Kvanttimekaniikka

Kvanttimekaniikka on fysiikan haara, joka kuvaa tapahtumia myös atomaarisessa mittakaavassa, jossa klassinen mekaniikka ei päde. Kvanttimekaniikka tarjoaa matemaattisen pohjan ja kuvauksen erityisesti kolmelle asialle, joita klassinen mekaniikka ja klassinen elektrodynamiikka eivät selitä: kvantittuminen, aalto-hiukkasdualismi ja tilojen lomittuminen. Kvanttimekaniikka on monen kemianllisen teorian, kvanttikemia, hiukkasfysiikan ja tiiviin aineen fysiikan perustana.

Historiallisista syistä kvanttimekaniikalla tarkoitetaan usein koko kvanttifysiikkaa.

Kvanttimekaniikan historia

keräsi yhteen arvostetuita fyysikoita keskustelemaan kvanttimekaniikasta Viimeistään 1900-luvun vaihteessa oli epäilevimmillekin fyysikoille tullut selväksi, ettei klassinen mekaniikka riitä kaikkeuden täydelliseen kuvaamiseen. Mustan kappaleen säteily, valosähköinen ilmiö ja Comptonin sironta ovat esimerkkejä ilmiöistä, joita ei klassisen teorian tiedoilla osattu selittää. Albert Einstein paikkasi tilannetta makrotasolla erityisellä ja yleisellä suhteellisuusteoriallaan, mutta mikromaailman kummallisuuksille oli kehitettävä kokonaan uusi teoria, kvanttimekaniikka. Sen kehitykseen osallistuneista lukemattomista fyysikoista tunnetuimmat ovat Einstein, Max Planck, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Paul Dirac ja Wolfgang Pauli.

Kvantittuminen

Kvantittumisella tarkoitetaan jonkin fyysisen ominaisuuden arvoja silloin, kun ne ovat diskreettejä tavanomaisen jatkuvan arvon sijasta.

Jos ominaisuus voi saada ainoastaan jonkin perusarvon kokonaislukumonikertoja, tätä pienintä mahdollista väliä sanotaan kvantiksi. Kvantin koko vaihtelee järjestelmästä toiseen.

Aalto-hiukkasdualismi

Aalto-hiukkasdualismilla tarkoitetaan sitä, että kohteilla, joita on totuttu pitämään hiukkasina (elektronit, neutronit jne.) voidaan tavata aalloille tyypillistä käyttäytymistä, kuten interferenssiä. Toisaalta taas esimerkiksi valo, jota voidaan pitää sähkömagneettisena aaltoliikkeenä, osoittaa joissain tilanteissa (valosähköinen ilmiö, sironta) hiukkasmaisia piirteitä kuten liikemäärän ja energian esiintymistä tietyn suuruisina paketteina, joita kutsutaan kvanteiksi.

Yleisesti ottaen kvanttimekaniikassa oliot etenevät kuin aallot (kaikkia reittejä yhtäaikaisesti) ja vuorovaikuttavat kuin hiukkaset (yhdessä paikassa).

Tilojen lomittuminen

Tilojen lomittuminen tai kietoutuminen (engl. entanglement) tarkoittaa sitä, että on valmistettu kahden hiukkasen tila, jossa ainoastaan hiukkasten yhteisen tilan ominaisuudet tunnetaan. Tällöin yhden hiukkasen tilan mittaaminen tuottaa varman tiedon myös toisen hiukkasen tilasta. Pelkästään tämä ei tietenkään vielä olisi mitään uutta, mutta kvanttimekaniikan epätarkkuusperiaate tekee joidenkin suureiden yhtäaikaisen tarkan mittaamisen mahdottomaksi. Niinpä, jos mitataan tarkasti esimerkiksi toisen hiukkasen spinin yksi komponentti, paitsi että tiedetään automaattisesti myös toisen hiukkasen spinin vastaava komponentti, molempien hiukkasten mitatulle komponentille kohtisuorat komponentit muuttuvat epämääräisiksi, täysin riippumatta siitä, miten kaukana toinen hiukkanen on siitä hiukkasesta, jolle mittaus suoritetaan.

Kvanttimekaniikan vaihtoehtoisia formalismeja

Kvanttimekaniikkaa voidaan esittää useilla vaihtoehtoisilla tavoilla. Historiallisesti ensimmäisenä kehiteltiin matriisimekaniikka, jossa havaittavia suureita kuvataan ääretönulotteisilla matriisioperaattoreilla.

Seuraava versio oli niin sanottu aaltomekaniikka, jossa hiukkasen tilaa kuvataan aaltofunktiolla, joka toteuttaa keksijänsä mukaan nimetyn Schrödingerin yhtälönn. Aaltofunktion itseisarvon neliö kuvaa todennäköisyyttä löytää hiukkanen kyseisestä paikasta. Paul Dirac paranteli teoriaa johtamalla nimeään kantavan yhtälön, joka täyttää myös suppean suhteellisuusteoria vaatimukset.

Kolmas vaihtoehtoinen tapa kuvata kvanttimekaniikkaa on niin sanottu polkuintegraaliformalismiformalismi. Siinä todennäköisyydet lasketaan antamalla hiukkasen suorittaa prosessi kaikkia mahdollisia reittejä pitkin. Kutakin reittiä vastaa tietty amplitudi ja tapahtuman todennäköisyys on näiden amplitudien itseisarvon neliö.

Sitaatteja

'On turvallista sanoa, että kukaan ei ymmärrä kvanttimekaniikkaa.'

Richard Feynman

Katso myös

• Planckin vakio
• Schrödingerin kuva
• Heisenbergin kuva
• Vuorovaikutuskuva

Kirjallisuutta

Yliopistotason oppikirjoja

• (Sisältää lyhyen johdatuksen kvanttimekaniikkaan)

Yleistajuista kirjallisuutta

Aiheesta muualla

• Mittaaminen kvanttimekaniikassa, usein kysytyt kysymykset