Päiväisessä elämässä ymmärrämme intuitiivisesti, miten maailma toimii. Pudota lasi ja se hajoaa lattialle. Työnnä vaunua ja se rullaa eteenpäin. Kävele seinää kohti ja et voi kävellä sen läpi. Ympärillämme on hyvin perustavanlaatuisia fysiikan lakeja, jotka ymmärrämme vaistomaisesti: painovoima saa asiat putoamaan maahan, työntäminen saa ne liikkumaan, kaksi asiaa ei voi olla samassa paikassa samaan aikaan.

Vuosisadan vaihteessa tiedemiehet ajattelivat, että kaikkien tällaisten perussääntöjen pitäisi päteä kaikkeen luonnossa – mutta sitten he alkoivat tutkia ultrapienten asioiden maailmaa. Atomit, elektronit, valoaallot, mikään näistä asioista ei noudattanut normaaleja sääntöjä. Kun fyysikot, kuten Niels Bohr ja Albert Einstein, alkoivat tutkia hiukkasia, he löysivät uusia fysiikan lakeja, jotka olivat suorastaan omituisia. Nämä olivat kvanttimekaniikan lakeja, ja ne saivat nimensä Max Planckin työn mukaan.

”Epätoivon teko”

Vuonna 1900 Max Planck oli fyysikko Berliinissä tutkimassa jotakin, jota kutsuttiin ”ultraviolettikatastrofiksi”. Ongelma oli se, että fysiikan lait ennustivat, että jos lämmittää laatikon niin, ettei sieltä pääse valoa ulos (tunnetaan nimellä ”musta laatikko”), sen pitäisi tuottaa ääretön määrä ultraviolettisäteilyä. Todellisuudessa näin ei käynyt: laatikko säteili eri värejä, punaista, sinistä ja valkoista, aivan kuten lämmitetty metalli tekee, mutta mitään ei ollut ääretön määrä. Siinä ei ollut järkeä. Nämä olivat fysiikan lakeja, jotka kuvasivat täydellisesti sitä, miten valo käyttäytyi laatikon ulkopuolella – miksi ne eivät kuvanneet tarkasti tätä mustan laatikon skenaariota?

Planck kokeili matemaattista temppua. Hän oletti, että valo ei todellisuudessa ollutkaan jatkuva aalto, kuten kaikki olettivat, vaan saattoi kenties olla olemassa vain tietyillä energiamäärillä eli ”kvanteilla”. Planck ei oikeastaan uskonut tämän olevan totta valon suhteen, itse asiassa hän kutsui myöhemmin tätä matemaattista kikkaa ”epätoivon teoksi”. Mutta tällä oikaisulla yhtälöt toimivat ja kuvasivat tarkasti laatikon säteilyä.

Kesti jonkin aikaa, ennen kuin kaikki pääsivät yksimielisyyteen siitä, mitä tämä tarkoitti, mutta lopulta Albert Einstein tulkitsi Planckin yhtälöiden tarkoittavan, että valoa voidaan ajatella erillisinä hiukkasina, aivan kuten elektroneja tai protoneja. Vuonna 1926 Berkeleyn fyysikko Gilbert Lewis nimesi ne fotoneiksi.

Kvantteja, kvantteja kaikkialla

Tämä ajatus siitä, että hiukkaset voisivat sisältää vain tietyn kokoisia energiakimpaleita, siirtyi myös muille fysiikan alueille. Seuraavan vuosikymmenen aikana Niels Bohr otti sen mukaan kuvaukseensa atomin toiminnasta. Hän sanoi, että ytimen ympärillä liikkuvilla elektroneilla ei voinut olla mielivaltaisen pieniä tai mielivaltaisen suuria määriä energiaa, vaan niillä saattoi olla vain tavallisen ”kvantin” energiamäärän moninkertaisia määriä.

Lopulta tiedemiehet tajusivat, että tämä selitti, miksi jotkin materiaalit johtavat sähköä ja jotkin eivät – koska atomit, joiden elektroniradoilla on erilainen energia, johtavat sähköä eri tavalla. Tämä ymmärrys oli ratkaiseva transistorin rakentamisessa, koska sen ytimessä oleva kide on tehty sekoittamalla materiaaleja, joilla on erilainen sähkönjohtavuus.

Mutta ne ovat myös aaltoja

Tässä on yksi kvanttimekaniikan omituisista asioista: se, että elektroni tai fotoni voidaan ajatella hiukkasena, ei tarkoita, etteikö niitä voisi ajatella myös aaltona. Itse asiassa monissa kokeissa valo käyttäytyy paljon enemmän aallon kuin hiukkasen tavoin.

Tämä aaltoluonne tuottaa joitakin mielenkiintoisia vaikutuksia. Jos esimerkiksi ytimen ympärillä kulkeva elektroni käyttäytyy aaltomaisesti, niin sen sijainti kullakin hetkellä muuttuu epäselväksi. Sen sijaan, että elektroni olisi konkreettisessa pisteessä, se on hajallaan avaruudessa. Tämä sotkeutuminen tarkoittaa sitä, että elektronit eivät aina kulje aivan odotetulla tavalla. Toisin kuin vesi, joka virtaa yhteen suuntaan letkun läpi, sähkövirran mukana kulkevat elektronit voivat joskus kulkea outoja reittejä, varsinkin jos ne liikkuvat lähellä materiaalin pintaa. Lisäksi aaltomaisesti kulkevat elektronit voivat joskus tunkeutua suoraan esteen läpi. Tämän elektronien oudon käyttäytymisen ymmärtäminen oli välttämätöntä, kun tutkijat yrittivät hallita virran kulkua ensimmäisten transistorien läpi.

Kumpaa se siis on – hiukkanen vai aalto?

Tutkijat tulkitsevat kvanttimekaniikan tarkoittavan, että fotonin tai elektronin kaltainen pieni ainepala on sekä hiukkanen että aalto. Se voi olla kumpaakin, riippuen siitä, miten sitä tarkastellaan tai millaista koetta tehdään. Itse asiassa voisi olla oikeampaa sanoa, että fotonit ja elektronit eivät ole hiukkasia eivätkä aaltoja – ne ovat määrittelemättömiä siihen hetkeen asti, kun joku katsoo niitä tai tekee kokeen, jolloin niiden on pakko olla joko hiukkasia tai aaltoja.

Tähän liittyy muita sivuvaikutuksia: nimittäin se, että monet hiukkasten ominaisuudet eivät ole hyvin määriteltyjä. On esimerkiksi Werner Heisenbergin teoria, jota kutsutaan epävarmuusperiaatteeksi. Sen mukaan jos tutkija haluaa mitata hiukkasen nopeuden ja sijainnin, hän ei voi tehdä molempia kovin tarkasti. Jos hän mittaa nopeuden huolellisesti, hän ei voi mitata sijaintia läheskään yhtä hyvin. Tämä ei tarkoita vain sitä, ettei hänellä ole tarpeeksi hyviä mittausvälineitä – asia on perustavanlaatuisempi. Jos nopeus on hyvin määritetty, niin silloin ei yksinkertaisesti ole olemassa hyvin määritettyä sijaintia (elektroni on hajaantunut kuin aalto) ja päinvastoin.

Albert Einstein ei pitänyt tästä ajatuksesta. Kun hän kohtasi ajatuksen, että fysiikan lait jättävät tilaa tällaiselle epämääräisyydelle, hän ilmoitti: ”Jumala ei noppaa maailmankaikkeuden kanssa”. Siitä huolimatta useimmat fyysikot hyväksyvät nykyään kvanttimekaniikan lait tarkaksi kuvaukseksi subatomisesta maailmasta. Ja varmasti juuri näiden uusien lakien perusteellinen ymmärtäminen auttoi Bardeenia, Brattainia ja Shockleya keksimään transistorin.

Lähteet:
— Minne menee outous? Miksi kvanttimekaniikka on outoa, mutta ei niin outoa kuin luulet, David Lindley
— Mitä on kvanttimekaniikka? Fysiikkaseikkailu, Transnational College of LEX
— Kätevä fysiikan vastauskirja, P. Erik Gundersen
— Albert Einsteinin näyttely American Institute of Physicsissa
— Heisenbergin näyttely American Institute of Physicsissa