De Verdens kvantedageller World Quantum Day, faller hvert år 14. april: i den amerikanske konvensjonen minner denne datoen om verdien av den fundamentale konstanten til kvantemekanikkintrodusert av Max Planck. Dagen er en merkedag født i 2021 som feires over hele verden for å øke bevisstheten om viktigheten av kvantefysikk – som studerer materiens oppførsel på skalaen til det uendelig små – har bidratt avgjørende til utviklingen av teknologier vi bruker hver dag: la oss for eksempel tenke på atomklokker som lar GPS-satellitter gi oss posisjonen vår i sanntid, eller på magnetisk resonansavbildning, for ikke å snakke om all elektronikk, som har sitt fundament i halvledernes kvanteegenskaper.
Verdens kvantedag feires 14. april: datoen er ikke tilfeldig
Det er en grunn til at Quantum Day feires i dag. Men for å forstå dette må vi se på kvantemekanikkens grunnleggende konstant, la Planck er konstantintrodusert i 1900 av Max Planck, åndelig far til kvantefysikken. Nettopp i det første året av det nye århundret fant den tyske fysikeren seg selv å kjempe med et tilsynelatende enkelt problem, men som han ikke kunne gi noe svar på: å beskrive fra et fysisk synspunkt hvordan kroppen sender ut stråling avhengig av deres temperatur. Alle eksperimentelle data unngikk ethvert forsøk på teoretisk beskrivelse, helt til Planck, drevet av desperasjon, formulerte en veldig risikabel hypotese: oppvarmede kropper sender ut stråling ikke som en kontinuerlig strøm av energi, men i diskrete «lyspakker».
Overraskende nok klarte Planck med denne hypotesen å perfekt forklare utslipp av kropper, og for dette vant han til og med Nobelprisen i fysikk i 1918. Men til en pris: hypotesen hans veltet alt kjent om materiens oppførsel i mikroskopisk skala. Plancks arbeid startet effektivt kvantefysikk. I verden av de uendelig små, virket det, noen mengder kan bare variere med «skatter» diskret i stedet for kontinuerlig. For å beskrive disse «hoppene», introduserte Planck en ny fysisk konstant – Plancks konstant, faktisk – som i dag regnes som en av naturens grunnleggende konstanter så vel som grunnlaget for kvantemekanikken.
Ok, men hva har alt dette med datoen å gjøre 14. april? Plancks konstant er angitt med bokstaven h og er verdt 6.626 · 10–34 J·s, men ved å bruke en måleenhet typisk for partikkelfysikk har vi h = 4,14 · 10–15 eV·s. Her ser du det 4.14? Ideen om å feire World Quantum Day 14. april kommer derfra, for i den amerikanske konvensjonen er denne datoen skrevet 4/14.
Hva er kvanter i fysikk
Tenk deg at du kjøper noe i butikken og må betale et visst beløp, la oss si 4.14 euro bare for å holde seg til emnet. Ta deretter ut en viss mengde mynter og betal beløpet ditt. Det er ikke en kontinuerlig strøm av kontantvaluta, men snarere «en viss mengde mynter»: du kan ikke veksle pengeverdi bortsett fra gjennom diskrete «pakker» som i dette tilfellet er nettopp myntene. Det samme skjer i kvanteverdenen: i visse situasjoner kan energi overføres via svært spesifikke mengder knyttet til Plancks konstant.
For eksempel er lys ikke som en kontinuerlig elv av energi, men består av mange fotoner, det vil si kvanta av lyssom hver bærer en mengde energi OG som avhenger av frekvensen f i henhold til følgende formel:
OG = h · f
Det sies at lysets energi er kvantisert. Denne egenskapen til lys har gjort det mulig å forklare fenomener som f.eksfotoelektrisk effektsom hadde grepet fysikere i flere tiår: den som gjorde det var ingen ringere enn Albert Einstein I 1905med en vitenskapelig artikkel som ga ham Nobelprisen i fysikk i 1921. Vel, kvantemekanikk kalles dette nettopp fordi det stammer fra oppdagelsen av at mange mengder i den mikroskopiske verden er kvantisert: en av dem, energien til elektroner i en atombane.
Anvendelsene av kvantefysikk i hverdagen
Kvantemekanikk har åpnet veien for å forstå en gigantisk masse av fenomener og har tillatt teknologiens fødsel som vi kan ta for gitt, men er gjennomgripende i vårt daglige liv.
La oss tenke oss om lasersom gjør det mulig optiske fibre og de har mange bruksområder i industrien (skjæring, sveising osv.), men også innen medisin (tenk på laserkirurgi eller tatoveringsfjerning).
Fortsatt i det medisinske feltet har kvantefysikk så mange bruksområder som vi snakker om nukleærmedisin. MR-maskinen, for eksempel, utnytter kvanteoppførselen til kjernefysiske spinn av hydrogenatomene i kroppen din.
Når du bruker GPS for å navigere drar du nytte av atomklokker montert om bord på satellitter som fungerer ved å måle svingningene til visse atomer med ekstrem presisjon. Uten disse klokkene ville GPS gi oss posisjonen vår med en usikkerhet på 11 kmsom effektivt gjør denne teknologien nesten ubrukelig.
Enheten du leser denne artikkelen på er også et produkt av kvantemekanikk. Transistorene som utgjør prosessoren som driver din enheten de fungerer nettopp takket være kvanteegenskapene til halvledere.
