Tahan artikkeliin ei ole merkitty lahteita, joten tiedot kannattaa tarkistaa muista tietolahteista. Voit auttaa Wikipediaa lisaamalla artikkeliin tarkistettavissa olevia lahteita ja merkitsemalla ne ohjeen mukaan.

Kvanttimekaniikka on fysiikan perusteoria , joka kuvaa luontoa atomien ja atomia pienempien hiukkasten mittakaavassa. Kvanttimekaniikka toimii usean muun tieteenalan, kuten nanoteknologian , hiukkasfysiikan , tiiviin aineen fysiikan , laskennallisen kemian ja elektroniikan , perustana.

Klassinen fysiikka , kokoelma fysiikan teorioita jotka kuvaavat luonnonilmioita tavanomaisessa (makroskooppisessa) kokoluokassa, epaonnistuu niiden kuvailussa pienessa kokoluokassa. Monet klassisen fysiikan teoriat voidaan johtaa kvanttimekaniikasta sellaisina likiarvoina, jotka patevat suuressa mittakaavassa.

Kvanttimekaniikka eroaa klassisesta fysiikasta muun muassa siina, etta sidotun hiukkasen energia , pyorimismaara seka jotkin muut ominaisuudet voivat saada vain diskreetteja arvoja ( kvantittuminen ). Kvanttimekaanisten objektien kayttaytyminen muistuttaa toisaalta aaltoliiketta, kun taas toisaalta ne kayttaytyvat kuin hiukkaset ( aalto-hiukkasdualismi ). Kvanttimekaniikka myos asettaa rajan sille miten tarkkaan mitattavan fysikaalisen suureen arvo on mahdollista ennustaa, vaikka systeemin alkutila tiedettaisiin taydellisesti epatarkkuusperiaatteen asettamissa rajoissa.

Kvanttimekaniikka rakentui aikanaan pala palalta teorioista, jotka pyrkivat selittamaan klassista fysiikkaa uhmaavia havaintoja. Naita teorioita olivat mm. Max Planckin ratkaisu mustan kappaleen sateilyspektrin ongelmaan vuodelta 1900, seka Albert Einsteinin vuoden 1905 artikkeli, jossa rinnastettiin taajuus ja energia valosahkoisen ilmion selittamiseksi. Kvanttimekaniikka syntyi naiden varhaisten teorioiden ( vanha kvanttiteoria ) pohjalta 1920-luvun puolivalissa. Keskeisia kvanttimekaniikan kehittajia sen alkuvaiheessa olivat mm. Erwin Schrodinger , Werner Heisenberg , Niels Bohr , Max Born ja Paul Dirac .

Kvanttimekaniikan teoria voidaan muotoilla monen eri formalismin kautta, jotka vastaavat toisiaan matemaattisesti. Yhdessa niista tieto hiukkasen tilasta kirjataan aaltofunktiona tunnettuun matemaattiseen olioon, johon liittyva todennakoisyystiheys maarittaa mittaustulosten tilastollisesti ilmenevan todennakoisyysjakauman. Aaltofunktion aikakehitysta kuvaa Schrodingerin yhtalo .

Kvanttimekaniikan historia [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Paaartikkeli: Kvanttimekaniikan historia

Viimeistaan 1900-luvun vaihteessa oli epailevimmillekin fyysikoille tullut selvaksi, etteivat klassinen mekaniikka ja sahkomagnetismi riita luonnon taydelliseen kuvaamiseen. Mustan kappaleen sateily, valosahkoinen ilmio , Comptonin sironta , atomien diskreetti sateilyspektri tai atomien vakaus ovat esimerkkeja ilmioista, joita ei klassisen teorian avulla voitu ymmartaa. Havaintojen selittamiseksi kehittyi muutamien valivaiheiden kautta kokonaan uusi teoria, kvanttimekaniikka. Sen kehitykseen osallistuneista useista fyysikoista tunnetuimmat ovat Albert Einstein , Max Planck , Niels Bohr , Louis de Broglie , Erwin Schrodinger , Werner Heisenberg , Max Born , Wolfgang Pauli ja Paul Dirac .

Kvantittuminen [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Paaartikkeli: Kvantittuminen

Kvantittumisella tarkoitetaan sita, etta jotkin fysikaaliset suureet voivat saada vain diskreetteja arvoja. Mitattavien arvojen jakauma on siis epajatkuva, toisin kuin klassisen fysiikan mallit antavat ymmartaa. Tyypillisia kvantittuneita suureita kvanttimekaniikassa ovat mm. hiukkasen pyorimismaara , spin eli sisainen pyorimismaara ja ulkosten voiman sitoman hiukkasen negatiivinen energia. Esimerkiksi vetyatomiin sitoutuneen elektronin energia voi saada vain diskreetteja arvoja, ja vetyatomin sateilyn spektri kuvaa naiden diskreettien energiatilojen valisia muutoksia. Kvanttisysteemeissa sallitut arvot vaihtelevat tapauksen mukaan ja ne riippuvat usein systeemiin liittyvasta oskillaatiosta, kuten harmonisen varahtelijan kohdalla.

Aalto-hiukkasdualismi [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Paaartikkeli: Aalto-hiukkasdualismi

Aalto-hiukkasdualismilla tarkoitetaan sita, etta kohteilla, joita on totuttu pitamaan hiukkasina ( elektronit , neutronit jne.) voidaan tavata aalloille tyypillista kayttaytymista, esimerkiksi kaksoisrakokokeen interferenssia . Toisaalta aalloilla, kuten sahkomagneettinen aaltoliike (esim. nakyva valo), esiintyy hiukkasmaisia piirteita (rajattu sijainti ja liikemaara), ja tama ilmenee esimerkiksi valosahkoisessa ilmiossa ja fotonien Comptonin sironnassa .

Heisenbergin epatarkkuusperiaate [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Paaartikkeli: Heisenbergin epatarkkuusperiaate

Heisenbergin epatarkkuusperiaate on Werner Heisenbergin muotoilema kaikkia hiukkasia koskeva periaate, jonka mukaan tiettyjen mitattavien suureiden arvoja ei voida maarittaa samanaikaisesti mielivaltaisella tarkkuudella. Tallaisia suurepareja ovat esimerkiksi hiukkasen paikka ja liikemaara; mita tarkemmin toinen naista suureista saadaan mittauksessa selville, niin sita epatarkemmaksi muuttuu tieto toisesta. Kun hiukkasta havainnoidaan, eli sen kvanttitilaa mitataan, niin samalla mittauksen mahdollistava vuorovaikutus hairitsee systeemia ja tutkittava kvanttitila muuttuu, eika ole enaa sama kuin ennen mittausta, ja tama on esimerkki havainnoimiseen liittyvasta epatarkkuudesta tai epamaaraisyydesta. Heisenbergin epatarkkuusperiaatetta ei siis voi rikkoa kaytannon tilastollisissa toistokokeissa, mutta toisaalta ei myoskaan edes teoriassa, silla kyseessa on puhtaasti matemaattinen tulos. Epatarkkuusperiaate mahdollistaa myos nollapiste-energian olemassaolon, jolloin mikaan fysikaalinen systeemi, jolle on maaritelty paikasta ja liikemaarasta riippuvat liike- seka potentiaalienergia, tai yleisemmin fysikaalisen kenttasuureen arvo ja sen muuttumisnopeus, ei voi koskaan olla taysin levossa ja saavuttaa energiaminimiaan klassisen fysiikan mielessa.

Tunneloituminen [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Paaartikkeli: Tunneloituminen

Kvanttitunneloituminen kuvaa kvanttimekaanista ilmiota, jossa hiukkanen tunkeutuu esteen lavitse, vaikka klassisen fysiikan mukaisesti taman ei pitaisi olla mahdollista. Arkielamassa tunneloituminen vastaisi sita, etta esimerkiksi pallo voisi nousta maen ylitse, vaikka alkunopeuden ei tahan pitaisi riittaa. Kyseinen ilmio on usean fysikaalisen ilmion taustalla, esimerkiksi ydinfuusio selitetaan tunneloitumisilmiona. Tunneloituminen itsessaan voidaan selittaa epatarkkuusperiaatteen ja aalto-hiukkasdualismin avulla.

Kvanttimekaniikan vaihtoehtoisia formalismeja [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Kvanttimekaniikkaa voidaan esittaa useilla vaihtoehtoisilla tavoilla. Historiallisesti ensimmaisena kehiteltiin matriisimekaniikka , jossa havaittavia suureita kuvataan aaretonulotteisilla matriisioperaattoreilla . Seuraava versio oli niin sanottu aaltomekaniikka , jossa hiukkasen tilaa kuvataan aaltofunktiolla, joka toteuttaa keksijansa mukaan nimetyn Schrodingerin yhtalon ja joka antaa taydellisen kuvauksen hiukkasen tilasta. Aaltofunktion itseisarvon nelio jossain kohdassa avaruutta kuvaa todennakoisyytta loytaa hiukkanen kyseisesta paikasta. Kolmas vaihtoehtoinen tapa kuvata kvanttimekaniikkaa on niin sanottu polkuintegraaliformalismi , jossa todennakoisyys lasketaan olettamalla hiukkasen etenevan kaikkia mahdollisia reitteja pitkin. Kutakin reittia vastaa tietty amplitudi ja kunkin tapahtuman todennakoisyys saadaan yhdistamalla eri polkujen vaikutukset.

Tilojen lomittuminen [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Paaartikkeli: Lomittuminen

Aaltojen superpositioperiaatteen mukaisesti myos todennakoisyysaaltoja voidaan laskea yhteen ja saada jotakin uutta systeemia kuvaava aaltofunktio. Tilojen lomittuminen tai kietoutuminen ( engl. entanglement ) tarkoittaa sita, etta yhden hiukkasen tila sisaltaa informaatiota myos jonkin toisen (mahdollisesti hyvinkin etaisen) hiukkasen tilasta; molempia hiukkasia siis kuvaa yksi, mutta avaruudellisesti jakautunut, aaltofunktio, ts. kumpikin hiukkanen on osa laajempaa kvanttimekaanista systeemia. Lomittunut tila/aaltofunktio voi syntya esimerkiksi kahden hiukkasen tormatessa tai jonkin hiukkasen hajotessa uusiksi hiukkasiksi. Kvanttimekaniikan erikoisuus on, etta epatarkkuusperiaatteen mukaisesti yhden hiukkasen tilan mittaaminen vaikuttaa myos toisen lomittuneen hiukkasen tilaan, ja tama tilan muutos tapahtuu valittomasti .

Schrodingerin kissa [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Paaartikkeli: Schrodingerin kissa

Kvanttimekaniikan mukaan Schrodingerin yhtaloa noudattaviin massallisiin hiukkasiin liitetaan aaltofunktio, jonka avulla voidaan ennustaa erilaisten mittausten todennakoisyyksia. Esimerkiksi elektronien kaksoisrakokokeessa havaittu interferenssikuvio voidaan selittaa todennakoisyysaaltojen keskinaisen interferenssin avulla, eika elektronin siten nahda kulkevan klassisesti vain toisen raon kautta. Hiukkasta kuvaava todennakoisyysaalto voi siis muodostua useamman aallon summana, superpositiona. Kun hiukkasen tilaa mitataan, niin lopputulokseen vaikuttava eri tilojen superpositio haviaa valittomasti ja hiukkanen ”asettuu” havaitulle tilalle. Tama ilmio on kokeissa havaittu pienille ? kvanttimekaanisille ? hiukkasille, mutta mita tapahtuu jos hiukkaset suurenevat makroskooppiseen mittakaavaan saakka? Makroskooppisilla hiukkasilla on tunnetusti koko ajan tasmallinen tila, joten kvanttimekaanisen epamaaraisyyden tulee arkijarjen mukaan jossain vaiheessa havita, kun siirrytaan atomitasolta makroskooppisiin klassisen fysiikan kappaleisiin.

Schrodingerin kissa -tiloiksi kutsutaan niita tiloja/aaltofunktiota, joissa tarkastellaan puhtaasti kvanttimekaaniseen systeemiin kytkettya makroskooppista systeemia. Kun kvanttimekaanisen systeemin tilaa ei ulkoisesti mitata, niin tama mahdollistaa superpositiotilan, joka voi vaikuttaa hyvinkin voimakkaasti systeemin makroskooppiseen osaan. Mutta makroskooppisten kappaleiden tapauksessa talla superpositiolla on hyvin vaikea nahda mitaan fysikaalista merkitysta, silla suuret kappaleet ovat tunnetusti vain yhdessa tilassa, vaikkei niita aktiivisesti havainnoitaisikaan. Eras selitys taman ongelman ratkaisemiseen on dekoherenssi .

Kvanttimekaniikan vaihtoehtoisia tulkintoja [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

• Koopenhaminan tulkinta
• Monimaailmatulkinta
• Piilomuuttujateoria
  • Pilottiaaltoteoria

Katso myos [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

• Planckin vakio
• Schrodingerin kuva
• Heisenbergin kuva
• Diracin kuva

Lahteet [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Kirjallisuutta [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Yliopistotason oppikirjoja [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

• Cronstrom, Cristofer & Montonen, Claus:  Johdatus kvanttimekaniikkaan . Helsinki: Limes, 1996. ISBN 951-745-172-5 . Finna.fi-tietokanta .
• Lahti, Pekka J. & Ylinen, Kari:  Johdatus kvanttimekaniikkaan . Suomen fyysikkoseura, 1989. ISBN 951-96117-1-1 . Finna.fi-tietokanta .
• Maalampi, Jukka & Perko, Tapani:  Lyhyt modernin fysiikan johdatus . Helsinki: Limes, 2006. ISBN 951-745-213-6 . Finna.fi-tietokanta . (Sisaltaa lyhyen johdatuksen kvanttimekaniikkaan.)
• Hakola, Antti:  Kvanttifysiikan perusteet . Teknillisen fysiikan laitos, Teknillinen korkeakoulu (TKK), 2008. ISSN 1456-3339; 206. ISBN 978-951-22-9179-3 . Finna.fi-tietokanta .
• Niskanen, Jouni A.:  Kvanttimekaniikka II . 2., korjattu painos. Helsinki: Limes, 2003. ISBN 951-745-198-9 (2003)   ISBN 951-745-176-8 (1997). Finna.fi-tietokanta .
• Kauppinen, Jyrki & Saarinen, Pekka:  Kvanttifysiikka 1 . Toinen korjattu ja uudelleenkirjoitettu painos. Turku: Turun yliopisto, 1995. ISSN 0789-1830; 7. ISBN 951-29-0407-1 . Finna.fi-tietokanta .
• Lahti, Leena:  Kvanttifysiikka . 3. painos. Gaudeamus, 1977. ISBN 951-662-086-8 . Finna.fi-tietokanta .
• Linkoaho, Matti et al.:  Fysiikan tyot. 3, Kvanttifysiikka . Espoo: Otakustantamo, 1977. ISBN 951-671-150-2 . Finna.fi-tietokanta .
• Ruuskanen, Vesa:  Kvanttifysiikan alkeet . Fysiikan laitos, Jyvaskylan yliopisto, 1974. Finna.fi-tietokanta .
• Pietila, Aarre:  Kvanttifysiikka. 2, Teoreettisen fysiikan cl-kurssi . Turku: Turun yliopisto, 1973?. Finna.fi-tietokanta .
• ?:  Kvanttifysiikka: harjoitustyot . Helsingin yliopisto. Fysiikan laitos, 1982. ISBN 951-45-2537-X . Finna.fi-tietokanta .
• Kallio, A. J.:  Kvanttimekaniikka. 1, Johdatus alkuaineiden jaksolliseen jarjestelmaan . Oulu: Oulun yliopisto, 1982. Finna.fi-tietokanta .
• Kallio, A. J.:  Kvanttimekaniikka. 2, Matriisimekaniikkaa ja sirontaa . Oulu: Oulun yliopiston ylioppilaskunta, n. 1977. Finna.fi-tietokanta .

Historiallisia oppikirjoja [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

• Tallqvist, Hjalmar:  Kvanttifysiikka . Helsinki: Otava, 1931. Finna.fi-tietokanta .
• Laurikainen, K. V.:  Modernin fysiikan alkeita. 2, Kvanttimekaniikkaa . 2. painos. Helsingin yliopisto, 1963. Finna.fi-tietokanta .

Englanninkielista [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

• Griffths, David J.:  Introduction to Quantum Mechanics . Pearson, 2005. ISBN 0-13-191175-9 . (englanniksi)
• Shankar, Ramamurti:  Principles of quantum mechanics . Julkaistu monin eri painoksin vuodesta 1980 alkaen. Toinen painos 1994. New York: Plenum cop.. ISBN 0-306-44790-8 (1994),   ISBN 978-8-18128686-4 (1994) ja   ISBN 0-306-40397-8 (1980). (englanniksi)
• Sakurai, J. J. & Napolitano, Jim:  Modern quantum mechanics . Julkaistu monin eri painoksin vuodesta 1985 alkaen. Cambridge: Cambridge University Press, 2021. ISBN 978-1-108-47322-4 (2021),   ISBN 0-201-53929-2 (1994) ja   ISBN 0-8053-7501-5 (1985).
• Phillips, A. C.:  Introduction to Quantum Mechanics . Wiley, 2003. ISBN 0-470-85323-9 . (englanniksi)
• Mandl, Franz:  Quantum Mechanics . Uusiopainoksia mm. 1992. Butterworths & Co., 1966 (1957). ISBN 0-471-92971-9 (1992)   ISBN 0-471-93155-1 (1992). (englanniksi)
• Landau, L. D. & Lifshitz, E.M.:  Quantum Mechanics: Non-Relativistic Theory . 3., laajennettu painos. Oxford: Butterworth-Heinemann, 1981. ISBN 9780750635394 . Finna.fi-tietokanta . (englanniksi)
• Zettili, Nouredine:  Quantum Mechanics: Concepts and Applications . 3rd Edition / 3. painos. John Wiley & Sons: Wiley, 2022. ISBN 978-1-118-30789-2 (3. painos; 2022)   ISBN 978-0-470-02679-3 (2. painos; 2009). Finna.fi-tietokanta . (englanniksi)
• Verma, H. C.:  Quantum Physics . 2nd edition / 2., uudistettu painos. Surya Publication, 2011. ISBN 9788192571409 . (englanniksi)
• Jackson, John David:  Mathematics for Quantum Mechanics: An Introductory Survey of Operators, Eigenvalues, and Linear Vector Spaces . julkaisuarja: Dover books on mathematics. Mineola, New York: Dover Publications, 2006. ISBN 978-0-486-45308-8 . Finna.fi-tietokanta . (englanniksi)

Yleistajuista kirjallisuutta [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

• Enqvist, Kari:  Olemisen porteilla . Helsinki: WSOY, 1998. ISBN 951-0-22915-6 .
• Enqvist, Kari:  Monimutkaisuus: Elavan olemassaolomme perusta . Helsinki: WSOY, 2007. ISBN 978-951-0-32679-4 .
• Karttunen, Hannu:  Fysiikka . Tiedetta kaikille. Ursan julkaisuja 89. Helsingissa: Tahtitieteellinen yhdistys Ursa, 2006. ISBN 952-5329-32-1 .
• Ridley, B. K.:  Aika, avaruus ja asiat . (Time, Space and Things, 1976, 1984). Suomentanut Kimmo Pietilainen. Helsinki: Terra Cognita, 1998. ISBN 952-5202-09-7 .
• Schumm, Bruce A.:  Syvalla asioiden sydamessa ? Hiukkasfysiikan kauneus . (Deep down things: The breathtaking beauty of particle physics, 2004). Suomentanut Kimmo Pietilainen. Helsinki: Terra Cognita, 2004. ISBN 952-5202-91-7 .
• Brown, J. R.& Davies, P. C. W.:  Atomien haamu: kvanttifysiikan ongelmia . Suomentanut Jari Soininen ja esipuheen tekija. Tahtitieteellinen yhdistys ursa, 1989. ISSN 0357-7937; 37. ISBN 951-9269-47-9 . Finna.fi-tietokanta .
• Kallio-Tamminen, Tarja:  Kvanttilainen todellisuus: fysiikka ja filosofia maailmankuvan muovaajina . Toinen painos. Helsinki: Gaudeamus, 2008 (ensipainos 2006). ISBN 978-952-495-074-9 . Finna.fi-tietokanta .
• Zeilinger, Anton:  Fotonien tanssi: Einsteinista kvanttiteleportaatioon . Suomentanut Kimmo Pietilainen. Helsinki: Terra Cognita, 2011. ISBN 978-952-5697-47-6 . Finna.fi-tietokanta .

Englanninkielista [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

• Polkinghorne, John:  Quantum Theory: A Very Short Introduction . Oxford: Oxford University Press, 2002. ISBN 978-0-19-280252-1 . Finna.fi-tietokanta . (englanniksi)
• Susskind, Leonard & Friedman, Art:  Quantum mechanics: the theoretical minimum . Lontoo: Penguin Books, 2015. ISBN 978-0-141-97781-2 (2015),   ISBN 0-465-08061-8 (2014) ja   ISBN 0-465-08061-8 (E-kirja). Finna.fi-tietokanta . (englanniksi)
• Humphrey, Marc & Pancella, Paul V. & Berrah, Nora:  Quantum Physics . julkaisusarja: Idiot's guides. New York: Alpha, 2015. ISBN 978-1-61564-317-2 . Finna.fi-tietokanta . (englanniksi)
• Jones, Andrew Zimmerman:  Quantum Physics For Dummies, 3rd Edition . John Wiley & Sons, 2024. ISBN 978-1-394-22550-7 (nidottu) &   ISBN 978-1-394-22551-4 (E-kirja). WorldCat-tietokanta .

Aiheesta muualla [ muokkaa | muokkaa wikitekstia ]

Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Kvanttimekaniikka .

• Stanford Encyclopedia of Philosophy: Quantum Mechanics (englanniksi)
• Utahin osavaltion yliopiston verkkokurssi: PHYS 6210 ? Quantum Mechanics ( Arkistoitu ? Internet Archive) (englanniksi)
• Ismael, Jenann: Quantum Mechanics The Stanford Encyclopedia of Philosophy . The Metaphysics Research Lab. Stanford University. (englanniksi)

Tama artikkeli tai sen osa on kaannetty tai siihen on haettu tietoja muunkielisen Wikipedian artikkelista.
Alkuperainen artikkeli: en:Quantum mechanics