Í greinaflokknum stikla ég á stóru í sögu fræða öreindanna. Mér gefst ekki rúm til að gera grein fyrir öllu eða öllum, því læt ég mér nægja að taka fram þá hluta sögunnar sem mér þykja mestu skipta eða varpa bestu ljósi á fræðin.

Við tökum nú stökk aftur frá síðasta þætti, aftur til aldamótanna árið 1900. Eðlisfræðingar áttu í sérstökum vandræðum með að skilja ljós á þessum tíma. Löngum hafði bylgjukenning ljóss verið viðtekin, að ljós væri (líkt og hljóð) gefið út í bylgjum. Vandamálið við þá kenningu var hvernig ljós var borið um tómarúm. Því hafði ráð verið gert fyrir svonefndum ljósvaka, einhvers konar vökva sem allur alheimurinn lá í. Um miðja 19. öld sýndu tilraunir aftur á móti fram á að slíkur vökvi gæti ekki verið til. (Sjá http://en.wikipedia.org/wiki/Michelson-Morley_experiment fyrir nánari upplýsingar.) Tenging hitageislunar og ljóss gerði málin engu betri.

Hlýlegt vandamál, skömmtuð lausn
Ljós er nefnilega ekki bara “það sem við sjáum”. (Ég þarf að fara í smávægilegar tæknilegar útskýringar - tekur enga stund.) Sýnilegt ljós er bara smá brot af rafsegulgeislun, nefnilega rafsegulgeislun með bylgjulengd (L) um það bil 400-700 nanómetrar. Tíðni er öfug bylgjulengd, þ.e.a.s. 1/L.
Það má, til að einfalda málin talsvert, segja að við sjáum ekki allt ljósið. En hvað gerir þá allt hitt?

Eins og ég snerti á í síðasta þætti er ljós með háa tíðni orkuríkara en ljós með lága tíðni. Þetta gildir um allar bylgjur - tíðni hljóðs er t.d. ekkert annað en mælieining á “högg” t.d. hátalarans á sekúndu, hversu oft hann sveiflast fram og aftur á ákveðnum tíma. Augljóslega þarf meiri orku til að sveifla honum oftar - aukna orku þarf fyrir hærri tíðni. Misorkuríkt ljós er þó afar frábrugðið misorkuríku hljóði. Innrauð geislun, útvarps- og sjónvarpsbylgjur, farsímabylgjur og örbylgjur (þessar í ofnunum) eru allt birtingarmyndir ljóss. Á http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cf/EM_Spectrum_Properties_edit.svg má sjá leiðarvísi um tíðnir ljóssins.

Þessi eiginleiki ljóss skipti eðlisfræðinga síðla á 19. öld miklu máli. Sú kenning að ljós væri samfelld bylgja olli þeim nefnilega svolitlum höfuðverk. Þeir vissu að varmi væri borinn með ljósi. (Þú getur sannreynt samhengið með því að láta hluti glóa þegar þú hitar þá - grafít úr blýpennum hefur reynst mér vel.) Þegar þeir mældu það ljós sem stafaði af hlýjum hlut hefði samkvæmt þeirra kenningum átt að vera samfelldur straumur ljóss af öllum bylgjulengdum frá honum. Þeir þurftu þó ekki einu sinni mælana til að sjá að það var fáránlegt. Væri það raunin myndi öll orka hlutarins geislast burtu á örskotsstundu, enda eru engin efri mörk á tíðniskala ljóssins. Raunin var að bylgjulengdirnar dreifðust eins og sjá má á meðfylgjandi mynd. Eins og sjá má er nokkuð af geisluninni innan marka sýnilegs ljóss; heitir hlutir glóa.

Það var Albert Einstein sem lagði til að beita kenningu Max nokkurs Planck á vandann. Í grundvallaratriðum sagði Planck að rafsegulgeislun gæti verið gefin út í skömmtum. Einstein lagði til út frá því að ljós væri búið til í eindum. Kenning Plancks fól í sér einfalda formúlu og fasta. Orkan sem felst í ljóseind er tíðni hennar margfölduð með fastanum, sem nú er kallaður Planckfastinn.

Óvissa um skammta
Eðlisfræðingar voru ekki sáttir. Ljós í skömmtum var ljós í eindum, sem útskýrði engan veginn alla hlutina sem bylgjukenningin útskýrði. Það var athugasemd Bandaríkjamannsins Arthur Compton sem veitti nokkra vissu. Tilraunin sem hann framkvæmdi fólst í því að hátíðni (háorku!) ljósgeislum var skotið að rafeindum. Væri ljósið bylgja yrði það að endurkastast með sömu bylgjulengd. Raunin var þó önnur, tíðnin lækkaði - ljósið hafði misst orku. Höggið sem rafeindin tók á sig tók upp orkuna sem ljósið hafði misst. Þessi tilraun átti sinn hlut í að staðfesta skammtakenningu ljóss í sessi.

Það þurfti sameinaða krafta Danans Niels Bohr og Þjóðverjans Werner Heisenberg til að koma með kenningu sem er alveg jafn galin og hún hljómar; ljós er bæði eind og bylgja, því meiri sem “eindar”-leiki hennar er, því minni er “bylgju”-leiki hennar (og öfugt). Þó er hún bæði í einu. Við erum nú komin á það svið öreindafræða þar sem ekki er hægt að segja hvort þessi túlkun er rétt eða röng - hún lýsir bara því sem við sjáum.
Til að gæta fyllsta réttlætis (og til að sýna ykkur ringulreiðina sem ríkir um skilning á dýpstu sviðum öreindafræði) skal tekið fram að einnig er hægt að sjá fyrir sér ljóseindir sem straum óteljandi ljóseinda yfir allar leiðir sem eindin hefði hugsanlega getað farið (hver mismunandi líkleg). Það er ekki fyrr en við notum einhverja aðra eind til að finna hana að hún “ákveður sig” hvar hún er í raun og veru.

Nú væri hægt að spyrja sig hvernig þeim datt það í hug. Þeir voru að reyna að gera grein fyrir afleiðingum kenningar sem Heisenberg hafði stuttu áður varpað fram. Því er nefnilega svo háttað að erfitt er að staðsetja öreind og ákvarða hraða hennar, bæði í einu. Heisenberg áttaði sig á að ekki væri aðeins takmörkunum mælitækja okkar að kenna, heldur væri þetta grundvallareiginleiki öreinda. Hann leit svo á að því nákvæmar sem við vissum hraða eindar (og þar með orku hennar) því ónákvæmari yrði mæling staðsetningar hennar. En það að þetta skyldi ekki aðeins vera takmörkun á vitneskju okkar um eindina heldur eiginleiki endarinnar sjálfrar hafði ýmsar ófyrirséðar afleiðingar í för með sér.

Tveggja raufa tilraunin
“Double slit experiment,” tveggja raufa tilraunin, er frægt dæmi um tilraun sem staðfestir raunveruleika óvissulögmálsins. Það fer svo fram:

Tveimur spjöldum er stillt upp samsíða með nokkurra sentimetra millibili. Ljósgjafa sem gefur frá sér ljóseindir af ákveðinni bylgjulengd er beint að þeim. Á spjaldinu sem nær er ljósgjafanum eru tvær samsíða raufar. (Sjá http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Ebohr1.svg til skýringar.) Þegar “samfellt” ljós kemur frá ljósgjafanum (eins og frá ljósaperu) má sjá mynstur á ytra spjaldinu sem ljósið fellur á í gegnum raufarnar. Bylgjurnar skarast og eyða hver annarri eða styrkja hverja aðra. (Þegar uppsveifla bylgju kemur gegn jafn sterkri niðursveiflu jafnast þær út, þegar uppsveiflur mætast verður sterkari uppsveifla, et cetera.) “Bylgju”-leiki ljóseindanna kemur þar í ljós. Merkilegi partur tilraunarinnar kemur í ljós þegar aðeins ein ljóseind er send frá ljósgjafanum í einu. Maður hefði haldið að þá væru engar aðrar ljóseindir að skarast við, því myndu ljóseindirnar bara skjótast ótruflaðar í gegnum raufarnar og mynda tvær raufarlaga rákir á aftara spjaldinu. En viti menn, þegar nokkur fjöldi þeirra hefur farið í gegn sér maður að sama mynstur myndast og áður, eind fyrir eind. Stakar ljóseindir ferðast í gegnum báðar raufarnar í einu, skarast við sjálfar sig og mynda eins mynstur og áður.

Mynstrið má sjá hér ( http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7e/Double-slit_experiment_results_Tanamura_2.jpg ) eins og það myndaðist í raunverulegri tilraun. Wikipedia-síðan um tilraunina er afar fróðleg og vel búin skýringarmyndum: http://en.wikipedia.org/wiki/Double_slit_experiment

Það var svo Frakkinn Louis de Broglie sem í doktorsritgerð sinni setti fram þá kenningu að allt væri bæði bylgjur og efni. Hann bætti um betur og lét formúlur fylgja með sem gáfu bylgjulengdir allra einda að skriðþunga þeirra gefnum. Hann varð fyrsti maðurinn til að fá Nóbelsverðlaun fyrir doktorsritgerð. Út frá hans niðurstöðum má draga þá ályktun að þú getir verið á tveimur stöðum í einu. Þau líkindi minnka þó mikið með aukinni fjarlægð, auk þess sem þú ert úr svo mörgum eindum að rétt um það bil engar líkur eru á að þær “hoppi” allar í sömu átt í einu.

Við vitum nú að allt getur bæði verið bylgja og eind. Allar eindir lúta óvissulögmáli Heisenbergs og því geta allar eindir verið á mörgum stöðum í einu. Þetta verður gott að vita í 3. þætti, þegar fjallað verður um öreindafræði geislavirkni, segulmagns og kjarnakraftanna.

Að lokum vil ég þakka Damphir yfirlestur greinarinnar.