Det den mesta forskning kretsar kring idag är kvantfysik. Kvantfysiken/kvantmekanik är den fysik som berör partiklar på atomär nivå. Den är lite annorlunda mot den fysik vi kallar för klassisk fysik, så som vanlig mekanik och elektromagnetism, då objekten är så kallat kvantifierade. Att ett objekt är kvantifierat innebär att det endast kan inneha diskreta tillstånd. Som ett tankeexempel kan man ta en person som står på en stege; tänk att personen kan endast befinna sig på varje pinne på stegen, inte där emellan. På så sätt kan endast personen inneha diskreta tillstånd, vilket gör de kvantifierade.
Man kan också tänka på liknande sätt som med en atom. Grekerna kom på ordet atom, som den minsta möjliga partikel som blir kvar om man t.ex. skulle dela upp en papperslapp i allt mindre bitar. Ett kvanta, vilket är det minsta möjliga skillnaden mellan två tillstånd, är alltså den minsta möjliga förändring som kan ske mellan två tillstånd. Tänk dig att du ska ta ett steg, om man sedan delar upp steget i så små förändringar som möjligt, vilket innebär förflyttningen av varje atom i ett steg i taget, då får man fram varje kvanta. Kvantfysiken innebär därför den fysik som gäller för dessa kvantan och det är partiklar som atomer och elektroner och mindre som är berörda av denna fysik.
På grund av dess diskreta natur är kvantmekaniken ganska svår att beskriva och uppfatta för oss människor. Vi är vana att det mesta förändras kontinuerligt och det är först på sista tiden med datorernas framfart som vi är tvungna att tänka i diskreta termer (då datorerna är digitala och använder sig av 1-or och 0-or). Men på grund av dess diskreta natur är också kvantmekaniken ganska intressant att studera och matematiskt har man utvecklat en riktigt robust beskrivning. Det främsta man använder är linjär algebra, där man med matematikens hjälp kan beskriva de flesta kvantmekaniska objekt som vektorer och matriser. Med hjälp av olika operationer kan man på så sätt manipulera dessa objekt på olika sätt.
En annan intressant aspekt med kvantmekaniken är att kvantmekaniska objekt beter sig både som partiklar och vågor. Det gör att de både har samma karaktäristik som partiklar och vågor har. Elektroner kan man tänka sig som små partiklar som flyger runt, men på grund av att de också beter sig som vågor så kan de liksom vågor få interferensmönster och skapa "vågmönster" när man mäter dessa. Ett känt experiment då man påvisade det för första gången var att man sken ljus på två smala springor och det ljus som träffade väggen på andra sidan visade både ett vågmönster samt betedde sig som enskilda partiklar.
Modern forskning handlar om hur vi kan förstå dessa fenomen ännu bättre och försöka beskriva dem i ännu tydligare detalj. Ännu vet vi inte allt och det mesta är svårt att se med blotta ögat. Nu har också tekniken kommit i kapp och vi kan mäta fenomen på individuella atomer och molekyler, samt analysera subatomär fysik i acceleratorer så som CERN. Vi försöker allt mer på att förstå oss på all kvantmekanik in i minsta detalj.
Grundläggande kvantmekanik
För att få lite djupare inblick i hur kvantmekaniken fungerar så tänkte jag beskriva lite grundläggande kvantmekanik. Det mest grundläggande är Schrödinger ekvationen. Den beskriver dynamiken för det objekt man vill beskriva, vilket alltså innebär tidsutvecklingen för detta objekt. Som tidigare nämnt agerar alla objekt inom kvantmekaniken som vågor, vilket innebär att det objekt som beskrivs, beskrivs av en vågfunktion. Objektet kan vara t.ex. en atom eller en elektron, men kan också vara mer abstrakta objekt så som ljus/foton eller vibration/fonon. Utvecklingen av objektet beskrivs i sin tur av en Hamiltonian vilken beskriver hur objektet ändrar sig.
Då objektet är kvantifierat beter sig det oftast som en vektor (tänk en rad eller kolumn av värden). Denna vektor utvecklas allt eftersom tiden går och Hamiltonianen beskriver hur denna vektor av tillstånd beter sig. Beroende på hur man ser på problemet, kan antingen den storhet man är intresserad av (eng. observable) eller det tillstånd man är intresserad av utvecklas med tiden. I Schrödingers tolkning så utvecklar sig tillstånden med tiden, medan i Heisenbergs tolkning utvecklas storheterna med tiden. Oavsett vilket sätt man ser på problemet fås samma resultat i slutändan och de olika sätten att se på problemet underlättar vid beräkningar och förståelse av problemet.
Kvantmekaniken är också speciell då den inte är helt deterministisk, alltså att det inte går att exakt förutsäga hur något kommer att utvecklas till skillnad i klassisk fysik. Kvantmekaniken är statistisk och beskriver helt enkelt det väntevärde man får för en viss storhet. Om vi t.ex. skickar en enstaka foton genom de två springorna beskrivna ovan vet vi inte alls var den kommer att träffa. Det är först i stora nummer som det går att säga exakt var den kommer att träffa. Det är också den stora fascinationen med kvantfysik, varje enstaka mätning är slumpmässigt, men i helhet är går det att räkna på det och avgöra vad som kommer att hända. En annan intressant aspekt är att vi inte vet vad för tillstånd objektet kommer att vara förrän vi mäter den, men efter vi mätt objektet kommer den att fortsätta vara i det tillståndet och det osäkra blir därmed säkert.
På grund av denna slumpmässiga natur av kvantmekanik finns därmed flera olika tolkningar av kvantmekaniken. De kan vara allt från att det finns oändligt många världar där alla världar antar de möjliga alternativen som objektet kan vara i till att helt enkelt så bestäms objektets tillstånd vid mätning. Det finns ännu inte exakt en tolkning av slumpmässigheten som forskare kommit överens om, utan man vet bara att de matematiska teorier som man satt upp fungerat bra hittills.
Att vidare förstå och tolka kvantmekaniken är fortsatt en av mänsklighetens stora utmaningar och vi har endast kommit en bit på vägen. Det vi forskare håller på med idag är att försöka pressa gränsen ytterligare med förbättrad teknik och beräkningskraft. Mycket är gjort i det matematiska formulerandet och mycket fokus sker idag på att kunna göra stora beräkningar och på så sätt simulera allt större kvantmekaniska system. Än finns det mycket att beskriva och än är det mycket som vi inte förstått.
Man kan också tänka på liknande sätt som med en atom. Grekerna kom på ordet atom, som den minsta möjliga partikel som blir kvar om man t.ex. skulle dela upp en papperslapp i allt mindre bitar. Ett kvanta, vilket är det minsta möjliga skillnaden mellan två tillstånd, är alltså den minsta möjliga förändring som kan ske mellan två tillstånd. Tänk dig att du ska ta ett steg, om man sedan delar upp steget i så små förändringar som möjligt, vilket innebär förflyttningen av varje atom i ett steg i taget, då får man fram varje kvanta. Kvantfysiken innebär därför den fysik som gäller för dessa kvantan och det är partiklar som atomer och elektroner och mindre som är berörda av denna fysik.
På grund av dess diskreta natur är kvantmekaniken ganska svår att beskriva och uppfatta för oss människor. Vi är vana att det mesta förändras kontinuerligt och det är först på sista tiden med datorernas framfart som vi är tvungna att tänka i diskreta termer (då datorerna är digitala och använder sig av 1-or och 0-or). Men på grund av dess diskreta natur är också kvantmekaniken ganska intressant att studera och matematiskt har man utvecklat en riktigt robust beskrivning. Det främsta man använder är linjär algebra, där man med matematikens hjälp kan beskriva de flesta kvantmekaniska objekt som vektorer och matriser. Med hjälp av olika operationer kan man på så sätt manipulera dessa objekt på olika sätt.
En annan intressant aspekt med kvantmekaniken är att kvantmekaniska objekt beter sig både som partiklar och vågor. Det gör att de både har samma karaktäristik som partiklar och vågor har. Elektroner kan man tänka sig som små partiklar som flyger runt, men på grund av att de också beter sig som vågor så kan de liksom vågor få interferensmönster och skapa "vågmönster" när man mäter dessa. Ett känt experiment då man påvisade det för första gången var att man sken ljus på två smala springor och det ljus som träffade väggen på andra sidan visade både ett vågmönster samt betedde sig som enskilda partiklar.
Modern forskning handlar om hur vi kan förstå dessa fenomen ännu bättre och försöka beskriva dem i ännu tydligare detalj. Ännu vet vi inte allt och det mesta är svårt att se med blotta ögat. Nu har också tekniken kommit i kapp och vi kan mäta fenomen på individuella atomer och molekyler, samt analysera subatomär fysik i acceleratorer så som CERN. Vi försöker allt mer på att förstå oss på all kvantmekanik in i minsta detalj.
Grundläggande kvantmekanik
För att få lite djupare inblick i hur kvantmekaniken fungerar så tänkte jag beskriva lite grundläggande kvantmekanik. Det mest grundläggande är Schrödinger ekvationen. Den beskriver dynamiken för det objekt man vill beskriva, vilket alltså innebär tidsutvecklingen för detta objekt. Som tidigare nämnt agerar alla objekt inom kvantmekaniken som vågor, vilket innebär att det objekt som beskrivs, beskrivs av en vågfunktion. Objektet kan vara t.ex. en atom eller en elektron, men kan också vara mer abstrakta objekt så som ljus/foton eller vibration/fonon. Utvecklingen av objektet beskrivs i sin tur av en Hamiltonian vilken beskriver hur objektet ändrar sig.
Då objektet är kvantifierat beter sig det oftast som en vektor (tänk en rad eller kolumn av värden). Denna vektor utvecklas allt eftersom tiden går och Hamiltonianen beskriver hur denna vektor av tillstånd beter sig. Beroende på hur man ser på problemet, kan antingen den storhet man är intresserad av (eng. observable) eller det tillstånd man är intresserad av utvecklas med tiden. I Schrödingers tolkning så utvecklar sig tillstånden med tiden, medan i Heisenbergs tolkning utvecklas storheterna med tiden. Oavsett vilket sätt man ser på problemet fås samma resultat i slutändan och de olika sätten att se på problemet underlättar vid beräkningar och förståelse av problemet.
Kvantmekaniken är också speciell då den inte är helt deterministisk, alltså att det inte går att exakt förutsäga hur något kommer att utvecklas till skillnad i klassisk fysik. Kvantmekaniken är statistisk och beskriver helt enkelt det väntevärde man får för en viss storhet. Om vi t.ex. skickar en enstaka foton genom de två springorna beskrivna ovan vet vi inte alls var den kommer att träffa. Det är först i stora nummer som det går att säga exakt var den kommer att träffa. Det är också den stora fascinationen med kvantfysik, varje enstaka mätning är slumpmässigt, men i helhet är går det att räkna på det och avgöra vad som kommer att hända. En annan intressant aspekt är att vi inte vet vad för tillstånd objektet kommer att vara förrän vi mäter den, men efter vi mätt objektet kommer den att fortsätta vara i det tillståndet och det osäkra blir därmed säkert.
På grund av denna slumpmässiga natur av kvantmekanik finns därmed flera olika tolkningar av kvantmekaniken. De kan vara allt från att det finns oändligt många världar där alla världar antar de möjliga alternativen som objektet kan vara i till att helt enkelt så bestäms objektets tillstånd vid mätning. Det finns ännu inte exakt en tolkning av slumpmässigheten som forskare kommit överens om, utan man vet bara att de matematiska teorier som man satt upp fungerat bra hittills.
Att vidare förstå och tolka kvantmekaniken är fortsatt en av mänsklighetens stora utmaningar och vi har endast kommit en bit på vägen. Det vi forskare håller på med idag är att försöka pressa gränsen ytterligare med förbättrad teknik och beräkningskraft. Mycket är gjort i det matematiska formulerandet och mycket fokus sker idag på att kunna göra stora beräkningar och på så sätt simulera allt större kvantmekaniska system. Än finns det mycket att beskriva och än är det mycket som vi inte förstått.
Inga kommentarer:
Skicka en kommentar