Ikke alle forstår Isaac Newtons bevegeleslover fra 1600-tallet. De danner grunnlaget for den klassiske mekanikk. Men vi kan se at den virker - i planetenes bevegelse og i et hjul som går rundt. Inne i atomet, der avstandene er ørsmå, oppfører ikke tingene seg slik vi er vant til. Her kommer den klassiske mekanikken til kort. Etterhvert har fysikerne innsett at kvantemekanikken ikke bare gjelder på partikkelnivå, men også for større legemer, der den stemmer overens med klassiske forutsigelser.

Lyset- partikler, bølger eller begge deler?

Fram til år 1900 var alle enige om at lys er bølger, i tråd med Maxwells teori og en rekke optiske eksperimenter, der lys fra en enkelt kilde tvinges gjennom to smale sprekker. Sprekkene blir lyskilder. Lys fra den ene blander seg med den andre, og båndene som da oppstår kan bare dannes av bølger. Men så dukket en tysk fysiker opp med en revolusjonerende teori. Ingen kan forklare hvordan en gjenstand skifter farge etter som den blir varmere og avgir mer energi. Men Max Planck har et svar. Han sier: La oss tenke oss at energien sendes ut i ørsmå "pakker", såkalte kvanter. Kimen til kvanteteorien er sådd. For denne nye teorien fikk Planck Nobelprisen i fysikk i 1918.

Einsteins fotoelektriske effekt

Albert Einstein løste en annen gåte i klassisk mekanikk og fikk Nobelprisen i fysikk i 1921. Men han fattet interesse for energikvantene. Einstein arbeidet med den fotoelektriske effekt. Det var kjent at når lys treffer en metallplate, blir det frigitt elektroner. Einstein sier at lyset består av små energipakker, eller fotoner. De må ha en minimumsenergi for å kunne kaste ut elektroner. Med det tar han et viktig skritt mot en kvantefysisk forståelse av naturen.

Bohr fører teoriene videre

Danmarks store fysiker, Nils Bohr, mottok i 1922 Nobelprisen i fysikk etter han han videreførte Plancks og Einsteins teorier. Bohr sier at elektronene går i faste, "tillatte" baner, som hver tilsvarer en fast energitilstand. Hvis stråling utenfra absorberes og dermed sender et elektron opp i en høyere energibane, vil det snart vende tilbake til sin opprinnelige bane. Idet det hopper tilbake, avgir det et energiglimt- et foton. Bohr viser at det bare avgis fotoner når eletronene hopper fra høyere til lavere energitilstander.

Materien er flerfoldig

Eksperimenter viser at lyset ter seg tosidig, enten som partikler eller som bølger. Franskmannen Louis Victor Broglie foreslo at de samme prinsippene gjelder for materien, og i 1929 mottok han Nobelprisen i fysikk. Broglie foreslo at alle ting har bølgelignende egenskaper. Elektroner, med relativt stor bølgelengde, legger for dagen slike egenskaper. Denne bølge-partikkel-dualiteten er karakteristisk for kvantemekanikken. Tre år etter at Broglie framsatte sin teori, ble den bekreftet av den amerikanske fysikeren Clinton J.Davisson og briten George Paget Thomson. De fikk Nobelprisen i fysikk i 1937.

Schrødingers bølgeligning

Østerrikeren Erwin Schrødinger tok neste skritt idet han utviklet en ligning som beskrev partiklenes bølgeegenskaper - en ligning som har fått enorm betydning innen naturvitenskap og teknologi.

Erwin Schrödinger

Han fikk Nobelprisen i fysikk i 1933. Den totale energien til en gjenstand er lik den kinetiske energi(bevegelsesenergien) pluss dens potensielle energi (den lagrede energien). Schrødinger anvendte forholdet mellom potensiell energi, kraftmoment og total energi på bevegelsen til elektronet i et hydrogenatom. Hans såkalte bølgeligning blir fysikkens standard for beskrivelsen av partiklenes egenskaper og atferd.

Tolkninger av Schrødinger

Tyskeren Max Born tolket Schrødingers teori, og fikk Nobelprisen i fysikk i 1954. Følgene av Borns tolkning er forbløffende. Liksom en mann som løper gjennom en massiv mur uten å etterlate seg noe hull, kan partikler bore seg gjennom energibarrierer. Klassisk mekanikk sier det er umulig. Kvantemekanikken sier det er helt vanlig. Idag er slik "tunnelering" grunnlaget for mange elektroniske apparater.

Materien er både bølger og partikler

For å ha forstått at kvantemekanikkens merkverdigheter kan forkludre eksperimentelle målinger, fikk tyskeren Werner Karl Heisenberg Nobelprisen i fysikk i 1932. Hans usikkerhetsrelasjon er vesentlig for å forstå kvantemekanikken. Materien oppfører seg både som bølger og partikler.

Av Kari Hustad,

Schrödingers katt torsdag 29. november kl. 19.30