Читать книгу Kvantefilosofi - Jan Faye - Страница 7

I år 1900 havde Max Planck (1858-1947) nemlig måttet indføre en mærkelig naturkonstant, som han knap nok anede, hvad var. I første omgang var der blot tale om en formel betragtning. Det kom sig af, at Planck i sit arbejde med hulrumsstrålingen, dvs. strålingen fra sorte legemer, der ikke afgiver lys, ikke kunne få pengene til at passe. Problemet var at finde en korrekt formel for, hvordan den elektromagnetiske stråling varierede i intensitet med strålingsfrekvensen og legemets temperatur. Ingen af de foreliggende teoretiske forslag kunne forudsige alle de eksperimentelle resultater. I ren desperation fremkom Planck med en løsning, der hvilede på Boltzmanns statistiske tolkning af termodynamikkens anden lov, og som Planck var nødt til at udbygge med den antagelse, at elektromagnetisk energi havde en nedre mindste størrelse, for at få formlen til at passe med erfaringen. Det afgørende for Planck var, at vekselvirkningen mellem stof og stråling er kvantiseret med beløbet ΔE = hv. Den udsendte energi ΔE var identisk med strålingsfrekvensen v ganget med en konstant h, den fra kvantemekanikken så velkendte Plancks konstant.

Det bør her nævnes, at da h = E/v, så har Plancks konstant dimensionen virkning (dvs. energi gange tid, eller ækvivalent impuls gange afstand). Selvom man kendte begrebet ‘virkning’ i fysikken fra diverse mindstevirkningsprincipper, var Plancks virkning dog en temmelig mystisk størrelse, og det forekom mærkeligt, at der skulle indføres et konstant kvantum med denne dimension. For kvantemekanikkens udvikling er det imidlertid signifikant, at h har dimensionen virkning. Hvis der ikke kan gives virkning i mindre portioner end h, så er der tilsyneladende en grænse for produkterne energi gange tid og impuls gange afstand. Det fører frem mod Heisenbergs ubestemthedsrelationer og Bohrs komplementaritetsprincip.

Virkningskvantet, som størrelsen derfor kaldes, stred med klassisk fysik, fordi energiudsendelsen ifølge den var kontinuerlig og derfor ikke havde en mindste størrelse. Det er derfor ikke noget under, at en række fremtrædende fysikere i årene efter forsøgte at slippe af med virkningskvantet igen ved at sætte det til nul. Men da Einstein i 1905 kunne redegøre for den fotoelektriske effekt ved at gøre brug af Plancks konstant, var der ikke længere noget for dem at komme efter.

På den tid var den fremherskende fortolkning af lyset givet ved Maxwells klassiske bølgeteori, støttet blandt andet af Youngs dobbeltspalte-eksperiment. Newtons korpuskler var ‘ude i kulden’. Men man havde opdaget, at lysbølger kunne løsrive elektroner fra en metalplade, og at elektronernes energi afhang af lysets frekvens og kun deres antal af lysets intensitet. Lysbølgen river en elektron fri, uanset hvor kraftigt lyset er, det er kun ‘farven’, der er afgørende for, om den rives fri. En chokerende opdagelse. Når man belyste et stykke metal med lys, var det som at sende bølger ind mod stranden for så at opdage, at bølgerne på mystisk vis ‘samarbejder’ og sender en sten tilbage! Det krævede en helt ny form for fortolkning.

Einstein forestillede sig, at energien i lysbølgerne var pakket sammen i små klumper, lyskvanta, også kaldet fotoner, hvis energi var bestemt af virkningskvantet h og deres frekvens v, E = hv. Energien var så proportional med frekvensen og omvendt proportional med bølgelængden λ, som det fremgår af udtrykket E = hc/λ, hvor c er lyshastigheden. Det kunne så forklare, hvordan lys, der skinner på en metalplade, kunne løsrive elektroner i overensstemmelse med den fotoelektriske effekt.

Med fotonen havde Einstein for første gang skabt et begreb om lyset som en dualitet bestående af partikler og bølger. Siden skulle den samme dualitet genfindes hos elektronen og andre af de subatomare partikler. Der næredes dog i begyndelsen stærk skepsis mod fotonbegrebet, bl.a. hos Niels Bohr, fordi det stred mod bølgebegrebet, som var en naturlig følge af Maxwells elektromagnetiske teori. Og med Rutherfords atommodel stod fysikerne atter med en teoretisk tolkning, der ligesom fotonhypotesen ikke passede med den klassiske fysik. Den fysiske verden stod på tærsklen til meget store forandringer.