Klassisk fysik I slutningen af 1800 tallet blev den klassiske fysik (mekanik og elektromagnetisme) betragtet som en model til udtømmende beskrivelse af den fysiske verden. Den klassiske fysik siges at være deterministisk. Newtons love: Enhver bevægelse kunne forudsiges, blot man kendte begyndelsesbetingelserne og de kræfter der virkede på et objekt. Gravitationsloven: Planetbaner kunne forudsiges ved at sammenholde Newtons love med gravitationsloven. Elektromagnetisme: Fysikken for elektricitet og magnetisme forenet i de såkaldte Maxwells ligninger. Med disse kunne man fx præcis forudsige hvordan roterende magneter kunne inducere elektrisk strøm. Newtons love danner sammen med Maxwells love og termodynamik grundlaget for den industrielle revolution. 1
Kvantefysik En atomar partikel beskrives ved en bølgefunktion Energierne (og flere størrelser) er kvantiserede (kun bestemte værdier mulige). Umuligt at kende alle detaljer om fx. sted og hastighed (ubestemthedsrelationer). Umuligt at forudsige hvordan en fysisk proces vil forløbe (kun sandsynligheder). Kvantefysik Atomare partikler en ikke lokal kan være teori i en ubestemt tilstand (superpositionsprincippet, partikel/bølge dualitet). Partikler kan være forbundet over afstande således at den ene påvirker den anden øjeblikligt (entanglement) En tilstand kan overføres fra en partikel til en anden over afstande (teleportation) 2
Lysets partikel bølge dualitet Er lys partikler eller er lys bølger? I nogle forsøg udviser lys bølgeegenskaber. Eksempelvis når lys går i gennem en dobbeltspalte eller et optisk gitter. Mønstret på skærmen kan fortolkes som interferens mellem to bølger der går i gennem hver sin spalte. I andre forsøg udviser lys partikelegenskaber. Et godt eksempel er pixelaktivering på et digitalkamera. Billedet til højre viser det samme som billedet til venstre, blot med et filter som reducerer lysstyrken. Hvis lyset opførte sig som bølge, ville det give den samme procentvise reduktion over hele billedet. I stedet for er nogle pixels lige så lyse som før, mens andre modtager intet lys. Dette kan forklares i en partikelmodel, idet lyset opfattes som partikler, som enten går i gennem filtret eller bliver absorberet. Denne dobbelttydighed eller dualitet i lysets egenskaber er ikke til at komme uden om. Hvordan lyset fremtræder for iagttageren afhænger af hvilket eksperiment er stillet op. De to måder at anskue lyset på er komplimentære, men udgør til sammen den fulde sandhed om lyset. 3
Lysets partikel bølge dualitet Det bliver værre endnu! Det er muligt at lave et dobbeltspalteforsøg hvor kun en enkelt foton udsendes ad gangen: Konklusionen må være at en foton går i gennem begge spalter på én gang og interfererer med sig selv! Udføres forsøget således at den ene spalte blokkeres, så forsvinder interferensmønstret. Ligeledes, hvis man prøver med måleudstyr at bestemme hvilken vej fotonen gik, forsvinder interferensmønstret! THIS IS REALLY WEIRD! 4
Fotoelektrisk effekt Det første eksempel på at bølgemodellen ikke var udtømmende Einsteins fotoelektriske lov: 5
Fotonens masse og impuls Fotonens partikelnatur betyder at den kan tildeles en (ækvivalent) masse: Fotonen tildeles også impuls: 6
Stofbølger Hvad med atomer, eller elektroner? Kan det tænkes at disse udviser bølgeegneskaber? Dette blev foreslået af Louis de Broglie, til forklaring af eksistensen af de stationære tilstande i Bohrs model. I de Broglie modellen skulle elektronerne opfattes som bølger rundt om atomkernen. Kun hvis bølgelængden af elektronen var sådan at elektronen ville interferere konstruktivt med sig selv, kunne tilstanden være stabil. 7
Stofbølgers bølgelængde Inspireret af fotonens bølgelængde impuls sammenhæng foreslog de Broglie: Hvad viser forsøg: Elektroner skydes på et grafitlag bestående af bittesmå grafitkrystaller. Krystallerne virker som refleksionsgittre. Elektronerne rammer efterfølgende en fluorescerende skærm. Der iagttages et interferensmønster. Dette kan forklares ved at betragte elektronerne som bølger. Vi må konkludere at både stof og lys har en dobbeltnatur, som manifesterer sig i partikel bølge dualitet. 8
Gå til opgave A og B på arbejdsark 9
Heisenbergs ubestemthedsrelationer Stoffets bølgeegenskaber har en slående konsekvens: Der er en fundamental grænse for, med hvor stor præcision det er muligt at bestemme en partikels impuls og position. Resultatet kaldes Heisenbergs ubestemthedsrelation. Hvis ubestemtheden i position kaldes x og ubestemtheden i hastighed kaldes p gælder at M.a.o. jo bedre positionen er kendt, jo mindre vides om hastigheden, og omvendt. OBS! Princippet har ikke noget med en eventuel måleusikkerhed at gøre, men sætter en grænse for hvilke spørgsmål om naturen vi kan få svar på. Der er flere ubestemthedsrelationer. Bl.a. en relation der knytter ubestemthed i energi til ubestemthed i tid: 10
Gå til opgave C og D på arbejdsark 11
Entanglement Entanglement er en ejendommelig sammenfiltring mellem partikler, der typisk stammer fra den samme fysiske proces. Partiklerne kan efterfølgende blive adskilt over lange afstande, men stadigvæk bevare denne sammenfiltring. Eksempel En foton absorberes af et såkaldt ikke lineært krystal. Krystallet kan falde til grundtilstanden ved udsendelse af to fotoner med lavere frekvens. De to udsendte fotoner udgør en samlet kvantetilstand, de er entangled. Der vil være en korrelation mellem de to fotoners polarisering. Det mystiske er nu, at i følge kvantefysikken vil de to fotoners polarisering være ubestemt fra starten af. Men måles den ene fotons polarisering, vil den anden foton øjeblikligt få fastsat sin polarisering, pga. entanglementet mellem de to! 12
Aspects forsøg I et berømt forsøg i 1982 blev kvantemekanikkens underlige natur demonstreret af Alain Aspect: 13
Teleportation Det er muligt at overføre en kvantetilstand fra en partikel til en anden partikel (fx langt væk) Processen kaldes kvanteteleportation og er eksperimentelt verificeret for fotoner. En bestemt fotons polarisationstilstand overføres 14