Tuomo Suntola Physics Foundations Society

1. Luonnonfilosofian seura The Finnish Society for Natural Philosophy 1988 – 2013 Kvantin luonteesta Tuomo Suntola Physics Foundations Society Luonnonfilosofian seura

2. Kineettisen kaasuteorian tausta ja kehitys Joseph Gay-Lussac (1778-1850) Isaac Newton (1643–1727) Rudolf Clausius (1822–1888) Francis Bacon (1561–1626) ”Kerrassaan mitään ei voida tietää ” Daniel Bernoulli (1700–1782)  Ludwig Boltzmann (1844-1906) James Maxwell (1822–1888) Robert Boyle (1627-1691) ”Ei voi olla vähempiä periaatteita kuin mekaanisen filosofian kaksi suurta, aine ja liike.” P ~ 1/V Michael Faraday (1791–1867) Antoine Lavoisier (1743–1794) Amedeo Avogadro (1776–1856) René Descartes (1596–1650) ”Kausaalinen päättely” Gottfried Leibniz(1646–1716) ”Energiaa yhtä paljon syyssä ja seurauksessa” John Dalton (1766–1844) 1600 1700 1800 1900

3. Jatkuvasta aineesta atomeihin ja kvantteihin 1901 J.J. Thomson elektronit atomin osana Daniel Bernoulli (1700–1782) Hydrodynamics 1865 • J. J. Loschmidt • Avogadron vakion numeroarvo Paine verrannollinen kaasumole-kyylien kineettiseen energiaan 1913 NielsBohr Atomi-malli 1896-1900 • Wien’s and Rayleigh’s säteilylait 1924 Louis de Broglie dB-aallon-pituus 1900 • Max Planck’s Säteily-laki “from mole to atom” RT  kT Max Born Werner Heisenberg Erwin Schrödinger Paul Dirac 1834 • Michael Faraday • Varaus/mooli vakio elektrolyysissä 1811 Amedeo Avogadro: Molekyylien määrä moolissa. 1870-90 Ludwig Bolzmann: Ekvipartitio-periaate Säteilykvantti E = hf 1874 George Stoney 1-ioni kantaa yksikkövarauksen 1923 Arthur Compton Compton-aallonpituus 1856 Wilhelm Weber Valon nopeus sähkövakioista 1805 John Dalton: Atomipainot 1905 • Albert Einstein Valosähköisen ilmiön kvanttitulkinta 1887-1905 • Heinrich Hertz, Philip Lenard, Valosähköinen ilmiö 1865-73 James Maxwell Maxwellin yhtälöt Maxwellin jakautuma SatyendraNathBose 1926 Bose-Einstein jakautuma 1800 1850 1900 1950

4. Mustan kappaleen säteily Kaikki kappaleet lähettävät sähkömagneettista säteilyä aallonpituuksilla, jotka ovat tunnusomaisia kappaleen lämpötilalle. Kvantti-käsitteen varhainen muotoutuminen liittyi läheisesti mustan kappaleen säteilyn aallonpituusjakautumaan. LFS 25th Anniversary Symposium

5. Atomeista ja ideaalikaasusta mustan kappaleen säteilyyn Tehotiheys [ W/Hz/m2 ] 104 106 108 1010 10 12 Havaittu säteily Wilhelm Wien (1896): Säteilyn taajuus suljetussa tilassa on verrannollinen seinämien emittoivien atomien kineettiseen energiaan, Max Planck (1901) 1011 10121013 10141015 1016 f [Hz] Lord Rayleigh (1900): Jokainen seisovan aallon jakso sisältää energian kT Bose-Einstein jakautuma (1926) LFS 25th Anniversary Symposium

6. Kaksilähestymistapaamustankappaleensäteilyyn Max Planck (1901) Lord Rayleigh: Ekvipartitioperiaatettasovelletaanharmoonistentaajuuksienseisoviinaaltoihinmustankappaleen (jokainenaaltosisältääkeskimäärinenergiankT)  Säteilyspektri on säteilynominaoisuus • Wilhelm Wien: Ekvipartitioperiaatettasovelletaanemittoivienmolekyylienenergiajakautumaan •  Maxwell-Boltzmann jakautuma • Säteilyspektrimääräytyyemittereistä Max Planck: Säteily emittoituu aaltopaketteina, joiden energia on verrannollinen taajuuteen yhtälön E = hf mukaisesti - tiheysjakautumaa sovelletaan aaltopaketteihin  Kvantti on säteilynominaisuus LFS 25th Anniversary Symposium

7. Wilhelm Wien, Nobel luento 1911, loppuyhteenveto: … Planckin teoriaa ei vielä ole saatettu täsmälliseen muotoon. Tieteessä, pelastava idea tulee usein täysin toisenlaisesta suunnasta, tutkimukset avian toisenlaisella alalla tuovat usein odottamatonta valoa ratkaisemattomien ongelmien pimeisiin kohtiin … Mikä on minimiannos säteilyä? “Radioinsinööri voi tuskin ajatella pienempää annosta sähkömagneettista säteilyä kuin säteilyannos, jonka tuottaa yhden elektronin yksi värähdysjakso dipolissa.“ E q j B r E Maxwellin yhtälöt: Dipolin säteilemä tehotiheys: z0 LFS 25th Anniversary Symposium

8. Mikä on minimiannos säteilyä? “Radioinsinööri voi tuskin ajatella pienempää annosta sähkömagneettista säteilyä kuin säteilyannos, jonka tuottaa yhden elektronin yksi värähdysjakso dipolissa.“ E q j B r E z0 LFS 25th Anniversary Symposium

9. Mikä on minimiannos säteilyä? “Radioinsinööri voi tuskin ajatella pienempää annosta sähkömagneettista säteilyä kuin säteilyannos, jonka tuottaa yhden elektronin yksi värähdysjakso dipolissa.“ E q j B r E per unit charge Energy/cycle z0 Vakio Geometriatekijä h LFS 25th Anniversary Symposium

10. Mikä on minimiannos säteilyä? “Radioinsinööri voi tuskin ajatella pienempää annosta sähkömagneettista säteilyä kuin säteilyannos, jonka tuottaa yhden elektronin yksi värähdysjakso dipolissa.“ Miten pistelähde voi toimia yhden aallonpituuden dipolina ? E q j B r E Yksi alkeis-varaus Energia/jakso z0 Pistelähde etenee yhden jakson aikana yhden aallonpituuden neljännessä ulottuvuudessa Dipoli 4. ulottuvuudessa on kohtisuorassa kaikkiin avaruussuuntiin nähden Vakio Geometriatekijä h LFS 25th Anniversary Symposium

11. Pelkistetty Planckin vakio Säteilyjakson aallonpituus-ekvivalentti Massaobjektin aallonpituusekvivalentti = Compton-aallonpituus, “Pelkistetty” Planckin vakio Hienorakannevakio osoittautuu puhtaaksi numero- tai geometriatekijäksi ilman yhteyttä muihin luonnonvakioihin h LFS 25th Anniversary Symposium

12. Massan aaltoluonne Sähkömagneettinen säteily Säteilyjakson massaekvivalentti Im Massaobjekti levossa Re Im Massaobjektin aallonpituus-ekvivalentti (=Compton-aallonpituus) Re Massa-objektin kuvaaminen resonaattorina

13. Kvantinolemus Max Planckin kvantti pääteltiin postuloituna suureena mustan kappaleen säteilystä. Max Planckin kvantti on lokalisoitunut ja säteilyn itseisominaisuus. Radioinsinöörin kvantti on johdettu Maxwellin yhtälöistä: kvantti on yhden alkeis-varauksen yhteen säteilyjaksoon emittoima energia. Radioinsinöörin kvantti on lokalisoitunut, jos se on emittoitu suuntaavasta lähteestä – ja ei-lokalisoitunut aaltorintama, kun se on emittoitu ei-suuntaavasta lähteestä. Selittääkö antennitarkastelu mustan kappaleen säteilyn aallonpituusjakautuman? Radioinsinöörin kvanttia kuvaa “intrinsiikkinenPlanckin vakio” h0, joka aallonpituuden kanssa määrittelee säteilyjakson massaekvivalentin Max Planckinkvanttiakuvaa “vaikutuskvantti” h LFS 25th Anniversary Symposium

14. Kyllä, antennitarkastelu selittää mustan kappaleen säteilyn energia/aallonpituusspektrin - erittäin havainnollisella tavalla. Yksikköenergia /antenni Antennin säteilypinta-ala “potentiaalinen” emissiviteetti puoliavaruuteen Emissio mustan kappaleen pinnasta Antenni-tiheys Aktivaatio-jakautuma Rayleigh-Jeans: Wien: Lähde on “aktivaation rajoittama” Lähde on “pinta-alarajoittunut” LFS 25th Anniversary Symposium

15. Kvantin vastaanotto Säteilykvantti absorboituu, jos säteilyn energia/jakso antennin sieppauspinnalla onhf tai suurempi. Antenni on aallonpituusselektiivinen ja edellyttää kynnysenergian ylitystä. LFS 25th Anniversary Symposium

16. Kvantti emissio/absorption –prosessin ominaisuutena Kvantti emissio/absorption –prosessin ominaisuutena selittää - yhtä hyvin kuin lokalisoitunut kvantti - kokeet, kuten valosähköinen ilmiö ja Compton-sironta, Joita on käytetty todisteena lokalisoituneelle kvantille. LFS 25th Anniversary Symposium

17. Kvantin olemuksesta, eräitä seurauksia LFS 25th Anniversary Symposium

18. Im Pelkistetty Planckin vakio ja energian yhtenäinen ilmasu Säteilynyksikköjakso Re … neljännenulottuvuudendynaaminentulkinta … Im Aineenlepoenergia Re Im Compton-aallonpituus Re Im Aineenkokonaisenergia Re KiihdytysCoulombinkentässäsiirtäämassan Coulombinenergia Im Im LFS 25th Anniversary Symposium

19. “Relativistinen” massan kasvu ei ole seuraus nopeudesta vaan lisämassa, joka on tarvittu liikkeen aikaansaamiseen. Liikemäärän ja energia käsittely kompleksisuureina Karakteristiset taajuudet: Im Re Liikkeessä oleva atomikello käy hitaammin ! Im Re Im Aineen kokonaisenergia Re Kiihdytys Coulombin kentässä siirtää massan Coulombin energia Im Im LFS 25th Anniversary Symposium

20. Liikemäärä ja energia kompleksisuureina Pelkistetyn Planckin vakion käyttö sekä liikemäärän ja energian ilmaisu kompleksifunktioina ilmaisee suhteellisuuden seurauksena energiatilasta eikä muuntuneesta ajasta ja etäisyydestä …. Suhteellisuus kuvaa kokonaisenergian säilymistä avaruudesta … LFS 25th Anniversary Symposium

21. Kvantin olemuksesta, eräitä seurauksia LFS 25th Anniversary Symposium

22. Im Compton-aallonpituudesta de Broglie-aallonpituuteen Havainnon synnyttää objektin luovuttama kineettinen energia! Re Compton “resonaattori” Nettoaalto/liikemäärä havaitaan lepokehyksessä Doppler-ilmiö: Etuaallon liikemäärä kasvaa Havainnot lepokehyksessä Taka-aallon liikemäärä pienenee LFS 25th Anniversary Symposium

23. Pelkistetty Planckin vakio ja energia ilmaiseminen Kun valon nopeus irroittetaanPlanckin vakiosta, voidaan de Broglie –liikemäärä ilmaista maassa-aaltona, joka liikkuu liikkuvan objektin nopeudella … “netto Doppler-aaltona”, joka syntyy liikkuvasta Compton-resonaattorista. LFS 25th Anniversary Symposium

24. Kvantin olemuksesta, eräitä seurauksia LFS 25th Anniversary Symposium

25. Elektronin resonanssitilat vetyatomissa • 0 • 2 • 4 • 6 • 8 • 10 • 12 • 14 • 16 Im • n=3 • EZ,n • [eV] • n=2 • n=1 φ Re • 13.6 [eV] • 0 2 4 6 8 10 12 14 16 r/r0 Vetyatomin pääkvanttilukuun liittyvät energiatilat ilmenevät jatkuvaluonteisten energiatilojen minimeinä - eivät diskreetteinä kvanttitiloina • Energy at minima • Radius at minima LFS 25th Anniversary Symposium

26. Kvantin olemuksesta, eräitä seurauksia LFS 25th Anniversary Symposium

27. Säteilykvantti laajenevassa avaruudessa Planckinvakiosäteilynitseisominaisuutena Planckin vakio emission ominaisuutena Energiatiheys pienenee kuten Doppler ilmiössä mutta jakson kantaman energia säilyy (suhteessa avaruuden kokonaisenergiaan). Energiatiheys pienenee kuten Doppler ilmiössä ja kvantin energia pienenee (Tolmannin “intensiteettitekijä”). Säteily säilyttää energian avaruuden laajetessa – energiatiheys pienenee ! Säteily hukkaa energiaa avaruuden laajetessa ! LFS 25th Anniversary Symposium

28. Luminosity and power dilution due to redshift, Tolman 1930 Planck equation Doppler effect PNAS 1930;16;511-520 Planck & Doppler comoving distance

29. Kvantin ja pimeän energia tulkinta vaikutus Ia supernovahavaintojen tulkintaan standardikosmologiassa Standard model (FLRW) Wm = 0.3, WL=0.7 Dark energy m Planckin yhtälön tulkinta säteilyn itseisominaisuudeksi on yksi tekijöistä, jotka johtavat pimeän energian tarpeeseen ! comoving distance Standard model (FLRW) Wm = 1, WL=0 Planckinyhtälökuvaaemissio/absorptioprosessia. z Optinen etäisyys pallosymmetrisesti suljetussa nollaenergia-avaruudessa

30. DC Mukana liikkuva etäisyys = etäisyys pisteestä B’ pisteeseen A’ valon saapumishetkellä FLRW kosmologia, etäisyysmääritelmät DC Friedmann 1922 Tolman 1930, Hubble & Tolman 1935 B’ A’ DL kirkkausetäisyys, Tolman 1930 DLT Doppler ”laimennus” Planck ”laimennus” DA A B A” Havaittu kirkkaus

31. Etäisyydet FLRW-avaruudessajaDynaamisessaUniversumissa B’ A” A’ B B’ A’ A A B

32. Luonnonfilosofian seura The Finnish Society for Natural Philosophy 1988 – 2013 Kiitostarkkaivaisuudestanne! LFS 25th Anniversary Symposium