Välkomna till Kvantfysikens principer!

Välkomna till Kvantfysikens principer!
”If you think you understand quantum theory, you don’t understand quantum theory.”
Richard Feynman
”Quantum mechanics makes absolutely no sense.”
Roger Penrose
”If quantum theory is real, it signifies the end of physics as a science.”
Albert Einstein
”I do not like quantum mechanics, and I am sorry I ever had anything to do with it.”
Erwin Schrödinger
”It is often stated that of all theories proposed in this century, the silliest is quantum
theory. In fact, some say that the only thing that quantum theory has going for it is
that it is unquestionably correct.”
Michio Kaku

•
•
•
Information om kursen
Föreläsningar: Emma Wikberg
Räkneövningar: Thomas Kvorning
Kurshemsida: www.fysik.su.se/~emma/kvantprinciperna
Kontaktinformation
Schema
Skannade föreläsningsanteckningar
Info om schemaändringar m.m.
Betygskriterier
Gamla tentor
Examination: Skriftlig tenta + icke obligatoriska
inlämningsuppgifter (ger uppgift till godo på tentan, om
godkända)

Vad handlar kvantfysik om??
Kvantmekaniken behövs för att beskriva världen som den fungerar på den minsta skalan;
molekyler, atomer, elektroner, ljus, ...
Men allt vi ser är ju uppbyggt av dessa byggstenar!
Hur får olika typer av material sina egenskaper? Hur kan man förklara det periodiska
systemet? Varför lyser stjärnor? Varför blir vissa ämnen supraledande vid låg temperatur?
Hur fungerar radioaktivitet?

Kvantmekaniken är konstig!
”If quantum mechanics hasn't profoundly shocked you, you haven't understood it yet.”
Niels Bohr
På atomnivå beter sig saker och ting inte alls som man är van vid.
Kontraintuitivt! Man får vänja sig...
Kan man vara både död och levande samtidigt? Kan man gå igenom väggar?
Styrs allt av slumpen?
Finns det parallella universa? Beskrivs allt av vågor?
Låter flummigt (utnyttjas och misstolkas flitigt i new age-sammanhang), men...

• Enorm förklaringskraft
Kvantmekaniken är bra!
• Inget experiment har hittills motsagt kvantmekaniken;
och de har varit många och haft stor precision...
Feynman:
Som att bestämma avståndet mellan USA:s väst- och ostkust med
en noggrannhet av tjockleken hos ett hårstrå.
• Många tillämpningar
•
Och så är det kul! :)

Kvantmekanikens historia
Först en liten tillbakablick på klassisk fysik...
1800-talet: Termodynamiken utvecklad
(energiomvandlingar, tryck, temperatur,...)
1600-talet: Newtons rörelselagar, mekanik!
x(0) = ..., v(0) = ..., F = ma
x(t) =..., v(t) =...
Determinism!

1800-talet: En teori för ljuset (elektromagnetism) utvecklas;
1801, Youngs experiment: Ljuset uppvisar interferens!
1873, James Clerk Maxwells teori för det elektromagnetiska fältet
(ljus, UV-strålning, radiovågor, röntgenstrålning,...)
Ljuset är en våg!

Lord Kelvin, år 1900 (så här i efterhand något förhastat):
”There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and
more precise measurement.”
Bara ett par obetydliga detaljer som behöver redas ut...
Ljushastighetens konstans
(oberoende av hur observatören rör sig)
”Ultravioletta katastrofen”
(svarta kroppar förutsägs skicka ut alldeles
för mycket energi vid korta våglängder om
man använder den klassiska beskrivningen
av ljuset som en vågrörelse)
Modern fysik!
Einsteins relativitetsteori
Kvantmekaniken

Klassisk fysik
Planck och svartkroppsstrålningen
(UV-katastrofen):
Max planck 1900: Problemet löses
om energin bara kan skickas ut i
diskreta energipaket (”kvanta”).
E = n ∗ hν
Första steget mot kvantmekaniken!
h = ”Plancks konstant”
(Nobelpriset 1918)

Einstein 1905: Ljuset transporterar sin
energi i form av partiklar (”fotoner”)
med kvantiserad energi:
(Nobelpriset 1921)
Einstein och
fotoelektriska effekten:
Om ljuset är en våg borde elektronernas
kinetiska energi öka om vi använder en
starkare lampa (ökar ljusets intensitet).
Men:
Ekin oberoende av intensiteten,
men beroende av frekvensen!
E = hν

Men vänta nu...
Vad är ljus egentligen??
Vågor...? Partiklar...?
Varken eller! Kvantmekaniska ”partiklar” är något helt nytt. Ibland
är vågegenskaperna framträdande, ibland partikelegenskaperna.
”Våg-partikel-dualiteten” är central inom kvantmekaniken.
Gäller även för andra ”partiklar” än fotoner
(elektroner, protoner, atomer,...).
(Nästa föreläsning: dubbelspaltexperimentet)

Bohrmodellen (1913):
Kvantmekaniken tar form:
Niels Bohr: Elektronerna i en atom kan bara befinna sig i
specifika banor runt atomkärnan.
Energikvantisering igen! Förklarar atomernas linjespektra.
(Nobelpriset 1922)

Louis de Broglie 1924:
Om ljusvågor kan uppvisa partikelegenskaper,
kan väl partiklar uppvisa vågegenskaper!?
λ = h
p
OBS frisyren :)
”de Broglie-våglängd”
(Nobelpriset 1929)

Solvay conference 1927

Kvantdatorer
Högtemperatursupraledning
Tre utmaningar:
Göra beräkningar med kvanttillstånd (”qubitar”)
istället för att använda vanliga binära tal (bitar).
Kan göras idag, men hittills bara för väldigt små system.
Ingen teori utvecklad för att beskriva hur vissa material blir
supraledande vid relativt höga (>77K) temperaturer.
Kvantgravitation
Hur kan gravitationen beskrivas kvantmekaniskt?
Hur kombinera kvantmekaniken och allmän relativitetsteori?