De grunnleggende prinsippene som styrer universets minste byggeklosser
Kvantemekanikk er den grenen av fysikken som beskriver atomer, elektroner, fotoner og andre subatomære partikler. Den ble utviklet på 1920-tallet av fysikere som Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born og Paul Dirac.
Det som gjør kvantemekanikk så merkelig – og fascinerende – er at den bryter radikalt med vår hverdaglige intuisjon. Partikler kan befinne seg i flere tilstander samtidig. Observasjon påvirker systemet. Fjerne partikler kan være korrelatert på måter vi ikke kan forklare klassisk.
Til tross for sin underlige natur er kvantemekanikk den mest nøyaktig bekreftede teorien i fysikkhistorien. Den forklarer alt fra hvordan transistorer i datamaskiner virker, til spektrallinjene fra stjerner milliarder av lysår unna.
Et av de mest forvirrende aspektene ved kvantemekanikk er at partikler – som elektroner og fotoner – ikke er enten bølger eller partikler. De er begge deler, avhengig av hvordan vi observerer dem.
Det klassiske eksperimentet som demonstrerer dette er dobbelspalte-eksperimentet: Skyt elektroner mot en skjerm med to spalter. Hvert elektron er én partikkel, men mønsteret som dannes bak skjermen er et interferensmønster – nøyaktig som om det var bølger som gikk gjennom begge spaltene samtidig.
Enda mer forunderlig: Hvis vi prøver å registrere hvilken spalte elektronen gikk gjennom, forsvinner interferensmønsteret. Selve observasjonen endrer utfallet.
De Broglies bølgelengde: λ = h / p
Der h er Plancks konstant og p er bevegelsesmengden
Interferensmønster fra dobbelspalte-eksperimentet
I kvantemekanikk kan et system befinne seg i en superstilling av flere tilstander på samme tid. Først når vi måler systemet "kollapser" det til én bestemt tilstand.
Det mest kjente tankeeksperimentet er Schrödingers katt: En katt i en lukket boks er, ifølge kvantemekanikk, i en superstilling av levende og død – inntil boksen åpnes og vi observerer.
For kvantedatamaskiner er dette gull verdt: En klassisk bit er enten 0 eller 1. En kvantebit (qubit) kan være i en superstilling av 0 og 1 på samme tid, noe som gjør det mulig å beregne mange muligheter parallelt.
Tilstandsvektor: |ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩
Der |α|² + |β|² = 1
Bloch-sfæren visualiserer qubit-tilstander
To kvantepartikler kan være sammenfiltret slik at de deler en felles kvantetilstand, uansett hvor langt fra hverandre de befinner seg. Måling av den ene partikkelen bestemmer øyeblikkelig tilstanden til den andre.
Einstein kalte dette "spooky action at a distance" og mente det beviste at kvantemekanikk var ufullstendig. Men eksperimenter – særlig John Bells banebrytende tester fra 1964 og fremover – har slått fast at sammenfiltringen er reell.
Sammenfiltring er ikke kommunikasjon raskere enn lyset (det kan ikke brukes til å sende informasjon), men er grunnlaget for kvantekryptografi og kvanteteleportasjon av kvantetilstander.
"Gud spiller ikke terning med universet" – Albert Einstein, som nektet å akseptere den grunnleggende tilfeldigheten i kvantemekanikk.
Sammenfiltrede partikler forblir korrelert uansett avstand
Werner Heisenberg formulerte i 1927 et av kvantefysikkens mest kjente resultater: Det er fundamentalt umulig å kjenne både posisjon og bevegelsesmengde til en partikkel med vilkårlig nøyaktighet simultant.
Dette er ikke en teknisk begrensning – det er ikke at måleinstrumentene er for grove. Det er en grunnleggende egenskap ved naturen. Jo mer nøyaktig vi kjenner posisjonen, jo mer usikker er bevegelsesmengden, og omvendt.
Det samme forholdet gjelder for energi og tid: En kvantetilstand som lever veldig kort tid, har stor usikkerhet i energi. Dette er grunnen til at virtuelle partikler kan "låne" energi fra vakuum i korte øyeblikk.
Heisenbergs usikkerhetsprinsipp: Δx · Δp ≥ ℏ/2
Der ℏ er den reduserte Plancks konstant
Schrödingers ligning er kvantemekanikkens "bevegelsesligning" – den beskriver hvordan kvantetilstanden til et system utvikler seg over tid. Den er kvantemekanikkens svar på Newtons 2. lov.
iℏ ∂|ψ⟩/∂t = Ĥ|ψ⟩
Der Ĥ er Hamilton-operatoren (total energi), |ψ⟩ er tilstandsvektoren, og ℏ er den reduserte Plancks konstant.
Den tidsuavhengige versjonen brukes for å finne energinivåene til atomer og molekyler, og er grunnlaget for kvantekjemi og materialteori.
Se hvordan disse prinsippene brukes i kvantedatamaskiner, kvantekryptografi og kvantemåling.
Opplev forskningsmiljøene i Norge som jobber med å fremme kvantemekanikkens grenser.
Finn utdanningsprogrammer i kvantemekanikk og kvantefysikk ved norske universiteter.