Kvantestigen. Skalaerne i såvel temperatur som energi er angivet logaritmisk, således at der mellem hver delestreg er en faktor 1000.

.

Kvantestigen, begrebsdannelse i kvantefysikken, først indført af V. Weisskopf (1962). Kvantestigen benyttes til at anskueliggøre en lagdeling af kvantefænomener i naturen, hvor de enkelte lag eller trin placeres efter deres karakteristiske energi. Energien kan angives i elektronvolt (eV) eller ved den temperatur, hvor energien i den uordnede termiske bevægelse har samme gennemsnitlige værdi (1 eV ≈ 104 K). Skalaen går fra 0 eV ved det absolutte temperaturnulpunkt til energier af størrelsesordenen 1019 GeV, svarende til en absolut temperatur på ca. 1032 K (Planck-energien).

Hvert lag af kvantefænomener er knyttet til et bestemt energiområde, hvori det pågældende kvantesystem optræder som naturens uforanderlige "byggesten". Eksempelvis kan man ved en energi af nogle få eV betragte alt stof som opbygget af stabile atomer uden indre struktur. Billedlig talt er atomerne ved denne energi at betragte som små hårde kugler. Men ved energier af størrelsesordenen millioner eV (MeV) er atomerne sprængt itu til elektroner og atomkerner, som nu får karakter af byggesten. Ved energier på hundreder af MeV er atomkernerne splittet ad i neutroner og protoner, som derfor bliver byggestenene sammen med elektronerne. Ved energier på mange milliarder eV (GeV) eksisterer neutroner og protoner heller ikke mere. Nu er byggestenene kvarker, gluoner, leptoner og fotoner.

Ved energiskalaens endepunkt, Planck-energien, vil gravitationseffekter og kvanteeffekter være tæt sammenknyttede. Dette ekstreme energiområde er endnu uudforsket, og der vil her optræde kvalitativt nye og endnu ikke identificerede fænomener. I den modsatte ende af energiskalaen, ved lave energier, er naturens byggesten molekyler, deriblandt biologiske makromolekyler, der betinger livets eksistens. På stigens laveste trin er alt stof frosset ind i krystallinsk form.

Kvantestigen illustrerer den flertydighed, der er knyttet til angivelsen af "stoffets elementære bestanddele". Bestanddelenes art afhænger af de betingelser, stoffet er underkastet, særlig af stoffets temperatur (energi). Ved processer, der foregår omkring os i hverdagen (ca. 200-2000 K), er det atomer og molekyler, evt. ioner og elektroner, der er stoffets byggesten. Ved de meget højere temperaturer i stjernernes indre er byggestenene i hovedsagen neutroner, protoner, elektroner og andre elementarpartikler.

I Universets tidlige faser før dannelsen af galakser og stjerner var temperaturen endnu langt højere, end den er i stjernernes indre. Kører man "filmen" om Universets udviklingshistorie helt tilbage til tidsrum, der kun er en ganske lille brøkdel af et sekund efter big bang, var temperaturen så høj, at byggestenene var kvarker, gluoner og leptoner. I denne fase havde kvarkerne endnu ikke sluttet sig sammen i protoner og neutroner. Ved den ekstremt høje Planck-energi er filmen blank. For denne fænomenkreds har fysikken endnu ingen plausible forestillinger.

Ved lave energier optræder organisk liv i forskellige former. Her er stoffet præget af en høj grad af organisation og variation. Denne organisation går gradvis tabt, når man bevæger sig op i energi. Ved de laveste energier er al variation og differentiation til gengæld frosset ind i uforanderlige former af krystallinske stoffer.

Fysiske fænomener ved energier i området fra nogle MeV til flere hundrede GeV kan studeres her på Jorden ved hjælp af stråler af accelererede atompartikler, særlig stråler af elektroner, protoner eller større kerner. Dele af de høje trin på kvantestigen og de ekstreme temperaturer, som eksisterede i det tidlige Univers, er således tilgængelige for jordiske laboratorieundersøgelser.

Størrelsen af kvantestigens forskellige byggesten, fx atomerne, er betinget af kvantefysikkens love og af grundlæggende og uforanderlige naturkonstanter, bl.a. Plancks konstant, lyshastigheden, elektronens masse og massen af andre elementarpartikler. Der findes således ingen atomer, der er fx en million gange større eller en million gange mindre end dem, vi kender her på Jorden.

Kommentarer

Kommentarer til artiklen bliver synlige for alle. Undlad at skrive følsomme oplysninger, for eksempel sundhedsoplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer, når de kan.

Du skal være logget ind for at kommentere.

eller registrer dig