Kvantemekanikken er 100 år. Uten den hadde vi ikke hatt denne teknologien

17 hours ago 5

Kvantefysikk beskriver hvordan de minste byggeklossene i universet oppfører seg og virker sammen.

FN har utnevnt 2025 til det internasjonale året for kvanteforskning og teknologi. Det skal markere at det er 100 år siden utviklingen av kvantemekanikken startet.

At det markeres, synes Jacob Wüsthoff Linder er flott. Han er er professor ved Institutt for fysikk ved NTNU.

– Det handler ikke bare om at kvantemekanikken gir oss en riktig forståelse av hvordan naturen fungerer, men at det også har ført til konkrete anvendelser, sier han.

Men hvorfor regnes 1925 som starten på kvantemekanikken?

En betydningsfull ligning

– Man kan kanskje argumentere for at de første frøene for den kvantemekaniske teorien ble sådd litt tidligere på 1900-tallet, sier Linder.

Da ble det gjort oppdagelser som tydet på at energi kunne deles opp i pakker, eller kvanter, uten glidende overganger.

Max Planck, Albert Einstein og Niels Bohr kom med viktige bidrag.

– Men det er helt ok å si at for 100 år siden begynte kvantemekanikken for alvor å skyte fart, sier Linder.

Noe av det som skjedde da, var at det ble utviklet en ligning, Schrödingerligningen.

– Den er utgangspunktet for mye av det man beskriver av fysikk i kvantemekanisk teori.

Jacob Wüsthoff Linder er professor i fysikk ved NTNU.

Både bølge og partikkel

Hva fortalte denne ligningen?

Kvantefysikken bryter med hvordan vi vanligvis oppfatter verden, sier Linder.

– Vi er vant til å tenke på ting som en fotball eller et glass som noe fast, eller som en sammensetning av mange partikler.

– I kvantemekanikken kan materie beskrives som bølger. Det er ganske annerledes.

De minste tingene, som elektroner og atomer, oppfører seg både som bølger og partikler.

– Schrödingerligningen beskriver bølgeegenskapene som materie eller masse har.

Det får noen merkelige følger.

Lar seg ikke måle nøyaktig

I klassisk forståelse av fysikk er universet forutsigbart.

– Vi kan regne veldig nøyaktig på hvor en partikkel er til enhver tid, hvor den beveger seg, hvilken fart den har og så videre.

I kvantemekanikken er partiklers egenskaper mer usikre.

– Om vi vet posisjonen til partikkelen, sier kvantemekanikken at det er veldig stor usikkerhet om hvilken fart den har, sier Linder.

Det er Heisenbergs usikkerhetsprinsipp.

– Alle egenskaper til masser eller partikler kan ikke være entydig bestemt, ifølge kvantemekanikk.

Så hvordan har kunnskapen om den rare oppførselen til elektroner, atomer og lys kommet til nytte de siste 100 årene?

1. Laser

Noe av det første kvantemekanikk ble brukt til, var lasere, forteller Linder.

Igjen var det Einstein som var tidlig på banen.

– Han oppdaget noe som heter stimulert emisjon. Det er prinsippet en laser er basert på.

Det var først på 1940- til 1950-tallet man begynte å undersøke hvordan denne teorien kunne tas i bruk. Den handler om at elektroner i atomer bare kan ha bestemte energinivåer.

Hvis atomene bestråles med lys med akkurat riktig frekvens, hopper elektronene til et lavere energinivå. Da sender de ut energi i form av lys med samme frekvens som den innsendte strålingen.

– Dette blir en slags selvforsterkende effekt. Du bestråler et materiale med lys og skaper mer lys med akkurat samme egenskap.

Laserlyset blir intenst, ensfarget og går i en skarpt avgrenset retning.

Lasere brukes til mye forskjellig i dag. Som å gjøre nøyaktige målinger, behandle hud- og øyesykdommer og i militæret.

– En mer hverdagslig applikasjon er laserlys som brukes til å skanne matvarer på butikken, sier Linder.

Laser brukes også i fiberkabler for å overføre datatrafikk over internett.

Lasere brukes til mye forskjellige i dag.

2. Transistorer

Den første transistoren kom i 1947. De ble kommersielt tilgjengelige på slutten av 1950-tallet.

– Dette er nok den anvendelsen av kvantemekanikk som har hatt størst påvirkning i samfunnet, sier Linder.

– Datamaskiner, mobiltelefoner og mange andre elektroniske dingser benytter seg av transistorer.

Dette er en liten krets som lar deg forsterke og kontrollere elektriske signaler, forklarer Linder.

Kvantemekanikken forteller oss at elektroner i materialer befinner seg i bestemte energinivåer.

– Det finnes visse energier det er forbudt for elektroner å ha. Det kalles gap. I en transistor benytter man seg av de forbudte energinivåene til å kontrollere hvor mye strøm som går igjennom.

Uten kvantemekanikken ville dagens teknologi sett annerledes ut.

– Da hadde datamaskinene fortsatt vært like store som rom, sier Linder.

3. MR-maskiner

MR-maskiner brukes til å ta detaljerte bilder av vev i kroppen. MR bruker ikke røntgenstråler og er dermed mer skånsomt. Metoden kan gi bedre bilder av noen typer vev.

– MR-maskiner benytter seg av kvantemekanikk ved en egenskap som kalles spinn, sier Linder.

MR-maskinen lager et sterkt magnetisk felt som får hydrogenatomer i kroppen til å stille seg på en bestemt måte. Det sendes ut radiostråling som påvirker atomene og får dem til å vri seg. Atomene går tilbake til sin opprinnelige posisjon og avgir energi.

Dette brukes til å gi detaljerte bilder av forskjellig vev.

4. LED-lys

– Det er ikke så lenge siden man brukte lyspærer som ble veldig varme. Om man tok på lyspæren, kunne man brenne seg, sier Linder.

I dag har vi LED-lys, som er mye mer energieffektive. Strømmen til LED-lys går hovedsakelig til å skape lys, lite går til å skape varme.

– Igjen er det kvantemekanikk som muliggjør LED-lys.

Det går tilbake til elektronene og de tillatte energinivåene.

– Et LED-lys består av to regioner, forklarer Linder.

Du har en region med masse elektroner som har mye energi. Så har du en annen region hvor det mangler elektroner og det er mye ledige plasser rundt atomene.

– Når du setter på strøm, begynner de energirike elektronene å bevege seg over til regionen der det er masse ledige plasser.

Elektronene setter seg i lavere energinivåer først, og når de faller ned i nivå, sender de ut resten av energien de hadde som lys.

Hva kan det brukes til framover?

Det er vanskelig å forutsi framtiden, sier Linder, men det er åpenbart mye interesse for kvantedatamaskiner.

– Flere av de store aktørene, IBM, Microsoft og Google har lagt inn mye ressurser på å prøve å bli de første som lager en nyttig kvantedatamaskin.

Det er laget datamaskiner som fungerer på kvantemekaniske prinsipper. Så langt er de ikke spesielt nyttige.

– Det er foreløpig en lang vei før man har kvantedatamaskiner som er mye bedre på å gjøre enkelte ting enn de beste vanlige datamaskinene vi har i dag.

Men kvantedatamaskiner kan bli stort i framtiden, om man får det til, sier Linder.

Linder oppfordrer til slutt om å sette seg litt inn i de grunnleggende ideene for kvantemekanikk.

– Det er en bisarr, men også veldig spennende måte å se verden på.