Kvantfysiken fyller 100 år

2000-11-29 13:00  

Hösten 1900 vände Max Planck upp-och-ner på fysiken genom att visa att naturkrafterna verkar ryckvis och slumpmässigt– i kvanta.

Max Planck, 1858-1947, den konservative tyske fysikern som mot sin vilja tvingades inse att han revolutionerat fysiken.
Av Kaianders Sempler 08-796 65 67

Det sägs att det var just i tid för sitt eftermiddagste, söndagen den 7 oktober år 1900, som Max Planck upptäckte kvantfysiken. Historieskrivningen låter emellertid något falsk. Planck var ju tysk, och tyskar dricker väl ändå inte te? Och dessutom visste väl Planck ännu inte att det var kvantfysiken han upptäckt? Han hade visserligen totat ihop en formel som korrekt beskrev svartkroppsstrålningen - i sig en enastående bedrift - men han hade ännu ingen aning om hur hans upptäckt skulle revolutionera fysiken i grunden.

Låt oss försöka reda ut begreppen.

Max Planck var fysiker, född i Kiel 1858 i en högborgerlig familj och utbildad i Berlin. I slutet av 1890-talet började han undersöka svartkroppsstrålningen (se figur), något som många skarpa hjärnor brottats med före honom utan att finna en teori som korrekt beskrev den. Problemet påminde lite om att bestämma hastigheterna hos molekylerna i en gas, det inbegrep den nya disciplinen statistisk mekanik. Här visste man att totaleffekten hos strålningen var proportionell mot fjärdepotensen av temperaturen, men ändå hade det inte riktigt velat sig. Antingen överensstämde formlerna med experimentdata för höga frekvenser eller för låga. Men inte för båda samtidigt.

Redan 1792 hade keramikern Wedgewood - han med det berömda porslinet - tittat in i sin keramikugn och observerat att alla material börjar glöda rött vid samma temperatur när de värms. Detta faktum kunde senare förklaras vetenskapligt med termodynamikens hjälp av Kirchhoff 1859.

Ovan: En svartkropp kan närmast beskrivas som en ugn, där man tittar in genom ett litet hål. Alla kroppar som är varmare än absoluta nollpunkten avger värmestrålning (elektromagnetisk strålning) som kan mätas.

Nedan: Strålningsintensiteten i olika frekvenser bildar en puckelformad graf. Puckeln behåller sin form men växer och flyttar sig mot allt högre frekvenser när temperaturen hos svartkroppen ökar. Genom att analysera strålningsspektrat kan man avgöra hur varm en kropp är. Solen är ca 5 500° C.
Att strålningen från en svartkropp bara berodde på temperaturen tydde på att den var av fundamental art, att den hade något med naturens innersta väsen att göra. Så när nu Max Planck bestämde sig för att ta reda på hur det förhöll sig var han beredd att ifrågasätta alla den etablerade fysikens grundsatser. Fast en princip vägrade han definitivt att tumma på - termodynamiken.







Planck började med att anta att svartkroppen bestod av ett stort antal enskilda harmoniska oscillatorer som var och en sände ut elektromagnetisk strålning av en viss slumpmässig frekvens. Därefter antog han att energin i varje frekvens kunde delas upp i ett antal bestämda minsta enheter; att energin E = P·e, där P är ett stort heltal och e är mycket litet energipaket. Så snickrade han ihop en formel som visade sig till punkt och pricka stämma med observationerna. Så här såg den ut:


Nu gällde det bara att teoretiskt förklara uttrycket. Planck hade ursprungligen tänkt sig att e kunde bli hur litet som helst, och att hans antagande bara var ett matematiskt trick för att komma fram till en lösning - som i infinitesimalkalkylen fast tvärtom. Men till hans förvåning visade det sig att så inte alls var fallet. Tvärtom krävde termodynamiken att e var ändligt, och dessutom proportionellt mot frekvensen.


Det visade det sig snart att Plancks kvanta hängde ihop även med elektronnivåer, emissionsslinjer, radioaktivt sönderfall och andra fenomen.

I själva verket bildade Plancks upptäckt en helt ny grund för fysiken. Naturen är inte jämn och slät, utan grynig - kvantiserad. Naturkrafterna verkar på mikronivå lika ryckvis och slumpmässigt som på en gammal spårvagn.

Egentligen var Max Planck en mycket konservativ man, och han hade till en början svårt att förlika sig med att han vänt upp och ner på fysiken. Men en 26-åring vid namn Albert Einstein insåg omedelbart storheten i Plancks upptäckt. Även om de skilde sig både i ålder och politisk inställning blev de snart goda vänner, inte minst tack vare det gemensamma intresset för musik. De spelade ofta tillsammans.

Trots framgångarna på fysikens område (han fick nobelpriset 1918) präglades Max Plancks liv av en rad personliga katastrofer. Hans första hustru dog 1909, och under första världskriget dog tre av deras fyra barn. En son stupade vid fronten, och de två döttrarna dog båda i barnsäng.

Max Planck var en man av den gamla skolan, och han förskräcktes när han såg sitt Tyskland tas över av antiintellektuella nazister. På grund av sin stora vetenskapliga auktoritet gjordes han av nazisterna till chef för det prestigefulla Kaiser Willhelm-institutet i Berlin, en ställning som han motvilligt accepterade i tron att han därmed skulle kunna rädda något av den tyska forskningskulturen undan barbariet. Men när han begärde personlig audiens hos Führern för att protestera mot regimens övergrepp skickades han bryskt på dörren. Tragedin blev fullkomlig när hans sista son arkebuserades 1944 för att ha varit inblandad i konspirationen mot Hitler.

Planck var nu en mycket gammal och bruten man. I krigets slutskede bombades hans hus av de allierade, och han fann sig instängd mellan retirerande tyska och avancerande allierade trupper. En tysk fysiker lyckades kontakta amerikanerna och få dem att skicka en bil för att hämta den gamle och föra honom i säkerhet.

Efter fredsslutet överöstes Max Planck med hedersbetygelser av det fjäskande nya Tyskland, som ville visa sin övergång från barabari till civilisation. En stor festlighet hade planerats till Plancks nittioårsdag, men han snuvade makthavarna på konfekten genom att dö några månader tidigare, den 4 oktober 1947.

 

Källa: From X-rays to Quarks, E Segré.

Kaianders Sempler

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt

Läs mer