Kvanttivärähtelijöitä

Kvanttivärähtelijöitä ovat keskeisiä käsitteitä kvanttimekaniikassa ja kvanttikenttäteoriassa, jotka mallintavat systeemejä, joilla on diskreettejä energiatasoja. Yksinkertaisin ja yleisin malli on harmoninen kvanttivärähtelijä. Sen energia ei voi saada mitä tahansa arvoa, vaan ainoastaan tiettyjä, diskreettejä arvoja, jotka määräytyvät kvanttiluvun ja värähtelijän perustaajuuden mukaan. Tämä eroaa klassisesta harmonisesta värähtelijästä, jonka energia voi olla jatkuva.

Kvanttivärähtelijän energiatasot ovat yhtä etäisyydellä toisistaan. Pienin mahdollinen energiataso, perustila, ei ole nolla, vaan sillä on niin sanottu nolla-energiataso. Tämä johtuu Heisenbergin epätarkkuusperiaatteesta, joka rajoittaa sekä paikan että liikemäärän samanaikaista tarkkaa määrittelyä. Kvanttivärähtelijän käyttäytymistä kuvaa aaltofunktio, joka todennäköisyystiheytenä antaa tiedon hiukkasen sijainnista.

Kvanttivärähtelijöitä käytetään mallintamaan monenlaisia fysikaalisia ilmiöitä. Esimerkiksi atomin värähtelyjä kidehilassa voidaan kuvata kvanttivärähtelijöinä, joissa värähtelykvantteja kutsutaan fononeiksi. Myös valon vuorovaikutusta aineen kanssa voidaan käsitellä kvanttivärähtelijämallien avulla, jossa valon kvantteja kutsutaan fotoneiksi. Kvanttikenttäteoriassa kaikki alkeishiukkaset voidaan nähdä kenttien kvanttivärähtelijöinä.