for bedre at forstå lidt om lys
eller omvendt: lidt om lys for bedre at forstå lidt tanker om kvanteteorien?
INDHOLD:
To spørgsmål til dig
Kvantespring
Rigtigt eller forkert?
Kvanteteorien: korrekt eller ej?
Lyset i kvanteteorien
Lysets hastighed
Lyset er det samme som elektromagnetisk stråling
Fotonen er superhelten med en dobbeltrolle i kvanteteoriens historie
Fotonen som bølge
Fotonen som partikel
Kvanteteoriens partikel-bølge paradoks
Kvanteteoriens opståen og udvikling
At være eller ikke være?
Relativisme eller komplementaritet
Deterministisk eller probabilistisk eller….
SUPERPOSITION INDENFOR KVANTETEORIEN
TO SPØRGSMÅL TIL DIG
Hvad har størst betydning:
A.
da mennesket tog de første skridt på månen,
eller
B.
da din nevø, din datter eller dit barnebarn tog de første skridt i sit liv?
Hvad giver flest buler på bilens tag:
A.
at det regner med 1000 popcorn ned på din bils tag,
eller
B.
at det regner med 1.000.000 popcorn ned på din bils tag?
Prøv at tænke lidt over, hvad de rigtige svar er.
I mens du overvejer dine svar, kan du lige læse lidt om, hvad et kvantespring kan være.
har givet os meget inspiration….
KVANTESPRING
I OVERFØRT BETYDNING
Det kan være et pludseligt stort fremskridt.
Som eksempelvis menneskets første besøg på månen.
Det vil også kunne kaldes et kvantespring, når mennesket engang lander på Mars.
Et kvantespring kan også referere til en helt ny udvikling.
Derfor kan et lille barns allerførste skridt også kaldes et kvantespring.
FAGLIG BETYDNING
En kvant er betegnelsen for en lille bitte mængde udelelig energi.
En kvant kan betyde det samme som energikvant, strålingskvant, lyskvant eller foton.
Kvanteteorien er teorien om fysikken for atomer og alt det der er mindre end atomerne.
Et kvantespring i kvanteteorien betyder:
en elektrons spring fra et energiområde (et baneområde / orbital)
til et andet energiområde (et andet baneområde / orbital)
rundt om den atomkerne, elektronen tilhører.
Hvorfor kaldes elektronens spring et “kvantespring”?
Det kunne da lige så godt kaldes et “elektronspring”!
Det kaldes et “kvantespring”, fordi elektronen enten modtager
eller afgiver energi i form af kvanter (= fotoner),
når den springer fra en position til en anden position.
Det er på grund af denne “energikvant” (= foton), at elektronen springer.
Derfor kalder forskerne det for et “kvantespring”.
Al det her med elektronens spring fandt den danske fysiker Niels Bohr ud af.
Niels Bohr fik en Nobelpris i 1922.
Læs evt. den uddybende artikel: Niels Bohr
Der var imidlertid rigtig meget, forskerne stadig ikke kunne forklare omkring elektronernes opførsel.
Meget tydede nemlig på, at atomverdenen bød på modstridende kendsgerninger…………
RIGTIGT eller FORKERT?
Vi mennesker er vant til at noget enten er korrekt eller ikke korrekt.
Vi mennesker er i hvert fald ikke vant til at tro på, at noget både kan være lige her foran os, og samtidig være et helt andet sted.
Tilbage til de to spørgsmål ovenfor.
Hvis du er sikker på, at du har de helt rigtige svar på begge disse spørgsmål, så skal du nok holde tungen meget lige i munden, hvis du vil prøve at forstå noget kvanteteori.
For uanset hvordan man vender og drejer spørgsmål 1, så må svaret afhænge helt af, hvem man spørger (og måske hvornår man spørger)?
Hvis man har et lille barn – eller tilknytning til et barn – så må dette barns første skridt forhåbentlig betyde mest.
Hvad giver flest buler på bilens tag: 1.000 eller 1.000.000 popcorn?
Spørgsmål 2 bør besvares sådan:
lige meget hvor mange popcorn, der regner ned på taget af bilen, så kan de ikke giver buler (men bilen kan godt blive lidt fedtet af popcorn).
En bils tag bliver normalt heller ikke bulet, uanset om der kommer få eller mange hagl fra himlen.
Kun hvis haglene er store og tunge nok, kan de give buler.
Og i så fald er en enkelt nok til at lave en bule på bilens tag.
De to spørgsmål du lige har besvaret, og den antagelse, at vi mennesker har svært ved at forstå, at noget kan være to steder på én gang, bør være med til at skærpe din opmærksomhed.
Du skal nemlig i den efterfølgende tekst være skarp på, om det kan være rimeligt at antage, at noget usandsynligt måske godt kan være rigtigt.
KVANTETEORIEN: korrekt eller ej?
Uanset om kvanteteorien er korrekt eller ej, så har den i ca. 100 år vist sig at være “uangribelig”.
Rundt omkring i verden har (især teoretiske) fysikere nemlig testet den i detaljer i takt med de udviklede forbedringsmuligheder for testningen.
Der er også oprettet kæmpe forsøgsanlæg med henblik på studier af netop kvanteteorien (fx. CERN).
Teorien holder!
Endnu!
LYSET I KVANTETEORIEN
Niels Bohr har været med til at udtænke kvanteteorien.
(1887-1962)
Niels Bohr har udtrykt: den der helt forstår kvanteteorien, har nok ikke forstået ret meget.
Men den holder altså til alle de afprøvninger, den har været udsat for:
Samtidig er den temmelig uforståelig, også ifølge Niels Bohr himself.
Dette paradoks skal de to indledningsvis stillede spørgsmål være med til at sætte fokus på, fordi:
teoriens påstande vedr. “lys” er på én gang umulige i den almindelige fysiske velforståede og velbeviste verden og samtidig påstande, der tilsyneladende fungerer i virkeligheden.
Selv om det hele er så dejlig svært at forstå, så er det faktisk ikke helt umuligt at lære noget……….
akkurat ligesom det er svært at besvare spørgsmål 1,
og at det er mærkeligt, at mængden af noget kan være uden betydning som i spørgsmål 2.
Men hvis du er sikker på, at du har de helt rigtige svar på spørgsmål 1 og 2, så skal du altså nok holde tungen meget lige i munden, hvis du vil prøve at forstå noget kvanteteori (jf. Niels Bohr 🙂 ).
Sagt på en anden måde:
at forstå alt om lyset og lysets påvirkninger er helt umuligt for en enkelt hjerne.
Som astronom, dr. scient Erik Høg skriver, så tog det videnskaben (og rigtig mange forskere) mange hundrede år at forstå lyset.
Derfor er det nok soleklart, at vi almindelige mennesker ikke sådan lige er i stand til at forstå det, videnskaben nu forstår.
Det er måske yderligere endnu mere besværligt for os at forstå, hvad videnskaben selv stadig ikke har klarhed over.
Der er nemlig rigtig mange uafklarede paradokser i kvanteteorien.
Men det er vel også med til at gøre det hele så utrolig spændende, ikke?
Under alle omstændigheder skal du føle dig helt normal og velbegavet, hvis det hele ikke ligesom falder på plads, første gang du læser det….eller 2. gang..
Tilbage til lyset:
LYSETS HASTIGHED
DET ER SIKKERT OG VIST at lyset bevæger sig med en bestemt hastighed.
DER VAR ENGANG, hvor man troede at lyset ikke havde nogen hastighed.
Man troede, at lyset var uendeligt.
Men Ole Rømer (også en dansker) fandt frem til, at lyset har en defineret hastighed.
(1644-1710)
I dag ved vi, at lysets hastighed er 299.792.458 meter pr. sekund.
Vi ved også, at det er det hurtigste, der findes i Universet.
Derfor er der ikke noget at sige til, at man tidligere troede, at lyset var uendeligt.
For lysets hastighed er meget hurtigt!
Forskere forsøger imidlertid hele tiden at finde frem til partikler, som måske er hurtigere end lyset.
Det er dog ikke lykkedes endnu (2025).
LYS er det samme som ELEKTROMAGNETISK STRÅLING
Nogle skønne nørdede og meget velbegavede drenge i 9. klasse (2016) ændrede både min forståelse for og undervisning i elektromagnetisk stråling.
Vi udarbejdede sammen noget undervisningsmateriale, og efterfølgende elever har medvirket til at forbedre materialets tekst og illustrationer.
Ideen med et altid opdateret undervisningsmateriale om “Elektromagnetisk stråling og partikelstråling” her på fonderscience.com opstod.
Det er ordlisten til dette undervisningsmateriale, teksten i denne artikel linker til.
At al ELEKTROMAGNETISK STRÅLING er det samme som LYS, er en vigtig læring.
At al LYS er FOTONER, er også en vigtig læring.
At huske og at forstå disse sammenhænge gør det nemmere og sjovere både at undervise og at være elev, viste det sig.
Det har derudover vist sig, at nogle af mine elever fik AHA oplevelser på grund af informationer om kvanteteorien.
Andre elever forstod lidt bedre nogle af kvanteteoriens områder på grund af forståelsen for ovennævnte sammenhænge.
Se venligst overskriften til artiklen…..
Det er i hvert fald effekten af mine elevers tilgang, der er medvirkende til, at jeg nu har udarbejdet denne artikel.
FOTONEN er superhelten med en dobbeltrolle i kvanteteoriens historie
FOTONEN SOM BØLGE
Fotonens første rolle i lysets historie blev spillet som en bølge
Christiaan Huygens (1629-1695) mente, at lyset udbredes som bølger.
Thomas Young (1773-1829) udførte det allerførste dobbeltspalte-forsøg og så bølgerne.
Han benyttede sollyset og viste med forsøget, at lys er bølger.
Lyset som bølger var den almene opfattelse, selv om bl.a. Isaac Newton påstod, at lyset var partikler.
FOTONEN SOM PARTIKEL
Fotonens største superhelterolle blev spillet som en partikel
Isaac Newton var nok en af de første som beskrev lyset som en slags partikel.
Newton var i øvrigt ven med Huygens.
Men de var altså ikke enige om, hvad lys var.
Senere var Albert Einstein helt enig med Newton:
Einstein mente også, at lys er partikler, og IKKE bølger med en rummelig udbredelse.
Einstein forklarede i 1905, at disse små lyspartikler er små energikvanter.
Einsteins eksperimenter kunne vise, at lysets energi havde en sammenhæng med lyspartiklernes frekvens (og ikke lysets intensitet).
Lyspartiklerne blev dengang kaldt “korpuskler”.
Efter Einsteins konklusioner blev betegnelsen foton indført.
I dag ved vi, at fotonen netop er en lille bitte energipartikel.
Det er en vekselvirkningspartikel.
Det er en elementarpartikel: en boson.
Det er den partikel som bærer hovedrollen i elektromagnetisk stråling.
Det er energitransportøren i elektromagnetisk stråling.
Fotonen er elektromagnetisk stråling!
Men fotonen er altså også en bølge……….
KVANTETEORIENS partikel-bølge paradoks
I dag ved vi, at fotonen både kan beskrives som en vekselvirkningspartikel (uden masse ganske vist) og som en bølge med uendelig rumlig udstrækning (selv om vi ikke ser den).
Vi ved, at fotonen har bølgelignende tilstande og at den har partikellignende tilstande.
Derfor er det så forståeligt, at de mange forskere gennem tiderne har været dybt uenige.
Det var jo rigtigt, at lyset er bølger som kan strække sig uendeligt i verdensrummet.
Det var også rigtigt, at lyset er partikler (uden masse) som befinder sig på en bestemt position.
To egenskaber som er meget modsætningsfyldte.
To egenskaber som vist aldrig nogen sinde kan iagttages samtidig…
Derfor har forskerne været længe om at forstå lyset.
Albert Einstein fandt i 1905 frem til formlen, som kan beregne fotonens energi:
E = hf
h = Plancks konstant (enhed Js) = 6,63 x 10E-34 Js (eller 4,136 x 10-15 eV x s)
f = fotonens frekvens (1/s)
s = sekund
Selv om Einstein ikke godkendte, at fotoner (korpuskler) kunne være bølger, så godkendte han alligevel brugen af bølgebeskrivelsens frekvens i denne formel.
Einstein fastslog, at lysets energi er bestemt af fotonens frekvens og ikke fotonernes antal (intensitet).
Det kan sammenlignes lidt med spørgsmål 2 i begyndelsen af artiklen:
hvis hagl er små, vil de ikke gøre skade på bilens tag.
Uanset hvor mange hagl der rammer bilen.
På samme måde gælder det for fotonerne:
hvis fotonerne ikke har den tilstrækkelige energi, så kan de ikke løsrive en elektron fra en metaloverflade.
Uanset hvor mange fotoner, der rammer metaloverfladen.
Uanset hvor mange lommelygter, der fx. rettes mod metallet, så sker der ikke noget, hvis fotonernes energi er for lav.
At betragte den samme ting som både en partikel og en bølge var helt uforeneligt med den “normale” opfattelse af Universet i begyndelsen af 1900-tallet.
Albert Einstein blev ved med at mene, at der måtte være en anden forklaring end bølgeopfattelsen.
Men alle var dengang enige om, at lysets opførsel slet ikke passede ind i de kendte fysiske love.
Det gjorde elektronernes opførsel i øvrigt heller ikke.
I dag ved vi, at elektronerne også har både bølge- og partikelegenskaber.
Men det troede man ikke helt på, dengang kvanteteorien blev født.
KVANTETEORIENS OPSTÅEN OG UDVIKLING
Kvanteteorien opstod da Max Planck (1858-1947) i 1900 fandt frem til, at energi er kvantiseret i de små enheder.
Netop Plancks indsats ændrede en opfattelse af, at ALT skal kunne beskrives med den veletablerede “gammeldags” Newton-fysik.
Nu begyndte forskerne at indse, at der måske var en speciel fysik for atomer og det subatomare niveau.
En fysik med regler og naturlove som var forbeholdt netop de usynlige mindste fysiske partikler og deres (måske synlige) egenskaber.
Plancks konklusioner i 1900 bevirkede i hvert fald kvanteteoriens fødsel.
Men Max Planck var ikke præcis omkring definitionen af “energien”.
Det belyses først, da Einstein forklarede formlen E = hf (se ovenfor) i 1905.
Einstein kunne imidlertid ikke forklare elektronernes opførsel i atomet.
Det kunne Niels Bohr til gengæld i 1913.
Bohr forklarede atomet som en kerne med stationære baner = orbitaler rundt om.
Bohr mente, at elektronerne kunne afgive energi i form af fotoner.
De afgav fotoner, når de skiftede fra en “mere energirig position” til en “mindre energirig position”.
Men der herskede dengang stadig total forvirring i fysikverdenen:
var fotoner og elektroner bølger eller partikler?
Det var et diskussionsemne mellem de kloge fysikere.
Især Bohr og Einstein diskuterede dette emne i al offentlighed.
Først i 1925 bliver partikel-bølge problematikken opklaret:
Werner Heisenberg (1901-1976) og Erwin Schrödinger (1887-1961) finder frem til, at fotoner og elektroner kan beskrives både som partikler og som bølger.
Desuden mener Heisenberg, at begreberne STED og HASTIGHED slet ikke kan anvendes på samme måde for subatomare partikler, som for makroskopiske legemer.
I 1929 bliver kvanteteorien afsluttet med det klassifikationssystem som stadig er gældende:
De subatomare elementarpartikler inddeles i FERMIONER og BOSONER.
Se standardmodellen.
AT VÆRE ELLER IKKE VÆRE?
RELATIVISME eller KOMPLEMENTARITET
RELATIVISME
“Alt er relativt”
Alt skal ses i forhold til et eller andet, før det kan være sandt, værdifuldt eller betydningsfuldt
KOMPLEMENTARITET
To sider af samme sag kan både supplere (= komplettere) hinanden og samtidig udelukke hinanden.
Kvanteteorien har konkluderet, at beskrivelsen af et fysisk subatomar fænomen (fx. elektromagnetisk stråling) godt kan indeholde to modsætningsfyldte egenskaber (egenskaben at være både partikel og bølge).
Kvanteteoriens komplementaritetsprincip har desuden eksperimentelt påvist, at observationer på den ene egenskab (fx. bølgen) ikke kan iagttages samtidig med observationer på den anden egenskab (partiklen).
Alle er overbeviste om, at elektromagnetisk stråling ikke kun kan forklares som en partikelegenskab.
Alle er overbeviste om, at elektromagnetisk stråling ikke kun kan forklares som en bølgeegenskab.
De fleste fysikere er vist også enige om, at de to modsætningsfyldte egenskaber aldrig kan iagttages samtidig:
at det er eksperimentvalget der afgør, hvad observationsresultaterne fokusere på.
Disse modsætningsfyldte konklusioner overbeviste aldrig Albert Einstein.
Einstein blev ved med at tro på, at videnskaben nok skulle finde metoden til at vise begge egenskaber på samme tid.
Niels Bohr og Albert Einstein blev aldrig enige.
Men Niels Bohr var banebrydende i arbejdet med kvanteteoriens komplementaritetsprincip.
HEISENBERG
Heisenbergs støttede Bohrs opfattelse.
Heisenbergs ubestemthedsrelation er i dag kvanteteoriens udtryk for, at partiklerne i atomernes verden ikke er tilregnelige med hensyn til deres position og impuls.
DETERMINISTISK eller PROBABILISTISK eller?
PROBABILISTISK
at analysere og forstå usikkerheder og usandsynligheder på baggrund af sandsynlighedsteori og statistiske metoder
DETERMINISTISK
alt er omfattet af årsagsbetingede begivenheder
Den almene fysik (fysik på makroskala) er deterministisk.
Kvantefysik = kvanteteori (fysik på subatomar niveau) er indeterministisk.
SUPERPOSITION INDENFOR KVANTETEORI
Superposition er, når noget (fx. en foton eller en elektron) kan befinde sig i to/flere forskellige positioner/punkter på samme tid, selv om punkterne er adskilte og ligger langt fra hinanden.
Nu kommer det mest spændende, som vi lige kort omtalte ovenfor:
Selv om fx. en foton teoretisk kan beskrives som værende både en partikel og samtidig en bølge, så kan den kun observeres i den ene tilstand.
Enten observeres den som en partikel, eller den observeres som en bølge.
Det kommer helt an på observationen / observationsmetoden.
Det er sikkert og vist!
Og så er det, at fonderscience ikke kan lade være med at kombinere spørgsmålet stillet i begyndelsen af artiklen med den kvanteteoretiske superpositions teoretiske konklusion:
Det er da slet ikke – teoretisk umuligt – at se sit barn/barnebarn/oldebarn tage sine første skridt på månen, vel?