Sitat av
olaPola
Takk til Sky for en fin forklaring av hva i all verden lys er! Om du ikke vet det, les det! Det var sabla så lærerikt!
Vel, jeg fokuserte mest på bølgeegenskapene til lys i forbindelse med dobbelspalteforsøket, og nevnte kort at lys i virkeligheten også er oppstykket som fotoner. Det er nemlig ikke så lett som at lys er en partikkel eller en bølge i absolutt forstand, men utviser både partikkel- og bølgeegenskaper avhengig av hvilke type fenomener vi er interessert i å betrakte. Dette er en av de tingene, forutenom Provos forklaring av fotonets ikke-eksistens sett fra sitt eget perspektiv, jeg synes er snålest i naturvitenskapen.
Et eksempel på den klare bølgeegenskapen til lys er, som nevnt, dobbeltspalteforsøket. Eksempler på der lys må betraktes som bittesmå partikler (fotoner), er blant annet ved comptonspredning og den fotoelektriske effekt. Men som også illustrert ved dobbeltspalteforsøket så stopper ikke moroa bare med lys, men fortsetter med klassiske partikler også; de utviser nemlig bølgeegenskaper. Dette er kjent som den berømte bølge-partikkel dualiteten i fysikken, og det er ikke fullstendig konsensus på hvorfor Naturen utviser slik merkelig oppførsel (selv om det selvsagt er ledende fortolkninger blant fysikere).
Som et tillegg til forrige innlegg kan vi for moro skyld gå litt videre med bølgeegenskapene til vanlige partikler, for eksempel elektronene som ble sendt gjennom nikkelkrystallen. Da beveger vi oss imidlertid inn på dypt vann og langt inn i kvantemekanikkens absurde domene, men det er verdt reisen og passer inn i tråden!
Hvis et individuelt elektron er en form for bølge, som vi så i mitt forrige innlegg, hva i helsike er det da som bølger? Erwin Schrödinger var først ute med en løsning da han foreslo at det var en form for "elektron essens" som ble "smørt" utover når elektronene beveget seg gjennom spaltene, og at det var dette som bølget. Det ble imidlertid fort forstått at dette ikke var mulig fordi en slik bølge ville spre seg utover, hvilket ikke er det vi observerer, for vi finner alltid elektronet komplett i et bittelite punkt med sin fulle ladning og masse. Om Schrödinger hadde rett, burde vi jo observert en bit av et elektron her og der.
I 1927 kom Max Born med det definitive steget inn i et nytt domene av fysikken ved å hevde at bølgen ikke er et elektron som er smørt utover, men heller en sannsynlighetsbølge. Han sa at størrelsen til denne bølgen i ethvert punkt er proporsjonal med sannsynligheten for å finne elektronet der. Ergo er det mest sannsynlig å finne elektronet der sannsynlighetsbølgen er stor, og minst sannsynlig å finne elektronet der bølgen er minst. Der bølgen er null, finner vi overhodet ikke elektronet. Ingen har riktignok observert noen slik sannsynlighetsbølge, og ei heller er det noe som tyder på at det er mulig, så vi må bruke ganske avanserte matematiske likninger utviklet av Schrödinger, Niels Bohr, Paul Dirac, Werner Heisenberg og andre for å finne ut hvordan disse bølgene skal se ut i en gitt situasjon.
Ved å sammenligne teoretiske prediksjoner ved hjelp av disse kompliserte likningene med konkrete eksperimenter har kvantemekanikken gjennom flere tiår presentert å gi prediksjoner som er utrolig presise (faktisk blant de mest presise vi kan gjøre). Videre er det slik at disse sannsynlighetsbølgene strekker seg ut i hele universet, men konvergerer raskt mot null i mange tilfeller. Allikevel er det artig å tenke på at så lenge ikke bølgen er helt null, uansett hvor liten, så er det en infinitesimal liten sannsynlighet for å finne elektronet ute i eksempelvis Andromeda galaksen
Elektronet, som vi klassisk ser på som en bitteliten partikkel som opptar et bittelite punkt i rommet, har med andre ord også en kvalitet som gjør at vi beskriver den som en bølgeliknende sak som strekker seg ut i hele universet. Dette gjelder alle partikler, så som protonet, nøytronet og fotonet. De utviser alle bølgeegenskaper. Faktisk er det også slik at de har en ganske definitiv bølgelengde (ikke overraskende for fotonet, riktignok)! Akk, naturen er virkelig sprøe saker.
Jeg kunne skrevet langt mer og dykket inn i noen fler interessante ting innenfor kvantemekanikken, men fordi det begynner å bli sent og posten blir lang, så avslutter jeg med en konsekvens av kvantemekanikken, nemlig Heisenbergs uskarphetsrelasjon, og to snåle konsekvenser av denne igjen. Relasjonen ble også lansert i 1927 (et gullår for kvantemekanikken) av Werner Heisenberg, og rent kvalitativt sier relasjonen at det er umulig å måle både posisjonen og farten til en partikkel helt presist. Dess mer du vet om posisjonen, dess mindre vet du om farten og vice versa. I klassisk fysikk og det hverdagslige er vi jo vant til at kaffekoppen på bordet mitt har en definitiv posisjon (og eventuelt hastighet ulik null om jeg slenger den avgårde), men egentlig er det altså ikke slik. Dette gjør seg imidlertid mest gjeldende når vi opererer i mikroverdenen, og for alle praktiske formål kan vi se bort i fra en slik uskarphet når vi holder på med makroskopiske gjenstanden. For et elektron derimot, er det ikke slik.
En av konsekvensene er at elektronet, som tradisjonelt ble antatt å ha definitive baner rundt et atom, slettes ikke har det. Heisenbergs uskarphetsrelasjon fører nemlig til at ingen med nøyaktighet kan si hvor elektronet sirkler rundt et hydrogenatom, men at vi kun kan si noe om sannsynligheten for hvor vi vil finne den når vi foretar en måling.
Den andre konsekvensen jeg ville nevne skriver seg fra en litt annen variant av uskarphetsrelasjonen som omhandler energi og tid, og siden jeg skrev om dette i et annet innlegg en gang i tida klipper jeg og sakser det inn her;
Heisenbergs uskarphetsrelasjon sier også at det er en liknende situasjon når det gjelder presisjon i energimålinger av et system og hvor lenge systemet har denne energien. Du kan rett og slett ikke si at en partikkel har en definitiv energi i et definitivt tidspunkt. Jo større presisjon i energimåling, dess lenger tid krever det at systemet har denne energien. Tilsvarende kan ikke et system ha en definitiv energi i et kort tidsrom, så energien til et system kan svinge kraftig mellom forskjellige ekstremer så lenge tidsintervallet er lite nok. Det er dette som forårsaker det Provo snakket om:
Akkurat som du kan låne store summer av banken så lenge du betaler det tilbake fort nok, lar kvantemekanikken en partikkel "låne" energi så lenge energien blir "betalt tilbake" fort nok. På makronivå er på denne måten energiloven oppfylt.
Selv i en helt tom boks vil disse usikkerhetene i energi og bevegelsesmengde eksistere, og de svinger kraftigere jo mindre boksen er og jo mindre tidsintervaller de foregår i. Er energien i disse fluktuasjonene store nok kan det oppsto materie i henhold til E=mc^2. For eksempel kan det ut av ingenting poppe ut et elektron og dens antipartikkel, et positron, til tross for at det var helt tomt rom i utgangspunktet. Disse virtuelle partiklene vil imidlertid annhilere hverandre momentant og på denne måten gi tilbake energien som var "lånt". Slikt foregår hele tiden, men siden fluktuasjonene i snitt kansellerer hverandre er tomt rom tilsynelatende stille og rolig.
Alt dette høres utrolig ut, eller hva? Kanskje nesten for godt til å være sant, men jeg kan forsikre deg om at dette ikke bare er noe gærne fysikere finner på for moro skyld. Kvanteeffekter i vakuum har virkninger vi kan observere, hvis resultatet stemmer nøyaktig med teorien. Et kjent eksempel er Casimir effekten, der vi har to nøytrale metallplater plassert uhyre nærme hverandre i komplett vakuum. Vakuumenergien knyttet til de virtuelle partiklene skaper en svak men observerbar tiltrekkende kraft mellom platene. Hvis hver plate for eksempel har arealet 1m^2 og avstanden mellom dem er 10^-6 meter, blir kraften på hver plate 0,0013N.
Om du ikke synes fysikk er kult, bør du tenke om igjen!
Sist endret av Sky; 8. mai 2012 kl. 00:38.