I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics
/ Richard Feynman
Ja, hvad er egentlig kvantefysik? Mange har nok hørt ordene kvantemekanik og kvantefysik i den ene eller anden sammenhæng, nogle ved hvad de dækker over og færre endnu kan med rette hævde at forstå kvantemekanikken.
/Richard Feynman
Ofte bruges ordene kvantefysik og kvantemekanik i flæng, og det kan i sig selv være forvirrende. Så lad os starte med at slå fast, at kvantefysikken er de faktiske fysiske fænomener som finder sted i naturen mens kvantemekanikken er vores teoretiske beskrivelse - vores model - af de fænomener vi observerer. Helt parallelt til Newtons love, der beskriver hvordan objekter bevæger sig som følge af kraftpåvirkninger, er kvantemekanikken altså det teoretiske værktøj vi bruger til at beskrive og forudsige ting om kvantefysikken.
Tilbage til spørgsmålet ... Vi siger normalt, at kvantefysik er de fænomener vi observerer på naturens allermindste skala, dvs. på atomart og subatomart niveau. Og det var da også i kraft af mere og mere raffinerede eksperimenter inden for atomfysikken, at man i slutningen af 1800-tallet og starten af 1900-tallet blev bevidst om, at der var fænomener i naturen, som på ingen måde kunne redegøres for ved hjælp af de eksisterende teorier (som vi nu refererer til som "klassisk mekanik"). Dette til trods for tidens opfattelse af, at det naturvidenskabelige billede i al væsentlighed var komplet, og at der kun var uvæsentlige detaljer tilbage at afklare. Fælles for disse "knaster" i den naturvidenskabelige forståelse var, at de pegede i retningen af en diskretisering af naturen, at der var en nedre grænse for, hvor små enheder naturen kunne brydes op i og at vekselvirkningen mellem fysiske systemer ikke kunne være vilkårlig svag. Det stod i skarp kontrast til det klassiske paradigme, der var gennemsyret af en kontinuert opfattelse af naturen og dens fænomener: enhver ændring af et system kunne forklares ud fra systems tilstand umiddelbart inden ændringen indtraf, og processen kunne i princippet findeles i det uendelige i mindre og mindre tidsskridt.
I den klassiske fysik er der et kontinuert spektrum af tilstande og systemets tilstand udvikler sig kontinuert og forudsigeligt. Et eksempel er en svingning (venstre) beskrevet ved en sinus funktion. I modsætning hertil siger kvantemekanikken, at fysiske systemer kun har et diskret antal mulige tilstande og at systemet springer tilfældigt mellem disse (højre).
Nogle af de opdagelser der stillede spørgsmålstegn ved rækkevidden af den klassiske mekaniks gyldighed var [Kra02]:
Omvæltningen af fysikkens principper kulminerede med Niels Bohrs atommodel i 1913. Med afsæt i Plancks hypotese og resultaterne af de seneste udforskninger af atomets opbygning foretaget af Ernest Rutherford i Manchester, postulerede han at også atomet var kvantiseret.
Modellen gav en forklaring på de observerede diskrete atomare spektrallinjer, fordi den kun tillader et diskret antal mulige elektronovergange der kan føre til lysudsendelse, og essentielt for tilliden til modellens korrekthed var, at Bohr med udgangspunkt i postulaterne kunne udlede Rydbergs formel. Desuden muliggjorde kvantiseringen af atomet en forklaring på atomernes stabilitet, til trods for at klassisk elektromagnetisme forudsagde, at elektronerne på grund af deres accelererede bevægelse omkring kernen ville udsende energi og gradvis spiralere ind imod kernen.
Med sin atommodel lagde Bohr fundamentet for udviklingen af kvantemekanikken, der er det teoretiske sæt af lovmæssigheder som beskriver kvanternes dynamik. Kvante-postulaterne brød direkte med de klassiske principper og mødte derfor ikke så overraskende stor modstand i de videnskabelige kredse. Ikke nok med at man skulle opgive kontinuiteten af de fysiske processer, men dermed måtte man også give afkald på kausaliteten [Kausalitet indebærer, at der er et årsag-virkningsforhold imellem to begivenheder.]. Der var ikke længere nogen fast relation mellem et systems egenskaber til ét tidspunkt og egenskaberne på et kommende senere tidspunkt. Udviklingen af systemets egenskaber var ikke længere deterministisk [I et deterministisk verdensbillede er alle fremtidige begivenheder fastlagt ud fra fortiden. Alle udfald kan forudsiges med tiltrækkelig kendskab til den foregående situation.] og man kunne kun udtale sig og sandsynlighederne for fremtidige begivenheder givet den tidligere udvikling.
Selvom kvantemekanikkens ophav er i atomfysikken, så er det vigtigt at understrege, at intet i kvantemekanikken fundamentalt begrænser teorien til kun at beskrive atomernes verden. Tværtimod tyder alt på, at kvantemekanikken er universel og dermed kan beskrivelse alle fysiske systemer uanset størrelse. Derudover er den uden sammenligning den mest præcise fysiske teori vi har, og der er til dato ikke observeret uoverensstemmelser mellem de teoretisk forudsigelser og eksperimentelle data. De mest ekstreme tests er blevet foretaget inden for kvante-elektrodynamikken (QED). Eksempelvis har målinger bekræftet, at QED forudsiger størrelsen af det magnetiske moment af en elektrons spin med 12 decimalers nøjagtighed! Men hvordan kan vi overhovedet have en forventning om, at kvantemekanikken er universel? Har vi ikke lige beskrevet, at de kvantefysiske fænomener er diskrete, og at den teoretiske beskrivelse af deres dynamik er begrænset til at udtale sig om sandsynlighederne for det ene eller andet udfald? Og ved vi ikke af erfaring, at hverdagens begivenheder på makroskopisk skala er kontinuerte og tilsyneladende lader sig forudsige ud fra deterministiske lovmæssigheder? Vi kan trods alt styre rumsonder både til Månen og længere ud i Universet udenlukkende ved hjælpe af Newtons bevægelsesligninger. Er der ikke et misforhold, der afskriver kvantemekanikken som universel? Svaret er nej, fordi kvantemekanikkens beskrivelse af processor der involverer mange kvanter, konvergerer over i den klassiske mekaniks beskrivelse. At det forholder sig sådan skyldes den ekstremt lille værdi for Plancks konstant. Det betyder at kvante-effekterne kun træder tydeligt frem på atomart niveau mens de spiller en forsvindende rolle på dagligdagsskala.
Overgangen mellem den klassiske fysik og kvantefysikken. Tegning af Wojciech Zurek.
