ТОП просматриваемых книг сайта:
Kvantefilosofi. Jan Faye
Читать онлайн.Название Kvantefilosofi
Год выпуска 0
isbn 9788771246179
Автор произведения Jan Faye
Жанр Философия
Издательство Ingram
Alt dette medførte en brat opvågning, da man omkring 1900 begyndte at studere atomet og dets opførsel. Det viste sig hurtigt, at de ontologiske principper, som hviler på hverdagslivets praktiske omgang med verden, og som lægger grunden for den klassiske fysik, ikke kunne genfindes blandt atomerne. Derfor er det ikke mærkeligt, at kvantemekanikken mødte skepsis og modstand fra fysikere og filosoffer.
BOHRS ATOMMODEL ANNO 1913
Da jeg var lille, havde man ikke så smarte vækkeure som i dag. Vågnede man om natten, stirrede man ikke ind i nogle røde tal på en digital klokradio, der signalerede, at man godt kunne tage et par timer mere under dynen, inden man blev vækket af en stigende bippip-lyd, eller morgenradioens I østen stiger solen op. I stedet fik man øje på nogle svagt selvlysende visere, der strittede grønligt i mørkets retninger. Og ud fra deres stilling gættede man sig til det ukristelige tidspunkt. Samme grønne stads fandtes også på armbåndsure. Faktisk var mit første ur på håndleddet netop et sådant, og når jeg under dynen stirrede på de selvlysende visere, kunne jeg på klos hold se små bitte lysglimt, der tændtes og slukkedes som mikroskopiske sankthansorme. De diminutive blink hidrørte fra alfapartikler, dvs. heliumkerner, der blev udsendt fra atomerne på visernes overflade.
Forklaringen er kort den, at urenes visere var malet med en radioaktiv radiumluminescens bestående af radium og zinkoxid. De udsendte alfapartikler afsatte deres bevægelsesenergi i materialet i form af anslåede elektroner i en højere energitilstand, som så henfaldt til en lavere energitilstand under udsendelsen af lys. Ingen klassiske teorier kan beskrive fænomenet. Der krævedes en helt ny teori for atomerne, og den tog sin begyndelse, mere end halvtreds år før jeg lå og undredes over glimtene fra mit armbåndsur.
1913 blev et skelsættende år for fysikken. Det år lykkedes det for den danske fysiker Niels Bohr at opstille en fysisk model for brintatomet. Modellen tog udgangspunkt i den skitse af atomet, som Ernest Rutherford (1871-1937) havde tegnet et par år før på baggrund af resultaterne af en række forsøg, som Hans Geiger (1882-1945) (ham med geigertælleren) og Ernest Marsden (1889-1970) under Rutherfords opsyn havde udført i 1909. Forsøgene bestod i at sende alfapartikler mod et tyndt guldfolie og så se, hvad der skete. På den tid kendte man radioaktive stoffer. Udviklingen var gået hurtigt, siden Henri Becquerel (1852-1908) i 1896 havde opdaget, at fluorescerende mineraler udsendte stråling uden anvendelse af ydre energikilder. Der gik ikke mange år, før Rutherford gennemskuede, at spontan radioaktiv stråling bestod af tre forskellige slags, som han kaldte for henholdsvis alfa, beta og gamma.
Samme år som Becquerel for første gang iagttog naturlig radioaktivitet, fandt den engelske fysiker Joseph John Thomson (1856-1940), at strålingen i et katoderør bestod af negativt ladede partikler, som ret snart fik navnet elektroner. Elektronerne måtte på en eller anden måde knyttes til atomerne. Thomson foreslog så i 1904 sin rosinkagemodel. Atomet var opbygget af negativt ladede elektroner omgivet af en krumme med positiv ladning til at udligne de elektriske forskelle. Men Geiger og Marsden viste, at elektronerne ikke kunne sidde i atomet som rosinerne i en kage. De fleste alfapartikler røg nemlig som forventeligt durk igennem guldfolien. En lille portion rikochetterede: Det var, som Rutherford udtrykte det, lige så ufatteligt, som hvis man havde fyret en 15 tommers granat mod et stykke silkepapir, og den var kommet tilbage og havde ramt en. Det meste af atomets masse måtte derfor være samlet i en lille, tung, positivt ladet kerne tilstrækkelig til at neutralisere den samlede negative ladning fra elektronerne. I 1911 præsenterede Rutherford sin egen tolkning af de eksperimentelle data. Elektronerne, foreslog han, bevægede sig i baner omkring kernen.
Modellen gav god mening ud fra de eksperimentelle resultater, men ret dårlig mening ud fra den klassiske elektromagnetisme. Ingen klassisk teori kunne som sagt forklare atomernes stråling og besynderlige stabilitet. Det var det problem, som Bohr satte sig for at løse. Men før vi ser på hans revolutionerende bidrag, er der en anden opdagelse, vi skal fremdrage, fordi den spillede en afgørende rolle i problemets matematiske løsning.
VIRKNINGSKVANTET
I år 1900 havde Max Planck (1858-1947) nemlig måttet indføre en mærkelig naturkonstant, som han knap nok anede, hvad var. I første omgang var der blot tale om en formel betragtning. Det kom sig af, at Planck i sit arbejde med hulrumsstrålingen, dvs. strålingen fra sorte legemer, der ikke afgiver lys, ikke kunne få pengene til at passe. Problemet var at finde en korrekt formel for, hvordan den elektromagnetiske stråling varierede i intensitet med strålingsfrekvensen og legemets temperatur. Ingen af de foreliggende teoretiske forslag kunne forudsige alle de eksperimentelle resultater. I ren desperation fremkom Planck med en løsning, der hvilede på Boltzmanns statistiske tolkning af termodynamikkens anden lov, og som Planck var nødt til at udbygge med den antagelse, at elektromagnetisk energi havde en nedre mindste størrelse, for at få formlen til at passe med erfaringen. Det afgørende for Planck var, at vekselvirkningen mellem stof og stråling er kvantiseret med beløbet ΔE = hv. Den udsendte energi ΔE var identisk med strålingsfrekvensen v ganget med en konstant h, den fra kvantemekanikken så velkendte Plancks konstant.
Det bør her nævnes, at da h = E/v, så har Plancks konstant dimensionen virkning (dvs. energi gange tid, eller ækvivalent impuls gange afstand). Selvom man kendte begrebet ‘virkning’ i fysikken fra diverse mindstevirkningsprincipper, var Plancks virkning dog en temmelig mystisk størrelse, og det forekom mærkeligt, at der skulle indføres et konstant kvantum med denne dimension. For kvantemekanikkens udvikling er det imidlertid signifikant, at h har dimensionen virkning. Hvis der ikke kan gives virkning i mindre portioner end h, så er der tilsyneladende en grænse for produkterne energi gange tid og impuls gange afstand. Det fører frem mod Heisenbergs ubestemthedsrelationer og Bohrs komplementaritetsprincip.
Virkningskvantet, som størrelsen derfor kaldes, stred med klassisk fysik, fordi energiudsendelsen ifølge den var kontinuerlig og derfor ikke havde en mindste størrelse. Det er derfor ikke noget under, at en række fremtrædende fysikere i årene efter forsøgte at slippe af med virkningskvantet igen ved at sætte det til nul. Men da Einstein i 1905 kunne redegøre for den fotoelektriske effekt ved at gøre brug af Plancks konstant, var der ikke længere noget for dem at komme efter.
På den tid var den fremherskende fortolkning af lyset givet ved Maxwells klassiske bølgeteori, støttet blandt andet af Youngs dobbeltspalte-eksperiment. Newtons korpuskler var ‘ude i kulden’. Men man havde opdaget, at lysbølger kunne løsrive elektroner fra en metalplade, og at elektronernes energi afhang af lysets frekvens og kun deres antal af lysets intensitet. Lysbølgen river en elektron fri, uanset hvor kraftigt lyset er, det er kun ‘farven’, der er afgørende for, om den rives fri. En chokerende opdagelse. Når man belyste et stykke metal med lys, var det som at sende bølger ind mod stranden for så at opdage, at bølgerne på mystisk vis ‘samarbejder’ og sender en sten tilbage! Det krævede en helt ny form for fortolkning.
Einstein forestillede sig, at energien i lysbølgerne var pakket sammen i små klumper, lyskvanta, også kaldet fotoner, hvis energi var bestemt af virkningskvantet h og deres frekvens v, E = hv. Energien var så proportional med frekvensen og omvendt proportional med bølgelængden λ, som det fremgår af udtrykket E = hc/λ, hvor c er lyshastigheden. Det kunne så forklare, hvordan lys, der skinner på en metalplade, kunne løsrive elektroner i overensstemmelse med den fotoelektriske effekt.
Med fotonen havde Einstein for første gang skabt et begreb om lyset som en dualitet bestående af partikler og bølger. Siden skulle den samme dualitet genfindes hos elektronen og andre af de subatomare partikler. Der næredes dog i begyndelsen stærk skepsis mod fotonbegrebet, bl.a. hos Niels Bohr, fordi det stred mod bølgebegrebet,