I begyndelsen

Der var engang, hvor Newton herskede og verden var et sikkert sted for os alle

Når man ramte en almindelig, gammeldags billardkugle, kunne man forudsige, hvor hurtigt den ville bevæge sig og i hvilken retning. Og når billardkuglen faldt til ro, vidste man nøjagtigt, hvor den var. Disse enkle ideer forekom indlysende, endda nødvendige. De fleste folk troede, at for at fysikken skulle virke, var den nødt til at være baseret på sådanne faste og urystelige fundamenter.
    Den 19. oktober, 1900 holdt fysikeren Max Planck så en revolutionerende præsentation for det tyske Fysiske Selskab. Planck var en besindig mand og i en alder af 42 lidt for gammel til at være revolutionær. Men hans opdagelse skulle vende billardkuglens klassiske fysik på hovedet. Det, han beskrev, var et svar på et gammelt spørgsmål. Hvorfor skifter strålingens farve fra ethvert glødende legeme fra rødt til orange og til sidst til blåt, når temperaturen øges? Planck fandt, at han kunne få det rette svar ved at antage, at stråling, som stof, kommer i diskrete mængder. Og han kaldte sine små energipakker for "quanta" fra det latinske for mængde. På det tidspunkt synes Planck at have forestillet sig, at der ville dukke en dybere forklaring på disse quanta op.
    Men det blev hurtigt klart, at energiens "kvantisering" - opdelingen af den i individuelle stykker - faktisk var en ny og fundamental naturregel. Den klassisk trænede Planck brød sig slet ikke om denne konklusion. Han modsatte sig den til sin dødsdag og det førte til hans berømte klage, at nye videnskabelige teorier erstatter tidligere, ikke fordi folk ændrer mening, men simpelthen fordi gamle folk dør.
    Det er ikke overraskende, at Planck var foruroliget af kvanteteoriens betydninger. Hvis man accepterer dens konklusioner, er intet som det forekommer eller hvad sund fornuft og newtonsk fysik får en til at tro. Tingene forandrer sig, når man ser på dem. Genstande opfører sig på uforudsigelige måder.
    Tag ubestemthedsprincippet, som uundgåeligt dukker frem fra kvanteteorien. Ifølge dette kan man aldrig måle noget så nøjagtigt, som man kunne tænke sig. Eller sagt på en anden måde, så påvirker målinger den ting, man prøver at måle. Så er der ideen om bølge-partikel dualitet som siger, at en elektron, f.eks., sommetider kan opføre sig som en bølge og sommetider som en partikel. Det, som alle disse ideer synes at antyde, er, at fysiske genstande - endda selve virkeligheden - ikke er det, som alle havde antaget.
    Hvordan følger så storslåede og alarmerende konklusioner fra den tilsyneladende uskyldige erklæring om, at energi er opdelt i quanta? Den amerikanske fysiker Richard Feynman kunne lide at bruge et enkelt og overbevisende eksempel. Tænk på lys, der reflekteres fra et spejl. Intet spejl er perfekt, så måske springer 95 procent af lyset af spejlets overflade, mens de andre 5 procent passerer igennem, absorberes eller går tabt på anden måde.
    I præ-kvantedagene var der intet problem. Når lys ramte et spejl, blev det set som en kontinuerlig strøm af energi: det meste sprang af spejlets overflade, men en brøkdel strømmede igennem. Men Planck omskrev lys til en strøm af quanta - kaldet fotoner. Fordi hver foton er udelelig, må den enten blive reflekteret eller absorberet i sin helhed. Man kan ikke have 95 procent af en foton, der går en vej og resten, der går et andet sted hen. Men så, for at forstå hvad et spejl gør ved lys, må man konkludere, at 19 ud af hver 20 fotoner springer af overfladen, mens den skælmske foton går sin egen vej. Hvem bestemmer, hvad hver enkelt foton bør gøre?
    Her ligger revolutionen. Kvanteteorien siger, at hvad der sker med hver individuel foton er helt ægte og uundgåeligt uforudsigeligt. Den har en 95 procent chance for at blive reflekteret og en 5 procent chance for at blive transmitteret eller absorberet og det er det hele. Der er ikke noget særligt ved nogen foton, ingen hemmelig egenskab eller skjult tegn, der kan fortælle en mere præcist, hvad den vil gøre. Uforudsigeligheden er medfødt.
    Her er et andet eksempel. Hvis man roterer sine Polaroid solbriller foran øjnene, vil man se ændringer i den mængde lys, der kommer igennem dem. Lys er (som James Clerk Maxwell havde vist i 1864) en type elektromagnetisk bølge og bølgerne kan polariseres, som et hoppende reb man får til at gå op og ned eller fra side til side og et eller andet ind i mellem. Solbriller tenderer mod at lade lodret polariseret lys passere, men blokerer det vandrette, kilden til den meste blændende og reflekterede stråling.
    Men en enkelt foton af lys, der kommer mod ens solbriller har kun to valg: at passere igennem eller ej. Hvad vil den gøre? Igen er det bedste man kan gøre, at kende disse sandsynligheder. Man kan aldrig eksakt forudsige, hvad en individuel foton vil gøre.
    I de gamle dage med klassisk fysik kunne man have ønsket at forudsige, hvad en billardkugle ville gøre, når den løb ind i en anden billardkugle eller bordets side. For at gøre det skulle man kende dens masse, hastighed og retning, måske også med hvilken hastighed den spandt, dens hårdhed eller fjederegenskaber, når den blev ramt og så videre. Man kunne kalde denne liste over egenskaber billardkuglens klassiske "tilstand" og jo bedre man kendte dens tilstand, jo bedre kunne man forudsige dens adfærd. Men kvanteteorien smider alt det ud af vinduet. Man kan kun beskrive en fotons "kvantetilstand" ved hjælp af dens sandsynligheder. Og sandsynlighederne ændrer sig afhængigt af, hvad man gør med fotonen.
    En foton på vej mod et spejl vil blive reflekteret eller transmitteret, når den kommer frem. Men hvis den samme foton var på vej mod en polariserende skærm, ville man skulle beskrive den på en anden måde. For den klassiske billardkugle vil et sæt egenskaber - masse, hastighed og lignende, fortælle en alt hvad man behøver vide om den under enhver omstændighed. Men en fotons kvantetilstand - det er en anden sag.
    Man kan se, hvorfor fysikere af den gamle skole fandt kvanteteori forvirrende, alarmerende og muligvis farlig. Det forekommer, at fotonen ikke har sine egne pålidelige egenskaber og kun nødigt påtager sig dem som en slags sammensværgelse mellem den selv og måleapparaturet. Naturen af den virkelighed den medfører minder om Gertrude Steins kommentar om den ikke bemærkelsesværdige by Oakland, Californien: "Der er ikke noget der der."

Fra New Scientist online.

27. april, 2002.

Index