"Hvis kvantemekanikken ikke gør dig svimmel, har du ikke forstået noget som helst".
Citatet stammer fra Niels Bohr, en af kvantemekanikkens fædre. Og meget tyder på, at den danske fysiker havde ret, for kvantemekanik volder selv i dag, over 100 år efter teoriens lancering, forskerne kvaler.
Kvantemekanikken er den del af fysikken, der beskæftiger sig med partikler, der er mindre end atomer. Når vi bevæger os ned i den størrelsesorden ændrer de fysiske love sig, og det kræver derfor en særlig videnskab at forklare, hvordan alting hænger sammen.
Kvantemekanik, Standardmodellen og teorien om alting
Kvantemekanikken består af flere dele, og nogle er lettere at forstå end andre.
Standardmodellen beskriver, hvad atomerne er bygget af og samler altså billedet af atomets enkeltdele, som kvantemekanikken beskæftiger sig med.
Forskerne har bevist størstedelen af standardmodellen, men er endnu ikke kommet helt i mål. Standardmodellen kan forklare alt kendt materiale i universet, fra fjerne galakser til aminosyrerne i din krop. Endnu er det dog ikke lykkedes forskerne at få tyngdekraften til at passe ind i modellen.
Alt stof i universet består af 12 elementarpartikler, fire kraftoverførende partikler og Higgspartiklen:
Kvarker, myoner og higgspartikler
Elementarpartiklerne er de fysiske byggesten, som alle universets atomer består af. Der findes 12, men det er kun de fire af dem, der forekommer naturligt i dag - elektroner, elektronneutrinoer, upkvarker og downkvarker. Resten eksisterede kun naturligt lige efter Big bang, men de er siden blevet genskabt i en partikelaccelerator.
Elektron Har en negativ elektrisk ladning. De optræder frit eller er bundet i atomer.
Elektronneutrino Er uden ladning og har meget lille masse. Optræder ved radioaktivitet.
Upkvark Almindeligt stof består af up- og downkvarker samt elektroner. En kvark optræder aldrig isoleret.
Downkvark Protoner består af en down- og to upkvarker, og neutroner af to down- og en upkvark.
Myoner Minder om elektronen, men er 300 gange tungere og radioaktivt ustabil.
Myonneutrino Ligner elektronneutrinoen, men er lidt tungere, selvom den også er uhyre let.
Charmkvark Vejer tre gange så meget som en proton og har positiv elektrisk ladning.
Strangekvark Har negativ elektrisk ladning.
Taupartikel Er 3500 gange tungere end elektronen og har en uhyre kort levetid.
Tauneutrino Er uden ladning. Meget let, selvom den er lidt tungere, end de andre neutrinoer.
Bottomkvark Er fire gange tungere end en proton. Dannes blandt andet ved henfald af topkvarken.
Topkvark Er den tungeste elementarpartikel og vejer næsten det samme som et guldatom.
De kraftoverførende partikler holder sammen på byggestenene. De overfører de fire naturkræfter til atomerne:
Fotoner Masseløs lyspartikel, som bærer den elektromagnetiske kraft.
Gluoner Binder kvarker sammen i elementarpartikler. Bærer den stærke kernekraft.
W-og Z-partikler Bærer den svage kernekraft. Er på spil ved forskellige former for radioaktivitet.
Graviton Menes at være bærer af tyngdekraften. Partiklens eksistens er endnu ikke blevet bekræftet af forskerne, men jagten på den er i fuld gang på CERN i Schweiz.
Derudover er der Higgspartiklen. Den blev med 99,99 procents sandsynlighed fundet i 2012. Partiklen giver atomernes byggesten masse. Kvarker kobler sig kraftigere til Higgspartikler, og derfor er de tungere end eksempelvis elektroner.
Forskerne jager skyggestof
På nær gravitoner er alle andre elementarpartikler blevet skabt af forskerne ved hjælp af partikelacceleratorer. Jagten på de mystiske partikler er skudt i gang igen, efter at CERNs store Large Hadron Collider har været under ombygning.
Forskerne er dog overbevist om, at det ikke kan lade sig gøre at finde gravitoner. Derfor leder de i stedet efter skyggestof, som skal påvise gravitonernes eksistens.
Hvilke klodser, universet er bygget op af, er den let forståelige del af kvantemekanikken. Det er langt sværere at måle på partiklerne og beskrive deres egenskaber.
Hvad er Schrödingers kat?
Visse egenskaber ændrer nemlig karakter i det øjeblik, vi begynder at måle dem. Ifølge Niels Bohr kan man ikke længere tildele dem rumlig placering og bevægelsesmængde, fordi begreberne ikke længere giver mening.
Et eksempel på det er paradokset om Schrödingers kat.
Paradokset om Schrödingers kat. Grafik: Shutterstock
I et aflukket rum har man en ustabil atomkerne og en kat. En geigertæller måler atomkernens henfald. Ved tegn på henfald udløses en dosis giftgas, som dræber katten.
Når atomkernen er ustabil (i princippet både henfaldet og ikke henfaldet) i starten af forsøget, gør den samme usikkerhed sig gældende for katten: Den befinder sig i en situation, hvor den både er død og levende.
I det øjeblik vi åbner kassen, ser vi en kat, som enten er død eller levende. Altså har katten mistet den ene af sine egenskaber, når vi åbner kassen for at få et svar på, hvordan den har det.
Det faktum giver meget lidt mening, hvis man ser det fra en klassisk fysisk vinkel, altså ud fra de fysiske love vi kender i vores dagligdag. I vores fysiske forståelse kan en kat ikke være både død og levende - den er en af delene.
Men sådan er store dele af kvantemekanikken skruet sammen, og derfor holder citatet fra Niels Bohr stadig vand:
Er du blevet svimmel af at læse dette?