KVANTTIFYSIIKKA 1900-luvun fysiikan kaksi merkittävintä saavutusta: kvanttifysiikka ja suhteellisuusteoria todellisuus ei arkikokemuksen tavoitettavissa kvanttifysiikka kvanttimekaniikka (1920-luku)

ja etäisyysskaaloissa MILLAISTA ON AINEEN PIENIMPIEN OSASTEN LIIKE? liike lyhyissä aika- ja etäisyysskaaloissa KVANTTIFYSIIKKA - tarkin ja kattavin tieteellinen teoria - kaikki on pohjimmiltaan kvanttifysiikkaa Max Planck 1900: säteily syntyy energiapaketteina = kvantteina fotoni h-viiva = h/2 h h Planckin vakio

Aineessa on sähköisiä varauksia Aineessa on raskaita hiukkasia J.J. Thomson 1897: elektroni E. Rutherford 1909 kultalehdykkä alfa-hiukkanen = heliumydin Aineessa on raskaita hiukkasia 15000 km/s kulta-atomi 8000 x alfa-hiukkasta painavampi

vertaa: yksinkertaisin kysymys: millainen on vetyatomi? kun kysytään yksinkertaisia kysymyksiä, saadaan niihin täsmällisiä vastauksia … … ja seurauksena myös vastauksia syvällisiin, monimutkaisiin kysymyksiin vetyatomi  kvanttifysiikka  todellisuuden luonne Kopernikaaninen systeemi: Marsin rata suhteellisuusteoria: Maxwellin yhtälöt -kvanttimekaniikka: vetyatomi vertaa:

Niels Bohr 1911 ad hoc selitys: vain tietyt radat sallittuja ”planeettamalli” Maxwellin yhtälöt: liikkuva sähkövaraus säteilee ja menettää näin energiaa  rata epästabiili Niels Bohr 1911 ad hoc selitys: vain tietyt radat sallittuja kvanttiehto: nopeus x etäisyys = kokonaisluku

Energia = Energia2 - Energia1 valon kvantti fotoni Energia = Energia2 - Energia1 Energia1 energiatasot kvantittuneet = diskreetit fotonin energia  aallonpituus  spektri

. n=3 n=2 n=1 alin = ”perustila” energiatasot pääkvanttiluku … äärettömiin saakka . energiatasot n=3 n=2 n=1 alin = ”perustila” pääkvanttiluku

vetyatomin spektri koostuu viivoista: 1900-luvun alussa tunnettiin ns. Balmerin sarja  Bohrin malli ennusti aallonpituudet planeettamallista kvanttimekaniikkaan 1920-1925: Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Wolfgang Pauli kvanttien mekaniikka: miten kvantit liikkuvat Schrödingerin yhtälö 1925 kuvaa aaltoliikettä

 elektroni liikkuu kuten aalto … esim. kaksoisrakokoe interferenssi: aallot voivat joko sammuttaa tai vahvis- taa toisiaan … mutta ei kuten tavallinen aalto Schrödingerin yhtälön ratkaisu  - aaltofunktio on todennäköisyysaalto - kuvaa hiukkasen abstraktia tilaa

mittauksessa elektroni löytyy tietyllä todennäköisyys = aaltofunktion neliö muoto riippuu kvanttiluvuista kts. demo, toinen demo elektronin etäisyys ytimestä mittauksessa elektroni löytyy tietyllä todennäköisyydellä tietyltä etäisyydellä

’epämääräinen tila’ esim: 70% 30% hiukkanen voi olla yhtä aikaa ’sininen’ ja ’punainen’ 70% 30% mittaustulos on tietyllä toden- köisyydellä ’sininen’ tai ’punainen’

SPIN kemia Wolfgang Pauli: elektroni on pieni magneetti eräs elektronin kvanttiluvuista Paulin kieltosääntö: kaksi elektronia ei voi olla täsmälleen samassa tilassa kemia

 = spin↑ + spin↓ spin puhtaasti kvanttifysikaalinen ominaisuus kvantittunut: spin ’ylöspäin’ tai ’alaspäin’ mutta: on myös epämääräinen spin-tila:  = spin↑ + spin↓ mittauksessa ↑ tai ↓toteutuu tietyllä todennäköisyydellä

Stern-Gerlach-koe

h Heisenbergin epätarkkuusperiaate hiukkasen paikkaa ja nopeutta energiaa ja aikaa jne ei voida mitata yhtä aikaa mielivaltaisen tarkasti seurausta aaltoluonteesta (ei siitä että esim. elektronia häiritään mittauksessa)

h energian epätarkkuus paikan epätarkkuus nopeus tunnetaan  paikka epätarkka paikka tunnetaan  nopeus epätarkka h nopeuden epätarkkuus ajan epätarkkuus

kvanttimekaniikan peruspostulaatit elektroni voi olla epämääräisessä tilassa mittauksessa kaikista mahdollisuuksista toteutuu yksi (aaltofunktiosta luettavalla todennäköisyydellä) kaikkea ei voi mitata yhtä aikaa mielivaltaisen tarkasti  ’aaltofunktion romahdus’ kaikki etäisyydet mahdollisia

kvanttimekaniikan tulkintaongelmissa täten 2 osiota: 1. kysymys epämääräisistä tiloista 2. mikä on mittaus? palataan asiaan …

kvanttifysiikka on  ei-deterministinen  kausaalinen samasta alkutilasta ei seuraa aina sama lopputila aito todennäköisyysluonne  kausaalinen syy edeltää aina seurausta Dirac 1928: suppeampi suhteellisuusteoria + kvantti- mekaniikka: Schrödingerin yhtälö  Diracin yhtälö Feynman, Schwinger, Tomonaga 1948: kvanttielektro- dynamiikka QED: Maxwellin yhtälöt + Diracin yhtälö

virtuaaliset hiukkaset elektronia ympäröi virtuaalisten fotonien pilvi  pieni mutta mitattava efekti

Heisenbergin epätarkkuusperiaate: energiaa voi lainata tyhjiöstä syntyy jatkuvasti virtuaalisia hiukkasia

kvanttifysiikka on koko tieteen historian paras ja ylivoimaisesti tarkin teoria! Esim: Energia n = 2 suht.teoria spin ydin virtuaaliset

satoja ilmiöitä, kaksi parametria: massa ja varaus vetyatomi selitetty viimeistä piirtoa myöten … … eikä pelkästään vain vetyatomi satoja ilmiöitä, kaksi parametria: massa ja varaus Esim. voima jolla elektroni kytkee magneettikenttään: kokeet: 1159.6521869 ± 0.0000041 teoria: 1159.6521535 ± 0.0000290 Helsinki – New York –etäisyys hiuskarvan tarkkuudella