Kvantmekanik

Teori:

Kvantmekanik , aven kallad kvantfysik eller kvantteori , ar en overgripande teori inom den moderna fysiken och aven inom kemin . Den formulerades under 1900-talets forsta halft och ar en framgangsrik beskrivning av materiens och energins beteende i mikrokosmos . Kvantmekaniska effekter marks oftast inte pa makroskopisk niva, men for att beskriva system som atomer , metaller , molekyler och subatomara system ar kvantmekaniken nodvandig.

Kvantmekaniken skiljer sig fran den klassiska mekaniken pa nagra avgorande punkter. Den viktigaste ar att dess forutsagelser ar statistiska , i meningen att man inte kan forutsaga vilket resultat en enskild matning kommer att ge, utan endast sannolikheterna for mojliga utfall. Ett annat viktigt koncept ar Heisenbergs osakerhetsprincip , som sager att man inte samtidigt kan bestamma en partikels lage och rorelsemangd med godtycklig noggrannhet. Denna princip ar relaterad till vag-partikeldualiteten , som sager att partiklar, till exempel elektroner eller fotoner , i vissa situationer uppvisar partikelegenskaper och i vissa situationer vagegenskaper. I kvantmekaniken ersatts begreppen vag och partikel med den sa kallade vagfunktionen , som innehaller all information om ett kvantmekaniskt system.

Historik [ redigera | redigera wikitext ]

Kring sekelskiftet 1900 uppenbarade sig allt fler brister i den davarande fysikens beskrivning av naturen. Framforallt saknade man forstaelse for foljande experiment och iakttagelser:

Det elektromagnetiska spektrumet fran en svartkropp .
Den fotoelektriska effekten .
Atomernas linjespektrum .

Max Plancks historiska hypotes (1900) om kvantiseringen av svartkroppsstralning betraktas av manga som kvantmekanikens utgangspunkt och fodelse. Albert Einsteins teoretiska forklaring av den fotoelektriska effekten (1905), Niels Bohrs atommodell (1913), och Louis de Broglies forslag att elektroner har vagegenskaper (1924) var ytterligare viktiga steg. Den teoretiska grunden for kvantmekaniken utarbetades av manga fysiker , bland annat Erwin Schrodinger , Werner Heisenberg , Paul Dirac , Niels Bohr , Max Born , Louis de Broglie och Wolfgang Pauli .

Kvantmekanikens mojliga forklaringsmodeller [ redigera | redigera wikitext ]

Kvantfysikens teori har sedermera utvecklats och kan forklara och kvantifiera effekter som den klassiska fysiken inte tar hansyn till:

Fysikaliska storheter ("observabler") kan ibland endast anta vissa diskreta varden nar ett system begransas, som till exempel en atoms totala energi. Andringar av dessa observabler kallas kvanta (fran lat. quantum, antal), darav namnet kvantmekanik.
Elektromagnetiska vagor visar under vissa forutsattningar partikelegenskaper ( fotoner ) och materia har under vissa forutsattningar vagkaraktar (se vag-partikeldualism ).
Vissa par av observabler, till exempel kan en partikels position och hastighet (i en viss riktning) aldrig matas samtidigt med godtycklig precision (se Heisenbergs obestamdhetsrelation , komplementaritet ).

Kvantmekanikens lagar och validitet ar dock inte begransade till mikroskopiska partiklar. Man kan visa att den klassiska mekanikens lagar atervinns som ett asymptotiskt gransfall fran kvantmekaniken ( korrespondensprincipen ). Dessutom upptrader makroskopiska effekter till foljd av en koherent superposition av partiklarnas vagfunktioner : supraledning , suprafluiditet och Bose-Einstein-kondensation .

Idag forekommer intensiv forskning for att framstalla makroskopiska kvantsystem for att bland annat utvidga den fundamentala forstaelsen av kvantmekaniken.

Teori [ redigera | redigera wikitext ]

Vagfunktionen ar fundamental inom kvantfysiken. Varje partikel har en vagfunktion som ar ett komplext skalarfalt i rum och tid. Vagfunktionen kan inte matas direkt, daremot har partikeln ett antal matbara storheter, observabler, som definieras med hjalp av kvantmekaniska operatorer . Dessa ar bland annat position, rorelsemangd och hamilton-energi .

Se aven bra-ket-notation .

Tolkning av kvantmekaniken [ redigera | redigera wikitext ]

Detta avsnitt ar en sammanfattning av Tolkning av kvantmekanik .

Kvantmekaniken ger en matematisk bild av naturen som inte helt star i samklang med den klassiska bilden av naturen. Fysikaliska system som ar mycket sma uppvisar forbryllande egenskaper som inte har nagon motsvarighet i storre fysikaliska system. Ett exempel pa ett dylikt fenomen ar tunnling , varvid en partikel kan befinna sig i ett, enligt klassisk fysik, forbjudet tillstand. Ett exempel pa detta ar alfasonderfall av radioaktiva isotoper, da partiklar skickas ut fran atomkarnan trots att de enligt klassisk fysik inte har energi nog att undkomma de starka krafterna i atomkarnan.

Bakgrunden till dessa besynnerliga fenomen i kvantmekaniken ar att naturen, i dessa skalor, beskrivs enligt en sannolikhetsfordelning over olika fysikaliska tillstand. Den kvantmekaniska vagfunktionen ger (vid multiplicering med sin komplexkonjugering ) en sannolikhetsfordelning for en partikels position. Innan en matning sker kan vi inte uttala oss om vilket tillstand systemet befinner sig i ? bara sannolikheten att finna systemet i de mojliga tillstanden. Vid en matning av ett specifikt system erhalls, som resultat av matningen, endast ett av dessa mojliga tillstand. (Det genomsnittliga matutfallet kallas vantevarde ).

Ett exempel ar platsbestamning av en elektron i ett givet ogonblick. Man uttrycker ibland saken sa, att elektronen inte har nagon bestamd position fore matningen, men far en position genom matningen. Det kallas for att elektronens vagfunktion kollapsar -- omedelbart efter matningen ar elektronens sannolikhetsfordelning samlad i en enda punkt, namligen den dar elektronen hittades.

Hur vagfunktioner andrar sig med tiden ? den kvantmekaniska motsvarigheten till hur partiklar ror sig ? beskrivs av Schrodingerekvationen .

Exempel pa tolkningar [ redigera | redigera wikitext ]

Kopenhamnstolkningen ? Under utvecklingen av kvantmekaniken under 1920- och 1930-talen, diskuterades amnet flitigt. Den tolkning som vann flest sympatisorer stod Niels Bohr for. Denna pragmatiska tolkning av kvantmekaniken kallas Kopenhamnstolkningen. Essensen ar, nagot forenklat, att inget kan sagas om (kvant)fysikaliska system forran en matning gjorts. En partikel har helt enkelt inget bestamt lage forran man forsoker mata det.

Flervarldstolkningen ? I Hugh Everetts flervarldstolkning sags varje tankbart utfall av en matning realiseras. Vid varje matningstillfalle delar sig dock universum i lika manga delar som antalet tankbara utfall.

Dolda variabler ? Denna tolkning havdar att varje partikel har en dold variabel som anger vilket varde den kommer att ge vid matning. John S. Bell bevisade dock 1964 ett teorem ( Bells teorem ) som sager att en lokal dold variabelteori ger observerbara skillnader mot kvantmekaniken. Experiment utforda av Alain Aspect med flera (1981?1982) visade att kvantmekaniken ar korrekt.

Hall kaft och rakna (fran engelska: Shut up and calculate ) ? Denna "tolkning", som ibland sags komma fran Richard Feynman (aven om han troligen inte sagt det ^[
1
]), ar narmast att betrakta som en avsaknad av tolkning. Kvantmekaniken ar ett hantverk , som ger resultat som stammer val och att forsoka tolka dem leder mer till filosofi an fysik.

Konsekvenser for vetenskapliga discipliner [ redigera | redigera wikitext ]

Ett flertal konsekvenser inom fysiken och kemin har uppstatt som resultat av flera till synes markliga observationer och matematiska modeller inom kvantmekaniken.

Konsekvenser inom fysiken [ redigera | redigera wikitext ]

Lokalitet [ redigera | redigera wikitext ]

Heisenbergs osakerhetsprincip har direkt paverkat fysikens tolkning av universum fran att vara i grunden deterministisk till att vara i grunden ytterst osaker vad galler lokalitet och hastighet pa foremal fran molekylar storleksniva och annu mindre.

Negativ energi och virtuella partiklar [ redigera | redigera wikitext ]

Negativ energi ar ett matematiskt begrepp som kan uttryckas med formeln E² = m²c⁴ + p²c² . Det vanligaste exemplet pa detta begrepp ar en direkt konsekvens av virtuella partiklar som bade "skapas" och "forgors" inom vart universum inom sa kort tidsram att manga fysiker anser att de ej ens kan betraktas som existerande. Casimireffekten har undersokts med en kvantelektronisk spegel av en forskargrupp pa Chalmers ledd av Per Delsing . De har i sina experiment lyckats pavisa att det verkligen finns partiklar som uppstar och sedan forsvinner i ett vakuum.

Kvanta [ redigera | redigera wikitext ]

Fysikern Niels Bohr lyckades forklara det elektromagnetiska spektrumet hos vateatomen genom att forestalla sig hur den positivt laddade atomkarnan attraherar och behaller en elektron i en sorts omloppsbana, liknande ett solsystem. Nar en foton moter med elektronens bana sa exciteras elektronen och "hoppar" uppat en energiniva varefter den "faller" tillbaka och ger da ifran sig en kvanta av energi i form av annu en foton med en viss frekvens. Denna forklaring fungerar dock ej for atomer hos tyngre grundamnen.

Bohrs forklaring haller ej heller for att beskriva den fotoelektriska effekten , dar elektroner emitterar fran en metall da det belyses med elektromagnetisk stralning av tillrackligt hog frekvens. Flera framstaende fysiker sasom Albert Einstein och Max Planck har forsokt forklara fenomenet fullt ut efterat. Forklarandet av den fotoelektriska effekten visade dock pa att ljus ar kvantiserat precis enligt Niels Bohrs ideer.

Konsekvenser inom kemin [ redigera | redigera wikitext ]

Orbitaler [ redigera | redigera wikitext ]

Da Bohrs atommodell visades vara ofullstandig och endast tillampbar pa den enklaste av alla atomer, vateatomen, foddes snart ett nytt koncept om hur elektroner fordelas runtom atomkarnan tack vare osakerhetsprincipen . Da elektroner uppvisar en klar vagfunktion foreslogs det att dessa snarare existerar i "lager av osakerhet" runtom atomens karna, sa kallade orbitaler . Detta koncept fodde en helt ny disciplin inom kemin; kvantkemin . Orbitaler har bade matematiskt bevisats existera och har t.om. observerats direkt. Orbitaler har visat sig vara ett mycket viktigt koncept for att forsta sig pa alla grundamnens egenskaper, saval kemiska som fysikaliska.

Reaktionsmekanismer [ redigera | redigera wikitext ]

Kvantmekaniken har bidragit starkt till konceptet reaktionsmekanism och forstaelsen kring hur valenselektroner faktiskt forflyttas under kemiska reaktioner, vilket i sin tur har lett till otrolig precision vad galler vad for typ av reaktioner kemister onskar ska ske och har t.om. lett till design av enskilda molekyler. Man kan nu aven "frysa" en molekyl i ett overgangstillstand mellan reaktant och produkt , vilket tidigare ansetts komplett omojligt.

Tillampningar [ redigera | redigera wikitext ]

Kvantmekaniska teorier anvands for att forutsaga eller beskriva former och egenskaper hos material pa molekylniva, vilket anvands inom allt fran proteinforskning och medicinutveckling till utveckling av halvledare och laserinstrument. Bland de tillampningar som utnyttjar de mer grundlaggande teorierna i kvantmekanik finns kvantkryptering , kvantdatorn och kvantteleportering ? dar de tva senare annu befinner sig pa grundlaggande forskningsniva.

Att formulera en kvantmekanisk beskrivning av gravitation , kvantgravitation , ar en mycket grannlaga uppgift, som annu inte lyckats.

Se aven [ redigera | redigera wikitext ]

Referenser [ redigera | redigera wikitext ]

^ N. David Mermin (maj 2004). ”Could Feynman Have Said This?” . Physics Today . Arkiverad fran originalet den 15 oktober 2009 . https://web.archive.org/web/20091015102650/http://scitation.aip.org/journals/doc/PHTOAD-ft/vol_57/iss_5/10_1.shtml . Last 7 maj 2009 .

Externa lankar [ redigera | redigera wikitext ]

Wikimedia Commons har media som ror Kvantmekanik .
Bilder & media

[1] N. David Mermin (maj 2004). ”Could Feynman Have Said This?” . Physics Today . Arkiverad fran originalet den 15 oktober 2009 . https://web.archive.org/web/20091015102650/http://scitation.aip.org/journals/doc/PHTOAD-ft/vol_57/iss_5/10_1.shtml . Last 7 maj 2009 .

[ 1 ]