Lynakademiet Kvantemekanik

Förstå kvantmekanik på fem minuter

Alla ämnen, från aminosyrorna i din kropp till universums stjärnor i fjärran, består av samma slags byggklossar – elementarpartiklar. Kvantmekanik är den vetenskap som fysikerna använder till att beskriva dem.

"Om kvantmekaniken inte gör dig yr har du inte förstått något som helst".

Citatet kommer från Niels Bohr, en av kvantmekanikens fäder. Och mycket tyder på att den danske fysikern hade rätt, för kvantmekanik orsakar än i dag, över 100 år efter teorins lansering, ångest hos forskarna.

Kvantmekaniken är den del av fysiken som handlar om partiklar som är mindre än atomer. När vi rör oss ned i den storleken ändrar de fysiska lagarna sig och därför kräver det speciell vetenskap för att förklara hur allting hänger ihop.

Kvantemekanik, standardmodellen och teorien om allting

Kvantemekaniken består av flera delar och vissa är lättare att förstå än andra.

Standardmodellen beskriver vad atomerna är byggda av och samlar således bilden av atomens enskilda delar som kvantmekaniken behandlar.

Forskarna har kunnat bevisa större delen av standardmodellen, men har ännu inte kommit helt i mål. Standardmodellen kan förklara all känd materia i universum, från avlägsna galaxer till aminosyrorna i din kropp. Men hittills har forskarna inte lyckats passa in gravitation i modellen.

All materia i universum består av tolv elementarpartiklar, fyra kraftöverförande partiklar och Higgspartikeln:

Kvarkar, myoner och higgspartiklar

Elementarpartiklarna är de fysiska byggstenar som alla universums atomer består av. Det finns tolv, men det är bara fyra av dem som förekommer naturligt i dag - elektroner, elektronneutriner, uppkvarkar och nedkvarkar. Resten existerade enbart naturligt precis efter stora smällen, men har sedan kunnat återskapas i en partikelaccelerator.

  • Elektron Har en negativ elektrisk laddning. De rör sig fritt eller är bundna i atomer.

  • Elektronneutriner Är utan laddning och har väldigt liten massa. Uppträder vid radioaktivitet.

  • Uppkvarkar Vanlig materia består av upp- och nedkvarkar samt elektroner. En kvark uppkommer aldrig isolerat.

  • Nedkvarkar Protoner består av en ned- och två uppkvarkar, neutroner av två nedkvarkar och en uppkvark.

  • Myoner Påminner om elektronen, men är 300 gånger tyngre och radioaktivt stabil.

  • Myonneutriner Liknar elektronneutrinen, men är lite tyngre, även om den också är väldigt lätt.

  • Charmkvark Väger tre gånger så mycket som en proton och har positiv elektrisk laddning.

  • Särkvark Har negativ elektrisk laddning.

  • Taupartikel Är 3 500 gånger tyngre än elektronen och har en ofattbart kort levnadstid.

  • Tauneutriner Är utan laddning. Mycket lätt, även om den är lite tyngre än de andra neutrinerna.

  • Bottenkvarkar Är fyra gåner tyngre än en proton. Bildas bland annat vid sönderfallet av toppkvarken.

  • Toppkvark Är den tyngsta elementarpartikeln och väger nästan det samma som en guldatom.

De kraftöverförande partiklarna håller samman byggstenarna. De överför de fyra naturkrafterna till atomerna:

  • Fotoner Massalös ljuspartikel, som bär elektromagnetisk kraft.

  • Gluoner Binder samman kvarkar i elementarpartiklar. Bär den starka kärnkraften.

  • W-och Z-partiklar Bär den svaga kärnkraften. Är aktuell vid olika former av radioaktivitet.

  • Graviton Tros vara bärare av tyngdkraften. Partikelns existens är ännu inte bekräftad av forskarna, men jakten på den är i full gång på CERN i Schweiz.

Utöver det finns också Higgspartiken. Den hittades med 99,99 procents sannolikhet 2012. Partikeln ger atomernas byggstenar massa. Kvarkar kopplar sig starkare till Higgspartikler, och det innebär att de är tyngre än exempelvis elektroner.

Forskarna jagar skuggmateria

Förutom gravitoner har alla andra elementarpartiklar skapats av forskarna med hjälp av partikelacceleratorer. Jakten på de mystiska partiklarna har påbörjats igen efter att CERN:s stora Large Hadron Collider har renoverats.

Forskarna är dock övertygade om att det inte går att hitta gravitoner. Därför letar de i stället efter skuggmateria som ska påvisa gravitonernas existens.

Vilka klossar som universum är uppbyggt av är den lättförståeliga delen av kvantmekaniken. Det är betydligt svårare att mäta partiklarna och beskriva deras egenskaper.

Vad är Schrödingers katt?

Vissa egenskaper ändrar nämligen karaktär i samma ögonblick som vi börjar mäta dem. Enligt Niels Bohr kan man inte längre tilldela dem rumslig positionering och rörelsemängd, eftersom begreppen inte längre ger någon mening.

Ett exempel på det är paradoxen om Schrödingers katt.

Paradoxen om Schrödingers katt. Grafik: Shutterstock

I ett slutet rum har man en instabil atomkärna och en katt. En geigermätare mäter atomkärnans sönderfall. Vid tecken på sönderfall utlöses en dos med giftgas som dödar katten.

När atomkärnan är instabil (i princip både sönderfallen och inte sönderfallen) i början av försöket gäller samma osäkerhet för katten: Den befinner sig i en situation där den både är död och levande.

I det ögonblick vi öppnar lådan ser vi en katt som antingen är död eller levande. Alltså har katten mist en av sina egenskaper när vi öppnar lådan för att få ett svar på hur den har det.

Det faktumet är föga meningsfullt om man ser det från en klassisk fysisk vinkel, det vill säga utifrån de fysiska lagarna som vi känner till i vår vardag. I vår fysiska förståelse kan en katt inte både vara död och levande, den är antingen det ena eller andra.

Men på så sätt är stora delar av kvantmekaniken uppbyggd och det är därför citatet från Niels Bohr fortfarande håller:

Blev du yr av att läsa det här?

Följ jakten på partiklarna

Vill du veta mer om hur forskarna jagar universums minsta byggstenar i världens största partikelaccelerator i CERN, Schweiz?

  • Klicka på länken nedanför och se ett videoklipp på hur det går till.

Och glöm inte att göra vårt kvant-quiz nedan och kolla dina kunskaper om kvarkar och annat smått.

Tema

Läs också

PRENUMERERA PÅ ILLUSTRERAD VETENSKAPS NYHETSBREV

Du kan ladda ned ditt gratis specialnummer, Vår extrema hjärna, så snart du har beställt vårt nyhetsbrev.

Kanske är du intresserad av...

Hittade du inte vad du söker? Sök här: