Kvantemekanikken er den gren af fysikken, som beskriver, hvordan universets mindste byggesten opfører sig og interagerer.
FN har udnævnt 2025 til det internationale år for kvanteforskning og -teknologi. 2025 markerer nemlig, at det er 100 år siden, udviklingen af kvantemekanikken begyndte.
Jacob Wüsthoff Linder, som er professor ved Institut for Fysik ved Norges teknisk-naturvidenskabelige universitet (NTNU), synes, det er fremragende, at kvantemekanikkens 'fødselsdag' bliver fejret.
»Det handler ikke kun om, at kvantemekanikken giver os en rigtig forståelse af, hvordan naturen fungerer, men også at det har ført til konkrete anvendelser,« siger han.
Men hvorfor betragtes 1925 som kvantemekanikkens 'fødselsår'?
En vigtig ligning
»Man kan måske argumentere for, at de første frø til den kvantemekaniske teori blev sået lidt tidligere i det 20. århundrede,« siger Jacob Wüsthoff Linder.
Dengang blev der gjort opdagelser, der indikerede, at energi kunne opdeles i pakker, eller kvanter, uden glidende overgange.
Max Planck, Albert Einstein og Niels Bohr stod for en række vigtige bidrag.
»Men det er helt fint at sige, at der for 100 år siden virkelig blev fyret op under kvantemekanikken,« siger Jacob Wüsthoff Linder, som tilføjer:
»En af de ting, der skete dengang, var, at Schrödinger-ligningen blev udviklet. Den er udgangspunktet for meget af det, der beskrives af fysik i kvantemekanisk teori.«
Både bølge og partikel
Hvad fortalte denne ligning os?
Kvantefysikken bryder med, hvordan vi normalt opfatter verden, siger Jacob Wüsthoff Linder.
»Vi er vant til at tænke på ting som en fodbold eller et glas som noget fast eller som en sammensætning af mange partikler. I kvantemekanikken kan stof beskrives som bølger. Det er helt anderledes.«
De mindste ting, som elektroner og atomer, opfører sig både som bølger og partikler.
»Schrödinger-ligningen beskriver de bølgeegenskaber, som stof eller masse har.«
Det resulterer i nogle mærkelige egenskaber.
Lader sig ikke måles nøjagtigt
I den klassiske forståelse af fysik er universet forudsigeligt.
»Vi kan beregne meget præcist, hvor en partikel befinder sig til enhver tid, hvor den bevæger sig hen, hvilken hastighed den har, og så videre.«
I kvantemekanikken er partiklernes egenskaber mere usikre.
»Hvis man for eksempel laver en fuldstændig perfekt måling af en partikels position, så man ved præcist, hvor den er, så kan man alligevel slet ikke bestemme, hvor hurtigt den bevæger sig, og hvor den er på vej hen,« siger Jacob Wüsthoff Linder.
Det er Heisenbergs usikkerhedsprincip (også kaldt ubestemthedsprincippet).
»Alle egenskaber ved masser eller partikler kan ikke være entydigt bestemte ifølge kvantemekanikken.«
Så hvordan har vores viden om elektroner, atomer og lys' mærkelige adfærd været til nytte i løbet af de sidste 100 år?
1. Laser
En af de første ting, kvantemekanikken blev brugt til, var lasere, fortæller Jacob Wüsthoff Linder. Igen var det Einstein, der var tidligt på banen.
»Han opdagede noget, der hedder stimuleret emission. Det er princippet, som en laser er baseret på.«
Det var først i 1940'erne og 1950'erne, at man begyndte at undersøge, hvordan denne teori kunne omsættes i praksis. Teorien handler om, at elektroner i atomer kun kan have bestemte energiniveauer.
Hvis atomerne bestråles med lys med den helt rigtige frekvens, hopper elektronerne til et lavere energiniveau. De udsender så energi i form af lys med samme frekvens som den indsendte stråling.
»Det ender som en slags selvforstærkende effekt. Man bestråler et materiale med lys og skaber mere lys med præcis de samme egenskaber.«
Laserlyset bliver intenst, monokromatisk og går i en skarpt afgrænset retning.
Lasere bruges i dag til mange forskellige ting for eksempel til at lave præcise målinger, behandle hud- og øjensygdomme og i militæret.
»En mere hverdagsagtig anvendelse er laserlys, der bruges til at scanne madvarer i butikker,« siger Jacob Wüsthoff Linder.
Lasere bruges også i fiberkabler til at overføre datatrafik over internettet.
2. Transistorer
Den første transistor kom til verden i 1947. De blev kommercielt tilgængelige i slutningen af 1950'erne.
»Det er nok den anvendelse af kvantemekanikken, der har haft størst effekt på samfundet,« siger Jacob Wüsthoff Linder.
»Computere, mobiltelefoner og mange andre elektroniske gadgets bruger transistorer.«
Det er et lille kredsløb, der giver dig mulighed for at forstærke og styre elektriske signaler, forklarer Jacob Wüsthoff Linder.
Kvantemekanikken fortæller os, at elektroner i materialer findes i bestemte energiniveauer.
»Der findes visse energier, som er forbudte for elektroner at have. Det kaldes et hul. I en transistor bliver de forbudte energiniveauer brugt til at styre, hvor meget strøm der passerer igennem.«
Uden kvantemekanik ville nutidens teknologi se helt anderledes ud.
Så ville computerne stadig have været så store, at de fyldte hele rummet, siger Jacob Wüsthoff Linder.
3. MR-scannere
MR-scannere bruges til at tage detaljerede billeder af væv i kroppen. De bruger ikke røntgen og er derfor mere skånsomme. Metoden kan give bedre billeder af visse typer væv.
»MRI-scannere bruger kvantemekanik gennem en egenskab kaldet 'spin',« forklarer Jacob Wüsthoff Linder.
MR-scanneren skaber et stærkt magnetfelt, der får brintatomer i kroppen til at stille sig på en bestemt måde. Der udsendes radiostråling, som påvirker atomerne og får dem til at vride sig. Atomerne vender tilbage til deres oprindelige position og frigiver energi.
Det bruges til at give detaljerede billeder af forskelligt væv i kroppen.
4. LED-lys
»Det er ikke så længe siden, at man brugte pærer, der blev meget varme. Hvis man rørte ved lyspæren, kunne man let komme til at brænde sig,« siger Jacob Wüsthoff Linder.
I dag har vi LED-lys, som er meget mere energieffektivt. Effekten af LED-lys går hovedsageligt til at skabe lys, kun lidt går til at skabe varme.
»Igen er det kvantemekanikken, der gør LED-lys muligt, « forklarer Jacob Wüsthoff Linder.
Det handler igen om elektronerne og de tilladte energiniveauer.
En LED-pære består af en halvleder, der er fremstillet på en måde, hvor den ene del af materialet har et overskud af elektroner, og den anden del har et underskud af elektroner.
Lyset dannes, når elektroner med meget energi fra materialet med overskud af elektroner bevæger sin ind i materialet med et underskud af elektroner. Her vil elektronerne falde i energi, og den overskydende energi vil blive udsendt i form af lys.
Hvad kan det bruges til i fremtiden?
Det er svært at spå om fremtiden, siger Jacob Wüsthoff Linder, men der er tydeligvis stor interesse for kvantecomputere.
»Flere af de store aktører, IBM, Microsoft og Google, har investeret mange ressourcer i forsøget på at være de første til at skabe en brugbar kvantecomputer.«
Der er skabt computere, der opererer efter kvantemekaniske principper, men indtil videre er de ikke særligt anvendelige.
»Der er stadig lang vej igen, før vi har kvantecomputere, der er meget bedre til at gøre visse ting end de bedste konventionelle computere, vi har i dag.«
Men kvantecomputere kan blive store i fremtiden, hvis det lykkes, siger Jacob Wüsthoff Linder, som opfordrer os til at sætte os ind i kvantemekanikkens grundlæggende idéer.
»Det er en bizar, men også meget spændende måde at se verden på,« slutter Jacob Wüsthoff Linder.
©Forskning.no. Oversat af Stephanie Lammers-Clark. Læs den oprindelige artikel her.
