Lynakademiet Kvantemekanikk

Forstå kvantemekanikk på fem minutter

All materie, fra aminosyrene i kroppen din til fjerne stjerner i universet, består av de samme byggeklossene: Elementærpartikler. Kvantemekanikk er den vitenskapen som fysikerne bruker til å beskrive dem.

"Hvis ikke kvantemekanikk får det til å gå rundt for deg, kan du umulig ha forstått noe som helst".

Sitatet stammer fra Niels Bohr, en av kvantemekanikkens fedre. Og mye tyder på at den danske fysikeren hadde rett, for selv i dag, 100 år etter at teorien ble lansert, volder kvantemekanikk forskerne mye hodebry.

Kvantemekanikk er den delen av fysikken som beskjeftiger seg med partikler, som er mindre enn atomer. Når vi beveger oss ned i den størrelsesordenen, endrer de fysiske lovene seg, og det kreves derfor en egen vitenskap for å forklare hvordan alt henger sammen.

Kvantemekanikk, standardmodellen og teorien om alt

Kvantemekanikk består av flere deler, og noen er lettere å forstå enn andre.

Standardmodellen beskriver hva atomene er bygget opp av og samler altså bildet av atomets bestanddeler, som kvantemekanikken beskjeftiger seg med.

Standardmodellen kan forklare alt kjent stoff i universet, fra fjerne galakser til aminosyrene i kroppen din. Men ennå har det ikke lyktes forskerne å få tyngdekraften til å passe inn i modellen.

All materie i universet består av 12 elementærpartikler, fire kraftoverførende partikler og higgspartikkelen:

Kvarker, myoner og higgspartikler

Elementærpartiklene er de fysiske byggesteinene, som alle atomer i universet består av. Det finnes 12, men det er bare fire av dem som forekommer naturlig i dag – elektroner, elektronnøytrinoer, oppkvarker og nedkvarker. Resten eksisterte bare naturlig like etter Big bang, men siden er de blitt gjenskapt i en partikkelakselerator.

  • Elektron Har en negativ elektrisk ladning. De opptrer fritt eller er bundet i atomer.

  • Elektronnøytrino Er uten ladning og har svært liten masse. Opptrer ved radioaktivitet.

  • Oppkvark Alminnelig stoff består av opp- og nedkvarker samt elektroner. En kvark opptrer aldri isolert.

  • Nedkvark Protoner består av en ned- og to oppkvarker, og nøytroner av to ned- og en oppkvark.

  • Myoner Minner om elektronet, men er 300 ganger tyngre og er radioaktivt ustabil.

  • Myonnøytrino Ligner elektronnøytrinoet, men er litt tyngre, selv om den også er uhyre lett.

  • Sjarmkvark Veier tre ganger så mye som et proton og har positiv elektrisk ladning.

  • Særkvark Har negativ elektrisk ladning.

  • Taupartikkel Er 3500 ganger tyngre enn elektronet og har svært kort levetid.

  • Taunøytrino Er uten ladning. Svært lett, selv om det er litt tyngre enn andre nøytrinoer.

  • Bunnkvark Er fire ganger tyngre enn et proton. Dannes blant annet ved henfall av toppkvarken.

  • Toppkvark Er den tyngste elementærpartikkelen og veier nesten det samme som et gullatom.

De kraftoverførende partiklene holder byggesteinene sammen. De overfører de fire naturkreftene til atomene:

  • Fotoner Masseløs lyspartikkel som bærer den elektromagnetiske kraften.

  • Gluoner Binder kvarker sammen i elementærpartikler. Bærer den sterke kjernekraften.

  • W-og Z-partikler Bærer den svake kjernekraften. Veksler ved forskjellige former for radioaktivitet.

  • Graviton Menes å være bærer av tyngdekraften. Partikkelens eksistens er ennå ikke blitt bekreftet av forskerne, men jakten på den er i full gang ved CERN i Sveits.

I tillegg kommer higgspartikkelen. Den ble med 99,99 prosent sannsynlighet funnet i 2012. Partikkelen gir atomenes byggesteiner masse. Kvarker binder seg sterkere til higgspartikler og derfor er de tyngre enn for eksempel elektroner.

Forskerne jakter på skyggematerie

Med unntak av gravitoner er alle andre elementærpartikler blitt skapt av forskerne ved hjelp av partikkelakseleratorer. Startskuddet for jakten på de mystiske partiklene gikk etter at ombyggingen av CERNs store Large Hadron Collider var ferdig.

Forskerne er imidlertid overbevist om at det ikke er mulig å finne gravitoner. Derfor leter de i stedet etter skyggematerie, som skal påvise gravitonenes eksistens.

Hvilke klosser universet er bygget opp av, er den lett forståelige delen av kvantemekanikken. Det er adskillige vanskeligere å måle partiklene og beskrive egenskapene deres.

Hva er Schrödingers katt?

Visse egenskaper endrer nemlig karakter i det øyeblikket vi begynner å måle dem. Ifølge Niels Bohr kan man ikke lenger tildele dem romlig plassering og bevegelsesmengde fordi begrepene ikke gir mening lenger.

Et eksempel på det er paradokset om Schrödingers katt.

Paradokset om Schrödingers katt. Grafikk: Shutterstock

I et lukket rom har man en ustabil atomkjerne og en katt. En geigerteller måler atomkjernens henfall. Ved tegn på henfall frigis en dose med giftgass, som dreper katten.

Når atomkjernen er ustabil (i prinsippet både henfalt og ikke henfalt) i starten av forsøket, gjør den samme usikkerheten seg gjeldende for katten: Den befinner seg i en situasjon hvor den både er død og levende.

I det sekundet vi åpner kassen, ser vi en katt som enten er død eller levende. Altså har katten mistet den ene av sine egenskaper når vi åpner kassen for å se hvordan den har det.

Det faktum gir svært liten mening hvis man ser det fra en klassisk fysisk vinkel, altså ut fra de fysiske lovene vi kjenner til i hverdagen vår. Med vår fysiske forståelse kan en katt ikke være både død og levende – den er en av delene.

Men slik er store deler av kvantemekanikken satt sammen, og derfor holder sitatet fra Niels Bohr fortsatt vann:

Går det rundt for deg når du leser dette?

Følg jakten på partiklene

Vil du vite mer om hvordan forskerne leter etter universets minste byggesteiner i verdens største partikkelakselerator i CERN i Sveits?

  • Klikk på lenken nedenfor og se en video som viser hvordan det foregår.

Og husk å ta kvantequizen nedenfor og se hva du vet om kvarker og andre småtterier.

Tema

Les også

Kanskje du er interessert i...

FÅ ILLUSTRERT VITENSKAPS NYHETSBREV

Du får ditt gratis spesialtillegg, Vår Ekstreme Hjerne, til nedlasting straks du har meldt deg på nyhetsbrevet.

Fant du ikke det du lette etter? Søk her: