Af Louis Nielsen, cand. scient. i fysik og astronomi, Lektor ved Herlufsholm

Kvante-teorien, der er en teori om specielt Naturens mikrofænomener, havde 100 års jubilæum i året 2000. Kvante-teorien er grundlaget for den mikro-elektroniske teknologi. Ingen mobiltelefoner uden kendskab til mikro-elektronisk teknologi!

I det følgende lidt om kvante-teorien og dens grundlægger Max Planck.

Kvante-teorien og Plancks konstant

Den 14.december i året 1900 fremlagde den tyske fysiker Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) for "Det Tyske Fysiske Selskab i Berlin" en revolutionerende ny teori om Naturen. Det revolutionerende i Plancks teori havde at gøre med energien af den elektromagnetiske stråling, der blev udsendt eller optaget af et såkaldt "absolut sort legeme". Dette er kendetegnet ved, at det opsuger alle farver af lys, også det vi ikke kan se. For at kunne redegøre for forsøgsdata, måtte Planck i sin teori antage, at strålingens energi blev udsendt i små adskilte 'energi-portioner' - i 'energi-kvanter' (lat. quantum: mængde). Eller sagt på en anden måde: Den udsendte energi var 'hakket i småstykker'. Energien E af ét energi-kvantum viste sig at være ligefrem proportional med frekvensen f af de forskellige strålingstyper. Planck opdagede at brøkforholdet (E/f) mellem sammenhørende talværdier af E og f altid er lig med den samme konstante talværdi, uanset hvad slags elektromagnetisk stråling der var tale om. Den konstante talværdi, er i de almindeligt benyttede enheder meget lille. I dag betegnes den med h og kaldes meget naturligt 'Plancks konstant'. Siden Plancks opdagelse af konstanten h er den blevet regnet for en af Naturens grundlæggende størrelser.

Med sin 'kvante-teori' måtte Planck bryde med den opfattelse, man havde haft om lys siden slutningen af 1600 årene, da den hollandske naturforsker Christiaan Huygens (1629 -95) havde fremsat en bølgeteori, hvor han betragtede lys som en form for kontinuerte bølger, svarende til vandbølger og lydbølger i et stof.

Plancks liv i berømmelse og tragedie

I sit liv oplevede Planck berømmelse men også mange sorger. Han blev født i Kiel den 23. april

1858. Da han var ni år flyttede familien til München, hvor han fik sin skolegang. Efter at være blevet student 17 år gammel, begyndte han at studere fysik, først i München, og senere i Berlin. Efter sin "doktorgrad" i 1879 fik han et privatdocentur, et mindre job, der gav ham mulighed for videre teoretiske studier. I 1885 fik Planck et nyoprettet ekstraordinært professorat i fødebyen Kiel. Fra 1889 overtog han et professorat i teoretisk fysik i Berlin. Her blev han, indtil han faldt for aldersgrænsen i 1928.

I sit private liv oplevede Planck mange sorger. Hans første hustru Marie Merch døde i 1909. Med hende fik han fire børn, to sønner og to tvillingedøtre. Hans andet ægteskab var med Marga von Hoesslin og de fik tre børn. Men ingen af de syv børn overlevede Planck. Hans ældste søn, Karl, blev dræbt i 1916 i Første Verdenskrig. To tvillingedøtre døde i barselseng, Margarete i 1917 og Emma i 1919. Under Anden Verdenskrig blev hans sidste endnu levende barn, sønnen Erwin, henrettet af tyskerne. Grunden var, at sønnen havde bekendte i den gruppe, der den 20.juli 1944 forsøgte et attentat på Hitler. Kort tid efter blev Plancks hus i Berlin lagt i ruiner ved et bombeangreb. Alt brændte, således hans brevvekslinger med fysikere fra hele verden. Efter krigen flyttede Planck med sin hustru til Göttingen.

For sin forskning blev Planck hædret med Nobelprisen i 1919, idet han fik prisen for året 1918.

Efter Anden Verdenskrig ville Tyskland hædre Planck på hans 90 års fødselsdag den 23.april 1948, men desværre døde Planck den 4.oktober 1947. I dag findes i Tyskland mange 'Max-Planck Institutter', hvor der forskes i forskellige fagområder. Max Planck's navn er også knyttet til Tysklands fornemste videnskabelige pris: Max Planck-Medaljen.

Videreudvikling af Plancks kvante-teori. Schrödinger-ligningen

Albert Einstein (1879-1955) gjorde brug af Plancks kvante-teori om lys, da han i 1905 redegjorde for den foto-elektriske effekt (grundlaget for foto-celler), der viser sig ved at energirige 'lys-kvanter' kan løsrive elektroner fra et metal. Det var for sin 'forklaring' af den foto-elektriske effekt, at Einstein fik Nobelprisen i 1921 - uddelt 1922. Det var ikke som mange tror for relativitetsteorierne.

I 1913 opstillede danskeren Niels Henrik David Bohr (1885-1962) en kvante-teori for Brintatomet. Bohr kunne udlede en kvante-formel for Brintatomets mulige energier. Denne teori indbragte Bohr Nobelprisen i 1922.

Situationen blev endnu mere mystisk og fysisk uforståelig, da den franske fysiker Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie (1892-1987) i 1923 fremkom med følgende påstand: 'Partikler' såsom elektroner, kunne have 'bølgeegenskaber'. De Broglies hypotese var, at enhver 'partikel' har en 'bølgelængde' knyttet til sig. Dvs. 'partikler' har det lige som lys: De kan optræde i to forskellige 'skikkelser' - som 'partikler' eller som 'bølger'. For sin 'partikel-bølge' hypotese fik de Broglie Nobelprisen i 1929.

Som en konsekvens af de Broglies 'partikel-bølge' hypotese opstillede den østrigske fysiker Erwin Schrödinger (1887-1961) i 1926 en kontinuert bølgeligning for en given 'partikel'.

Schrödinger-ligningen, som bølgeligningen kom til at hedde, er stadig grundlaget for bølge-kvantemekanikken. Schrödinger selv mente, at ligningen blot var en ad hoc (lat: 'til dette særlige formål') matematisk løsning, der siden ville blive afløst af en mere fysisk kvanteteori.

I Schrödingers ligning indgår en matematisk bølgefunktion. Denne bølgefunktion, der er tilknyttet til en given partikel, kan kun give statistisk og sandsynlig viden om f.eks. partiklens 'sted' og 'hastighed'.

Med visse antagelser kan man af Schrödinger-ligningen udlede fysiske størrelser, der er kvantiserede, dvs. at de kun kan have ganske bestemte talværdier.

Partikler og/eller bølger?

Siden oldtiden har man beskæftiget sig med de fundamentale spørgsmål: Hvad er stof ? Hvad består det af og kan det deles i det uendelige? Hvad er lys? Hvad består det af, og hvordan dannes det?

Hvad stof angår viste forsøg og teoretiske overvejelser i løbet af 1800 årene, at det måtte består af nogle mindste 'byggeklodser'. En tilsyneladende mindste 'byggeklods' blev opdaget i 1897, da den engelske fysiker Joseph John Thomson (1856-1940) påviste, at stof består af elektroner. I 1919 blev protonen opdaget i England af New Zealænderen Ernest Rutherford (1871-1937), og neutronen blev opdaget i 1932 af englænderen James Chadwick (1891-1972). Meget tydede på at 'stof' var opbygget af nogle fundamentale partikler.

Hvordan forholder det sig med lysets natur? Består lys af 'partikler' eller er det 'noget' der 'bølger'?

I 1860'erne opstillede den skotske fysiker James Clerk Maxwell (1831-79) en sammenhængende matematisk teori om elektricitet og magnetisme - siden kaldt elektromagnetisme. En af teoriens konsekvenser er, at lys kan beskrives som svingninger af elektromagnetiske kraftvirkninger, der udbreder sig med lysets hastighed i en bølgede bevægelse. Lys kan således beskrives som 'noget' der bølger, svarende til hvad Huygens havde formodet i sin bølgeteori. De størrelser der kendetegner en bølge er: "Bølgelængden" (afstanden fra bølgetop til bølgetop), "frekvensen" (antallet af svingninger per et sekund på et bestemt sted) og "udbredelseshastigheden".

Bølgeteorien om lys er en kontinuert teori uden grænser. Lys kunne åbenbart udsendes i vilkårlige små som store energi-portioner. Indtil år 1900, mente man, at lys blev udsendt i en ubrudt bølgende og kontinuert 'strøm', og at det tilsyneladende ikke bestod af 'partikler'.

I slutningen af 1800 årene blev der udført forsøg med udstrålingen fra et "absolut sort legeme", der havde forskellige temperaturer mellem 1000-2000 grader. (En gammeldags sort kakkelovn med god varme i vil tilnærmet svare til et "absolut sort legeme").

For en bestemt temperatur af det "absolut sorte legeme", målte man den udstrålede energi-intensitet svarende til forskellige bølgelængder. Målingerne viste at den udstrålede energi-intensitet var størst ved en bestemt bølgelængde. For bølgelængder på hver side af 'intensitets-maximum' faldt intensiteten mod nul. Den sammenhæng forsøgene viste mellem den udstrålede energi-intensitet og bølgelængderne kunne tilsyneladende ikke forklares ved hjælp af den elektromagnetiske bølgeteori og de teorier man havde om varme.

En af tidens store teoretikere var Max Planck. Han stillede sig den opgave at "forklare" forsøgsresultaterne. Mod sin egen - og andres - overbevisning om Naturens lovmæssigheder måtte Planck antage følgende: Stråling og dermed lys bliver udsendt i små 'energi-kvanter' - siden kaldt fotoner (gr. fõtos: lys). Hver foton har en energi der er ligefrem proportional med frekvensen af den tilknyttede bølge.

Lys kunne altså opfattes som en 'strøm' af små partikler - fotoner - i strid med bølgeteorien. Men på den anden side indgår i Plancks formel til beregning af én fotons energi en meget karakteristisk svingningsstørrelse, nemlig frekvensen f. Fysikerne var kommet i et dilemma: Er lys 'bølger' eller er det 'partikler'? Eller begge dele samtidig? I visse forsøg opfører lys sig som 'bølger'. I andre forsøg opfører lys sig som 'partikler'. At lysets natur er 'dualistisk' (dvs. tvetydig) strider imod al sund og logisk fornuft.

I 1927 blev det eksperimentelt påvist at elektroner ved spredning på et krystal også kan danne 'bølge-mønstre', lige som det er tilfældet med lys. Forsøgene blev udført af Clinton Joseph Davisson (1881-1958) og Lester Halbert Germer (1896-1971). Elektroners 'bølgenatur' blev også opdaget af George Paget Thomson (1892-1975), der var søn af Joseph John Thomson (1856-1940), fysikeren der i 1897 opdagede elektronen.

Davisson og Thomson delte i 1937 Nobelprisen i fysik for deres opdagelser. Interessant er det, at J.J. Thomson i 1906 fik Nobelprisen for at have påvist at elektronen er en 'partikel', hvorimod hans søn fik Nobelprisen i 1937 for påvisningen af elektronens 'bølge-natur'.

Louis Nielsen 3. januar 2001

E-mail: louis44nielsen@gmail.com