Skammtafræði er stærðfræðileg lýsing á hegðun smæstu hluta sem við þekkjum. Þetta eru hlutir eins og rafeindir, frumeindir eða jafnvel hinir örsmáu kvarkar sem mynda róteindir og nifteindir í kjarna frumeinda. Þessar agnir eru grundvallareiningar í byggingu nær alls efnis í hinum þekkta heimi og marga af eiginleikum lofttegunda, kristalla og jafnvel vökva er einungis hægt að útskýra með hjálp skammtafræðinnar.
Skammtafræðin er önnur meginstoð nútíma eðlisfræði sem hefur orðið til á þessari öld. Hin stoðin er afstæðiskenning Einsteins sem hefur af einhverjum ástæðum orðið miklu frægari, þó að hún komi síst meira við sögu í eðlisfræði. Afstæðiskenningin fjallar um annað svið reynslunnar, það er um hluti sem nálgast ljóshraða, sem og um þyngdarsvið. Menn hafa reynt mikið til þess að finna kenningu sem tæki yfir smásæjar agnir sem nálgast ljóshraða og tengdi saman skammtafræði og afstæðiskenningu í einni kenningu. Það hefur gengið heldur erfiðlega þótt nokkuð hafi miðað á síðustu 1-2 áratugum.
Skammtafræðin varð til og mótaðist á fyrstu þremur áratugum þessarar aldar. Tilefni þess var svonefnd kreppa í eðlisfræði um aldamótin 1900. Þegar kom fram á seinni hluta 19. aldar fóru að koma fram mælingar og athuganir, sem og nýjar hugmyndir, er sýndu að hefðbundnar eðlisfræðikenningar áttu ekki við þegar komið var í hinn smásæja heim atómsins. Þetta gilti meðal annars um sjálfa atómhugmynd 19. aldar sem hafði upphaflega orðið til sem hjálparhugtak í efnafræði í byrjun aldarinnar.
Ýmislegt furðulegt og óvænt kom fram á þessum árum þegar menn voru að kljást við gátur atóma og skammta. Þannig höfðu menn talið sig finna óyggjandi rök fyrir því á 19. öld að ljós og önnur rafsegulgeislun væri bylgjur en ekki agnir. Menn höfðu meðal annars séð í tilraunum með ljós ýmiss konar fyrirbæri sem einkenna bylgjur, svo sem að það beygði fyrir horn, þó að beygjan væri að vísu oft lítil vegna þess hve bylgjulengd ljóssins er lítil. Það kom því mjög á óvart þegar Einstein sýndi fram á það árið 1905 að ljósið hagar sér stundum eins og agnir.
Hitt mátti ekki síður furðu sæta þegar franski eðlisfræðingurinn Louis-Victor de Broglie (1892-1987) setti fram þá hugmynd árið 1925 að efnisagnir eins og rafeindin hegðuðu sér sumpart eins og bylgja. Þessi tilgáta var staðfest í tilraun tveimur árum síðar, auk þess sem stoðum var rennt undir hana með skammtafræði Schrödingers sem er kennd við austurríska eðlisfræðinginn Erwin Schrödinger (1887-1961). Samkvæmt tilgátu de Broglie hafa allar efnisagnir eins konar bylgjueðli sem kann að birtast þegar svo ber undir. Hins vegar er bylgjulengdin sem fylgir venjulegum hlutum hins daglega lífs svo lítil að fyrirbæri sem tengjast bylgjueðlinu koma ekki fram, jafnvel í nákvæmustu mælingum.
Þetta tvíeðli agnar og bylgju á sem sagt við á báða vegu: Það sem við töldum vera ögn kemur stundum fram sem bylgja, og það sem við höfðum áður litið á sem bylgju birtist stundum sem ögn. Samkvæmt túlkun danska eðlisfræðingsins Nielsar Bohr (1885-1962) og annarra er það fyrirkomulag tilraunarinnar sem ræður því hvort það verður bylgjueðli eða agnareðli viðfangsefnisins (ljóss eða rafeinda) sem kemur fram í henni.
Innan skammtafræðinnar hefur orsakalögmálið nokkuð aðra merkingu en við eigum að venjast. Tveir nákvæmlega eins atburðir geta haft gjörólíkar afleiðingar. Sé sett upp tilraun þar sem rafeindum er skotið á ‘vegg’ geta sumar rafeindanna svifið í gegn óhindrað en aðrar kastast til baka. Fyrirfram er engin leið að spá um hver afdrif hverrar einstakrar rafeindar verða; orsökin eða upphaflega ástandið er hið sama en afleiðingarnar eða útkoman eru mismunandi. Séu rafeindirnar mjög margar má hins vegar með mikilli nákvæmni segja fyrir um hversu mikill hluti rafeinda speglast til baka og hversu stór hluti fer gegnum vegginn.
Að þessu leyti getum við tengt saman orsök og afleiðingu en hér gildir orsakalögmálið aðeins fyrir mikið safn agna en ekki fyrir hverja einstaka ögn. Meðal annars vegna þessa virðist okkur orsakalögmálið eins eðlilegt og raun ber vitni – þeir hlutir sem við sjáum í kringum okkur í daglegu lífi eru ávallt mjög stórt safn örsmárra agna.
Lýsing skammtafræðinnar á raunveruleikanum felst í því að gera grein fyrir líkum eða möguleikum þess að eitthvað geti gerst, til dæmis að ögn sé á ákveðnum stað á ákveðnum tíma, að hún hafi ákveðinn hraða, að atburður 1 leiði af sér atburð 2 og svo framvegis. Mikið hefur verið rætt og ritað um það hver hin raunverulegu tengsl eru milli slíks líkindareiknings og svo þess sem við sjáum í skammtafræðilegum tilraunum og í heiminum umhverfis okkur, en jafnvel Einstein viðurkenndi að eftir 50 ára vangaveltur þekkti hann ekki gott svar við þeirri spurningu.
Frægasta atriði skammtafræðinnar er líklega svonefnt óvissulögmál Heisenbergs, kennt við þýska eðlisfræðinginn Werner Heisenberg (1901-1976). Samkvæmt því er til dæmis ekki hægt að ákvarða bæði stað og hraða einhverrar agnar á sama tíma með eins mikilli nákvæmni og vera skal, heldur er margfeldi óvissunnar í stað og óvissunnar í hraða alltaf stærra en ákveðin föst tala. Til þess að við getum sagt fyrir um hreyfingu agnarinnar með ótakmarkaðri nákvæmni er hins vegar nauðsynlegt samkvæmt hefðbundinni aflfræði að unnt sé að mæla upphaflegan stað og hraða með eins mikilli nákvæmni og vera skal. Slíkar nákvæmar forsagnir eru því ógerningur samkvæmt skammtafræðinni. Þetta hefur mörgum þótt erfiður biti að kyngja, bæði þeim sem hafa kynnt sér skammtafræði sem leikmenn og eins sumum eðlisfræðingum sem hafa sökkt sér niður í furður skammtafræðinnar.
Segja má að skammtafræðin feli í sér heimspeki sem kenna má við löghyggju, það er að allt sem gerist lúti náttúrulögmálum. Hins vegar segja þau lögmál ekki fyrir um alla hluti samkvæmt skammtafræðinni. Hún fellur því ekki undir heimspeki nauðhyggjunnar, það er að allt sem gerist verði af nauðsyn. Aflfræði Newtons og ýmis önnur hefðbundin eðlisfræði fellur hins vegar undir slíka nauðhyggju sem varð því afar áhrifamikil á 19. öld og langt fram á þá tuttugustu, hvort sem menn gera sér það alltaf ljóst eða ekki. Má vel vera að það séu þessi meðvituðu og ómeðvituðu áhrif nauðhyggjunnar sem valda því að ýmsum veitist enn þann dag í dag býsna erfitt að skilja eða fallast á grundvallaratriði skammtafræðinnar.
Þorsteinn Vilhjálmsson og Kristján Leósson. „Hvað er skammtafræði?“ Vísindavefurinn, 11. mars 2003. Sótt 18. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=3222.
Þorsteinn Vilhjálmsson og Kristján Leósson. (2003, 11. mars). Hvað er skammtafræði? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=3222
Þorsteinn Vilhjálmsson og Kristján Leósson. „Hvað er skammtafræði?“ Vísindavefurinn. 11. mar. 2003. Vefsíða. 18. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=3222>.
Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.
Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar
um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að
svara öllum spurningum.
Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að
svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki
nægileg deili á sér.
Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.
Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!
Sólin
Rís 05:43 • sest 21:13
Tunglið
Rís 13:37 • Sest 06:11
Flóð
Árdegis: 02:59 • Síðdegis: 15:47
Fjara
Árdegis: 09:39 • Síðdegis: 21:50
Skammtafræðin varð til og mótaðist á fyrstu þremur áratugum þessarar aldar. Tilefni þess var svonefnd kreppa í eðlisfræði um aldamótin 1900. Þegar kom fram á seinni hluta 19. aldar fóru að koma fram mælingar og athuganir, sem og nýjar hugmyndir, er sýndu að hefðbundnar eðlisfræðikenningar áttu ekki við þegar komið var í hinn smásæja heim atómsins. Þetta gilti meðal annars um sjálfa atómhugmynd 19. aldar sem hafði upphaflega orðið til sem hjálparhugtak í efnafræði í byrjun aldarinnar.
Ýmislegt furðulegt og óvænt kom fram á þessum árum þegar menn voru að kljást við gátur atóma og skammta. Þannig höfðu menn talið sig finna óyggjandi rök fyrir því á 19. öld að ljós og önnur rafsegulgeislun væri bylgjur en ekki agnir. Menn höfðu meðal annars séð í tilraunum með ljós ýmiss konar fyrirbæri sem einkenna bylgjur, svo sem að það beygði fyrir horn, þó að beygjan væri að vísu oft lítil vegna þess hve bylgjulengd ljóssins er lítil. Það kom því mjög á óvart þegar Einstein sýndi fram á það árið 1905 að ljósið hagar sér stundum eins og agnir.
Hitt mátti ekki síður furðu sæta þegar franski eðlisfræðingurinn Louis-Victor de Broglie (1892-1987) setti fram þá hugmynd árið 1925 að efnisagnir eins og rafeindin hegðuðu sér sumpart eins og bylgja. Þessi tilgáta var staðfest í tilraun tveimur árum síðar, auk þess sem stoðum var rennt undir hana með skammtafræði Schrödingers sem er kennd við austurríska eðlisfræðinginn Erwin Schrödinger (1887-1961). Samkvæmt tilgátu de Broglie hafa allar efnisagnir eins konar bylgjueðli sem kann að birtast þegar svo ber undir. Hins vegar er bylgjulengdin sem fylgir venjulegum hlutum hins daglega lífs svo lítil að fyrirbæri sem tengjast bylgjueðlinu koma ekki fram, jafnvel í nákvæmustu mælingum.
Þetta tvíeðli agnar og bylgju á sem sagt við á báða vegu: Það sem við töldum vera ögn kemur stundum fram sem bylgja, og það sem við höfðum áður litið á sem bylgju birtist stundum sem ögn. Samkvæmt túlkun danska eðlisfræðingsins Nielsar Bohr (1885-1962) og annarra er það fyrirkomulag tilraunarinnar sem ræður því hvort það verður bylgjueðli eða agnareðli viðfangsefnisins (ljóss eða rafeinda) sem kemur fram í henni.
Innan skammtafræðinnar hefur orsakalögmálið nokkuð aðra merkingu en við eigum að venjast. Tveir nákvæmlega eins atburðir geta haft gjörólíkar afleiðingar. Sé sett upp tilraun þar sem rafeindum er skotið á ‘vegg’ geta sumar rafeindanna svifið í gegn óhindrað en aðrar kastast til baka. Fyrirfram er engin leið að spá um hver afdrif hverrar einstakrar rafeindar verða; orsökin eða upphaflega ástandið er hið sama en afleiðingarnar eða útkoman eru mismunandi. Séu rafeindirnar mjög margar má hins vegar með mikilli nákvæmni segja fyrir um hversu mikill hluti rafeinda speglast til baka og hversu stór hluti fer gegnum vegginn.
Að þessu leyti getum við tengt saman orsök og afleiðingu en hér gildir orsakalögmálið aðeins fyrir mikið safn agna en ekki fyrir hverja einstaka ögn. Meðal annars vegna þessa virðist okkur orsakalögmálið eins eðlilegt og raun ber vitni – þeir hlutir sem við sjáum í kringum okkur í daglegu lífi eru ávallt mjög stórt safn örsmárra agna.
Lýsing skammtafræðinnar á raunveruleikanum felst í því að gera grein fyrir líkum eða möguleikum þess að eitthvað geti gerst, til dæmis að ögn sé á ákveðnum stað á ákveðnum tíma, að hún hafi ákveðinn hraða, að atburður 1 leiði af sér atburð 2 og svo framvegis. Mikið hefur verið rætt og ritað um það hver hin raunverulegu tengsl eru milli slíks líkindareiknings og svo þess sem við sjáum í skammtafræðilegum tilraunum og í heiminum umhverfis okkur, en jafnvel Einstein viðurkenndi að eftir 50 ára vangaveltur þekkti hann ekki gott svar við þeirri spurningu.
Frægasta atriði skammtafræðinnar er líklega svonefnt óvissulögmál Heisenbergs, kennt við þýska eðlisfræðinginn Werner Heisenberg (1901-1976). Samkvæmt því er til dæmis ekki hægt að ákvarða bæði stað og hraða einhverrar agnar á sama tíma með eins mikilli nákvæmni og vera skal, heldur er margfeldi óvissunnar í stað og óvissunnar í hraða alltaf stærra en ákveðin föst tala. Til þess að við getum sagt fyrir um hreyfingu agnarinnar með ótakmarkaðri nákvæmni er hins vegar nauðsynlegt samkvæmt hefðbundinni aflfræði að unnt sé að mæla upphaflegan stað og hraða með eins mikilli nákvæmni og vera skal. Slíkar nákvæmar forsagnir eru því ógerningur samkvæmt skammtafræðinni. Þetta hefur mörgum þótt erfiður biti að kyngja, bæði þeim sem hafa kynnt sér skammtafræði sem leikmenn og eins sumum eðlisfræðingum sem hafa sökkt sér niður í furður skammtafræðinnar.
Segja má að skammtafræðin feli í sér heimspeki sem kenna má við löghyggju, það er að allt sem gerist lúti náttúrulögmálum. Hins vegar segja þau lögmál ekki fyrir um alla hluti samkvæmt skammtafræðinni. Hún fellur því ekki undir heimspeki nauðhyggjunnar, það er að allt sem gerist verði af nauðsyn. Aflfræði Newtons og ýmis önnur hefðbundin eðlisfræði fellur hins vegar undir slíka nauðhyggju sem varð því afar áhrifamikil á 19. öld og langt fram á þá tuttugustu, hvort sem menn gera sér það alltaf ljóst eða ekki. Má vel vera að það séu þessi meðvituðu og ómeðvituðu áhrif nauðhyggjunnar sem valda því að ýmsum veitist enn þann dag í dag býsna erfitt að skilja eða fallast á grundvallaratriði skammtafræðinnar.
