Generel

Niels Bohrs kvantemekanik og fysikfilosofi


Få forskere har haft så stor indflydelse på den moderne verden som Niels Bohr. Resultatet af Bohrs arbejde med atomets struktur gav anledning til alt fra atomalderen til laserstråler og kvanteberegning, og hans navn overskygges af hans kritikere og dem, der byggede op hans arbejde for at lave navne for sig selv.

Så til ære for de 56th årsdagen for hans bortgang, vil vi anerkende vores gæld til ham ved at fordybe sig i hans banebrydende arbejde med kvantemekanik og komplementaritet, hans unikke bidrag til fysikens filosofi.

Faderen til kvantemekanikken

Bohrs indsigt i den fremherskende model af atomet ville lægge grunden til meget af de 20 teknologiske fremskridtth århundrede. Han demonstrerede, at omkring hver atomkerne var der flere niveauer af koncentriske skaller fyldt med elektroner og viste, at ændringen af ​​et atoms tilstand skyldtes, at elektroner bevægede sig mellem skaller, da de absorberede eller udstrålede energi.

Denne manipulation af adfærden er grundlaget for alt fra laserstråler til nuklear fission. I sig selv var dette arbejde imponerende, men hvad der fulgte denne opdagelse er, hvad der gjorde Bohr til en så kontroversiel figur.

Det skal følge, at det at være fysiske objekter i rummet, at elektroner, der kredser om en kerne, skal styres af de samme love, der styrer planeterne, der kredser om solen. Dette er netop, hvad Bohr ikke så.

Hvad han og hans imponerende liste over protegéer - unge mænd som Werner Heisenberg, Enrico Fermi og Pascual Jordan - så, var den komplette opadgående af den klassiske fysikmodel, der havde eksisteret siden Newton: elektroner, der kunne eksistere flere steder på én gang, de kunne være en partikel det ene minut og virke som en bølge det næste, og at indtil den observeres eller måles, kunne en partikel være i et hvilket som helst antal gensidigt eksklusive tilstande samtidigt. Inden for et årti efter hans opdagelse af atomets struktur havde Bohr og hans tilhængere opdaget en helt ny form for fysik: Kvantemekanik.

Udfordrer den klassiske model

Da Bohr første gang offentliggjorde sine fund i 1913, kaldte Albert Einstein det "musikalitet i tankens sfære." Han fortsatte senere med at sige: "Hvis alt dette er sandt, så betyder det afslutningen på fysikken." Bohr sagde selv, at "[en] en, der ikke er chokeret over kvanteteori, ikke forstår det."

Einstein var ikke alene om sine forbehold. Bohrs protegéer og andre fysikere, der arbejdede ud fra Bohrs model, foreslog virkelig radikale ideer. Heisenberg fortsatte med at vise, at du ikke kunne observere en partikels position og observere dens momentum på samme tid. Han ville også introducere en omfattende "matrixmekanik", der kunne bruges til at beregne partiklernes egenskaber.

Erwin Schrodinger foreslog en anden teori om, at en elektron ikke var en partikel, men en bølgefunktion, der spredte sig gennem rummet. Til manges vantro på det tidspunkt blev det vist, at både Schrodinger og Heisenberg var korrekte, og at deres metoder var udskiftelige; og i forlængelse af, at en elektron var både partikel og bølge på samme tid.

Komplementaritet: En ny fysikfilosofi

Et af Bohrs mere kontroversielle og varige bidrag til debatten var hans introduktion af begrebet komplementaritet. Bohr fandt ud af, at hvis du skulle foretage en måling af en elektron med et apparat, ville det forudsigeligt opføre sig som en partikel. Foretag den samme måling med et andet apparat, og pludselig opførte det sig som en bølge.

Sådanne resultater ville have gjort de fleste fysikere vanvittige på udkig efter en måde at forene denne modsigelse på, men Bohr foreslog, at det var meningsløst at prøve. Bohr sagde, at vores forståelse af lys og andre kvantefænomener blev fremmet ved at måle det som enten partikel eller bølge, men da man ikke kunne gøre begge dele på samme tid, skal observatøren beslutte, hvordan man skal observere det og acceptere, at dette udelukkede muligheden at observere det anderledes.

Mere radikalt erklærede han, at der ikke var noget paradoks at løse, da fysik ikke burde handle om det, der studeres, men om resultaterne af eksperiment og observationer. På denne måde udfordrede komplementaritet meget af fysikens filosofi, der holdt fast ved ideen om, at kendte love styrede universet og alt i det, og at alt i universet kunne defineres af et samlet sæt egenskaber.

Ved at sige, at en enkelt ting kunne have mere end en gensidigt eksklusiv definition af lige gyldighed, og at vi har brug for begge definitioner for virkelig at forstå den pågældende ting, berørte han en metafysisk kontrovers i fysik, der stadig kæmpes i dag.

Reaktion på Bohrs ideer

Mens han oprindeligt hilste og godkendte Bohrs arbejde, ville Einstein fortsætte med at blive Bohrs mest berømte kritikere, selvom de var personligt tætte. Einstein var gift med det deterministiske syn på fysik, så indførelsen af ​​tilfældighed og usikkerhed i fundamentet for fysikken generede ham. Berømt bemærkede han, at "Gud spiller ikke terninger med universet."

Ingen ringere end Schrodinger selv tilføjede kritikken, da han foreslog sit mest berømte tankeeksperiment med en kat i en kasse, hvor det radioaktive henfald af et atom inde i det udløser frigivelse af cyanid. Ifølge Quantum Mechanics, som han selv hjælper med at bygge, indtil du åbnede kassen for at se, om atomet er henfaldet, eksisterer atomet i både forfaldne og ikke-forfaldne stater. Hvis dette var sandt, var Schrodingers kat både i live og død på samme tid.

Oprindeligt beregnet til at bevise, hvordan de nye teorier gik ud af skinnerne, bekræftede Schrodinger utilsigtet den vanvittige underlige karakter af kvantemekanik, da superpositioner af partikler længe har været en etableret kendsgerning. Det radioaktive atom i Schrodingers kasse er faktisk henfaldet og ikke før det observeres; hans kat er både død og i live, indtil en observatør åbner kassen.

Forsøg på at løse dette og andre problemer med kvantemekanik har endda givet anledning til nye virkelighedsmodeller, såsom teorien om Multiverset. Desuden er begrebet komplementaritet genstand for intens debat ikke kun inden for fysik, men også blandt filosoffer, hvoraf nogle beskylder Bohr for en "enkeltsindet positivis [m]."

Andre tilskriver uforsigtigt ideer til Bohr, som han aldrig gav udtryk for. Især hævder nogle kritikere af komplementaritet, at det betyder, at simpelthen at observere en partikel ændrer dens adfærd til den ene eller den anden stat.

Bohr fremsatte imidlertid aldrig et sådant krav og argumenterede kun, at når man observerer en partikel med et specifikt instrument, vil partiklen reagere på dette instrument, forudsigeligt, som enten en bølge eller en partikel og vil gøre det hver gang. Brug af et andet instrument vil give et andet resultat, og så vil observatørens valg af instrument diktere, hvilken adfærd de vil observere.

Bohrs varige arv

I det sidste århundrede ventede Bohrs kritikere på en endelig afvisning af Bohrs arbejde, der aldrig kom. I stedet er Einsteins relativitet gentagne gange blevet bekræftet og bygget på af senere fysikere som den afdøde Steven Hawking.

I mellemtiden understøtter Bohrs opdagelser nogle af de mest avancerede teknologier, der i øjeblikket udvikles. Kvantecomputere, bygget helt ud fra principperne om kvanteindvikling, der kørte Einstein til distraktion, lover en ufattelig stigning i computerkraft i forhold til klassiske computere og er allerede bygget af virksomheder som Google og i universitetslaboratorier over hele verden.

Endelig var det Bohr selv, der foreslog, at komplementariteten af ​​disse forskellige regelsæt giver os mulighed for at få en bedre forståelse af den verden, vi lever i. Til dette og meget meget mere vil vi for evigt huske hans geni.


Se videoen: Aftenshowet Danmark DR Jorden er Flad (December 2021).