Lys på (kvante-)spring: fra paradox til præcision

Transkript

1 Lys på (kvante-)spring: fra paradox til præcision Metrologidag, 18. maj, 2015, Industriens Hus Lys og Bohrs atomteori, 1913 Kvantemekanikken, Tilfældigheder, usikkerhedsprincippet Kampen mellem Bohr og Einstein Fra paradox til præcision Klaus Mølmer Professor, Institut for Fysik og Astronomi

2 Atomer og stjerner De kernefysiske processer i solens indre giver anledning til et bredt spektrum af stråling. Nogle frekvenser absorberes i de koldere gasser i solens atomosfære natrium Lysspektre er atomernes fingeraftryk.

3 Bohr s atommodel Postulater 1. Baner som i klassisk mekanik 2. Kun bestemte stabile baner 3. Elektronen springer mellem baner 4. Lysets energi E=h f = energiforskellen.

4 Bohrs atommodel kommer til kort Bohrs atommodel blev forkastet i 1925 fordi den ikke kan forklare andre atomer end brint! Partikler har bølgeegenskaber, bølgen passer i Bohrs baner. Louis de Broglie ( ) Men hvad er det, der bølger?

5 Schrödingers bølgeligning, ih d dt 2 (, ) h r t V ( r) ( r, t) 2m Erwin Schrödinger ( )

6 Hvad betyder bølgefunktionen? Klassisk bevægelse Bølgefunktionen Bølgefunktionen har størst værdier, der hvor partiklen er. Max Born ( )

7 Kvantemekaniske fænomener Atomer! Elektroner! Molekyler! Har partiklerne været to steder på samme tid?

8 En præcis teori for tilfældige resultater? ψ(x) 2 giver sandsynlighedsfordeling for at finde partiklen i punktet x. Den forudsiger energier og frekvenser meget præcist. Den forudsiger sandsynligheder og gennemsnit præcist! Men man kan ikke forudsige resultatet af en enkelt måling!

9 Nogle citater om kvantemekanikken Hvis kvanteteorien er korrekt, er det enden på fysik som videnskab. Albert Einstein Jeg bryder mig ikke om det, og er ked af jeg nogen sinde har haft noget med det at gøre Erwin Schrödinger

10 Præcisionsmålinger med kvantetilstande Ψ(t) Ukendt påvirkning Tilfældige måleresultater

11 Præcision med tilfældige kvantespring Et atomart kvantesystem kan være i flere tilstande på samme tid. Det udsender fotoner tilfældigt. Både grund og exciteret tilstand Både foton og ingen foton. og Ved måling træffes et tilfældigt valg Enten foton eller ingen foton. eller Sekvens af måleklik og kvantespring

12 Fangede atomare ioner - Wineland Nobelpris 2012 Michael Drewsen, AU

13 Ekstrem præcision fra tilfældige spring 10 20

14 Gå tæt på! Optisk probning er sensitiv (frekvens, intensitet, oscillationer) Men den rumlige opløsning er givet ved bølgelængden (μm) Krystal defekter: Kvanteniveauer og lokalisering 2-3 nm

15 Kvantemålinger på astronomiske begivenheder Optisk Michelson interferometer Mere lys bedre statistik Mere lys lystryk mere støj Kvantetilstande af lys bedre!

16 Afrunding Alt er lavet af atomer Atomfysikken er en smuk og præcis teori. som tillader os at tage stjernernes fingeraftryk. Fysikere er ikke enige om, hvad den betyder. Skulle vi en dag vågne op og indse at det hele blot havde været en drøm, da havde vi alligevel lært noget.

17 Schrödinger s rødkælk Rødkælken er en trækfugl. Den har et indre kompas. Hvordan virker det? Solen UV stråling exciterer molekylær tilstand med spin: > - > Jordens magnetfelt og felter i molekylet skifter energier > + > Spin tilstande afgør molekylets dissociation Sender signal molekyler til hjernen.

18 Hvad betyder bølgefunktionen? Wheelers drage Vi må være klar over, at når det drejer sig om atomer, kan sproget kun bruges som ved digtning. Også digteren bekymrer sig mindre om at beskrive fakta end om at skabe billeder og etablere mentale forbindelser.

19 Bølgefunktionens fortolkning Born: hyppighed Einstein: Tilfældig bevægelse? Schrödinger: Ægte bølge?