Observatøren tæller

Heinz R. Pagels

Jeg prøvede engang at forestille mig, hvad jeg ville se, hvis jeg kunne krympes ned til atomers størrelse. Jeg ville flyve rundt om atomkernen og se, hvordan det var at være en elektron. Men da jeg kom til at forstå Niels Bohrs og Werner Heisenbergs Københavnertolkning, erkendte jeg, at kvanteteorien, med dens eftertryk på super-realisme, udtrykkeligt nægter en sådan fantasi. Jeg havde prøvet at danne et mentalt billede af atomet baseret på min almindelige visuelle oplevelse, som adlyder den klassiske fysiks love, og brugt den præcist, hvor kvantefysikken siger, at et sådant billede ikke kan opretholdes. Bohr ville insistere på, at hvis man ønsker at hengive sig til denne fantasi, må man præcist angive, hvorledes krympningen til atomers størrelse skal udføres. Antag, at jeg i stedet for at krympe mig selv bygger en lille bitte sonde, der vil gå ned ind i atomet og fortælle mig, hvad den finder. Men da sonden også skal bygges af atomer og partikler - der er ikke andet at bygge den af - , bliver sonden også udsat for ubestemthedsrelationerne og så kan vi ikke engang forestille os sonden. Man indser, at vi sidder fast. Alt vi kan gøre er at udføre eksperimenter på atomer og kvantepartikler, der resulterer i målinger, der optages på instrumenter af makroskopisk størrelse. Kvanteteorien beskriver alle mulige sådanne målinger; vi kan ikke gøre det bedre. Fantasien om den krympede person er blot det - en fantasi. [...]
    Bohr undrede sig over, hvordan vi overhovedet kunne tale om den atomare verden - den var så langt fjernet fra menneskelig erfaring. Han kæmpede med dette problem - hvordan kan vi bruge almindeligt sprog, som er udviklet til at behandle dagligdags hændelser og genstande, til at beskrive atomare hændelser? Måske var logikken i vor grammatik utilstrækkelig til denne opgave. Så Bohr fokuserede på problemet med sprog i sin tolkning af kvantemekanik. Som han bemærkede, "Det er forkert at tro, at fysikkens opgave er at finde ud af hvordan naturen er. Fysikken drejer sig om, hvad vi kan sige om naturen."
    Bohr understregede, at når vi stiller naturen et spørgsmål, skal vi også specificere det eksperimentelle apparatur, vi vil bruge til at bestemme svaret. Antag f.eks., at vi spørger, "Hvad er elektronens position og hvad er dens bevægelsesmængde?" I klassisk fysik behøver vi ikke at tage i betragtning, at vi, ved besvarelsen af spørgsmålet - udførelsen af et eksperiment - , ændrer genstandens tilstand. Vi kan ignorere vekselvirkningen mellem apparaturet og genstanden der undersøges. For kvantegenstande som elektroner er dette ikke længere tilfældet. Selve observationshandlingen ændrer elektronens tilstand.
    Den kendsgerning, at observationen kan ændre det, der observeres, kan ses af eksempler fra det almindelige liv. Antropologen, der studerer en lille landsby, som er isoleret fra det moderne liv, vil ved selve sin tilstedeværelse ændre landsbylivet. Genstanden for hans viden ændrer sig som konsekvens af undersøgelsen. Den kendsgerning, at folk ved, at de bliver observeret, kan ændre deres adfærd.
    Naturen kan være meget føjelig overfor kvanteeksperimentatoren. Hvis han ønsker at måle en elektrons position med arbitrær stor præcision og opsætter et apparatur til at gøre dette, forhindrer ingen af kvanteteoriens love et definitivt svar. Med "position" mener jeg altid en statistisk midling af mange positionsmålinger. Eksperimentatoren ville konkludere, at elektronen er en partikel, en genstand på et bestemt sted i rummet. Hvis han på den anden side er interesseret i at måle elektronens bølgelængde og opsætter et andet apparatur til at gøre det, vil han også få et definitivt svar. Ved at udføre eksperimentet på denne måde, ville han konkludere, at elektronen er en bølge, ikke en partikel. Der eksisterer ingen konflikt mellem begreberne om bølge og partikel, fordi, som Bohr lærte os, eksperimenternes resultater afhænger af eksperimentets opstilling og der behøves forskellige eksperimentelle opstillinger for at måle elektronens position og bølgelængde.
    Nu bliver eksperimentatoren udholdende. Han er træt af dette bølge-partikel, bevægelsesmængde-position dualitets nonsens og beslutter sig for at afgøre spørgsmålet en gang for alle ved at opstille et apparatur, som vil prøve at måle både position og bevægelsesmængde for elektronen. Nu bliver naturen meget stædig, fordi eksperimentatoren løber ind i ubestemthedsrelationens mur. Ingen mængde eksperimentel teknik synes at hjælpe, for det er et spørgsmål om princip, han er oppe imod. Hvorfor kan man ikke måle position og bevægelsesmængde samtidigt - hvad forhindrer det? Max Born beskriver det på denne måde: "For at måle rumkoordinater og øjeblikke af tid, kræves målestænger og ure. Til at måle bevægelsesmængde og energier, kræves arrangementer med bevægelige dele til at optage og vise genstandens stød. Hvis kvantemekanikken beskriver vekselvirkningen mellem genstanden og måleapparaturet, er begge arrangementer ikke mulige." Born beskriver den mærkelige side ved kvantemekanikkens love, som betyder, at vi ikke kan bygge et apparatur, som måler både position og bevægelsesmængde samtidigt - det eksperimentelle arrangement for disse to målinger er gensidigt udelukkende. At prøve samtidigt at måle både position og bevægelsesmængde præcist er som at prøve at se rummet både foran og bag ens hoved uden at bruge et spejl. Så snart man drejer hovedet for at se bagud, drejer rummet bag ens hoved også. Man kan ikke samtidigt se både rummet foran og bag en.
    Partikel og bølge er det, Bohr kaldte komplementære begreber, hvilket betyder, at de udelukker hinanden. I analogien mellem sprog og matematik, som vi gav tidligere, er disse komplementære begreber forskellige repræsentationer af det samme objekt. Fysikere taler om partikel repræsentationen eller bølge repræsentationen. Bohrs komplementaritetsprincip forsikrer, at der eksisterer komplementære egenskaber ved den samme genstand for viden, hvor det er sådan, at hvis én kendes, vil det udelukke viden om den anden. Vi kan derfor beskrive en genstand som en elektron på måder, der er gensidigt udelukkende - dvs., som bølge eller partikel - uden logisk modstrid, forudsat at vi også erkender, at de eksperimentelle arrangementer, som bestemmer disse beskrivelser, på samme måde er gensidigt udelukkende. Hvilket eksperiment - og derfor hvilken beskrivelse man vælger - er udelukkende et spørgsmål om menneskeligt valg. [...]
    Således kommer vi til to afgørende punkter om kvantevirkeligheden, som fremkommer fra Heisenbergs og Bohrs arbejde, Københavnertolkningen. Det første punkt er, at kvantevirkeligheden er statistisk, ikke sikker. Selv efter det eksperimentelle arrangement er blevet specificeret til at måle en kvanteegenskab, kan det være nødvendigt at gentage den præcise måling igen og igen, fordi individuelle præcise målinger er meningsløse. Mikroverdenen gives kun som en statistisk fordeling af målinger og disse fordelinger kan bestemmes af fysikken. Forsøget på at danne sig et mentalt billede af en enkelt elektrons position og bevægelsesmængde, som er konsistent med en serie målinger, resulterer i den "udtværede" elektron. Dette er en menneskelig udlægning, som forsøger at tilpasse kvanteverdenen til vor dagligdags sanseopmærksomhed. Folk, som går ind i sådanne konstruktioner eller prøver at finde objektiv mening med individuelle hændelser, er i virkeligheden skabsdeterminister.
    Det andet vigtige punkt er, at det er meningsløst at tale om kvanteobjekters fysiske egenskaber uden præcist at specificere det eksperimentelle arrangement med hvilket man har til hensigt at måle dem. Kvantevirkeligheden er delvist en observatør-skabt virkelighed. Som fysikeren John Wheeler siger, "Intet fænomen er et virkeligt fænomen, før det er et observeret fænomen." Dette er radikalt anderledes end den klassiske fysiks retning. Som Max Born formulerede det, "Den generation, som Einstein, Bohr og jeg tilhører lærte, at der eksisterer en objektiv fysisk verden, som udfolder sig ifølge uforanderlige love uafhængigt af os; vi iagttager denne proces, som publikum iagttager et skuespil i et teater. Einstein tror stadig, at dette burde være forholdet mellem den videnskabelige observatør og hans emne." Men med kvanteteorien influerer menneskelig hensigt på den fysiske verdens struktur.

Fra The Cosmic Code: Quantum Physics and the Language of Nature, Simon & Shuster, 1982.

26. februar, 2002.

Index