Hyvin, hyvin pienten maailma on kummallisuuksien ihmemaa. Molekyylit, atomit ja niitä muodostavat hiukkaset eivät helposti paljastaneet salaisuuksiaan tiedemiehille, jotka kamppailivat atomien fysiikan kanssa 20-luvun alussa. Draamaa, turhautumista, vihaa, hämmennystä ja hermoromahduksia oli runsaasti, ja meidän on nyt, vuosisataa myöhemmin, vaikea ymmärtää, mikä oli vaakalaudalla. Se, mitä tapahtui, oli jatkuvaa maailmankuvan purkamista. Saatat joutua luopumaan uskomasta kaikkea, mitä luulit olevan totta jostain. Kvanttifysiikan pioneerien tapauksessa se merkitsi heidän ymmärryksensä muuttamista säännöistä, jotka määräävät aineen käyttäytymisen.
String energiaa
Vuonna 1913 Bohr kehitti atomille mallin, joka näytti jokseenkin aurinkokunnasta pienoiskoossa. Elektronit liikkuivat atomin ytimen ympäri ympyräradalla. Bohr lisäsi malliaan muutamia käänteitä – käänteitä, jotka antoivat heille joukon outoja ja salaperäisiä ominaisuuksia. Kierteet olivat välttämättömiä, jotta Bohrin mallilla olisi selitysvoimaa – eli jotta se pystyisi kuvaamaan kokeellisten mittausten tuloksia. Esimerkiksi elektronien kiertoradat kiinnitettiin rautatiekiskoiksi ytimen ympärille. Elektroni ei voinut olla kiertoradan välissä, muuten se voisi pudota ytimeen. Kun se pääsi kiertoradan alimmalle tasolle, elektroni pysyi siellä, ellei se hypännyt korkeammalle kiertoradalle.
Selkeys siitä, miksi näin tapahtui, alkoi tulla de Broglien ajatuksesta, että elektronit voidaan nähdä sekä hiukkasina että aaltoina. Tämä valon ja aineen aaltohiukkasten kaksinaisuus oli hätkähdyttävä, ja Heisenbergin epävarmuusperiaate antoi sille tarkkuuden. Mitä tarkemmin paikannat hiukkasen, sitä vähemmän tarkasti tiedät kuinka nopeasti se liikkuu. Heisenbergillä oli kvanttimekaniikan teoria, monimutkainen laite kokeiden mahdollisten tulosten laskemiseen. Se oli kaunista, mutta äärimmäisen vaikeaa laskea asioita.
Hieman myöhemmin, vuonna 1926, itävaltalainen fyysikko Erwin Schrödinger sai valtavan idean. Mitä jos voisimme kirjoittaa yhtälön sille, mitä elektroni tekee ytimen ympärillä? Koska de Broglie ehdotti, että elektronit käyttäytyvät kuin aallot, tämä olisi kuin aaltoyhtälö. Se oli todella vallankumouksellinen idea, ja se muokkasi ymmärrystämme kvanttimekaniikasta.
Maxwellin sähkömagnetismin hengessä, joka kuvaa valoa aaltoileviksi sähkö- ja magneettikentiksi, Schrödinger harjoitti aaltomekaniikkaa, joka voisi kuvata de Broglien aineaaltoja. Yksi de Broglien ajatuksen seurauksista oli, että jos elektronit olivat aaltoja, oli mahdollista selittää, miksi vain tietyt radat sallittiin. Nähdäksesi miksi tämä on totta, kuvittele, että kaksi ihmistä, Ana ja Bob, pitävät nauhaa. Ana nykäisee sitä nopeasti luoden aallon, joka liikkuu Bobia kohti. Jos Bob tekee samoin, aalto liikkuu Anaa kohti. Jos Ana ja Bob synkronoivat toimintansa, näkyviin tulee seisova aalto, kuvio, joka ei liiku vasemmalle tai oikealle ja jonka välillä on kiinteä piste, jota kutsutaan solmuksi. Jos Ana ja Bob liikuttavat käsiään nopeammin, he löytävät uusia seisovia aaltoja, joissa on kaksi solmua, sitten kolme solmua ja niin edelleen. Voit myös luoda seisovia aaltoja kynimällä kitaran kieleä eri vahvuuksilla, kunnes löydät seisovia aaltoja, joissa on eri määrä solmuja. Seisovan aallon energian ja solmujen lukumäärän välillä on yksi yhteen vastaavuus.
Syntymän perintö
De Broglie kuvasi elektronin seisova aalto ytimen ympärillä. Sellaisenaan vain tietyt värähtelevät kuviot mahtuisivat suljettuun ympyrään - kiertoradoihin, joista jokaiselle on tunnusomaista tietty määrä solmuja. Sallitut kiertoradat tunnistettiin elektroniaallon solmujen lukumäärästä, joista jokaisella oli oma ominaisenergiansa. Schrödingerin aaltomekaniikka selitti, miksi de Broglien kuva elektronista seisovana aaltona oli tarkka. Mutta se meni paljon pidemmälle yleistäen tämän yksinkertaisen kuvan kolmeen tilaulottuvuuteen.
Kuuden merkittävän artikkelin sarjassa Schrödinger muotoili uuden mekaniikkansa, sovelsi niitä menestyksekkäästi vetyatomiin, selitti kuinka niitä voidaan soveltaa tuottamaan likimääräisiä vastauksia monimutkaisempiin tilanteisiin ja osoitti mekaniikkansa yhteensopivuuden Heisenbergin mekaniikkansa kanssa.
Schrödingerin yhtälön ratkaisu tunnettiin aaltofunktiona. Aluksi hän ajatteli sen kuvaavan itse elektroniaaltoa. Tämä oli sopusoinnussa klassisten käsitysten kanssa siitä, kuinka aallot kehittyvät ajassa noudattaen determinismia. Kun otetaan huomioon niiden alkuperäinen sijainti ja nopeus, voimme käyttää niiden liikeyhtälöä ennustaaksemme, mitä tulevaisuudessa tapahtuu. Schrödinger oli erityisen ylpeä tästä tosiasiasta - siitä, että hänen yhtälönsä palautti jonkin verran järjestystä atomifysiikan aiheuttamaan käsitteelliseen sotkuun. Hän ei koskaan pitänyt ajatuksesta elektronien "hyppäämisestä" erillisten kiertoratojen välillä.
Heisenbergin epävarmuusperiaate kuitenkin tuhosi tämän aaltofunktion deterministisen tulkinnan. Kvanttimaailmassa kaikki oli sumeaa, ja elektronin ajan kehitystä oli mahdotonta ennustaa tarkasti, oli se sitten hiukkanen tai aalto. Kysymys tuli: Mitä tämä aaltofunktio sitten tarkoittaa?
Fyysikot hävisivät. Miten aineen ja valon aalto-hiukkaskaksoisuus ja Heisenbergin epävarmuusperiaate voitaisiin sovittaa yhteen Schrödingerin kauniin (ja jatkuvan) aaltomekaniikan kanssa? Taas tarvittiin radikaali uusi idea, ja taas joku sai sen. Tällä kertaa vuorossa oli Max Born, joka sen lisäksi, että hän oli yksi kvanttimekaniikan pääarkkitehdeistä, oli myös 1970-luvun rocktähden Olivia Newton-Johnin isoisä.
Born ehdotti oikein, että Schrödingerin aaltomekaniikka ei kuvannut elektroniaallon evoluutiota, vaan todennäköisyyttä löytää elektroni tässä tai tuossa paikassa avaruudessa. Ratkaiseessaan Schrödingerin yhtälön fyysikot laskevat, kuinka tämä todennäköisyys kehittyy ajassa. Emme voi varmuudella ennustaa, löytyykö elektroni täältä vai sieltä. Voimme antaa vain todennäköisyyksiä sen löytymiselle täältä tai sieltä, kun mittaus on tehty. Kvanttimekaniikassa todennäköisyys kehittyy deterministisesti aaltoyhtälön mukaan, mutta elektroni itse ei. Sama koe, toistettu monta kertaa samoissa olosuhteissa, voi antaa erilaisia tuloksia.
Kvanttisuperpositio
Tämä on aika outoa. Ensimmäistä kertaa fysiikassa on yhtälö, joka ei kuvaa jonkin esineeseen kuuluvan fyysisen aineen käyttäytymistä - kuten pallon tai planeetan sijaintia, liikemäärää tai energiaa. Aaltofunktio ei ole jotain todellista maailmassa. (Ei ainakaan tälle fyysikolle. Käsittelemme tätä hankalaa asiaa pian.) Se on neliö — sen absoluuttinen arvo, koska se on monimutkainen suure — antaa todennäköisyyden löytää hiukkanen tietystä pisteestä avaruudessa kerran. mittaus tehdään. Mutta mitä tapahtuu ennen mittausta? Emme voi kertoa. Sanomme, että aaltofunktio on monien mahdollisten elektronin tilojen superpositio. Jokainen tila edustaa paikkaa, jossa elektroni voidaan löytää heti, kun mittaus on tehty.
Mahdollisesti hyödyllinen kuva (kaikki ne ovat huonokuntoisia) on kuvitella itsesi pimeässä huoneessa kävelemässä seinää kohti, jossa roikkuu monia kuvia. Valot syttyvät, kun saavutat tietyn kohdan seinällä maalauksen edessä. Tietenkin tiedät, että olet sinkku, joka kävelee kohti yhtä maalauksista. Mutta jos olisit subatominen hiukkanen, kuten elektroni tai fotoni, kävelisit seinää kohti samanaikaisesti useita kopioita. Olisit monien teidän superpositiossa, ja vain yksi kopio saavuttaisi seinän ja saisi valot syttymään. Jokaisella kopiollasi on erilainen todennäköisyys päästä seinään. Toistamalla kokeilua monta kertaa nämä erilaiset todennäköisyydet paljastuvat.
Ovatko kaikki pimeässä huoneessa liikkuvat kopiot aitoja vai vain se, joka osuu seinään ja sytyttää valot? Jos vain se yksi on todellinen, kuinka muut ovat voineet osua seinään? Tämä vaikutus, joka tunnetaan nimellä kvanttisuperpositio, on ehkä oudoin niistä kaikista. Niin outo ja kiehtova, että se ansaitsee koko artikkelin.
