Most recent comments
Liveblogg nyttårsaften 2017
Tor, 11 months, 3 weeks
Jogging og blogging
Are, 1 year, 11 months
Liveblogg nyttårsaften 2016
Are, 1 year, 11 months
Reading in dark times
Are, 2 years, 1 month
Moldejazz 2016
Camilla, 2 years, 4 months
Dørskilt
Karoline, 2 years, 5 months
Halifax
Tor, 2 years, 6 months
Sony Smartwatch 3 review
Tor, 2 years, 6 months
Numerikk, takk
Tor, 2 years, 6 months
Topp tur
Camilla, 2 years, 8 months
50 book challenge
Camilla, 11 months, 3 weeks
Ten years ago
Musikklinjas julekonsert 2008
Camilla
Controls
Register

Sleight of mind

I dag har jeg vært på laben, og undervist en øving i kvantemekanikk. Øvingen heter «Naturens dobbelsidighet», og demonstrerer noe som er temmelig mystisk, nemlig hvordan lys både har bølgeegenskaper og partikkelegenskaper.

I 1801 eller noe slikt var det en brite som het Thomas Young, som utførte et eksperiment for å avgjøre om lys er partikler eller bølger. Han sendte lys mot en skjerm med to smale spalter i, og observerte at han fikk det vi kaller et interferensmønster. Jeg er ikke sikker på hvor nøye jeg skal forklare dette, men jeg vil gjerne formidle dette på en lettfattelig, men korrekt måte, så jeg tar gjerne imot tilbakemelding hvis det er noe som er uklart.

Poenget er at interferens er et bølge-fenomen. Når to bølger møtes blir resultatet summen av de to bølgene. For eksempel, hvis vi tenker oss to vannbølger som møtes. Når begge bølgetoppene er på samme sted blir den resulterende bølgetoppen dobbelt så høy, og hvis en opp og en bunn møtes blir utslaget null. Akkurat det samme skjer med lys i dette eksperimentet, og det kan vi observere som et stripemønster der lyset treffer. Dette viser altså at lys har bølgenatur.

Det vi så gjør på laben, er at vi bruker en fotomultiplikator, som er en dings som kan telle fotoner, og skrur vi ned intensiteten på lyset, og da kan vi tydelig se to ting, som er litt urovekkende:

1) Fotonene kommer ett og ett igjennom dobbelspalten.

2) Fotonene danner likevel et interferensmønster.

Så da kan man begynne å stille seg en hel masse spørsmål omkring hva som egentlig foregår når ett eneste foton treffer de to spaltene. Går det igjennom den ene spalten, eller går det på magisk vis gjennom begge? Og hvordan greier det å interferere med seg selv? Meget mystiske greier. Om noen vil se er det bare å si fra, så kan vi ta en tur på laben.

-Tor Nordam

Comments

Lys

Carl Andreas,  05.02.08 20:36

Ja, lys er forunderlige greier. Ikke nok med at det er en fysisk partikkel i tillegg til en bølge, men det plager meg også at det har massen 0 (null). Hvordan kan noe eksistere uten å ha egenvekt? Fucka..
Men jeg har en gut (engelsk, ikke tysk) feeling som sier at vi leter på feil sted når vi snakker om lys. Det er jo en kjent sak at sollyset inneholder uhorvelige mengder energi, men vi klarer ikke å utnytte det skikkelig, samtidig som det har egenskaper som strider mot dagens etablerte fysikkregler...
Og det er nettopp de ovenfornevnte egenskaper som gir meg følelsen av å se gjennom nøkkelhullet på en åpen dør... (Noe som i praksis er vanskelig, da det vi ser gjennom nevnte nøkkelhull ligger tilnærmet 90 grader unna det vi hadde sett gjennom den samme, åpne døra, men du skjønner vel metaforen..)

Camilla,  05.02.08 21:10

Jeg trodde lys bøyde av for gravitasjon (derav svarte hull?), og det må da bety at det har masse. Eller er jeg på viddene?

Carl Andreas,  05.02.08 21:42

skal ikke skryte på meg å være noen stor fysiker, så du får ta opp spm med Stephen Hawking. Han har visst noen meninger om det der. Evt Tor. ;)

Men jeg mener uansett å huske at m=0 for fotoner.

...

Etter å ha lest litt om det angrer jeg på mine bastante påstander. Jeg trenger en oppklaring fra en som har peil.Å lese fysikk på engelsk på denne tiden av døgnet bærer ikke rare fruktene

Tor,  05.02.08 23:49

Gravitasjon krummer jo rommet, så slik sett kan vi si at lyset alltid beveger seg i rette linjer, men av og til ser disse linjene krummet ut for oss.

Eller du kan si at lys har energi, og dermed masse, ettersom E = mc2. Jeg er ikke sikker, men jeg tror du får samme resultat om du regner på disse to måtene.

Det er imidlertid riktig som du sier at m = 0 for fotoner, men det er hvilemassen, altså den massen fotonene ville hatt om de stod stille, hvilket de ikke kan gjøre.

Kristian,  06.02.08 14:57

Her gjör du rett i å väre litt usikker.

Formelen E=mc^2, er formelen for energi til noe som er i ro. Ettersom fotonet aldri er i ro, kan du ikke anvende denne formelen. Du må anvende E=sqrt(p^2c^2+m^2c^4)

Fotonet er altså masselöst.

Gravitasjon virker på energi, og böyer dermed fotonoet

Her fölger digresjoner:

Betyr dette at masse og energi ikke er ekvilente? Nei. Om du på en eller annen måte fanger masse fotoner inni en boks? (eller får fotonene til å sirkle rundt et lite svart hull og så putter hullet ned i en boks). Ja, da vil boksen veie mer etterpå en för du puttet fotonene inn i den. Og derfor kan fotoner bidra til hvilemassen til andre ting.

Eksempel: mye av massen til elektronene består nettopp av virtuelle fotoner, som du drar med deg når du drasser rundt på elektroner.

Ole Petter,  06.02.08 21:22

Tor sa:
>Eller du kan si at lys har energi, og dermed masse, ettersom E = mc2. Jeg er ikke sikker, men >jeg tror du får samme resultat om du regner på disse to måtene.

Trivia: For lysavbøying rundt et tungt objekt bommer man med en faktor 2 hvis man prøver dette trixet.

Carl Andreas,  07.02.08 19:55

Kristian: Hvor i alle dager kom de virtuelle fotonene fra? Jeg slet nok som det var :p

Kristian,  08.02.08 13:17

Hehe, vel, jeg listet det under digresjoner.

Men om du lurer på hvor de kommer fra, så er svaret, som det ofte er relatert til kvantemekanikk. Fotoner kan oppstå og forsvinne igjen, som en fluktuasjon, selv om det ikke finnes energi nok til dem. Dette kan bare skje i veldig korte tidsitervaller. Dette er de virtuelle fotonene.

Camilla,  09.02.08 13:17

Bryter ikke det fullstendig med "energi kan ikke oppstå eller forsvinne"-prinsippet som de hamret inn i hjernen min på ungdomsskolen?

Tor,  09.02.08 13:43

Neida, for det går så fort at du ikke kan oppdage det, og da er det greit.

Det er usikkerhetsprinsippet. Hvis du skal måle energi med uendelig stor nøyaktighet trenger du uendelig lang tid. Så energi kan oppstå så lenge den forsvinner før noen rekker å måle at det ikke stemmer.

Knut,  19.02.08 21:34

@Tor: Og dette er jo egentlig magi :)

Jeg er kjempespent på hvordan Tor forklarer hvordan han tydelig kan se at fotonene kommer ett og ett igjennom dobbelspalten. Åååååh, så spent!

Og som kjent (=argumentasjonsknep) må man bruke at E=sqrt(p^2c^2+m^2c^4). Nå er da hvilemassen til fotonet null. Dette fører til at det forrige uttrykket reduserer seg til E=pc, som er en impuls-energisammenheng. Man kan fortsette med å skrive at E=hv, hvor v er frekvensen til tingen (feks fotonet) og h er Plancks konstant. Tingen.. vent, gjelder dette for mer enn lys?! Ja, impulsen p er gitt ved h*v/c hvis du reiser med lysets hastighet. Ellers har du en bølgelengde som er 1/v = h/p.

Gitt at impulsen p er mye mindre enn hvilemassen, så mye mindre at vi kan sette den til null i sammenlikning, får vi at E=mc^2. Dette gjelder når massen er mye større enn impulsen, eller "den kinetiske energien" eller "farten" til.. tingen. Som for eksempel er tilfellet når man snakker om deg eller meg eller Mount Everest.

Oki? Men så tenker du kanskje at hva om jeg løper dritfort? Hva blir energien min da? Hvis vi da antar at du da øker impulsen din, men at den fremdeles er mye mindre enn hvilemassen din, kan vi skrive
E= sqrt(p^2c^2+m^2c^4)
= mc^2 sqrt(p^2c^2/m^2c^4+1) <- trekker ut mc^2
= mc^2(1+p^2c^2/2m^2c^4) <- matemagi
= mc^2(1+p^2/2m^2c^2) <- forkorter
= mc^2 + p^2/2m <- løser opp parentes

som er et velkjent resultat for fysikere. Matemagien i trinn 2 består i å rekkeutvikle en potens. I korte trekk går det ut på å si at roten av 1 pluss noe lite, evt (1 + lite)^1/2, er (veldig nesten) det samme som 1 pluss halvparten av det lille, evt (1+ lite/2).

For mer om hvordan fotoner har masse men ikke hvilemasse, se gjerne artikkel av kule Kolbenstvedt som på den tiden hadde kontor på Dragvoll!


Dette med energi som kan oppstå og forsvinne kommer vel egentlig bare fra at vakumet/ tomrommet/eteren i seg selv har en hvilemasse og denne massen/energien er ikke konstant men kan fluktuere.
Litt som at du oppfatter din egen vekt som konstant, men hvis du veier deg før og etter at du har gått på do vil du se noe annet. :)