Kvanttimekaniikka on fysiikan perusteoria ja kvanttifysiikan osa-alue, jossa tutkitaan tapahtumia
atomaarisessa mittakaavassa. Moni tieteenala, kuten nanoteknologia, kvanttikemia ja hiukkasfysiikka ovat kehittyneet tästä alasta. Fysiikassa kvanttimekaniikkaa tarvitaan, sillä se käsittelee atomeja pienempiä hiukkasia, kuten photoneja ja elektroneja, mikä muuttaa fysiikan lakeja ja siten erottaa itsensä muusta fysiikasta.[1]
Historia
Niels Bohr
Kvanttimekaniikan synnyn voi ajoittaa 1920-luvulle, vaikka sitä ennen tiedettiin ilmiöitä, joita ei voitu selittää ennen kvanttimekaniikkaa.
Vuonna 1911 tanskalainen fyysikko Niels Bohr arvuutteli väitöskirjassaan luonnossa esiintyvän voimia, jotka eroavat perinteisistä mekaanisista voimista. Bohr esitti myöhemmin, että atomin sisällä vain tietyt elektroniradat ovat sallittuja, eli ne ovat kvantittuneita. Bohrin kvantittuneita ratoja pidetään ensimmäisenä askeleena kvanttifysiikassa.
Erwin Schrödingerin ja Werner Heisenbergin 1920-luvulla tehdyt teokset kvanttimekaanikasta pidetään olennaisina alan synnylle. Heisenbergin matemaattinen malli ja Schrödingerin yhtälö tekivät atomien ja hiukkasten tutkimisesta selkeämpää ja auttoivat alan myöhempää kehitystä. [2]
Termiä "kvanttimekaniikka" käytti ensimmäisenä saksalainen fyysikko Max Born artikkelissaan "Zur Quantenmechanick" vuodelta 1924.[3]
Kvanttimekaniikka on mahdollistanut ajan saatossa monia moderneja keksintöjä, kuten laserin, transistorin ja mikroprosessorin, joista teknologiset laitteet, kuten DVD-soittimet ja tietokoneet muodostuvat. Kvanttimekaniikkaa hyödyntämällä on myös kehitetty lääketieteellistä teknologiaa, kuten MRI sekä selitetty joitain biologisia ilmiöitä.[4]
Teoriaa
Kvanttimekaanikassa tarjotaan matemaattisia sääntöjä ja kaavoja hiukkasten ja atomimallin käyttäytymiseen. Vaikka sen tiloihin liittyy todennäköisyyksiä, se ei ole kuitenkaan tilastollinen teoria. Tätä ilmennetään Heisenbergin epätarkkuusperiaatteella , jonka mukaan luonnossa on aito, sisäinen epävarmuus, eli esimerkiksi hiukkasen paikkaa ja nopeutta ei voida mitata yhtä aikaa tarkasti.[5]
On tärkeä tietää ettei klassinen mekaniikka ja fysiikan lait päde samalla tavalla niin makroskooppisen pienellä tasolla.
Käsitteitä
Superpositio
Kvanttisuperpositio on käsite, jonka mukaan asia voi olla useassa tilassa yhtä aikaa. Kvanttimekaniikassa tämä merkitsee siis sitä, että hiukkanen voi olla kahdessa tilassa tai paikassa yhtä aikaa.
Superpositiota mitatessa mittaustuloksissa saadaan vain yksi mahdollisista tiloista. Sitä käytetään kvanttilaskennassa, ja etenkin kvanttitietokoneet käyttävät superpositiota hyväkseen suorittaaksen laskuja.
Schrödingerin kissa
Kokeessa laatikon sisällä on kissa, jossa 50 prosentin mahdollisuudella epävakaa radioaktiivinen ydin hajoaa tunnin aikana, käynnistyäen mekanismin mikä tappaa kissan. Koska kissa on laatikon sisällä eikä siten sen olotilaa voi todistaa, kissa on sekä kuollut että elävä samaan aikaan kunnes laatikon sisälle katsotaan.
Erwin Schrödingerin tunnetussa ajatuskokeessa esitetään kvanttimekaanikan epätäydellisyyttä ja niin sanottua superpositiota. Koe osoittaa, kuinka absurdi ja irtautunut kvanttimekaniikka on muusta fysiikasta.
Table of Contents
atomaarisessa mittakaavassa. Moni tieteenala, kuten nanoteknologia, kvanttikemia ja hiukkasfysiikka ovat kehittyneet tästä alasta.
Fysiikassa kvanttimekaniikkaa tarvitaan, sillä se käsittelee atomeja pienempiä hiukkasia, kuten photoneja ja elektroneja, mikä muuttaa fysiikan lakeja ja siten erottaa itsensä muusta fysiikasta.[1]
Historia
Vuonna 1911 tanskalainen fyysikko Niels Bohr arvuutteli väitöskirjassaan luonnossa esiintyvän voimia, jotka eroavat perinteisistä mekaanisista voimista. Bohr esitti myöhemmin, että atomin sisällä vain tietyt elektroniradat ovat sallittuja, eli ne ovat kvantittuneita. Bohrin kvantittuneita ratoja pidetään ensimmäisenä askeleena kvanttifysiikassa.
Erwin Schrödingerin ja Werner Heisenbergin 1920-luvulla tehdyt teokset kvanttimekaanikasta pidetään olennaisina alan synnylle. Heisenbergin matemaattinen malli ja Schrödingerin yhtälö tekivät atomien ja hiukkasten tutkimisesta selkeämpää ja auttoivat alan myöhempää kehitystä. [2]
Termiä "kvanttimekaniikka" käytti ensimmäisenä saksalainen fyysikko Max Born artikkelissaan "Zur Quantenmechanick" vuodelta 1924.[3]
Kvanttimekaniikka on mahdollistanut ajan saatossa monia moderneja keksintöjä, kuten laserin, transistorin ja mikroprosessorin, joista teknologiset laitteet, kuten DVD-soittimet ja tietokoneet muodostuvat. Kvanttimekaniikkaa hyödyntämällä on myös kehitetty lääketieteellistä teknologiaa, kuten MRI sekä selitetty joitain biologisia ilmiöitä.[4]
Teoriaa
Kvanttimekaanikassa tarjotaan matemaattisia sääntöjä ja kaavoja hiukkasten ja atomimallin käyttäytymiseen. Vaikka sen tiloihin liittyy todennäköisyyksiä, se ei ole kuitenkaan tilastollinen teoria. Tätä ilmennetään Heisenbergin epätarkkuusperiaatteella , jonka mukaan luonnossa on aito, sisäinen epävarmuus, eli esimerkiksi hiukkasen paikkaa ja nopeutta ei voida mitata yhtä aikaa tarkasti.[5]
On tärkeä tietää ettei klassinen mekaniikka ja fysiikan lait päde samalla tavalla niin makroskooppisen pienellä tasolla.
Käsitteitä
Superpositio
Kvanttisuperpositio on käsite, jonka mukaan asia voi olla useassa tilassa yhtä aikaa. Kvanttimekaniikassa tämä merkitsee siis sitä, että hiukkanen voi olla kahdessa tilassa tai paikassa yhtä aikaa.
Superpositiota mitatessa mittaustuloksissa saadaan vain yksi mahdollisista tiloista. Sitä käytetään kvanttilaskennassa, ja etenkin kvanttitietokoneet käyttävät superpositiota hyväkseen suorittaaksen laskuja.
Schrödingerin kissa
Kokeessa laatikon sisällä on kissa, jossa 50 prosentin mahdollisuudella epävakaa radioaktiivinen ydin hajoaa tunnin aikana, käynnistyäen mekanismin mikä tappaa kissan. Koska kissa on laatikon sisällä eikä siten sen olotilaa voi todistaa, kissa on sekä kuollut että elävä samaan aikaan kunnes laatikon sisälle katsotaan.
Erwin Schrödingerin tunnetussa ajatuskokeessa esitetään kvanttimekaanikan epätäydellisyyttä ja niin sanottua superpositiota. Koe osoittaa, kuinka absurdi ja irtautunut kvanttimekaniikka on muusta fysiikasta.