Kvanttimekaniikan ihmeellisyyksiä

Mitä on kvanttimekaniikka?

Kvanttimekaniikka on fysiikan osa-alue, joka kuvaa luonnon ilmiöitä hyvin pienillä mittakaavoilla, kuten atomi- ja subatomitasolla. Se on tieteellinen teoria, joka perustuu kvantittumisen periaatteeseen, joka tarkoittaa sitä, että energia ja materia käyttäytyvät eri tavalla pienillä mittakaavoilla kuin makroskooppisella tasolla, jolla elämme ja havainnoimme arkipäivän ilmiöitä. Kvanttimekaniikkaa käytetään menestyksekkäästi kuvaamaan atomin ja molekyylien käyttäytymistä, ja se on perusta monille nykyaikaisen teknologian sovelluksille, kuten puolijohteiden elektroniikalle ja kvanttitietokoneille.

Mitä kvanttimekaniikka tarjoaa ilmakehässä olevien kaasujen ja partikkelien kykyyn sitoa lämpöenergiaa?

Kvanttimekaniikka tarjoaa syvällisen käsityksen atomien ja molekyylien käyttäytymisestä, ja se on olennainen osa ilmakehässä olevien kaasujen ja partikkelien kyvystä sitoa lämpöenergiaa. Kvanttimekaniikka selittää, miten atomit ja molekyylit vuorovaikuttavat toistensa kanssa ja kuinka ne absorboivat ja emittoivat energiaa.

Ilmakehässä olevat kaasut ja partikkelit voivat sitoa lämpöenergiaa useilla tavoilla:

• Absorptio ja emissio: Kvanttimekaniikka selittää, miten atomit ja molekyylit voivat absorboida tietyn energian tasoja vastaavia fotoneja ja siirtyvät korkeampiin energiatiloihin. Kun ne palaavat perustilaan, ne voivat emittoida näitä energiaa vapauttavia fotoneja.
• Kvanttimekaaninen vuorovaikutus: Kvanttimekaniikka kuvaa, miten atomien ja molekyylien elektronien energiatasot määräytyvät niiden ympäristön ja vuorovaikutusten perusteella. Tämä on keskeistä ymmärtäessämme, miten kaasut ja partikkelit vuorovaikuttavat ja voivat sitoa lämpöenergiaa.
• Molekyylien liike ja vuorovaikutukset: Kvanttimekaniikka tarjoaa perustan ymmärtää, miten atomit ja molekyylit liikkuvat ja vuorovaikuttavat toistensa kanssa ilmakehässä. Tämä on tärkeää esimerkiksi kaasujen diffuusion ja konvektion ymmärtämisessä.
• Spektriviivat ja absorptio: Kvanttimekaniikka selittää, miksi tietyt kaasut ja partikkelit imevät tietyllä aallonpituudella valoa, mikä on tärkeää ilmakehän lämpösäteilyn ja ilmastonmuutoksen tutkimisessa.

Joten kvanttimekaniikka tarjoaa syvällisen teoreettisen pohjan ymmärtää ilmakehässä olevien kaasujen ja partikkelien käyttäytymistä lämpöenergian sitomisessa ja vapauttamisessa. Tätä ymmärrystä käytetään ilmastotieteessä ja ilmakehän dynamiikan tutkimuksessa, mukaan lukien ilmastonmuutoksen ja sään mallintamisessa.

Kvanttimekaaninen mallinnus ilmastonmuutoksessa

Kvanttimekaanista mallinnusta ei käytetä suoraan ilmastonmuutoksen tutkimuksessa, sillä ilmastotieteessä ja ilmastonmuutoksen ennustamisessa keskitytään pääasiassa ilmakehän ja maapallon suurten mittakaavojen prosesseihin, jotka voidaan kuvata klassisilla fysikaalisilla laeilla ja numeerisilla malleilla. Ilmastonmuutosta ja sen vaikutuksia mallinnetaan usein ilmastomallinnuksilla, jotka perustuvat klassiseen fysiikkaan, hydrologiaan, meteorologiaan ja geotieteisiin. Ilmastonmuutoksen mallinnus perustuu yleensä seuraaviin perusteisiin:

• Ilmastomallit: Ilmastomallit ovat monimutkaisia numeerisia malleja, jotka käyttävät klassista fysiikkaa kuvaamaan ilmakehän ja merien käyttäytymistä. Näihin malleihin sisältyy yhtälöt, jotka perustuvat fysikaalisiin periaatteisiin, kuten Newtonin liike- ja lämpötilayhtälöt.
• Säteilysuureet: Ilmastonmuutoksen mallinnuksessa otetaan huomioon myös säteilyyn liittyvät prosessit, mukaan lukien auringon säteilyn määrä ja maanpinnalta tuleva säteily.
• Kasvihuonekaasut: Mallit huomioivat kasvihuonekaasujen pitoisuudet ilmakehässä ja niiden vaikutukset ilmaston lämpenemiseen.
• Pilvet ja aerosolit: Ilmastonmuutoksen mallinnuksessa tarkastellaan myös pilvien ja aerosolien vaikutuksia ilmakehän dynamiikkaan ja ilmastoon.
• Merenkierto: Merien virtaukset ja lämpötilat ovat tärkeitä tekijöitä ilmastonmuutoksen mallinnuksessa, ja niitä kuvataan hydrodynamiikkaan perustuvilla malleilla.

Vaikka kvanttimekaniikkaa ei käytetä suoraan ilmastonmuutoksen mallinnuksessa, se voi olla tärkeä tekijä ilmakehän ja ilmaston ymmärtämisessä. Esimerkiksi kvanttimekaniikka liittyy ilmakehän koostumukseen ja kemiallisiin reaktioihin, kuten kasvihuonekaasujen käyttäytymiseen. Kvanttimekaniikka voi myös vaikuttaa maapallon ilmakehän koostumuksen muutosten ymmärtämiseen ja niiden vaikutuksiin.

Eli kvanttimekaniikkaa ei suoraan sovelleta ilmastonmuutoksen mallinnukseen, mutta se voi tarjota perustietoa ilmakehän kemiallisista ja molekyylitasoisista prosesseista, jotka vaikuttavat ilmastoon. Ilmastonmuutoksen mallinnus perustuu pääasiassa klassiseen fysiikkaan ja numeerisiin malleihin, jotka kuvaavat ilmaston suuria mittakaavoja ja prosesseja.

Kvanttimekaaniset kaavat, joilla ratkaistaan ilmakehässä olevin kasvihuonekaasujen ja partikkelien kyky sitoa lämpöenergiaa

Ilmakehässä olevien kasvihuonekaasujen ja muiden partikkelien kyky sitoa lämpöenergiaa perustuu monimutkaisiin vuorovaikutuksiin sähkömagneettisen säteilyn ja molekyylien välillä. Tätä kykyä kuvataan yleensä klassisilla sähkömagneettisen säteilyn ja molekyylien vuorovaikutusta kuvaavilla fysikaalisilla kaavoilla. Kvanttimekaniikkaa käytetään yleensä taustateoriana, joka selittää, miten molekyylit reagoivat sähkömagneettiseen säteilyyn ja miten niiden energiatasot muuttuvat.

Kvanttimekaniikkaan liittyviä käsitteitä ja periaatteita, jotka liittyvät ilmakehässä olevien kasvihuonekaasujen ja muiden partikkelien kykyyn sitoa lämpöenergiaa ovat:

• Molekyylin energiatasot: Kvanttimekaniikka mahdollistaa molekyylin energiatasojen laskemisen ja kuvaamisen. Tämä on tärkeää ymmärtäessämme, kuinka molekyyli voi absorboida ja emittoida sähkömagneettista säteilyä tietyillä energiatasoilla.
• Absorptio- ja emissiospektrit: Kvanttimekaniikkaan perustuvia laskelmia voidaan käyttää ennustamaan, millä aallonpituuksilla kasvihuonekaasut ja muut ilmakehän partikkelit absorboivat ja emittoivat säteilyä. Tämä on keskeistä ilmastomalleissa, jotka ottavat huomioon ilmakehän komponenttien vuorovaikutuksen säteilyn kanssa.
• Kvanttimekaaniset simulaatiot: Tiheyden toiminnallista teoriaa (DFT) ja muita kvanttimekaniikan menetelmiä voidaan käyttää laskennallisissa simulaatioissa arvioimaan molekyylien rakennetta, värähtelytiloja ja elektronisten ominaisuuksien muutoksia. Tämä voi auttaa ennustamaan, miten kasvihuonekaasujen ominaisuudet muuttuvat erilaisissa olosuhteissa.
• Kvanttimekaaniset mallit: Joissakin tapauksissa käytetään erilaisia kvanttimekaanisia malleja, kuten monikehoista kvanttimekaniikkaa, kuvaamaan monimutkaisempia molekyylien vuorovaikutuksia, kuten vety- ja vety-sidosten muodostumista.

Kvanttimekaniikan kaavat ja menetelmät ovat siis tärkeitä teoreettisia työkaluja, jotka auttavat tutkijoita ymmärtämään, kuinka ilmakehässä olevat kasvihuonekaasut ja muut partikkelit reagoivat lämpösäteilyn kanssa ja kuinka nämä vuorovaikutukset vaikuttavat ilmaston lämpenemiseen ja muutoksiin. Näitä tietoja voidaan käyttää ilmastomallien parantamiseen ja tarkempien ilmastonmuutoksen ennusteiden tekemiseen.

Molekyylien energiatasoja osoittavat yhtälöt

Molekyylien energiatasojen kuvaamiseen ja laskemiseen käytetään yleisesti Schrödingerin yhtälöä, joka on perustavaa laatua oleva yhtälö. Se kuvaa kvanttijärjestelmän aikaan riippuvaa kehitystä. 

Schrödingerin yhtälö on seuraavanlainen:

HΨ = EΨ

Tässä:

• H on Hamiltonin operaattori, joka edustaa systeemin kokonaisenergiaa.
• Ψ (psi) on aaltofunktio, joka kuvaa systeemin tilaa avaruudessa ja ajassa.
• E on energian arvo, joka vastaa systeemin tilaa.

Kun ratkaistaan Schrödingerin yhtälöä, saadaan aaltofunktion Ψ eri energiatasoille, ja nämä energiatasot (E) kuvaavat systeemin mahdollisia energia-arvoja. Yleensä näitä energiatasoja kutsutaan kvanttikemian yhteydessä elektronien energiatasoiksi, ja ne määrittävät, millä energiatasoilla elektronit voivat olla atomissa tai molekyylissä.

Tarkemmin sanottuna, elektronin energiatasot atomeissa voidaan laskea Schrödingerin yhtälöllä ja tarkemmilla kvanttimekaanisilla menetelmillä, kuten Hartree-Fock-menetelmällä tai tiheyden toiminnallisella teorialla (DFT). Näiden menetelmien avulla voidaan määrittää elektronien energia- ja orbitaalitasot, jotka kuvaavat elektronien jakaantumista atomien ympärille ja niiden energiaprofiilia.

Molekyylissä elektronien energiatasot lasketaan ottaen huomioon molekyylin rakenne ja vuorovaikutukset. Tämä mahdollistaa molekyylin ominaisuuksien, kuten kemiallisten reaktioiden ja absorptiospektroskopian ymmärtämisen.

On huomattava, että kvanttimekaniikka tarjoaa monenlaisia numeerisia menetelmiä ja kaavoja energiatasojen laskemiseen ja molekyylien ominaisuuksien ennustamiseen. Näitä menetelmiä sovelletaan laajasti kvanttikemian, teoreettisen kemian ja molekyyli- ja atomifysiikan alueilla.

Absorptio- ja emissiospektrien kaavat

Absorptio- ja emissiospektrejä voidaan kuvailla kvanttimekaniikassa käyttämällä monimutkaisempia teorioita ja laskentamenetelmiä, kuten tiheyden toiminnallista teoriaa (DFT), Hartree-Fock-menetelmää ja Møller-Plessetin toisen asteen (MP2) teoriaa. Nämä menetelmät voivat antaa tietoa molekyylin elektronisesta rakenteesta ja energiatiloista, jotka liittyvät absorptio- ja emissiospektreihin.

Alla on yleinen kaava, joka liittyy absorptio- ja emissiospektreihin kvanttimekaniikan näkökulmasta:

• Sähköinen säteilykulma (Energia): Absorptio- ja emissiospektrejä kuvaava kaava liittyy energian E ja sähköisen säteilykulman μ väliseen vuorovaikutukseen. Tämä vuorovaikutus voidaan kuvata osittain seuraavasti:
  

I(ν) ∝ |μE|²

Tässä I(ν) on intensiteetti, ν on taajuus (joka on suoraan verrannollinen energiaan), μ on dipolimomentti (joka kuvaa molekyylin varautuneisuuden jakaumaa) ja E on sähkökenttä.

• Franck-Condon-periaate: Tärkeä käsite molekyylien absorptio- ja emissiospektreissä on Franck-Condon-periaate, joka perustuu siihen, että elektronien siirtymiset molekyylissä tapahtuvat nopeammin kuin ytimien liikkeet. Tämä johtaa siihen, että absorptio- ja emissiospektreissä tarkastellaan yleensä elektronien energiatilojen muutoksia, kun ytimet pysyvät samassa asennossa.
• Molekyylitason laskelmat: Absorptio- ja emissiospektrejä varten on suoritettava kvanttimekaanisia laskelmia, jotka ottavat huomioon molekyylin rakenteen ja elektronien tilan. Tällaisia laskelmia varten käytetään erilaisia menetelmiä, kuten DFT ja Hartree-Fock, ja niissä otetaan huomioon molekyylin potentiaalikenttä, elektronien vuorovaikutukset ja värähtelytilat.

On tärkeää huomata, että absorptio- ja emissiospektrejä voidaan laskea numeerisesti käyttäen tietokoneohjelmistoja, jotka perustuvat kvanttimekaniikkaan. Näitä ohjelmistoja käytetään laajasti teoreettisen kemian ja molekyyli- ja atomifysiikan tutkimuksissa absorptio- ja emissiospektreihin liittyvien ilmiöiden tarkasteluun ja ennustamiseen. Kaavat ja laskentamenetelmät voivat kuitenkin vaihdella riippuen käytetystä kvanttimekaniikan menetelmästä ja tarkasteltavasta molekyylistä.

Kvanttimekaanisten simulaatioiden kaavat

Kvanttimekaaniset simulaatiot ovat laskennallisia menetelmiä, joita käytetään kvanttimekaniikan ilmiöiden ja järjestelmien tutkimiseen. Kvanttimekaaniset ilmiöt voidaan kuvata Schrödingerin yhtälöllä, joka on perusyhtälö kvanttimekaniikassa. Simulaatiot perustuvat tähän yhtälöön ja sen erilaisiin approksimaatioihin ja ratkaisumenetelmiin.

Yleisesti ottaen kvanttimekaaniset simulaatiot voivat käyttää seuraavia peruskaavoja ja menetelmiä:

• Schrödingerin yhtälö: Tämä on kvanttimekaniikan perusyhtälö, joka kuvaa ajankehitystä kvanttimekaniikan systeemissä. Yleinen aikariippuvainen Schrödingerin yhtälö on seuraava:

iħ ∂𝛹/ ∂t = H𝛹

Tässä Ψ on aaltofunktio, i on imaginaarinen yksikkö, ħ on redukoitu Planckin vakio ja H on Hamiltonin operaattori, joka kuvaa systeemin energianopeutta.

• Hartree-Fock-menetelmä: Tämä on approksimaatiomenetelmä monielektronisten atomien ja molekyylien elektronien järjestelmien laskemiseen. Se pyrkii löytämään elektronikonfiguraation, joka minimoi systeemin energian.
• DFT (Density Functional Theory): DFT on toinen menetelmä monielektronisten systeemien simuloimiseksi. Se perustuu elektronitiheyden käsitteeseen ja etsii elektronitiheyden minimienergiaa.
• Kvanttimekaniikan Monte Carlo (QMC): QMC-menetelmät käyttävät Monte Carlo -simulaatioita ratkaisemaan Schrödingerin yhtälöitä numeerisesti, ja niitä voidaan käyttää useiden erilaisten kvanttimekaanisten ongelmien käsittelyyn.
• Matriisimekaniikka: Tämä on toinen lähestymistapa kvanttimekaniikan simulaatioihin, joka perustuu matriisien käyttöön kvanttimekaniikan operaattoreiden edustamiseen ja niiden ajalliseen kehitykseen.

Nämä ovat vain joitain esimerkkejä kvanttimekaanisista simulaatiomenetelmistä, ja niitä on paljon muitakin riippuen siitä, millaista systeemiä tai ilmiötä halutaan tutkia. Kvanttimekaniikan simulaatiot voivat olla hyvin monimutkaisia ja vaativat usein tehokkaita numeerisia menetelmiä ja tietokoneiden laskentatehoa.

Kvanttimekaanisten mallien kaavat

Kvanttimekaaniset mallit ovat matemaattisia kehyksiä, jotka kuvaavat ja ennustavat kvanttimekaanisten järjestelmien käyttäytymistä ja ominaisuuksia. Nämä mallit perustuvat jälleen Schrödingerin yhtälöön, joka on kvanttimekaniikan perusyhtälö. Alla on yleisiä kvanttimekaanisia malleja ja niihin liittyviä kaavoja:

• Yhden hiukkasen aaltofunktio (Ψ): Yksittäisen hiukkasen aaltofunktio kuvaa hiukkasen tilaa kvanttimekaniikassa. Schrödingerin yhtälö yhden hiukkasen tapauksessa on seuraava:

iħ ∂𝛹 /∂t = – ħ² / 2m ∇² 𝛹 + V𝛹

Missä ħ on redukoitu Planckin vakio, t on aika, m on hiukkasen massa, ∇² on Laplacen operaattori (del²), V on potentiaalifunktio.

• Molekyylien Schrödingerin yhtälö: Monielektronisten molekyylien kvanttimekaaninen kuvaus voi olla erittäin monimutkainen. Tämä voidaan käsitellä Hartree-Fockin menetelmällä tai DFT:llä, joiden tarkoituksena on etsiä molekyylin elektronien järjestelmää kuvaavaa aaltofunktiota. Tämä voi sisältää monimutkaisia kaavoja, mutta ne pyrkivät löytämään elektronikonfiguraation, joka minimoi energian.
• Kvanttimekaaninen vuorovaikutus (Hamiltonin operaattori): Kvanttimekaniikan systeemin energianopeus kuvataan Hamiltonin operaattorin avulla. Tämä operaattori sisältää kaikki systeemin energiaan liittyvät termit, mukaan lukien kinetiikka ja potentiaali. Hamiltonin operaattori on muotoa:

H = – ħ² / 2m ∇² +V

Missä ensimmäinen termi kuvaa kinetiikkaa ja toinen termi potentiaalienergiaa.

• Dynaaminen Schrödingerin yhtälö: Kvanttimekaniikassa systeemin tilan aikakehitys määritellään toistamiseen dynaamisella Schrödingerin yhtälöllä:

iħ ∂𝛹/ ∂t = H𝛹

Tämä yhtälö kuvaa, miten systeemin tila muuttuu ajan funktiona.

• Kvanttimekaanisen operattorin odotusarvo: Systeemin fysikaalisia ominaisuuksia ja mittauksia voidaan ennustaa laskemalla kvanttimekaanisten operaattoreiden odotusarvot. Operaattorin O odotusarvo Ψ-tilassa on seuraava:

⟨O⟩ = ∫ 𝛹 * (r) O𝛹 ® dτ

Missä Ψ*(r) on kompleksikonjugaatti aaltofunktio, O on operaattori, ja dτ on infinitesimaalinen tilavuuselementti.

Nämä ovat yleisiä kvanttimekaanisia kaavoja ja malleja, jotka muodostavat perustan kvanttimekaniikan teorialle ja simulaatioille. Käytännössä monimutkaisempien järjestelmien käsittely voi vaatia erilaisia numeerisia tai analyyttisiä menetelmiä, mutta Schrödingerin yhtälö ja siihen perustuvat kaavat ovat keskeisiä kvanttimekaniikan mallien perustana.

Absorboituvien fotonien raja-arvo lauseke

Absorboituvien fotonien raja-arvoa voidaan laskea käyttämällä Planckin kvanttimekaniikkaa. Raja-arvoa kutsutaan myös energiakynnykseksi ja se riippuu siitä, millaisia elektronisiirtymiä atomin tai molekyylin energiatiloihin halutaan saavuttaa.

Yleinen lauseke absorboituvien fotonien raja-arvolle (E_threshold) on seuraava:

E_threshold = ΔE

Missä:

• E_threshold on raja-arvo eli minimienergia, jonka fotonin on oltava, jotta se voi aiheuttaa elektronisiirtymän.
• ΔE on energianmuutos, joka tapahtuu elektronin siirtyessä alkuasemasta loppuasemaan.

Tämä energiamuutos voi olla eri suuruinen eri aineille ja eri siirtymille. Esimerkiksi atomi- tai molekyylitason siirtymissä elektronit voivat siirtyä elektronikuorelta toiselle, ja nämä siirtymät vaativat tietyn energiamäärän, joka määrää raja-arvon absorboituvien fotonien energialle.

Huomaa, että tämä on yksinkertaistettu esitys, ja käytännössä laskeminen voi olla monimutkaisempaa, koska se riippuu tarkemmin siitä, mitä aineita ja elektronisiirtymiä tarkastellaan. Energianmuutos ΔE voi myös olla jatkuvaa ja spektrisidonnaista, mikä tarkoittaa, että absorptio voi tapahtua useilla eri energiatasoilla, ei vain yhdellä tietyllä raja-arvolla.

Ilmakehän nestemäisen ja kaasudynamiikan kuvaaminen hydrodynaamisilla malleilla – kaksiuloitteisuus yhtälöt

Ilmakehän nestemäisen ja kaasudynamiikan kuvaamiseen käytetään Navier-Stokesin yhtälöitä. Näitä yhtälöitä voidaan soveltaa sekä kaksiulotteisiin (2D) että kolmiulotteisiin (3D) ilmakehän virtausongelmiin. Tässä tapauksessa esittelen Navier-Stokesin yhtälöt kaksiulotteisessa muodossaan, joka yksinkertaistaa mallinnusta ja soveltuu moniin ilmakehän virtausongelmiin.

Kaksiulotteisessa tapauksessa voimme erottaa x- ja y-suunnan (vaaka- ja pystysuuntaiset) liikkeet ja soveltaa seuraavia Navier-Stokesin yhtälöitä:

Kontinuiteettiyhtälö (massan säilyvsyys):

∂𝜌/∂t + ∇ (𝜌u) = 0

Momentum-yhtälö (Newtonin toinen laki):

∂(𝜌u) / ∂t + ∇ (𝜌u ⊗ u) = –∇p + ∇τ + 𝜌g

Energiankuljetusyhtälö (Energian säilyminen):

∂ (𝜌E) / ∂t + ∇ (𝜌Hu) = ∇ (k∇T) + 𝜌q

Missä:

• ρ on kaasun tiheys
• u on virtausnopeusvektori.
• p on paine.
• τ on viskositeettimatriisi.
• g on painovoimakiihtyvyys.
• E on kokonaisenergia yksikkötilavuutta kohti.
• H on entalpia yksikkötilavuutta kohti.
• k on lämmönjohtavuus.
• T on lämpötila.
• q on lämpölähde.

Hydrodynaamiset mallit ilmakehän dynamiikan kuvaamiseksi perustuvat näihin yhtälöihin, mutta niissä tehdään useita yksinkertaistavia oletuksia ja approksimaatioita, jotka mahdollistavat laskennan käytännöllisessä ajassa ja resurssien puitteissa:

• Kaksiulotteisuus: Ilmakehän virtauksia voidaan usein tarkastella kaksiulotteisina, mikä yksinkertaistaa laskentaa ja säästää resursseja.
• Steady-State-approksimaatio: Monissa sovelluksissa oletetaan, että virtaus on tasapainossa, mikä tarkoittaa, että ajan osalta muutokset ovat hyvin hitaita.
• Turbulenssin parametrisointi: Ilmakehän turbulenssi on monimutkainen ilmiö, ja se parametrisoidaan usein yksinkertaistavilla malleilla sen sijaan, että sitä laskettaisiin suoraan Navier-Stokesin yhtälöiden avulla.
• Pieni ilmakehän Maan pinnasta ylöspäin ulottuva alue: Usein ilmakehän dynamiikkaa mallinnetaan vain tietyllä alueella, kuten alimmilla kilometreillä Maan pinnasta.

Kokonaisvaltaisten ilmasto- ja sääennustemallien lisäksi, joissa otetaan huomioon monet ilmakehän ja maapallon vuorovaikutukset, nämä hydrodynaamiset mallit ovat hyödyllisiä yksityiskohtaisemmissa tutkimuksissa ja ennusteissa. Ne voivat auttaa ymmärtämään paikallisia sääilmiöitä ja ilmakehän dynamiikkaa tietyillä alueilla ja korkeuksilla.

Kvanttimekaniikassa fotonin eli valokvantin ymmärtämisen vaikeus

Fotonista eli valokvantista ja aineen häviämättömyydestä

Kun fotoni absorboituu aineeseen, se ei ”lakkaa olemasta” siinä mielessä, että se katoaisi johonkin ammottavaan tyhjyyteen, eli ei mihinkään (eli ikäänkuin ne kertyisivät johonkin käytettyjen fotonien äärettömään varastoon). Sen sijaan fotoni käy läpi muunnoksen, jossa sen energia siirtyy absorboivaan materiaaliin. On siis täysin turhaa väitellä kvanttimekaniikasta, sillä tuskin kukaan täysin ymmärtää, mitä kvanttimekaniikka todellisuudessa on, paitsi tietysti ne US:n denialistit ja ”kvanttimekaanikot”, joille valokvantit vain yllättäen katoavat jättämättä mitään jälkiä.

Fotonin energia siis säilyy. Se muuntuu erilaiseksi energiamuodoksi, olipa kyseessä sitten elektronien viritysenergia, irronneiden elektronien kineettinen energia tai muu kineettinen vuorovaikutus (kuten molekyylit), mutta se ei yksinkertaisesti katoa tyhjyyteen. Joten vaikka itse fotoni ”saattaa lakata olemasta erillisenä, vapaana hiukkasena absorption jälkeen”, sen energia otetaan silti huomioon ja se muunnetaan yleensä muiksi energiamuodoiksi absorboivassa materiaalissa. Energian säilymisen periaate varmistaa, että energiaa ei synny eikä tuhoudu, vaan se muuntautuu.

Ja lopultakin. Tämän äärimmäisen monimutkaisen kvanttimekaniikan, ja niin kauan kuin auringosta riittää valokvantteja, ja jos niiden kohdalle osuu ainetta eli massaa (kuten maapallon ilmakehässä oleva kaasukerros ja maapallo itse) ne myös absorboituvat ja emittoituvat, ja jos ne osuvat kaasumolekyyleihin tai kiinteämpään massaan, joilla on kvanttimekaaniset värähtelyominaisuudet, missä energia muuntuu toiseksi. Joten hyvällä omalla tunnolla voidaan todeta, ettei ns. väitettyä ”fotonikatoa” ole olemassakaan. 

Toisin sanoen: ”Kun fotoni absorboituu, niin se katoaa totaalisesti ja lopullisesti – A. Ollila” ei ole tästä maailmasta, tai sitten kvanttimekaniikka ja fysiikka tulee kirjoittaa uusiksi. Ja pahoin pelkään, että silloin Nobelisti Erwin Schrödingerin yhtälöt tulisi kirjoittaa myös uusiksi.