KVANTMEKANIKENS HISTORIA. Solvay Conference 1927

Transkript

1 KVANTMEKANIKENS HISTORIA Solvay Conference 197

2 Kvantmekanik, what's the fuss about? If quantum mechanics hasn't profoundly shocked you, you haven't understood it yet Niels Bohr Quantum computing is... a distinctively new way of harvesting nature... It will be the first technology that allows useful tasks to be performed in collaboration between parallel universes. David Deutsch The more success quantum theory has, the sillier it looks. Albert Einstein Quantum mechanics is very impressive. But an inner voice tells me that it is not yet the real thing...in any case, I am convinced that He doesn't play dice. Albert Einstein Nobody understands quantum theory. Richard Feynman 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

3 Kvantmekanik, what's the fuss about? Everything we call real is made of things that cannot be regarded as real. Niels Bohr If quantum theory is real, it signifies the end of physics as a science. Albert Einstein I do not like quantum mechanics, and I am sorry I ever had anything to do with it. Erwin Schrödinger Quantum mechanics makes absolutely no sense. Roger Penrose

4 Klassiska mekaniken 1687 Isaac Newton Philosophiae Naturalis Principia Mathematica Newtons rörelselagar Lagrange, Laplace Hamilton Matematiska verktyg Deterministisk världsbild x(0) =..., v(0) =... x( t) =..., v( t) =...

5 Ljus 1690 Newton 1801: Young: Interferens ljusets vågnatur 1873: James Clerk Maxwells teori för elektromagnetiska fältet

6 Lord Kelvin, Slutet av 1800-talet: "There is nothing new to be discovered in physics now, All that remains is more and more precise measurement."

7 Problem vid Svartkroppsstrålningen UV katastrofen. Fotoelektriska effekten 3. Atomernas linjespektrum

8 1. Svartkroppsstrålningen UV katastrofen Klassisk fysik: Rayleigh-Jeans formel 1900: Max Planck Endast kvantiserad mängd energi kan absorberas eller emitteras E = n hν (Nobelpris 1918) Plancks formel för svartkroppsstrålning Reproducera mätningar

9 . Fotoelektriska effekten 1887 Experimentella mätningar av Hertz & Hallwachs: Negativa laddningar frigörs. 1899: Lenard: photoelektroner E kin oberoende av I E kin beror på frekvensen 1905 A. Einstein: Ljusets energi är kvantiserat (Nobelpris 191) h ν W + = 0 E kin 1916 Einsteins modell bekräfas experimentellt av R. A. Millikan. Konstanten h bestäms. (Nobelpris 193)

10 3. Atomernas linjespektrum 1903: J. J. Thomsons atommodell H. Nagaokas atommodell (Nobelpris 1906) Problem: Klassisk fysik Elektronerna bör emittera strålning när den roterar i sin bana. 1910: A. E. Haas Teoretisk modell för Thomson modellen som inkluderade h. h hade tidiagare bara ingått i optiska samband. Diskuterades livligt under Solvay konferensen 1911.

11 3. Atomernas linjespektrum 1911: Ernest Rutherfords spridning avαpartiklar mot Au-folie Atomkärna 180: Spektrum av solljuset: 4 mörka linjer Fraunhofer linjerna 1870-talet: Atomspektra Hα, Hβ Hγ Hδ Balmer linjerna

12 3. Atomernas linjespektrum Adolf Erik Nordenskiöld Försökte göra modeller för att förstå H-atomens spektrum 1887: Johannes Rydberg 1 λ 1 1 R n i n f =

13 KVANTMEKANIKEN BÖRJAR TA FORM

14 Bohr modellen Niels Bohr utvecklade 1913 Bohr-modellen av atomer (Nobelpris 19) L = mvr = nh E n E =, n n 1 = 1,,3,... Men varför är dessa banor stabila?

15 De Broglie våglängden 194 Louis debroglie (doktorsavhandling) (Nobelpris 199) Om ljuset kan uppvisa partikelegenskaper kan väl partiklar uppvisa vågegenskaper. λ = h p Einstein godkände doktorsavhandlingen! 190-talet Ramsauer-Townsend effekten: elastisk spridning av elektroner mot en gas av ädelatomer. Oscillationer i tvärsnittet som inte kan förklaras klassiskt 196: Davisson-Gerner elektron diffraktion mot Ni-kristall Bragg-diffraktion

16 Heisenbergs matris algera Werner Heisenberg försöker förstå H-atomens spektrum - Speciellt Zeeman effekten (vad som händer med spektrumet när atomerna placeras i ett magnetfält) 195 Utvecklar en ny matris teori (Nobelpris193) 195 Max Born formulerar en ny kvantmekanik med matristeorin. Publiserades två månader efter Heisenbergs artikel. Komutatorer AB BA Bevaring av energi, rörelsemängd och rörelsemängdsmoment. Bohr energinivåer Maxwells elektromagnetiska teori

17 Schrödinger ekvationen Quantisierung als Eigenwertproblem Annalen der Physik, 196 Kombinerade klassiska vågekvationen med debroglie våglängden (Nobelpris 1933) Artikel I: Tidsoberoende Schrödinger ekvationen Artikel IV: Tidsberoende Schrödinger ekvationen ) ( ) ( ) ( x E x x V dx d m ψ ψ = + h ), ( ), ( ), ( t x t x V dx d m t x t i Ψ + = Ψ h h

18 Schrödinger ekvationen 196: Heisenbergs matristeori och Schrödinger vågekvation visar sig vara matematiskt ekvivalenta. (Seminarium i Munchen hos Sommerfeld). 196: Max Borns statistiska tolkning Köpenhamnsskolan b a Ψ( x, t) dx = sannolikheten att hitta partikeln inom a x b vid tiden t vågfunktion Ψ = i cψ i i mätning resultat ψ i Sannolikheten att få ett visst resultat = c i Borns statistiska tolkning God plays dice Kollaps av vågfunktionen. Bohr, Heisenberg, Pauli

19 Osäkerhetsprincipen 197: Heisenberg formulerade osäkerhetsprincipen [ x, pˆ x ] = ih σ x σ y h

20 Kvantmekanik-relativitetsteori 198: P.A.M Dirac: Kombinerade kvantmekaniken och speciella relativitetsteorin (Nobelpris 1933) βmc 3 ψ + α k pkc ψ ( x, t) = ih k= 1 Antimateria ( x, t) t

21 KVANTMEKANIKEN IDAG

22 Bose-Einstein kondensat Cornell & Wiemann visade 1995 att när en gas bosoner (87Rb) kyls ned mot absoluta nollpunkter kommer atomernas debroglie våglängder börjar överlappa och ett kondensat bildas. (Nobelpris 001) Alla bosonerna är i lägsta kvantnivån. Kvantmekanik på makroskopisk skala

23 Kvantdatorer Superpositionsprincipen Qubits 100> result> Gate TDSE

24 Kvantdatorer Superpositionsprincipen Växelverkan med omgivningen - decoherence Qubits c1 000>+c 100>+c3 010> + Gate TDSE result>

25 Hög temperatur supraledning Några olösta problem Bednorz & Müller 1986: Kermaiska kuprat-perovskit material blir supraledande vid en temperatur ovanför kokpunkten för flytande kväve (77 K). (Nobelpris 1987) Detta måste beskrivas kvantmekaniskt, men ingen teori är utvecklad. Kvantgravitation Hur kan gravitationen beskrivas kvantmekaniskt? Kombinera kvantmekaniken och allmänna relativitets teorin.

26 Molekylfysik + + H + e H H + H AB + AB ** Potential energy AB * Route Route 1 A - + B + R R 1 Internuclear separation Kvantinterferens ger osillationer i tvärsnittet för reaktionen