Hvad Er Kvant? Del 1: Kvanteorkestret

Kvanterige, Kvantespring, Kvante-healing, Neophos Quantum.

Både Hollywood-manuskriptforfattere, alternative udøvere og opvaskemiddelproducenter lader til at dele en fælles glæde for ordet kvant. Er du ved at udarbejde et stort scifi-manuskript og har brug for at retfærdiggøre en eller anden tilfældig handling? Bare sæt kvant foran hvad end du døjer med, og pludselig har den en forbløffende mystik, der ikke behøver yderligere forklaring. (Cue Matthew McConaughey på udkig efter kvantedata i “Interstellar”).

Har nogen af ​​disse kvante-fikationer overhovedet nogen mening? Og hvad betyder kvant egentlig?

Ordet kvant fik sine magiske superkræfter fra kvantefysik. Kvantefysik, også kaldet kvantemekanik, beskriver den mærkelige og uforudsigelige opførsel af Universets mindste byggeklodser. Kvantefysik har ikke kun virkelig sej matematisk notation, det har også underlige konsekvenser for partikelfysik og giver os til sidst mulighed for at bestemme, hvad rumobjekter som Solen og Jupiter er lavet af. Men hvordan? Måske ved du allerede, at vi får vores oplysninger om rummet via det lys, objekterne udsender, men ved du også, hvilken rolle kvantefysik spiller?

Vi vil undersøge alle disse spørgsmål, når vi går på en rejse mod at forstå, hvordan kvantefysik fungerer, og hvad ordet kvant betyder.

Før vi dykker ned i fysikken, så lad os først tage en omvej forbi musik (bare for at blive lidt i underholdningsindustrien) mens vi prøver at forstå et af de mest komplicerede områder inden for fysik.

Liv På Mars Og Instrumenter På Jorden

I hitsangen “Life on Mars” ledsages David Bowies sprøde stemme af lyden fra ​​en rock’n’roll-guitar, der udsender toner af A, C-mol, C7 og F-mol. Guitaren akkompagneres af rytmer fra trommerne, en dyb brummen fra en basguitar og karakteristiske tangenter på et klaver.

Jeg må for en god ordens skyld indrømme, at jeg aldrig har mødt David Bowie, og jeg går ud fra, at du heller ikke har. Jeg har aldrig mødt hans orkester, jeg har aldrig været til nogen af ​​hans koncerter, og jeg ejer ikke et eneste album med ham. De gange jeg har hørt hans music er fx i radioen eller tv’et. Hvordan kan vi vide, hvilke instrumenter der er i hans sange, når vi aldrig har mødt ham eller hans orkester?

Svaret er indlysende for os. Vi lytter ganske enkelt til sangen, og straks genkender vi lyden af ​​en guitar, en dyb bas, et klaver og et hamrende trommesæt. Vi behøver endda ikke engang at være der live. For omkring halvtreds år siden blev musikken optaget, og i dag kan vi afspille sangen ved at lytte til optagelsen, enten fra en CD, vinyl eller kassettebånd (eller Spotify eller Apple Music (hvis man da ellers er ung med de unge)).

Figur 1: Når instrumenter spiller udsender de lydbølger. Vi kan opfange disse bølger ved hjælp af en mikrofon og altid gemme og lytte til musikken. Illustration: Astronomicca.

Instrumenternes samspil giver tilsammen den sang, som vi alle kender – og det på trods af vi ikke befinder os i nærheden af ​​musikerne, altså den oprindelige kilde til sangen. Vi bruger en mikrofon til at opfange de lydbølger, som sangen udsender, og derefter bruger vi vores ører til at analysere musikken og bestemme, hvilke instrumenter der er med i sangen. Vi kan gøre dette, så længe de udsendte lydbølger har en frekvens over 20 Hz. Denne frekvens er den laveste lydfrekvens, som vores menneskelige øre kan høre.

Det viser sig, at observationer af Universet fungerer på samme måde, men i stedet for at spille på instrumenter og komponere sange, spiller universet på atomer og komponerer objekter. På den måde er David Bowies værktøj sangskrivning, mens Universet bruger kvantefysik.

Lad os nu springe med hovedet først ud i at lære lidt om, hvorfor rummet fungerer som et kæmpe musikstudie, og hvad udforske lidt, hvad kvantefysik er.

Kvantespring Er Slet Ikke Spring – Men De *Er* Kvant

Dig, mig og alt omkring os består af atomer. Den luft, vi indånder, er lavet af iltatomer blandet med kvælstofatomer. Cirkusballoner indeholder heliumatomer, og diamanter er lavet af kulstofatomer.

Hvis vi ser lidt uden for vores egen planet Jorden, kan vi se, at Solen hovedsageligt består af brintatomer og heliumatomer. Hvordan ved vi det, når vi aldrig har været der?

Vores viden om Solen minder meget om, hvordan vi genkender en sang, for alle de atomer, der udgør Solen, fungerer som små individuelle instrumenter, der udsender bølger.

Figur 2: Når solen brænder brintatomer i sin kerne, udsender den lysbølger. Vi kan opfange disse bølger ved hjælp af et teleskop og for evigt gemme og se spektret. Illustration: Astronomicca.

Forestil dig brintatomet som en guitar. Brintatomet udsender en bølge hver gang en elektron laver et såkaldt kvantespring fra et højt energiniveau til et lavere energiniveau (se illustrationen nedenfor). Dette kaldes sommetider et kvantespring, men det er faktisk ikke et egentligt spring. I stedet kaldes det for en de-excitation. Omvendt er en excitation, når energien går fra et lavt energiniveau til et højere, og det scenarie kaldes en absorption i stedet for en emission.

Men hvorfor er det ikke et spring? Lad os se på forskellen mellem et spring og en de-excitation.

Et spring kræver, at et objekt ikke kun har en startposition og en slutposition. Objektet skal også bevæge sig kontinuerligt mellem de to punkter mens springet udføres. En elektron har kun et startniveau og et slutniveau. En elektron eksisterer slet ikke mellem disse to niveauer. Faktisk har elektronen ikke engang en lokaliserbar position. Den er blot en energipakke, der forsvinder fra et niveau og dukker op i et andet uden undervejs at være noget sted mellem disse to niveauer. Vi vil derfor fremover kalde bevægelsen mellem to energiniveauer en overgang og overlade udtrykket “kvantespring” til dem, der nyder at bruge forvirrende alternative udtryk om store ændringer.

Figur 3: I modsætning til hvad mange atom-illustrationer formidler, har elektroner faktisk ikke en bestemt placering. I stedet opererer de hver på et bestemt energiniveau, og kun én elektron kan optage et energiniveau ad gangen. Deres placeringer er sandsynlige, hvilket betyder, at der er en vis sandsynlighed for at finde dem et bestemt sted. Men vi kan ikke vide hvor. Illustration: Astronomicca.

Lad os dykke lidt ned i, hvad det betyder at elektroner opfører sig som energipakker. Enhver tilstand, elektronen kan have, kræver en bestemt energi. Det betyder, at når elektronen overgår til en indre orbital (altså en lavere energitilstand), udsendes denne forskel i energi som en bølge af lys. Et atom, der udsender en sådan bølge, fungerer meget på samme måde som en guitar, der udsender en bestemt karakteristisk lydbølge, når den spilles. Når en elektron foretager en overgang i et atom, kalder vi de udsendte lysbølger: fotoner.

Bølger Har En Nedre Grænse

Det menneskelige øre kan ikke registrere lydbølger med en frekvens på mindre end 20 Hz. Det betyder ikke, at lydbølger ikke eksisterer under denne grænse. Det betyder bare, at vi ikke kan høre dem. Lydbølger under 20 Hz findes i allerhøjeste grad, og forskningsstudier har vist, at elefanter kan høre lydbølger omkring 15 Hz. Sandsynligvis kan nogle dyr høre endnu lavere frekvenser.

Lysbølger udsendt ved de-excitation af elektroner i atomer er begrænset af kvantefysik, og dette er en vigtig forskel fra lydbølger. Den laveste frekvens, som et brintatom kan udsende, er når en elektron overgår fra 4. orbital til 3.. Dette har intet at gøre med hvad, vi kan måle/observere. I stedet er det den laveste frekvens, som kvantefysik tillader et brintatom at udsende – i hvert fald i vores univers. Hvem ved, hvilke love der styrer andre universer.

Elektronernes specifikke overgange i et brintatom skaber et unikt mønster, som vi kalder et emissionsspektrum. Vi måler et emissionsspektrum ved hjælp af et teleskop, som opfanger lyssignalerne på samme måde, som da vi anbragte en mikrofon til at opfange lydbølgerne fra et instrument. På den måde har vi for evigt gemt en slags kopi af de bølger, der udsendes af atomer i for eksempel solen, og om cirka halvtreds år kan vi tage det spektrum frem og nyde det uden at skulle være i nærheden af ​​solen – præcis som at gemme en optagelse af David Bowies musik og lytte til det uden at behøve være i nærheden af ​​hans orkester.

Figur 4: Emissionsspektret for brint. Disse emissionslinjer kaldes for Balmer-serien. De er overgange fra energiniveauer højere end 2 som de-exciterer ned til 2. Fra Wiki Commons.

Emissionsspektret for brint er forskelligt fra det for helium, fordi helium består af flere partikler. Elektroner i forskellige atomer har forskellige overgange, der fører til forskellige emissionsspektre. Ved at observere emissionsspektret for f.eks. Solen kan vi identificere emissionsspektrene for brint og helium, og ud fra dem kan vi konkludere, at brint og helium er til stede i solen. Det samme gælder for Jupiter, Pluto, Andromeda eller ethvert andet objekt ude i rummet.

Videnskaben giver os også mulighed for ikke kun at identificere fingeraftryk fra specifikke atomer i fx galakser eller stjerner langt væk, det giver os også mulighed for at estimere mængden med høj nøjagtighed. For at forstå hvordanlader sig gøre, skal vi forestille os et symfoniorkester med masser af strengeinstrumenter i stedet for David Bowies band. Ellers holder vi os til samme analogi med, at instrumenter er atomer.

Forestil dig et symfoniorkester med 1 strygeinstrument og 1 tromme. De ville tage ca. halvdelen af ​​lydrummet hver. Du vil med andre ord høre hver af dem cirka lige meget. Men hvis du i stedet for 1 strenginstrument tilføjer 100, så lyder lyden af ​​violinmelodier langt mere intens sammenlignet med trommen.

Rumobservationer fungerer på samme måde. Hvis brint findes i langt større mængder end fx helium, vil emissionsspektret for brint være langt mere intenst. På den måde kan vi estimere procentdele af bestemte atomer for eksempel i solen.

Kvant Er Et Ord Der Beskriver Energipakkens Adfærd

Vores udgangspunkt var, at vi ville vide, hvad ordet ‘kvant’ betyder. Kvant er det udtryk, der bruges til at beskrive, hvordan elektroners i virkeligheden er små energipakker. Energien overføres sig ikke kontinuerligt fra et energiniveau til et andet – i stedet forsvinder den simpelthen fra et niveau og dukker op i et andet.

Energien udsendes (og absorberes, men vi udelod den del i et forsøg på at fatte os i korthed) i små pakker kaldet fotoner, og hver foton har en veldefineret energi. Energien i den udsendte foton kan ikke bare være hvad som helst. Det kan kun have en bestemt værdi, der dikteres af kvantefysikken. Sådan fungerer vores univers, og hvis du spørger “Hvorfor?” får du intet svar. Sådan er det bare.

Der er meget mere i kvantefysik end hvad vi har kigget på her, men en meget vigtig egenskab ved kvantefysik er den pakkelignende opførsel af energi som overføres inde i et atom. Så som du nu ved, har det ikke meget at gøre med hverken opvaskemiddel eller Marvel-universet. Og måske er det endnu mindre mystisk nu?

Et andet meget vigtigt aspekt af kvantefysik er den ubestemmelige natur, vi ser hos visse atomer, når de vælger at udsende fotoner eller endda elektroner, neutroner og protoner. Men lad os lade det være for nu, så vi har noget at fortsætte med i del 2.

Foto, Sol-spektrum: Pixabay, Wikimedia, Teresa Gonzalez.

Leave a Reply