Kan man ta på en orbital?

Bak vakre bilder av molekylorbitaler skjuler det seg en filosofisk hengemyr, men også en verden av ideer som kan inspirere oss til å se kjemi i nye farger.

Bildet kan inneholde: astronomisk objekt, gass, lysskjær, elektrisk blå, font.

Å fordele N punkter med samme avstand på et kuleskall er et overraskende komplisert problem. Det samme kan sies om det å finne et sett heltall hvor A2 + B2 + C2 = D2. Bunnløse hull kan skjule seg bak selv de enkleste problemstillinger, så jeg mener at nye floker møtes best med et åpent sinn. At arbeidet vårt med en visualiseringsmodul til Hylleraas Software Platform skulle føre meg til et tidsskrift for filosofi var derimot litt uventet.

Bildet viser n punkter fordelt med lik avstand på et kuleskall
Hvordan fordeler man N punkter med samme avstand på et kuleskall?

 

Det er velkjent at kvantemekanikk har visse iboende grubleaspekter. Født av Louis de Broglie, men oppfostret av Erwin Schrödinger og best forstått av Max Born; få vitenskapelige skatter er like myteomspunnet som bølgefunksjonen. Som modell for naturen er den så vidt vi vet ufeilbarlig - dette til tross for at ingen noensinne egentlig har sett en. De fleste lærebøker slår nemlig fast at bølgefunksjonen ikke er observerbar. Vitenskapelig og ikke-observerbar altså, som en diametral motsetning av et spøkelse.

 

Det skapte derfor oppstuss når eksperimentalister i en 1999-utgave av Nature hevdet å ha observert bølgefunksjonen til et elektron i kopperoksid [1]. 

 

“Elektronenes (en-partikkel) bølgefunksjoner er kun en approksimasjon” protesterte noen.[2] “Bølgefunksjoner er er komplekse, og man kan ikke få den imaginære størrelsen \(i = \sqrt{-1}\) som resultat av en måling” lød det fra andre. [3] 

 

Ikke alle var like avvisende. Noen påpekte at heller ikke planetenes baner kan observeres direkte, uten at det gjør de mindre reelle. [4] “Vi bør skille ting fra tilstander” kunne man også lese [5], hvor poenget er at bølgefunksjoner representerer tilstander, ikke objekter. I det som kanskje er en av de mindre forståelige setningene jeg noen gang har sett var det også noen som hevdet at “den ontologiske autonomien i kjemiens verden har blitt eksplisitt forsvart fra en ontologisk pluralisme med Kantianske røtter, som hevder at den ontologiske prioriteten av den fysiske verden viser seg å simpelthen være metafysiske fordommer.”[5] Lær deg det der utenat, og bli festens midtpunkt på neste Real Moro! 

 

Det er i grunn mer enn ett spørsmål som diskuteres her: kan man observere bølgefunksjoner? Kan man måle orbitaler? Finnes de i naturen? Hva er de egentlig? 

 

Det er ikke sikkert disse spørsmålene har så mye å si for hvordan vi velger å fremstille bølgefunksjonen til et molekyl på datamaskinen, men de kan inspirere oss til å tenke nytt. Et spørsmål har bitt seg fast i tankene mine;  kan man berøre en orbital? Jeg tror faktisk svaret er ja!

 

Evince, som vi har døpt vår visualiserings-modul, er enda kun en prototype. Den har imidlertid to unike egenskaper: for det første tegner den bølgefunksjoner ved å generere kode til datamaskinens grafikkprosessor (GPU), og på denne måten kan den enkelt endres i tid, roteres eller flyttes på svært effektivt. Den gir deg ikke bare et statisk bilde, men en interaktiv javascript-applikasjon med komponenter av WebGL, som kan deles med andre, publiseres på nettsider, eller integreres i andre applikasjoner. Du kan se et eksempel i figuren under.

For det andre har den støtte for Virtual Reality (VR). Dette betyr at du i prinsippet kan ta på deg VR-briller, et par haptiske hansker, og føre hånden din inn i bølgefunksjonen. Følelsen og effekten av berøring er det opp til oss som utviklere, forskere og undervisere å avgjøre. Skal vår interaksjon med bølgefunksjonen være som et eksternt elektrisk felt? Kanskje som en ren randbetingelse, som vist i bildet under? Skal det vibrere i hånda, proporsjonalt med sannsynlighetsstrømninger i bølgefunksjonen?

 

Bildet viser en bølge som forplanter seg omkring en hånd
Å berøre en bølgefunksjon: er det litt som å berøre en klassisk bølge? 
(Simulert med Wavebox-utvidelsen av BubbleBox)

Om vi aksepterer bølgefunksjonen som er en ren matematisk beskrivelse av tilstanden til et kvantesystem, så er jo VR nettopp et verktøy som lar oss interagere med slike abstrakte ideer. Videre, om fremtidens kjemikere bygger sin intuisjon for molekyler gjennom direkte visuell og sansbar interaksjon med disse ideene, under betingelser som sikrer en presis kvantekjemisk gjengivelse av virkeligheten, vil da ikke en slik intuisjon være langt mer robust enn for eksempel den vi bygger fra Lewis-strukturer, VSEPR-modellen, elektronegativitetsbegrepet eller andre forenklinger? 

Bildet viser en strømninger som brer seg omkring en hånd
Eller er det å berøre en bølgefunksjon mer som å kjenne en strømning mellom fingrene? 
(Simulert med Flowbox-utvidelsen av BubbleBox)

Dette er interessante spørsmål, som vil ha praktisk betydning for forskning og utdanning i tiden som kommer. Det er derfor med stor nysgjerrighet, entusiasme og spenning vi ser frem til en høst hvor våre studenter er i ferd med å bli de første menneskene som noensinne berører en orbital!

Les gjerne mer om Hylleraas Software Platform, innsatsen for å skape en felles beregningsplatform for de mange forskningsaktivitetene ved Hylleraas-senteret.


Kilder:

[1] Zuo, J. M., Kim, M., O'keeffe, M., & Spence, J. C. H. (1999). Direct observation of d-orbital holes and Cu–Cu bonding in Cu2O. Nature, 401(6748), 49-52.

[2] Scerri, E. R. (2001). The recently claimed observation of atomic orbitals and some related philosophical issues. Philosophy of Science, 68(S3), S76-S88.

[3] Matta, C. F., & Gillespie, R. J. (2002). Understanding and interpreting molecular electron density distributions. Journal of Chemical Education, 79(9), 1141.

[4] Labarca, M., & Lombardi, O. (2010). Why orbitals do not exist?. Foundations of Chemistry, 12(2), 149-157.

[5] Mulder, P. (2010). On the alleged non-existence of orbitals. Studies in History and Philosophy of Science Part B: Studies in History and Philosophy of Modern Physics, 41(2), 178-182.

Emneord: Orbitaler, virtuell virkelighet Av Audun Skau Hansen
Publisert 23. aug. 2022 07:01 - Sist endret 8. sep. 2022 22:02
About-image

Denne bloggen

Professor Steven Ray Wilson er utdanningsleder på Kjemisk Institutt, Universitetet i Oslo. Steven er veldig glad i jobben sin, da han får samarbeide med engasjerte studenter og verdensledende forskere, alt på en gang. Steven er også en prisvinnende foreleser, og spiller i rockeband på fritiden.