Vad är Kvantmekanik?

Hur påverkar kvantmekaniken vår värld, vad har den för betydelse, och vad handlar det om?

Kvanternas besynnerliga värld styr även människan

Tre rådande teorier om kvantmekanik

De grekiska filosoferna funderade för mer än tvåtusen år sedan vad som är de minsta som finns, de minsta bestånds delarna. De kom fram till namnet ATOM vilket betyder odelbar. Idag vet vi att det finns ännu mindre enheter och partiklar.


För att beskriva metaller, molekyler, atomer och subatomära system är kvantmekaniken nödvändig. För en utomstående kan denna värld vara svårbegriplig och ofattbar, det beror på att den går emot vår intuativa känsla av hur materian i den synliga världen fungera. Det som förbryllar är de tre teorier, dessa är sammanflätning, flervärldstolkning och superposition. När det gäller sammanflätning är teorin följande, flera partiklar påverkar varandra, men som ibland beter sig som de vore en enda. Flervärldstolkningen går ut på att att alla tänkbara utfall vid mätning måste realiseras och på detta sätt skapas ett nytt universum vid varje möjligt utfall. Den tredje och sista teorin gäller superposition, den står för att en partikel kan befinna sig i två oförenliga tillstånd samtidigt.


Den kvantteori vi känner till idag är av genomgripande betydelse, som exemplevis för kärnkraft, laser, halvledarteknik och kvantkemi. Hela den moderna elektronikindustrin är grundad på de framsteg som gjorts inom kvantteorin och halvledartekniken. Det grundläggande för själva kvantmekaniken är att energin i mikrokosmos är kvantiserade och därmed inte kan anta godtyckliga värden eller inte heller uppträda i godtyckliga små kvantiteter. Detta berör även den elektromagnetiska strålningen. Bohrs revolutionerande atommodell, liksom mer sofistikerade modeller utgör basen för kvantmekaniken.

Albert Einstein, Boris Podolsky och Nathan Rosen hade svårt för kvantmekanikens teorier

Kvantteorin

Om Kvantteorin och dess svårighet att tolkas

Området blev först undersökt efter att Albert Einstein, Boris Podolsky och Nathan Rosen publicerat en omtalad kritisk text för att påvisa det absurda med kvantteorin (kallat Einstein–Podolsky–Rosen-paradoxen eller EPR-paradoxen). Einstein, Podolsky och Rosen menade att den ögonblickliga kommunikationen mellan sammanflätade partiklar gick stick i stäv mot den speciella relativitetsteorin, där information, som färdas snabbare än ljuset, är likvärdigt med att information färdas bakåt i tiden – det vill säga tidsresor.

Kvant tillstånd

Vad menas med själva Kvantmekaniken?

Kvantmekanik, även kallad kvantfysik eller kvantteori, är en övergripande teori inom den moderna fysiken och även inom kemin. Den formulerades under 1900-talets första hälft och är en framgångsrik beskrivning av materiens och energins beteende i mikrokosmos.

Kvantmekaniska effekter märks oftast inte på makroskopisk nivå, men för att beskriva (energinivåerna hos) system som atomer, metaller, molekyler och subatomära system är kvantmekaniken nödvändig.


Kvantmekaniken är den mest framgångsrika fysikaliska teorin någonsin. Den har besynnerliga egenskaper, såsom superpositionsprincipen och sammanflätning. Dess förutsägelser har verifierats i ett flertal experiment och ligger till grund för de flesta moderna teknologier. Trots detta har teorin aspekter (fullständighet, lokalitet och realism) som även bekymrade Albert Einstein under hans livstid. Kvantsammanflätning eller kvantkorrelation (på engelska entanglement) är en besynnerlig och gåtfull egenskap som kan påvisas inom kvantfysiken. Egenskapen innebär att om två eller fler kvantsystem (fotoner, atomer, etc) är sammanflätade så existerar korrelationer mellan vitt separerade system som är starkare än vad klassisk fysik tillåter.

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. Ett exempel på detta är alfasönderfall av radioaktiva isotoper, då partiklar skickas ut från atomkärnan trots att de enligt klassisk fysik inte har energi nog att undkomma de starka krafterna i atomkärnan.

Albert Einstein hade med sin uppsats om den Brownska rörelsen 1905 bevisat att materien är uppbyggd av atomer, något som tills dess varit omtvistat. I sin uppsats om den fotoelektriska effekten från samma år visade han att elektromagnetisk strålning kunde uppfattas som partiklar, ljuskvanta. Detta stod i strid med vad James Clerk Maxwell funnit några decennier tidigare, att ljuset är en elektromagnetisk vågrörelse.

Lite senare skulle Ernest Rutherford visa att atomen huvudsakligen består av tomrum – en massiv kärna omgiven av ett moln av elektroner – och att radioaktiva atomer sönderfaller och transmuteras till andra grundämnen. Något som fysikerna tidigare hade ansett vara fullständigt omöjligt.

Hur förhöll det sig egentligen med ljuset? Var det en vågrörelse eller en ström partiklar, fotoner? Både och, resonerade fysikerna. Vid vissa experiment kunde man studera ljusets vågnatur, vid andra uppträdde ljuskvanta som partiklar.

Men hur var det då med elektroner och atomer? undrade den franske fysikern Louis de Broglie (uttalas Döbröj). Kanske hade de också samma dubbelnatur? Och jo, det hade de. Både elektroner och atomer kunde ses som vågor, men med mycket kort våglängd. Kortare ju mer massiva partiklarna var.

Det visade sig att mycket små partiklar beter sig fundamentalt annorlunda än partiklar i den storleksordning vi är vana vid att observera, som sand och grus och blyhagel. Nu föddes kvantfysiken, som skulle visa sig innehålla många bisarra egenheter som verkade gå på tvärs mot all logik.

Ett av de stora mysterierna gäller det radioaktiva sönderfallet. Makarna Curie hade visat att radioaktiva ämnen har en definierad halveringstid – på en viss tid sönderfaller hälften av atomerna i ett prov. För jod-131 är halveringstiden 8,2 dagar, för ­cesium-137 30 år och för uran-238 4,5 miljarder år. Men det är omöjligt att förutsäga när en viss atom ska sönderfalla. Det kan hända precis när som helst, och fullständigt utan fysisk anledning. Det går inte att snabba på förloppet genom att värma atomen. Atomen lever helt sitt eget liv.
På 1920-talet samlades partikelfysikerna för att försöka reda ut begreppen. Ledande var den danske fysikern Niels Bohr, som inte hade några problem med att naturen på kvantnivå hade övergett den Newtonska kausaliteten och styrdes av slumpen. Tillsammans med Werner Heisenberg utformade Bohr den så kallade ­Köpenhamnstolkningen, där varje kvantpartikel kan beskrivas av sin vågfunktion.
Trots att Einstein själv varit en av grundarna av den nya fysiken hade han svårt att förlika sig med dess implikationer. ”Jag tror inte Gud spelar tärning”, muttrade han.
Det spelar ingen roll, skriver Jim al-Khalili i sin bok ”Quantum”. Det är bara att acceptera att världen är som den är och jobba vidare.

Kvantmekaniken är den mest framgångsrika fysikaliska teorin någonsin!

Kvantteorins betydelse

Nya Tankegångar

Förra årets Nobelpris i medicin eller fysiologi och i fysik gick båda till forskare som använt kvantfysiken som grund. Nobelpriset i fysik för ett par år sedan gick som väntat till Higgs och Englert. Nobelpriset i Kemi till någon som i viss mån visar att vi kan leva våra liv baklänges. Vi har fått bevis för vad inte många vågat tro och gamla tankemönster har fått ge vika för nya. Medvetandet ligger inte fokuserat i hjärnan och människan kan kommunicera med krafter som är större än hon själv.

Idag är forskningen inom kvantmekaniken fortfarande i sin linda och ständigt så skapas nya frågetecken och nya teorier. Teoretisk kemi/fysik är den betäckning som används för forskning inom kvanter.


Teoretisk kemi

Teoretisk kemi/fysik (kvantkemi) är läran om den inre strukturen och dynamiken hos atomära och molekylära system formulerad och beräknad på kvantteorins grundvalar. Teoretisk kemisk fysik, beräkningskemi och teoretisk atom- och molekylfysik är närliggande benämningar som avspeglar väsentliga delar av verksamheten. Inom kvantkemin intar elektronstrukturberäkningar en central roll. Molekylers struktur och egenskaper beräknas med hjälp av kraftfulla datorer och avancerade beräkningsprogram.

Tillämpningar:
Kvantmekaniska teorier används för att förutsäga eller beskriva former och egenskaper hos material på molekylnivå, vilket används inom allt från proteinforskning och medicinutveckling till utveckling av halvledare och laserinstrument. Bland de tillämpningar som utnyttjar de mer grundläggande teorierna i kvantmekanik finns kvantkryptering, kvantdatorn och kvantteleportering - där de två senare ännu befinner sig på grundläggande forskningsnivå.

Slutledning:
Alla enorma komplicerade processer som råder i vår verklighet och får den att fungera är i grunden kvanten och atomernas förtjänst, men vem och vad, får det hela att fungera? Bara det unika att föda ett barn är en genomgång av otroligt avancerade funktioner som styr in DNA i dess verksamhet och funktion att skapa hudceller, muskelceller, hjärnceller mm. Troligtvis spelar kvantmekaniken en betydande roll i att styra upp funktionerna i själva processen. För mig är själva DNA den "Blueprint" som innehåller information för själva skapandet, men det behövs även processer som tar hand om själva utförandet, övervakningen och utvecklingen.


Men vi får aldrig glömma att vi människor finns här tack vare evolutionen och djuren som banade vägen till att vi finns idag. När skall vi börja visa respekt och tacksamhet till att de finns?
Människokroppen består av ca 70 biljoner celler, men det finns även nyttiga bakterier och virus i vår kropp som även de är ca 100 biljoner. Än idag har man inte lyckats att bygga upp en enstaka fungerande cell i laboratorium, Vilket genomlyser hur enormt komplicerat allt i själva verket är.

 

Troligtvis kommer kvantteorin en dag att bevisa hur allt hänger ihop, hur och varför det skapades

En av Kvantmekanikens fäder

"Om kvantmekaniken inte gör dig yr har du inte förstått något som helst".

Citatet kommer från Niels Bohr, en av kvantmekanikens fäder. Och mycket tyder på att den danske fysikern hade rätt, för kvantmekanik orsakar än i dag, över 100 år efter teorins lansering, ångest hos forskarna.

Kvantmekaniken är den del av fysiken som handlar om partiklar som är mindre än atomer. När vi rör oss ned i den storleken ändrar de fysiska lagarna sig och därför kräver det speciell vetenskap för att förklara hur allting hänger ihop.

Niels Bohr, född i Köpenhamn, (1885-1962)

Detta är vad vi idag vet om kvanter:

Kvarkar, myoner och higgspartiklar

Elementarpartiklarna är de fysiska byggstenar som alla universums atomer består av. Det finns tolv, men det är bara fyra av dem som förekommer naturligt i dag - elektroner, elektronneutriner, uppkvarkar och nedkvarkar. Resten existerade enbart naturligt precis efter stora smällen, men har sedan kunnat återskapas i en partikelaccelerator.

Elektron Har en negativ elektrisk laddning. De rör sig fritt eller är bundna i atomer.

Elektronneutriner Är utan laddning och har väldigt liten massa. Uppträder vid radioaktivitet.

Uppkvarkar Vanlig materia består av upp- och nedkvarkar samt elektroner. En kvark uppkommer aldrig isolerat.

Nedkvarkar Protoner består av en ned- och två uppkvarkar, neutroner av två nedkvarkar och en uppkvark.

Myoner Påminner om elektronen, men är 300 gånger tyngre och radioaktivt stabil.

Myonneutriner Liknar elektronneutrinen, men är lite tyngre, även om den också är väldigt lätt.

Charmkvark Väger tre gånger så mycket som en proton och har positiv elektrisk laddning.

Särkvark Har negativ elektrisk laddning.

Taupartikel Är 3 500 gånger tyngre än elektronen och har en ofattbart kort levnadstid.

Tauneutriner Är utan laddning. Mycket lätt, även om den är lite tyngre än de andra neutrinerna.

Bottenkvarkar Är fyra gåner tyngre än en proton. Bildas bland annat vid sönderfallet av toppkvarken.

Toppkvark Är den tyngsta elementarpartikeln och väger nästan det samma som en guldatom.

De kraftöverförande partiklarna håller samman byggstenarna. De överför de fyra naturkrafterna till atomerna:

Fotoner Massalös ljuspartikel, som bär elektromagnetisk kraft.

Gluoner Binder samman kvarkar i elementarpartiklar. Bär den starka kärnkraften.

W-och Z-partiklar Bär den svaga kärnkraften. Är aktuell vid olika former av radioaktivitet.

Graviton Tros vara bärare av tyngdkraften. Partikelns existens är ännu inte bekräftad av forskarna, men jakten på den är i full gång på CERN i Schweiz.

Utöver det finns också Higgspartiken. Den hittades med 99,99 procents sannolikhet 2012. Partikeln ger atomernas byggstenar massa. Kvarkar kopplar sig starkare till Higgspartikler, och det innebär att de är tyngre än exempelvis elektroner.

 

Skuggmateria

Skuggmateria kan visa gravitationen

Forskarna jagar skuggmateria

Förutom gravitoner har alla andra elementarpartiklar skapats av forskarna med hjälp av partikelacceleratorer. Jakten på de mystiska partiklarna har påbörjats igen efter att CERN:s stora Large Hadron Collider har renoverats.

Forskarna är dock övertygade om att det inte går att hitta gravitoner. Därför letar de i stället efter skuggmateria som ska påvisa gravitonernas existens.

Vilka klossar som universum är uppbyggt av är den lättförståeliga delen av kvantmekaniken. Det är betydligt svårare att mäta partiklarna och beskriva deras egenskaper.

Hans Vielhauer