Kvantefysikk, betegnelse på fysiske teorier som befatter seg med materiens og kraftfeltenes kvanteegenskaper, det vil si med det forhold at bestemte størrelser som inngår i beskrivelsen av materien og dens vekselvirkning, bare kan anta bestemte, kvantiserte, verdier og ikke kan forandre seg kontinuerlig fra en verdi til en annen.
Utvikling
Kvantefysikken regnes å ha oppstått med Plancks strålingslov, en hypotese fremsatt av Max Planck i år 1900 for å forklare den spektrale sammensetningen av varmestråling (svart stråling). Han antok at stråling som sendes ut fra et svart legeme eller et svart hulrom, sendes ut med alle mulige frekvenser, men slik at det til hver frekvens, ν, svarer en bestemt energimengde E = hν. Størrelsen h kalles Plancks konstant eller virkningskvantet og hν kalles et strålingskvant. Plancks strålingslov var i samsvar med eksperimentelle resultater, men stod ikke i sammenheng med andre fysiske teorier.
I 1905 forklarte Albert Einstein den fotoelektriske effekt på en tilsvarende måte. Det var da kjent at elektroner kan frigjøres fra et metall når det faller lys på metallet. Man hadde også oppdaget at energien til elektronene som ble sendt ut, ikke avhang av lysintensiteten, men bare av bølgelengden til lyset. Dette forklarte Einstein ved å tillegge lyset en slags partikkelnatur. Lyset eksisterte som fotoner eller energikvanter, og hvert kvant hadde en energi hν, som ved fotoelektrisk effekt ble overført til et enkelt elektron.
I 1913 fremsatte Niels Bohr en ny teori for atomets oppbygning. I Bohrs atommodell forestiller man seg at elektronene bare kan bevege seg i bestemte, såkalte stasjonære baner eller tilstander i et atom, nemlig slik at deres banespinn er et helt antall ℏ, hvor ℏ = h/2π. Hver bane representerer en bestemt elektronenergi, og overgangen fra en bane til en annen, et kvantesprang, finner sted ved at atomet mottar eller avgir energi i form av elektromagnetisk stråling. Frekvensen til denne strålingen er, på samme måte som ved svart stråling og fotoelektrisk effekt, bestemt ved ligningen E = hν, der E er den energi atomet har mottatt eller avgitt. Energiforskjellen mellom forskjellige baner lar seg beregne ut fra Bohrs atommodell. Derved forklares spektralseriene, det vil si det forhold at det fra en bestemt slags elektroner sendes ut lys eller stråling med frekvenser som står i bestemte forhold til hverandre. Også grunnstoffenes plassering i grunnstoffenes periodesystem og den kjemiske likhet som stoffer i den samme gruppen i periodesystemet viser, lar seg enkelt forklare ut fra denne modellen. Antagelsene, Bohrs postulater, som teorien bygde på, ble satt frem for å gi en beskrivelse av atomene i overensstemmelse med eksperimentelle resultater. De kom som et tillegg til Newtons bevegelseslover og Coulombs lov for vekselvirkninger mellom elektriske ladninger.
I 1924 foreslo Louis Victor de Broglie at materielle partikler kunne beskrives ved en bølgebevegelse, i likhet med at lys lot seg beskrive som kvanter med partikkelegenskaper. Ideen ble ført videre av Erwin Schrödinger, som 1925 utviklet en teori for beskrivelse av materien ut fra dens bølgeegenskaper. Teorien fikk betegnelsen bølgemekanikk. En partikkels bevegelse beskrives i denne teorien ved hjelp av en bølgefunksjon, en kontinuerlig funksjon av romkoordinatene og av tiden. Den verdi funksjonen antar, oppfattes som en bølgeamplitude, og kvadratet av denne amplituden på et bestemt sted til en bestemt tid angir sannsynligheten for å finne partikkelen på dette stedet. Bølgefunksjonen som skal brukes, må tilfredsstille bestemte matematiske krav. Den må blant annet være entydig, og må aldri anta uendelig store verdier. Den skal være slik at den tilfredsstiller en bestemt ligning, Schrödingers bølgeligning, som kan oppfattes som en modifisert form av en energiligning og gir uttrykk for at summen av den kinetiske og potensielle energien til et system er konstant. Når man beskriver elektronbevegelsen i et atom på denne måten, viser det seg at bølgefunksjonen bare kan anta bestemte former, såkalte egenfunksjoner. Til hver egenfunksjon svarer det en bestemt energi, en energiegenverdi, og et bestemt banespinn, en spinnegenverdi. Egenfunksjonene svarer således til de stasjonære tilstandene i Bohrs atommodell. Generelt kan bølgefunksjonen til et system være en superposisjon av egenfunksjoner. Men foretar man en måling, vil man alltid måle en av egenverdiene. Som regel vil et system, for eksempel et atom, befinne seg i grunntilstanden, tilsvarende egenfunksjonen med minst energi.
Like etter at Schrödinger hadde utviklet sin teori, foreslo Werner Heisenberg en annen teoretisk beskrivelse, matrisemekanikken, som ledet til samme resultater. Teorien ble utviklet videre av blant andre Max Born og Pascual Jordan. Wolfgang Pauli viste at de to beskrivelsesmåtene gav identiske resultater, og at den ene kunne utledes av den andre. Kvantemekanikk ble innført som en fellesbetegnelse.
Den nye teorien betegnet på en helt annen måte enn Bohrs atomteori et brudd med den klassiske mekanikk som bygde på Newtons lover. En viktig konsekvens av den nye teorien er begrepet sannsynlighet, som tilsynelatende bryter med loven om årsak og virkning. Ifølge kvantemekanikken kan forløpet av en prosess bare forutsies med en viss sannsynlighet. Etter den klassiske fysikk skulle man på grunnlag av nøyaktige observasjoner kunne foreta sikre beregninger av den fremtidige utvikling av et lukket system. I nær sammenheng med denne forskjellen står Heisenbergs uskarphetsrelasjon (usikkerhetsrelasjon) som sier at det til enhver fysisk størrelse finnes en komplementær størrelse, og at to slike størrelser ikke kan observeres helt nøyaktig samtidig. Dette betyr at det ikke var de slutningene man i den klassiske fysikk trakk av loven om årsak og virkning som var feil, men forutsetningen om å gjøre helt nøyaktige observasjoner, som, ifølge kvantefysikken, ikke lar seg realisere. Bohr utviklet dette videre ved komplementaritetsprinsippet. De synspunkter han gjorde seg til talsmann for, ble kritisert av blant andre Einstein, som mente at kvanteteorien i denne forbindelse ikke kunne gi uttrykk for en endelig og absolutt forståelse av materiens egenskaper.
Et brudd med den klassiske fysikk er også kvantefysikkens forestillinger om at partikler som inngår i beskrivelsen er uidentifiserbare. To like partikler kan ikke på et bestemt tidspunkt merkes, slik at man senere kan si hvilken som er hvilken. Derfor må sannsynligheten for å finne to like partikler i en bestemt posisjon og for å finne dem ombyttet, være den samme. Dette fører til at bølgefunksjonene i tallverdi må være uforandret om to like partikler bytter plass, men den kan skifte fortegn. En bølgefunksjon som ikke skifter fortegn ved et slikt ombytte, kalles symmetrisk. Skifter den tegn, kalles den antisymmetrisk.
Partikler med heltallig spinn beskrives ved en symmetrisk bølgefunksjon, de med halvtallig spinn ved en antisymmetrisk bølgefunksjon. Av dette følger pauliprinsippet som sier at to identiske partikler med halvtallig spinn ikke kan være i samme kvantemekaniske tilstand. Dette danner grunnlaget for å forstå grunnstoffenes periodesystem i kjemien. En viktig egenskap ved kvantemekanikk er at et system av for eksempel to partikler som er korrelert og beskrevet av en felles tilstand, forblir korrelert også om partiklene kommer langt fra hverandre. Dette betyr at om man måler på den ene partikkelen, vet man umiddelbart noe om den andre. Blant andre Albert Einstein tvilte på dette, og mente at korrelasjoner ikke kunne bestå over store avstander (vesentlig større enn atomære avstander, for eksempel noen meter). Dette er kjent som Einstein-Podolsky-Rosen-paradokset, EPR-paradokset. Men eksperiment utført av Alain Aspect med flere i 1982 viste at Einstein tok feil.
På samme måte som den klassiske mekanikk tjente som grunnlag for den statistiske beskrivelse av molekylenes bevegelse i termodynamikken og den kinetiske gassteori, Boltzmanns og Gibbs' statistikk, fulgte av kvantemekanikken to nye statistiske beskrivelser, Fermi-Dirac-statistikk og Bose-Einstein-statistikk. Se kvantestatistikk.
I 1928 formulerte Dirac en variant av kvantemekanikken for å beskrive relativistiske partikler, det vil si partikler som beveger seg med hastigheter meget nær lyshastigheten. For eksempel beskriver den relativistiske kvantemekanikk elektronenes bevegelse. Matematisk sett har Diracs ligning løsninger med negativ energi. Disse kan omtolkes slik at de svarer til antipartikler (se hullteori). De ville da registreres som positivt ladede partikler med for øvrig samme egenskaper som elektronet. Teorien fikk sin bekreftelse ved påvisningen av i 1932. Tilsvarende kan alle fundamentale fermioner, det vil si leptoner og kvarker, samt deres respektive antipartikler, beskrives ved hjelp av Diracs ligning. Diracs teori sammen med Maxwells beskrivelse av det elektromagnetiske felt, danner grunnlag for kvanteelektrodynamikken. I sin opprinnelige form var denne teorien ufullstendig. I den nyere omformingen, vesentlig tilrettelagt av Richard Feynman, Julian Schwinger og Sin-itiro Tomonaga i ca. 1948, innføres feltkvantisering, hvor også det elektromagnetiske felt tillegges kvanteegenskaper. Man oppnår derved en enhetlig beskrivelse av ladede partikler og deres vekselvirkning. (Se kvantefeltteori.)
Anvendelse, forente teorier
I kjerne- og elementærpartikkelfysikk brukes, som i atomfysikken, også en kvantefysisk beskrivelse. Ved siden av elektromagnetiske krefter og gravitasjonskrefter gjør det seg her gjeldende krefter for såkalt svak og sterk vekselvirkning. I slutten av 1960-årene lyktes det å formulere en forent (enhetlig) beskrivelse av svak og elektromagnetisk vekselvirkning, kalt elektrosvak teori. Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam og Steven Weinberg fikk i 1979 Nobelprisen i fysikk for denne teorien.
I begynnelsen av 1970-årene ble det også utviklet en teori, kvantekromodynamikk, for sterk vekselvirkning mellom kvarker, som kjernekreftene kan avledes av. Både elektrosvak teori og kvantekromodynamikk er i samsvar med eksperimenter, så langt man har kunnet måle. Disse to teoriene kalles med en felles betegnelse standardmodellen for elementærpartikkelfysikk.
Det har vært konstruert forslag til teori som går utover standardmodellen, for eksempel vil man gjerne ha med gravitasjon i en felles kvantefysisk beskrivelse av alle typer krefter i naturen. Mange fysikere mener at det finnes indikasjoner på at det eksisterer fysikk utover standardmodellen. For eksempel: Det at nøytrinomassene er svært små kan være en indikasjon på at det finns fysikk utover Standardmodellen. Men foreløpig (2015) er det ingen direkte bevis (eksperimentelt) for at dette er tilfelle. (Se også elementærpartikkelfysikk.)
Kvantefysikken bryter på en rekke områder med vante forestillinger og leder til resultater som ikke synes å være i samsvar med vår erfaring. Allerede i Bohrs atomfysikk finner man eksempler på dette. Bohr satte derfor som et krav til sin teori, et postulat, at man for store kvantetall eller ved en felles beskrivelse av et stort antall partikler skulle få samme resultat ut fra kvantefysikken som ved klassiske betraktninger. Dette postulatet kalles korrespondanseprinsippet. Det kan brukes og ble særlig i kvantefysikkens første tid brukt for å kontrollere at de kvantefysiske betraktningene var riktige. Vanligvis oppfattes det nå som et uttrykk for at den klassiske fysikk gir en beskrivelse av naturen som bare er tilnærmet riktig. Tilnærmelsen er god så lenge man beskriver et system av mange partikler (makrofysisk system) og dette beveger seg med en hastighet som er liten i forhold til lyshastigheten. For et system av et lite antall atomære partikler (mikrofysisk system) må man bruke en kvantemekanisk beskrivelse, og ved store hastigheter må man gjøre bruk av relativitetsteorien.
