If you think you understand quantum theory, you don t understand quantum theory. Quantum mechanics makes absolutely no sense.

Transkript

1 If you think you understand quantum theory, you don t understand quantum theory. Richard Feynman Quantum mechanics makes absolutely no sense. Roger Penrose It is often stated that of all theories proposed in this century, the silliest is quantum theory. In fact, some say that the only thing that quantum theory has going for it is that it is unquestionably correct. Michio Kaku

2 Vad handlar kvantfysik om? Kvantmekaniken behövs för att beskriva världen som den fungerar på den minsta skalan; molekyler, atomer, elektroner, ljus,... Men allt vi ser är ju uppbyggt av dessa byggstenar! Hur får olika typer av material sina egenskaper? Hur kan man förklara det periodiska systemet? Varför lyser stjärnor? Varför blir vissa ämnen supraledande vid låg temperatur? Hur fungerar radioaktivitet?

3 Kvantmekaniken är konstig! If quantum mechanics hasn't profoundly shocked you, you haven't understood it yet. Niels Bohr På atomnivå beter sig saker och ting inte alls som man är van vid! Kan man vara både död och levande samtidigt? Kan man gå igenom väggar? Styrs allt av slumpen? Finns det parallella universa? Beskrivs allt av vågor? Låter flummigt (utnyttjas och misstolkas flitigt i new age-sammanhang), men...

4 Kvantmekaniken är bra! Enorm förklaringskraft Inget experiment har hittills motsagt kvantmekaniken; och de har varit många och haft stor precision... Feynman: Som att bestämma avståndet mellan USA:s väst- och ostkust med en noggrannhet av tjockleken hos ett hårstrå. Många tillämpningar Och så är det kul! :)

5 Kvantmekanikens historia Lord Kelvin, år 1900: There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement. Bara ett par obetydliga detaljer som behöver redas ut... Ljushastigheten Einsteins relativitetsteori Ultravioletta katastrofen Kvantmekaniken

6 1800-talet: En teori för ljuset (elektromagnetism) utvecklas: 1801, Youngs experiment: Ljuset uppvisar interferens! Ljuset är en våg! 1873, James Clerk Maxwells teori för det elektromagnetiska fältet

7 1800-talet: Ludwig Boltzmann och termodynamiken Värme är rörelse hos atomer och molekyler Laddningar som rör sig skapar elektromagnetiska vågor Ju varmare föremål desto mer strålning!

8 Svartkroppsstrålningen och UV-katastrofen Klassisk fysik Klassisk fysik ger fel förutsägelser om strålningen! Även en vanlig metallbit vid rumstemperatur skulle skicka ut en massa ultraviolett ljus! Ultravioletta katastrofen

9 Planck och energikvanta Max planck 1900: Problemet löses om energin bara kan skickas ut i diskreta energipaket ( kvanta ). (Nobelpriset 1918) E = hf OBS! Blått ljus högre energi än rött, till exempel Plancks konstant h =6, Js frekvens Första steget mot kvantmekaniken!... men vad beror det på att ljuset bara kan skickas ut i kvanta?

10 Einstein och fotoelektriska effekten: Om ljuset är en våg borde elektronernas kinetiska energi öka om vi använder en starkare lampa (ökar ljusets intensitet). Men: Ek oberoende av intensiteten, men beroende av frekvensen! Einstein 1905: Ljuset transporterar sin energi i form av partiklar ( fotoner ) med kvantiserad energi: E = hf (Nobelpriset 1921)

11 Men vänta nu... Vad är ljus egentligen?? Vågor...? Partiklar...? Varken eller! Kvantmekaniska partiklar är något helt nytt. Ibland är vågegenskaperna framträdande, ibland partikelegenskaperna. Våg-partikel-dualiteten är central inom kvantmekaniken. Gäller även för andra partiklar än fotoner (elektroner, protoner, atomer,...).

12 Richard Feynman om kvantfysiken

13 Kvantmekaniken tar form: Bohrmodellen (1913): Niels Bohr: Elektronerna i en atom kan bara befinna sig i specifika banor runt atomkärnan. Energikvantisering igen! Förklarar atomernas linjespektra. (Nobelpriset 1922)

14 Louis de Broglie 1924: OBS frisyren :) Om ljusvågor kan uppvisa partikelegenskaper, kan väl partiklar uppvisa vågegenskaper!? de Broglie-våglängd = h p (Nobelpriset 1929)

15 Schrödingerekvationen (1926): ~ V (x, (x, (x, t) (Nobelpriset 1933) Vågfunktionen (x, t) innehåller all information om partikeln! Talar om sannolikheten att vi ska hitta partikeln på olika platser i rummet, men vi kan inte ta reda på i förväg vilket resultat vi kommer att få. Indeterminism! Innan mätningen har partikeln inget bestämt läge - den är överallt på samma gång.

16 Heisenbergs osäkerhetsrelation (1927): Det finns inget sätt att bestämma en partikels läge och hastighet samtidigt - ju mer vi vet om det ena, desto mindre vet vi om den andra. x p ~ 2 Plancks konstant ~ =1, Js osäkerheten i läge osäkerheten i rörelsemängd

17 Solvay conference 1927