Bliver du svimmel og forvirret af kvantemekanik? Godt. Så er du ved at forstå det
Tryk play eller søg på ’Naturvidenskaben forfra’ i din podcast-app for at få artiklen oplæst.
Da Ulrich Busk Hoff var 24 år gammel, brugte han et år i en kælder under Paris på at observere, hvad der skete mellem to kolde spejle. Spejlene var næsten kølet ned til det absolutte nulpunkt, men også kun næsten. Der var stadig en lillebitte smule varme i dem, og det betød, at der af og til opstod en lyspartikel – en foton – ud af ingenting. Lidt tid eksisterede den og blev reflekteret mellem spejlene, indtil den igen forsvandt ud i ingenting. Og dér sad Ulrich Busk Hoff som kandidatstuderende på et rullende skuffedarium, fordi der ikke var kontorstole nok, og så fotonerne opstå og forsvinde som telegrafiske signaler på en skærm.
»Det var vildt,« siger han og ser op. »Det er noget, der opstår ud af intet.«
Så beder han om hjælp til at få skruet på en skive, der mest af alt ligner et instrument, man ville finde hos optikeren. Vi står i et lokale på DTU, hvor han nu arbejder, 38 år gammel, som kvantefysisk rådgiver.
Vi er mødtes for at gøre en naturvidenskabelig opdagelse. Eller for at sætte det på spidsen: Vi er mødtes for at undersøge, om det er kvantemekanikken eller den klassiske fysik, der hersker i verden.
Opgaven er ikke uvant for ham. I fire-fem år har han afholdt kurser i gør det selv-kvantemekanik på Folkeuniversitetet – primært for pensionerede ingeniører, men også for humanister, der ønsker at blive ført ind i denne mærkelige, subatomare verden.
Og den er virkelig mærkelig. Selv de mennesker, der burde forstå det bedst, kvantefysikere, der har brugt hele deres liv på det, er forvirrede.
»Jeg tror, jeg med sikkerhed kan sige, at ingen virkelig forstår kvantemekanikken,« har den amerikanske fysiker og nobelprismodtager Richard Feynman sagt.
Vores egen Niels Bohr har bemærket, at hvis man ikke bliver svimmel, når man først hører om kvanteteori, så har man ikke forstået et ord af det hele. Og hans tidligere assistent Werner Heisenberg, et af de unge genier, der var i den absolutte front under udviklingen af den banebrydende kvantemekanik, tog den skridtet videre, da han blev spurgt om, hvordan man skal forestille sig et atom: »Lad hellere være.«
Men det har vi nu ikke tænkt os.
Kvantemekanikken var en revolution, og uden den indsigt og de regneregler, der fulgte med, ville vi hverken have haft styr på atomernes opførsel eller have opfundet mobiltelefonen, laseren, computeren og meget af alt det andet omkring os. Kort sagt: Kvantemekanikken er en af de vigtigste teorier, der findes.
Derfor vil vi her forsøge at klatre op ad den mur af advarsler, der omgiver kvantefysikkens bizarre verden, og se ind over kanten. For når det kommer til stykket, er det en verden, som vi allerede bebor.
En radikal idé
Derinde bag muren står den unge danske fysiker Niels Bohr i Manchester og har lige fået en radikal idé. Året er 1912, og han er på studieophold i England, hvor han beskæftiger sig med noget af det allermest hotte i tiden: elektroner og atomer.
I årtusinder lå den atomare verden skjult for os. Men så opdagede fysikeren J.J. Thomson i 1897 elektronen, og godt et årti senere fandt Ernest Rutherford ud af, at atomets kerne er tætpakket, og at der mellem kernen og elektronerne mestendels er tomrum. Det ledte til ideen om, at atomet ligner solsystemet: I centrum hviler den positive kerne som en mægtig stjerne, og omkring den cirkulerer elektronerne som planeter rundt om solen.
Billedet er smukt og intuitivt forståeligt og desværre helt forkert. Sådan et atom ville aldrig kunne findes. Den negative elektron ville blive suget ind mod den positive kerne, dens cirkler ville blive mindre og mindre, indtil den ramte kernen, og hele atomet gik til grunde.
Men i 1912 står Bohr så og funderer over atomets ustabilitet og får en idé, der er så god, at han udskyder sin bryllupsrejse for at forfølge den: Hvad nu, hvis der kun findes helt bestemte baner, som elektronen har lov til at befinde sig i?
Den sidste idé bygger på en tanke, som den tyske fysiker Max Planck fik, da han i år 1900 ikke kunne få sine regnestykker til at gå op. Han studerede varmestråling, og for at få matematikken til at passe blev han nødt til at antage, at atomer kun kan afgive og optage strålingsenergi i små pakker. Eller, som han kaldte dem, i kvanter. Bare som et regnetrick, mente han. Det kunne ikke passe, at verden rent faktisk var sådan.
Men i 1912 fik Bohr så den tanke, at kvanterne har med selve atomets grundstruktur at gøre. Selv om elektronen kun har lov til at være i helt bestemte baner, kan den skifte mellem dem. Hvis atomet bliver tilført energi, bliver elektronen knipset til en bane, der ligger mere yderligt. Men på et tidspunkt hopper den tilbage til sin gode gamle bane, og når den gør det, så udsender den energi i form af lys.
Bohrs idé var radikal. Selve hoppet – kvantespringet – skal nemlig ikke forstås, som når man hopper fra sten til sten over en bæk. I sådan et hop berører man godt nok kun jorden enkelte steder, men ens krop er hele tiden kontinuerligt et sted i rummet. Når en elektron laver et kvantespring, så forsvinder den fra én bane og dukker spontant op i en anden. Aldrig har den befundet sig et sted på vejen mellem banerne – for det kan den ikke.
Det er her, kvanteteorien begynder at vise sig fra sin besværlige side.
Vilde tider
I flere år skumlede de etablerede fysikere over Bohrs teori. Den var for aparte! Det kunne ikke passe! Problemet var bare, at den var god. Den kunne i minutiøse detaljer forklare det lys, som udsendes af forskellige stoffer, og den kunne forudsige nye fænomener, som man endnu ikke kendte.
Det tog nogle år, men til sidst blev flere og flere overbevist om, at der vitterligt var noget om snakken.
Niels Bohr blev en international berømthed, der omkring sig i København samlede nogle af fysikkens mest visionære hjerner. Og de sad især i hovederne på meget unge mænd. De fleste af de fysikere, der var med til at udvikle kvantemekanikken i de vilde år 1925 til 1928, Heisenberg, Pauli, Jordan, Dirac, var i starten eller midten af 20’erne. Knabenphysik, blev det drillende kaldt. Drengefysik.
Drengene – og ikke mindst østrigske Erwin Schrödinger, der dog var 39 – arbejdede og gættede og regnede som gale og kom frem til, at selv om Bohrs teori var god, så var den ikke perfekt. Og inden årtiet var omme, stod de tilbage med en ny kvanteteori: kvantemekanikken.
Det bliver mærkeligere
Hvis man syntes, Bohrs teori hvilede på et aparte grundlag, så tager kvantemekanikken den lige skridtet videre: Der findes ikke nogen ’baner’, hvor elektronerne kan fise rundt. Faktisk kan man ikke sige noget om, præcis hvor elektronen befinder sig. Man kan kun sige noget om sandsynligheden for, at elektronen befinder sig et bestemt sted på et bestemt tidspunkt.
Det, vi er vant til at se som hårdt optrukne cirkler omkring et atom, skal altså nærmere forstås som en masse prikker af sandsynligheder, som så koncentrerer sig i noget, der kunne ligne uldne baner. De viser, hvor der vil være mere eller mindre sandsynlighed for at finde en elektron, men de viser ikke, hvor elektronen er. Som sådan giver ordet ’sted’ ikke rigtig mening i den subatomare mikroverden.
Og det gælder sådan set også for fotoner og alle andre partikler på det subatomare niveau.
Helt generelt kan man sige meget lidt præcist, når det kommer til småting som atomer og partikler. Hvis kvantemekanikken er fysikkens nye grundlov, så lyder en af de første paragraffer, at verden består af uvished og sandsynligheder – det er et grundtræk ved naturen.
Så kan man selvfølgelig måle på det. Men det viser sig, at man ikke kan måle på en partikel uden at forstyrre den. Derfor kan man ikke både måle dens placering og dens hastighed samtidig. Man bliver nødt til at nøjes med at få et resultat enten for stedet (hvor man så ikke kender hastigheden præcist) eller for hastigheden (hvor man så ikke kan bestemme stedet).
Og mærkeligere endnu: Når du måler på partiklen, forstyrrer du den ikke bare. Du ændrer den også. Partikler er ’både-og’-typer. Hvis du stiller en partikel over for to døre, så vælger den at gå igennem dem begge. Samtidig. Det kan den, fordi den både kan opføre sig som en lille hård partikel og som en bølge.
Forestil dig to åbne døre stillet op i vandkanten – for en bølge er det intet problem at flyde igennem begge på samme tid. Hvordan partiklen opfører sig, afhænger af, hvilken type eksperimenter vi udsætter den for. Og det er først, når vi laver målingen – stiller to døre op på stranden – at partiklen er det ene eller det andet. Havde vi i stedet for de to døre lavet et andet eksperiment, havde den opført sig som en partikel. Måske.
Faktisk bryder kvantemekanikken fundamentalt med nogle af de helt centrale præmisser for den klassiske fysik: determinisme – at vi, hvis vi som i de gode gamle dage skyder en kanonkugle afsted og kender dens hastighed og bane, kan forudsige, hvor den vil befinde sig lige om lidt – og årsagssammenhæng. I kvanteverdenen kan ting ske uden årsag. Sådan er det bare. Som en lyspartikel, der opstår ud af ingenting mellem to meget kolde spejle i en kælder under Paris. Noget sker bare, uden at vi nødvendigvis kan forklare hvorfor.
Kort sagt er mikroverdenen totalt forskellig fra den verden, vi oplever omkring os. Til trods for, at alt det, vi omgiver os med – og vi selv – består af atomer. Det skyldes, at du skal samle ekstremt mange atomer for at lave en kanonkugle. Og selv om hvert enkelt atom opfører sig underligt, så vil deres gennemsnit opføre sig, præcis som vi forventer fra den klassiske fysik: gulvbrædderne holder, kaffemaskinen drypper, og stolen under dig bliver stående, hvor den står.
Plat eller krone
Ulrich Busk Hoff står i laboratoriet på DTU og splitter partikler. I forsøgsopstillingen foran os bliver laserlys skudt ind igennem først en lille gennemsigtig bølgeplade og så to forskellige, meget tynde krystaller. Det resulterer i, at hver lyspartikel – foton – fra laseren bliver splittet op i to fotoner. De to nye fotoner er helt ens. Og på grund af deres rejse gennem først bølgepladen og så krystallerne er de også i en såkaldt superposition.
Fotoner – og elektroner og andre partikler – kan være i mange tilstande samtidig: bølger eller partikler, roterende den ene eller den anden vej. Vi kan regne på sandsynligheden for, at en foton er enten det ene eller det andet eller det tredje, men indtil vi måler den, er den faktisk i alle tilstande samtidig. Dét er en superposition.
Når vi så laver et eksperiment og måler på fotonen, så kollapser superpositionen, og fotonen registreres enten som en bølge eller en partikel. Men det betyder altså ikke, at den også var det før målingen.
Og ikke nok med det. De fotoner, som Ulrik Busk Hoff står og laver, er også i en såkaldt ’sammenfiltret tilstand’. Og nu er vi inde at pille ved et af de mærkeligste fænomener i hele denne i forvejen mærkværdige kvanteverden. Hold godt fast:
At fotonerne er sammenfiltrede, vil sige, at de, selv om de er hver sin partikel, stadig har en relation til hinanden. Det svarer meget forsimplet til, at du tager en mønt og flækker den på langs, lægger den ene halvdel i en konvolut og beder en ven tage den med til Australien. Stående foran Operahuset kan din ven åbne konvolutten – det svarer til, at vi foretager en måling – og konstatere, at hun står med plat. Og derfor vide, at du sidder i København med krone.
Den store forskel på mønter i vores makroverden og kvanteobjekter er, at det i kvanteverdenen er ubestemt, helt indtil din ven åbner konvolutten, om den indeholder plat eller krone. Hele vejen i håndbagagen i flyveren er den hverken det ene eller det andet.
Men hvad betyder det?
Alt dette kunne Einstein ikke acceptere. Og ærligt talt er det svært at bebrejde ham.
Ved en konference i 1927 kom han hver dag med udspekulerede tankeeksperimenter, der skulle sende kvantemekanikken til tælling. En fysiker skrev hjem til sine kolleger og beskrev, hvordan de to giganter, Einstein og Bohr, tørnede sammen: Einstein kom »frisk hver morgen som en trold af en æske med nye argumenter«, hvorefter Bohr »altid rygende på sin pibe, ud af filosofiske røgskyer, knuste det ene argument efter det andet«.
De to, Bohr og Einstein, havde et varmt personligt venskab, men kvantemekanikken kunne Einstein ikke tage til sig. Det kunne ikke passe, at verden var sådan. Fuld af så meget uforudsigelighed. Som han sagde: Gud er udspekuleret, men han er ikke ondskabsfuld.
Bohr mente derimod, at kvantemekanikken beskriver, hvad vi kan vide om verden. Ikke hvordan verden er. Det skal ikke forstås sådan, at han mente, det hele var ren konstruktion. Men når vi søger at danne os billeder af, hvad der foregår og hvorfor, så kommer vi til kort.
For langt de fleste fysikere førte det med årene til en pragmatisk position: Shut up and calculate, som det er blevet formuleret. Vi har en værktøjskasse med kvantemekaniske regneregler, der virker, og som har ført til fantastiske teknologiske landvindinger. Hvad det hele så betyder, er der alligevel ingen, der kan begribe.
Men i nyere tid er de gamle diskussioner mellem Einstein og Bohr blevet fundet frem igen, og der er blevet gjort nye opdagelser ved at undersøge de tankeeksperimenter, de udsatte hinanden for, og som man dengang ikke kunne teste.
Det er spooky
Noget, Einstein virkelig stejlede over, hænger sammen med de sammenfiltrede tilstande, som Ulrich Busk Hoff står og laver på DTU. Hvis man lader de to sammenfiltrede partikler bevæge sig væk fra hinanden, vil man ifølge kvantemekanikken ved at ændre den ene partikel også ændre den anden partikel. Uanset om de befinder sig en milliard lysår fra hinanden. Det kunne Einstein ikke acceptere – han kaldte det spooky action at a distance.
Groft sagt svarer det til, som andre også har formuleret det, at du står i Sharks Poolhall i Aarhus og snurrer en billardkugle rundt, og i samme øjeblik begynder kuglens identiske tvilling i en poolhall i Sydney at snurre den modsatte vej. Det er jo absurd – at kuglerne vil kunne påvirke hinanden hurtigere end lysets hastighed, og uden at der er kræfter, der virker imellem dem. Det ville åbne for en Pandoras æske af paradokser, inklusive tidsrejser.
Bohr var naturligvis uenig i den tolkning – tingene fungerer bare anderledes i kvanteland – og sådan diskuterede han og Einstein frem og tilbage i midten af 1930’erne.
Et par årtier senere fandt en irsk fysiker, John Stewart Bell, på, at han ville teste, om sammenfiltring er virkelig eller bare noget, vi går og drømmer om. Så han satte sig ned ved sit køkkenbord og udtænkte en ligning, som – hvis Einstein havde ret, og sammenfiltrede partikler ikke findes – ville give et resultat på mellem -2 og 2. Hvorfor det netop drejer sig om disse tal er matematisk teknisk, men det holder.
Den ligning bliver kaldt Bells ulighed, og det er den, vi er ved at teste på DTU med vores sammenfiltrede, spaltede fotoner.
Den nye verdens grundlov
Det kræver 16 forskellige målinger og resultater at teste. Ulrich Busk Hoff beder om hjælp til at dreje en skive i forsøgsopstillingen til vinklen minus 67,5 grader. Derefter til 112,5 grader og 157,5. På skærmen dukker resultat på resultat op. Det er svært at sige, om det ser lovende ud.
»Så skal vi have rykket denne her til 45 grader,« siger han. »Tilbage på 22,5. Så 67,5, tak. Og 112,5. Og den sidste 157,5. Så må vi se, om vi er heldige.«
Når ret skal være ret, er vi ikke de første, der har fået den idé at teste Bells ulighed. Faktisk lykkedes det i 1980’erne en franskmand ved navn Alain Aspect at lave et forsøg, der kunne undersøge, om de sammenfiltrede tilstande findes eller ej. Han og hans hold af forskere sendte to sammenfiltrede fotoner langt væk i hver deres retning og udsatte dem derefter samtidig for målinger. Forsøget blev fulgt intenst af denne avis, hvor videnskabsjournalist Tor Nørretranders rapporterede hjem fra de sidste faser. Og målingerne viste, at Einstein tog fejl. Bells ulighed blev brudt.
Dét er virkelig spooky. Det sætter fed streg under, hvor lidt den lillebitte subatomare verden ligner den verden, vi mennesker dundrer rundt i.
Ulrich Busk Hoff trykker på skærmen på computeren, og udregningen foregår i løbet af et splitsekund. Vores resultat: 2,7.
»Sandelig jo,« siger han.
Vi har brudt Bells ulighed. Vi har vist, at verden ikke følger den gamle fysiks love. Det er kvantemekanikken, der er den nye verdens grundlov.
Kilder: Kvanterådgiver Ulrich Busk Hoff, professor i faststoffysik Per Hedegård, professor i videnskabshistorie Helge Kragh, lektor i kvantefysik Jonatan Bohr Brask (ja, han er i familie med den Bohr), fysiker Niels Chr. Alstrup. ’Store danske videnskabsfolk: Niels Bohr’ fra DR. Bøger: ’Spaltningen’ af David Favrholdt, ’En kort historie om næsten alt’ af Bill Bryson, ’Kvantemekanik – Atomernes vilde verden’ af Klaus Mølmer, ’Quantum Language and the Migration of Science Concepts’ af Jennifer Burwell.
