Resten er historie

Født i midten af kvante ubestemthed, hvordan blev Universet så klassisk?

Universet, forekommer det, blev født i et kvante blip. Så hvorfor forekommer det nu så fast og fornuftigt? Husk, hvordan det lykkes kvantecomputeren at holde fast i sin interne kvantetilstand, mens den arbejder på en beregning, for først at give et bestemt svar som reaktion på en korrekt konstrueret måling. Enhver fysisk proces i verden virker bredt på samme måde: elementære genstande vekselvirker ifølge kvanteteoriens regler og bliver først genkendelige når vi laver en måling eller en observation. Ethvert klassisk fænomen i verden omkring os er i virkeligheden resultatet af en kvanteberegning, der besvarer spørgsmålet: "Hvilken klassisk ting er jeg?"
    Det samme princip gælder for billardkugler, havets bølger der ruller ind og ud, kontinentale plader der bevæger sig over Jordens overflade, selv det sollys der ramte planeten for 4 milliarder år siden og puffede livet til eksistens. På et fundamentalt niveau er alt lavet af kvantekomponenter og samtidig er alt, hvad der bliver her længe nok til, at vi bemærker det, klassisk. Dette gælder også for Universet som helhed. Uden en kvanteteori for gravitation ved vi ikke eksakt, hvordan det Univers vi ser omkring os, dukkede frem fra big bang. Men dukke op, det gjorde det åbenbart, så hvem eller hvad frembragte klassisk betydning fra kvanteoprindelserne?
    Følgende Niels Bohrs ledelse har diskussionen om naturen af måling i kvanteteori antaget en klar skelnen mellem det kvantesystem der måles og et separat klassisk system der udfører målingen. Den ene yderlighed er troen, at målinger først bliver virkelige, når der er en bevidst menneskelig observatør til stede til at bemærke dem. Det ville betyde, at en mekanisk robotarm, der åbner kassen indeholdende Schrödingers "halvt-døde, halvt-i-live" kat, ikke kunne løse det ulykkelige dyrs dilemma. I stedet ville robotten skulle trække katten hen foran en menneskelig observatør, før tilstanden kunne løses.
    Denne form for filosofi forårsager problemer, når den anvendes på universet som helhed. Stjerner, planeter og galakser er kvantesystemer som alt andet. Men skal vi forestille os, at hele Universet forblev i en tilstand af kosmisk kvanteubestemthed indtil menneskelige væsener udviklede bevidsthed? Og hvornår under den menneskelige bevidstheds morgendæmring blev universet nødt til at smide sin kappe af kvanteubestemthed og indtage fast form? Formuleret på denne måde forekommer argumentet absurd, men på den anden side, hvis Universet størknede til klassisk fasthed før vi kom på scenen, hvilken form for målinger eller observationer opnåede så transformationen?
    Kunne dekohærens være svaret på denne gåde? Hvis klassiske egenskaber kan dukke frem fra kvantesystemer, simpelthen fordi tilfældige og ukontrollerbare vekselvirkninger saboterer den kohærens, der er nødvendig for sand kvanteadfærd, kunne klassisk adfærd også dukke frem efterhånden som hele Universet udvikles. Denne ide forekommer fornuftig. Tænk på, hvor umuligt det ville være at holde noget så stort som vort Univers i en sand kvantetilstand i noget mere end en lille brøkdel af et sekund. Er dekohærens så det, der gør, at kosmos og alt i det forekommer fast og bestemt for os?
    Det billede kan være tiltalende, men det kan ikke være hele historien. Når to billardkugler kolliderer, kan dekohærensens matematik kun fungere, hvis hver bold er et separat og uafhængigt kvantesystem. Hvis der i stedet er en slags forudeksisterende kvanteforbindelse mellem dem - et kvante aftalt spil om man vil - så fejler dekohærens.
    Da det er født af en enkelt kvantebegivenhed, er Universet på et grundlæggende niveau et enkelt forbundet kvantesystem. Der er ingen virkelig uafhængige dele af dette system og derfor ingen tilfældige og ukontrolable vekselvirkninger til at påføre en klassisk fasthed på kvantemalstrømmen. En gang et kvantesystem, altid et kvantesystem.
    Hvis dekohærens alene ikke forklarer vort Univers' udseende, hvad andet behøves der så? Der er en mulig, om ukomplet, løsning. Ideen er dejligt enkel og drejer sig om ideen om at stabile kollektive egenskaber tenderer til at fremkomme naturligt fra ethvert komplekst system. Tænk f.eks. på en flod, der flyder gennem en kanal, der bugter sig. Vand er fundamentalt en stor samling molekyler, men at prøve at analysere dets bevægelse i disse termer vil ikke hurtigt føre til noget. I stedet tænker man på tryk og strømhastigheder, på turbulens og hvirvler. Skønt disse kollektive egenskaber har deres udspring i alle molekylers og atomers adfærd i en flod, hjælper det at forestille sig dem som grundlæggende egenskaber ved væskestrømning i sig selv.
    På samme måde kunne man forvente at visse kollektive egenskaber naturligt ville dukke frem fra et komplekst kvantesystem. Kunne dette så forklare ordenen i vort Univers? Ideen er, at kollektive karakteristika kan fremkomme med nok uafhængighed til at dekohærensargumenterne gælder for dem - hvilket så retfærdiggør, at de bliver behandlet som uafhængige fra begyndelsen.
    Under omstændighederne er dette en tiltrækkende cirkulær definition, som tillader stabile klassiske egenskaber at dukke frem fra et kvantesystem på en måde, som ikke kræver indførelsen af nogen ny fysiske principper. Det er ikke vanskeligt at beslutte, hvilken slags kollektive karakteristika der ville kvalificere sig som klassiske attributter. For eksempel ville de skulle have en stabil betydning, selv når det underliggende kvantesystem var i et uophørligt oprør af umærkelig forandring. Og de ville være nødt til at adlyde den konventionelle logiks regler, klassisk årsag og virkning, i det mindste i den udstrækning at enhver afvigelse fra de regler ville være enormt usandsynlig.
    En succesfyldt beskrivelse af Universets udvikling ved hjælp af et sæt egenskaber defineret på denne måde er blevet kaldt en "konsistent historie". Til trods for en stor mængde skarpsindig tænkning og kraftig matematisk analyse, kan man på nuværende tidspunkt kun sige lidt udover den kendsgerning, at konsistente historier findes, i princippet. I det mindste ved vi, at det er muligt at beskrive det klassiske Univers uden at modsige kvanteteori eller behøve nogen ny fysik. Det er ikke nogen dårlig bedrift, når man husker, at debatten om hvorvidt en kat er død eller levende har varet i årtier.
    Selv om disse ideer kan være bekvemme, kommer de ikke nær en specifik forklaring på hvorfor vort Univers ser ud som det gør. Men det problem er ikke unikt for kvanteteori. Hvad angår uperfekte teorier er ideen om selv-konsistente historier i fornemt selskab. Newton erkendte, at hans helt nye teori om gravitation havde noget at sige om Universets form, men han erkendte også, at den ikke indeholdt nogen specifikation på, hvordan det hele begyndte. På den anden side undrede Einstein sig kærligt over om fysikkens love gav Herren nogen valg ved skabelsen af Universet. Indtil videre forekommer det at svaret er masser. Ubestemthedsprincippet, som Einstein aldrig kunne lide, siger, at man ikke altid kan få, hvad man ønsker. Og i de bredest mulige termer gælder det måske for grænserne for vor viden om Universet, vi finder os selv i. Vi kan altid stille spørgsmål, men vi har måske ikke altid ret til et svar.

Fra New Scientist online.

5. april, 2002.

Index