Den här artikeln behöver fler eller bättre källhänvisningar för att kunna verifieras. Motivering: Det finns endast en not, och den gäller ett enda och för helheten perifert uttalande. (2016-08) Åtgärda genom att lägga till pålitliga källor (gärna som fotnoter). Uppgifter utan källhänvisning kan ifrågasättas och tas bort utan att det behöver diskuteras på diskussionssidan.
Kvantmekanik, även kallad kvantfysik eller kvantteori, är en grundläggande fysikalisk teori som beskriver materia och energi på atom- och subatomnivå. Den används bland annat för att beskriva atomer, molekyler och elektroner. Kvantmekaniska effekter ligger också bakom många egenskaper hos makroskopiska material, exempelvis metaller.
Till skillnad från klassisk mekanik anger kvantmekaniken i allmänhet sannolikheter för möjliga mätresultat snarare än resultatet av en enskild mätning. En annan grundläggande skillnad är Heisenbergs osäkerhetsprincip, som innebär att vissa par av fysikaliska storheter, exempelvis en partikels läge och rörelsemängd, inte samtidigt kan bestämmas med godtycklig precision.
Ett kvantmekaniskt system beskrivs av ett kvanttillstånd, som bland annat kan representeras av en vågfunktion. Kvantobjekt kan också uppvisa egenskaper som i klassisk fysik förknippas med både vågor och partiklar, ett fenomen som kallas våg-partikeldualitet.
Historik
Kring sekelskiftet 1900 visade flera experiment att den klassiska fysiken inte kunde förklara vissa fenomen. Bland dessa fanns:
År 1900 föreslog Max Planck att energin i svartkroppsstrålning är kvantiserad. Detta brukar ses som en utgångspunkt för utvecklingen av kvantmekaniken. Albert Einsteins teoretiska förklaring av den fotoelektriska effekten 1905, Niels Bohrs atommodell från 1913 och Louis de Broglies förslag 1924 att elektroner har vågegenskaper var viktiga steg i utvecklingen.
Kvantfysikens teori har sedermera utvecklats och kan förklara och kvantifiera effekter som den klassiska fysiken inte tar hänsyn till:
Fysikaliska storheter ("observabler") kan ibland endast anta vissa diskreta värden när ett system begränsas, som till exempel en atoms totala energi. Ändringar av dessa observabler kallas kvanta (från lat. quantum, antal), därav namnet kvantmekanik.
Vissa par av observabler, till exempel kan en partikels position och hastighet (i en viss riktning) aldrig mätas samtidigt med godtycklig precision (se Heisenbergs obestämdhetsrelation, komplementaritet).
Idag förekommer intensiv forskning för att framställa makroskopiska kvantsystem för att bland annat utvidga den fundamentala förståelsen av kvantmekaniken.
Vågfunktion
Vågfunktionen är fundamental inom kvantfysiken. Varje partikel har en vågfunktion som är ett komplextskalärfält i rum och tid. Vågfunktionen kan inte mätas direkt, däremot har partikeln ett antal mätbara storheter, observabler, som definieras med hjälp av kvantmekaniska operatorer. Dessa är bland annat position, rörelsemängd och hamilton-energi.
Kvantmekaniken ger en matematisk bild av naturen som inte helt står i samklang med den klassiska bilden av naturen. Fysikaliska system som är mycket små uppvisar förbryllande egenskaper som inte har någon motsvarighet i större fysikaliska system. Ett exempel på ett dylikt fenomen är tunnling, varvid en partikel kan befinna sig i ett, enligt klassisk fysik, förbjudet tillstånd. Ett exempel på detta är alfasönderfall av radioaktiva isotoper, då partiklar skickas ut från atomkärnan trots att de enligt klassisk fysik inte har energi nog att undkomma de starka krafterna i atomkärnan.
Bakgrunden till dessa besynnerliga fenomen i kvantmekaniken är att naturen, i dessa skalor, beskrivs enligt en sannolikhetsfördelning över olika fysikaliska tillstånd. Den kvantmekaniska vågfunktionen ger (vid multiplicering med sin komplexkonjugering) en sannolikhetsfördelning för en partikels position. Innan en mätning sker kan vi inte uttala oss om vilket tillstånd systemet befinner sig i – bara sannolikheten att finna systemet i de möjliga tillstånden. Vid en mätning av ett specifikt system erhålls, som resultat av mätningen, endast ett av dessa möjliga tillstånd. (Det genomsnittliga mätutfallet kallas väntevärde).
Ett exempel är platsbestämning av en elektron i ett givet ögonblick. Man uttrycker ibland saken så, att elektronen inte har någon bestämd position före mätningen, men får en position genom mätningen. Det kallas för att elektronens vågfunktion kollapsar -- omedelbart efter mätningen är elektronens sannolikhetsfördelning samlad i en enda punkt, nämligen den där elektronen hittades.
Hur vågfunktioner ändrar sig med tiden – den kvantmekaniska motsvarigheten till hur partiklar rör sig – beskrivs av Schrödingerekvationen.
Exempel på tolkningar
Köpenhamnstolkningen – Under utvecklingen av kvantmekaniken under 1920- och 1930-talen, diskuterades ämnet flitigt. Den tolkning som vann flest sympatisörer stod Niels Bohr för. Denna pragmatiska tolkning av kvantmekaniken kallas Köpenhamnstolkningen. Essensen är, något förenklat, att inget kan sägas om (kvant)fysikaliska system förrän en mätning gjorts. En partikel har helt enkelt inget bestämt läge förrän man försöker mäta det.
Flervärldstolkningen – I Hugh Everetts flervärldstolkning sägs varje tänkbart utfall av en mätning realiseras. Vid varje mätningstillfälle delar sig dock universum i lika många delar som antalet tänkbara utfall.
Dolda variabler – Denna tolkning hävdar att varje partikel har en dold variabel som anger vilket värde den kommer att ge vid mätning. John S. Bell bevisade dock 1964 ett teorem (Bells teorem) som säger att en lokal dold variabelteori ger observerbara skillnader mot kvantmekaniken. Experiment utförda av Alain Aspect med flera (1981–1982) visade att kvantmekaniken är korrekt.
Håll käft och räkna (från engelska: Shut up and calculate) – Denna "tolkning", som ibland sägs komma från Richard Feynman (även om han troligen inte sagt det), är närmast att betrakta som en avsaknad av tolkning. Kvantmekaniken är ett hantverk, som ger resultat som stämmer väl och att försöka tolka dem leder mer till filosofi än fysik.
Konsekvenser för vetenskapliga discipliner
Kvantmekaniken har fått stor betydelse inom flera vetenskapliga områden. Inom fysiken används den bland annat för att beskriva materiens och strålningens egenskaper på atomär och subatomär nivå. Inom kemin ligger kvantmekaniken till grund för beskrivningen av atomers och molekylers struktur och egenskaper.
Konsekvenser inom fysiken
Osäkerhetsprincipen
Heisenbergs osäkerhetsprincip innebär att vissa par av fysikaliska storheter, exempelvis en partikels position och rörelsemängd, inte samtidigt kan bestämmas med godtycklig precision. Principen är en grundläggande del av den kvantmekaniska beskrivningen och skiljer sig från den klassiska mekanikens deterministiska beskrivning.
Kvantisering
I kvantmekaniken kan vissa fysikaliska storheter endast anta bestämda, diskreta värden. Ett exempel är energinivåerna hos elektroner i en atom. När ett kvantsystem övergår mellan olika energinivåer kan energi avges eller upptas i form av fotoner. Kvantiseringen av energi var en central del av utvecklingen av kvantmekaniken och bidrog bland annat till förståelsen av atomernas linjespektrum och den fotoelektriska effekten.
Makroskopiska kvantfenomen
Kvantmekaniska fenomen förekommer även i makroskopiska system. Exempel är supraledning, superfluiditet och Bose–Einstein-kondensat. Dessa fenomen uppstår genom kvantmekaniska egenskaper hos stora mängder partiklar och kan observeras på makroskopisk nivå.
Illustration av Casimireffekten.
Casimireffekten är ett annat exempel på ett fenomen som kan beskrivas med kvantfältteori. Effekten innebär att två nära placerade ledande ytor kan påverkas av en mätbar kraft till följd av kvantfältens egenskaper.
Konsekvenser inom kemin
Orbitaler
Kvantmekaniken ger en matematisk beskrivning av elektroner i atomer och molekyler. I denna beskrivning används atomorbitaler för att beskriva de tillstånd som elektroner kan befinna sig i. Orbitalerna bestäms av kvantmekaniska tillstånd och kan användas för att beskriva elektronernas fördelning kring atomkärnan.
Exempel på elektrontätheter för olika orbitaler i väteatomen.
Begreppet orbital är centralt inom kvantkemi och används bland annat för att förstå atomers och molekylers struktur, kemisk bindning och grundämnenas kemiska egenskaper.
Kvantmekaniska beräkningar kan användas för att bestämma egenskaper hos molekyler och för att undersöka hur kemiska reaktioner kan äga rum. Sådana metoder är en viktig del av modern kvantkemi och beräkningskemi.
Tillämpningar
Kvantmekaniska teorier används för att förutsäga eller beskriva former och egenskaper hos material på molekylnivå, vilket används inom allt från proteinforskning och medicinutveckling till utveckling av halvledare och laserinstrument.
Bland de tillämpningar som utnyttjar mer grundläggande teorier i kvantmekanik finns kvantkryptering, kvantdatorn och kvantteleportering – där de två senare ännu befinner sig på grundläggande forskningsnivå.
Att formulera en kvantmekanisk beskrivning av gravitation eller kvantgravitation är en svår uppgift som ännu inte lyckats.
