ger resultat som stämmer väl, och att försöka tolka dem leder mer till filosofi än fysik.
[redigera] Se även
