KVANT

I artiklen vises, at Bohms teori for en fri partikel medfører, at partiklen kan overføre impuls til sig selv via det såkaldte kvantepotentiale. Da Bohm teorien således bryder med princippet om impulsbevarelse, er det tvivlsomt, om den kan levere en grundlæggende fortolkning af kvantemekanikken.

Superledning er et fascinerende fænomen, hvor et materiale pludseligt mister al elektrisk modstand. De mest spektakulære materialer er høj-temperatur superlederne, som egentlig burde være magnetiske isolatorer. Tusindvis af forskere har i de seneste to årtier forsøgt at aflure disse stoffer deres hemmelighed, men problemet er stadig langt fra løst. Vi vil her fortælle lidt om, hvad man ved og ikke ved om disse gådefulde materialer; især hvad eksperimenter med neutronspredning kan fortælle om sammenhængen mellem magnetisme og superledning.

De skabninger, der bebor de dybe verdenshave, er væsensforskellige fra dem fiskehandleren sælger. De ekstreme betingelser, der hersker i 10 kilometers dybde kræver andre overlevelsesstrategier, end dem de lettere tilgængelige overfladefisk anvender. Inden for magnetisme kan ekstreme betingelser - nærmere beskrevet nedenfor - tilsvarende give anledning til fænomener, der adskiller sig kraftigt fra den klassiske ferromagnetisme, der blandt andet tillader os at sætte huskesedlen fast på køleskabsdøren. Man taler løst om kvantemagnetisme. I denne artikel vil vi kort introducere nogle af de fisk, man kan fange, hvis man smider fiskesnøren i det kvantemagnetiske hav.

Et fundamentalt spørgsmål er, hvordan periodiske gitre påvirkes af punkt-uorden, og vortexgitteret i superledere er et interessant modelsystem, da gitteret består af rørformede superstrømhvirvler, som man kan ændre tætheden af ved at ændre det påtrykte magnetfelt. Urenheder eller defekter i en superlederkrystal har tendens til at uordne vortexgitteret. Vi vil her illustrere hvordan det medfører forskellige glasfaser, som kan studeres med småvinkelneutronspredning. Fastholdelse af vortexgitteret på defekter har stor teknologisk betydning, da vortexlinier ellers bevæger sig under påvirkning af en strøm og giver anledning til tab, hvormed superlederen får en endelig elektrisk modstand. En teoretisk forudsigelse af, at den spredte neutron intensitet i Bragg glasfasen skal aftage, som en potensfunktion med afvigelsen fra optimal spredningsbetingelse, er blevet bekræftet eksperimentelt.

Hovedpunkter af lavtemperaturfysikkens historie gennemgås, med særlig vægt på den første begyndelse og på de eksperimentelle sider.

En gas af atomer, der køles ned til næsten det absolutte nulpunkt opnår helt specielle kvanteegenskaber afhængig af atomernes spin (angulære moment). Atomer med heltalligt spin, såkaldte bosoner, vil ved meget lave temperaturer, typisk nogle få hundrede nanokelvin, smelte sammen til en ny tilstandsform man kalder et Bose-Einstein-Kondensat (BEC). I denne tilstandsform træder atomernes bølgenatur i karakter og giver forskere helt nye værktøjer til studier af kvantefænomener relateret til mange forskellige grene af fysikken.

De mest præcise målinger i fysikken laves i dag ved hjælp af atomure, hvor man kan undersøge atomers energistruktur i et meget kontrolleret miljø. De bedste af disse ure har i dag en nøjagtighed på 16 betydende cifre eller bedre, hvilket svarer til et ur der taber et sekund på omkring 300 millioner år. Igennem fysikkens historie har præcise målinger af atomer været vigtige for udviklingen af nye teorier og test af de eksisterende. Et klassisk eksempel er målinger af brints energistruktur og deres betydning for Bohrs udvikling af sin atommodel. I denne artikel vil vi beskrive hvordan atomure virker ved at fokusere på nogen af de tekniske fremskridt der er sket de sidste 10-20 år i dette felt. Desuden vil vi med nogle eksempler illustrere hvilke muligheder atomures utrolige nøjagtighed giver.

Niels Bohr var livet igennem optaget af filosofiske problemer - hvad er bevidsthed? Hvad må vi forstå ved fri vilje? Er der grænser for vores erkendelse? etc. Her fortælles der kun om, hvordan hans fysiske teorier tvang ham til at tænke om forholdet mellem beskrivelse og virkelighed på en helt ny måde i forhold til al tidligere filosofi.

Hvorfor er vi interesserede i at forene Einsteins almene relativitetsteori, teorien for makrokosmos, og kvantemekanik, teorien for mikrokosmos? En sådan teori vil måske kunne forklare Big Bang.

Vi vil skitsere nogle principper og resultater i et omfattende projekt, der prøver at undersøge sammenhænge mellem muligheden for liv, som vi kender det, og fysikkens naturlove, som vi kan forestille os dem.

Artiklen belyser nogle af de videnskabsteoretiske og filosofiske argumenter, der blev fremført i kvantekontroversen mellem David Bohm og Léon Rosenfeld i 1950’erne. Kontroversen, der var foranlediget af Bohms nye skjultvariabel- fortolkning af kvantemekanikken fra 1952, ses i sammenhæng med den politisk-ideologiske ramme, der karakteriserede den tidlige kolde krig på den yderste venstrefløj.

Vi vil ved hjælp af et online socialt computerspil forsøge at løse en aktuel og meget resourcekrævende teknologisk udfordring - at designe verdens kraftigste kvantecomputer. I the Quantum Computer Game skal spillerne på en sjov og nem måde udforske og udvikle kvantecomputerens fulde potentiale. Vi har en forventning om, at denne form for onlineforskning, faciliteret af internettet, kan blive et vigtigt redskab for både grundvidenskabelig og anvendt forskning samt undervisning i det 21. århundrede.

I år er det 100 år siden, at Niels Bohr fremsatte sin atommodel. Det bliver fejret igennem året på forskellig vis med bl.a. foredrag, undervisning, bogudgivelser, konferencer og andet (se fx bagsiden af sidste nummer af KVANT). KVANT markerer - i første omgang - begivenheden med dette temanummer, med en samling artikler om 'Bohr og kvantefysik'. Der vil komme flere artikler indenfor dette tema i senere numre af KVANT.

I Niels Bohrs udvikling af kvante- og atomteorien spillede generelle principper en vigtig rolle. Fra omkring 1918 var korrespondensprincippet ledestjernen for den videre udvikling. Dette berømte princip, der var Bohrs i en næsten personlig forstand, kan forstås på flere måder. Uanset dets nuværende status, så er dets historiske betydning uomtvistelig.

Kvantemekanikken bliver hverken undfanget eller født i løbet af 9 måneder. Man kan med nogen ret sige, at det derimod skete i løbet af en lang udvikling, der startede med Thomsons opdagelse af elektronen i 1897 og sluttede med Diracs ligning og Paulings beskrivelse af den kemiske binding omkring 1930. Præcist midt i denne periode ligger Niels Bohr's afgørende kvante-baserede beskrivelse af brintatomet.

I 2012 blev nobelprisen i fysik givet for eksperimenter på enkelte atomer og fotoner. Eksperimenterne har bekræftet kvantemekanikkens helt basale forudsigelser om, hvad der sker, når man f.eks. måler på et kvantesystem. I denne artikel beskriver vi nogle af disse eksperimenter, som Niels Bohr og kredsen af fysikere bag den kvantemekaniske revolution i perioden 1900-1930 kun kunne have drømt om.

Selv om kvantemekanikken har eksisteret i mere end 60 år, er det først for ganske nylig, at nogen har tænkt på at anvende dens begrebsapparat på en øl. Det epokegørende fremskridt skete under 'The Second Annual Seminar on Beer', i Rågeleje, den 29. november 1985. Vi vil i denne artikel for første gang offentliggøre de tanker, der dengang aftegnede sig i vore omtågede hjerner. Artiklen er oprindeligt publiceret i GAMMA nr. 65, 1986.

Siden 1913, da Bohr fremlagde sin kvantemekaniske model for atomet, har fysikere diskuteret, hvordan kvantemekanikken skal fortolkes. Specielt aktive i denne diskussion var Bohr og Einstein, som havde modstridende opfattelser af, hvordan kvantemekanikken skulle forstås. Kan katte være både levende og døde på samme tid? Kan vi teleportere partikler mellem Månen og Jorden? Disse spørgsmål, og mange flere, forsøgte Bohr og Einstein at besvare, og det vil vi ligeledes i denne artikel.

De fleste er klar over, at guld er ædelt, og nogle er måske også klar over at dette skyldes at guldoverflader ikke indgår i kemiske reaktioner med molekyler fra luften. I denne artikel undersøger vi de kvantemekaniske årsager til dette fænomen. Det viser sig, at metallers kvantemekaniske egenskaber er utroligt svære at udregne i praksis, og derfor må vi bruge både den snedige beregningsmetode 'tæthedsfunktionalteori' (DFT) og supercomputere for at nå frem til en konklusion. partikler.

Den 7. oktober 2013 fik den fremtrædende franske fysiker Alain Aspect overrakt Niels Bohr guldmedaljen, indstiftet af Ingeniørforeningen IDA i 1955. Niels Bohr var den første modtager og derefter blev medaljen uddelt hvert 3. år frem til 1982. IDA markerede 100-året for Bohrs atommodel med en ekstraordinær uddeling af medaljen i samarbejde med Niels Bohr Institutet og Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab.

Sidste år blev hundredeåret for Niels Bohrs atommodel markeret i både ind- og udland. På Statens Naturhistoriske Museum udskrev vi til ære for Bohr og hans atommodel en essaykonkurrence for gymnasieelever. De 283 indkomne essays udgør et tankevækkende vidnesbyrd om de tanker og følelser, som emnet “Niels Bohr” vækker i danske gymnasieelever anno 2013, og museet har derfor indgået aftale med Niels Bohr Arkivet om at overdrage elevernes essays til arkivet – og til fremtiden.

Vinder af Statens Naturhistoriske Museums essaykonkurrence for gymnasieelever 2013 om Niels Bohr.

Vi vil ved hjælp af et online socialt computerspil forsøge at løse en aktuel og meget ressourcekrævende teknologisk udfordring - at designe verdens kraftigste kvantecomputer. I Quantum Moves skal spillerne på en sjov og nem måde udforske og udvikle kvantecomputerens fulde potentiale. Spillet er foreløbigt blevet spillet mere end 350.000 gange, hvilket har leveret enorme mængder af data til en grundig sammenligning af spillerenes og computeralgoritmernes effektivitet i at løse udfordringerne. Foreløbige resultater viser, at den menneskelige hjernes evne til multidimensioneel processering og intuition tillader store dele af spillerne at udkonkurrere computerne. En anden drøm i scienceathome.org projektet beskrevet i denne artikel er at levere spilbaseret undervisning på gymnasieniveau og gennem det helt nye læringsunivers, studentResearcher.org, at uddanne den almindelige befolkning til ikke bare at løse men også at foreslå nye forskningsudfordringer.

Nobelprisen i fysik 2014 blev givet for opfindelsen af en ny energieffektiv og miljøvenlig lyskilde - den blå lysdiode. De tre japanere Isamu Akasaki, Hiroshi Amano og Shuji Nakamura belønnes for deres forskningsmæssige gennembrud, i starten af 1990'erne, et gennembrud der muliggør det lysteknologiske paradigmeskifte, som vi, i disse år drager nytte af. LED er baseret på den blå lysdiode, og allerede nu ser vi at LED-belysning vinder hastigt frem i boligen, på kontoret og i udendørsbelysningen. LED bliver den altdominerende lysteknologi i fremtiden, og i denne artikel beskrives teknologien bag de blå lysdioder, og hvordan nobelprisvindernes forskning har revolutioneret lysvidenskaben.

Denne artikel fortæller om, hvordan Bohrs fortolkning af kvantemekanikken bygger på en pragmatisk tilgang til kvantemekanikken. Fortolkningen var i sin tid affødt af opdagelsen af virkningskvantet, Heisenbergs usikkerhedsrelationer, og Bohrs forståelse af de klassiske begrebers uundværlighed for enhver beskrivelse af de fysiske erfaringer. Siden har Bohrs fortolkning ofte været forbundet med en manglende forklaring på måleproblemet i forbindelse med bølgefunktions 'kollaps'. Imidlertid var det slet ikke Bohrs egen opfattelse. I stedet afviste Bohr, at en fysisk teori som kvantemekanikken kan forstås som en repræsentation af den fysiske virkelighed uafhængigt af den eksperimentelle opstilling og den aktuelle måling af et kvantesystem.

Kemi og elektronernes opførsel i molekyler fylder meget lidt i fysikstudiet og blandt fysikere. Og det til trods for, at blandt de mest aktive felter i fysikken - biofysik og kvanteelektronik - spiller molekyler en afgørende rolle. Her fortælles om nogle af de afgørende begreber i kvantekemien, som enhver fysiker uden adgang til computer bør kende til.

Den almene relativitetsteori kan formuleres som en effektiv feltteori. Hermed opnås en perturbativ kvantemekanisk partikelfysisk beskrivelse af tyngdekraften i princippet op til energier i nærheden af Planck-skalaen. Det giver nye muligheder for anvendelser i højenergifysikken, herunder præcise teoretiske forudsigelser af kvantegravitationelle effekter.

Ligesom alle fysikere kender navnet Albert Einstein, kender alle matematikere navnet Emmy Noether. Men at Noether også var en stor teoretisk fysiker, kommer nok som en overraskelse for mange matematikere og en del fysikere. Amalie Emmy Noether (1882-1935) var en tysk matematiker og fysiker, som revolutionerede den matematiske disciplin algebra i sin levetid. Hun var hovedkraften bag skabelsen af den abstrakte algebra. Men nu, mange år efter hendes død, betragtes hun også blandt mange fysikere som en person, der revolutionerede fysikkens grundlag. Det er især partikelfysikere, som er blevet begejstrede over Noethers resultater.

Kvantemekanikkens ligninger er så komplekse, at de kun kan løses eksakt for nogle få simple systemer. Et centralt problem i den moderne fysik er derfor at forstå realistiske systemer bestående af mange vekselvirkende partikler. I denne artikel diskuterer vi, hvordan man heldigvis i mange tilfae lde kan forsimple problemet drastisk ved at beskrive sådanne systemer ved hjælp af partikellignende objekter - de såkaldte kvasipartikler. Vi forklarer, hvordan denne elegante teori, udviklet af den russiske fysiker Landau og anvendt overalt i fysikken, fornyligt er blevet undersøgt i epokegørende eksperimenter bl.a. ved Aarhus Universitet ved brug af kvantesimulatorer bestående af atomare gasser.