Sælsom inderst inde

Hvis man insisterer på at klynge sig til det sikre og velkendte, vil man blive revet løs af kvanteteorien. Normale regler gælder bare ikke

Den første formulering af det berømte ubestemthedsprincip kom i 1927, da den tyske fysiker Werner Heisenberg beviste, at man kan måle en elektrons position eller dens position, men ikke begge dele samtidigt. Mere præcist beviste Heisenberg, at jo bedre man måler elektronens position, jo mindre nøjagtigt kan man kende dens hastighed og vice versa. Måling er et kompromis og du, eksperimentatoren, må vælge, hvad der skal måles og acceptere konsekvenserne.
    Som så mange ting i kvanteteorien opstår ubestemthedsprincippet fra sandsynlighedselementet. Heisenberg tænkte på at måle en elektrons position og hastighed ved simpelthen at lade en foton springe af på den. Men når en foton og en elektron kolliderer, er der intet enkelt forudsigeligt resultat men i stedet et område af mulige resultater. At udlede elektronens egenskaber fra adfærden af den foton, der sprang af den, skal også give et område af muligheder, snarere end en specifik konklusion. Derfor ubestemthedsprincippet.
    I en lidt anderledes forklædning har denne ide sine rødder i et gammelt eksperiment, som blev udført af Thomas Young i 1801 for at bevise, at lys er en bølge, ikke en partikel. Young skar to parallelle spalter tæt sammen i en uigennemsigtig skærm, skinnede lys på dem og observerede striber af lys og mørke, et interferensmønster, hvor lyset ramte en væg på den anden side af spalterne. Han argumenterede for, at hvis lyset bestod af partikler, der gik i lige baner, så ville de gå gennem spalterne og skabe to lyse pletter. Men fordi lyset er en bølge kan toppene og dalene, der dukker frem fra spalterne, enten forstærke hinanden eller udslukke hinanden og derved skabe lys nogle steder og mørke andre steder.
    Lad os nu skifte til fotoner. De er partikler, så de burde skabe to hvide pletter. Undtaget, at de ulig klassiske kugler vekselvirker som bølger. De er partikler med bølgelignende egenskaber. Eller om man vil er de bølger, der opfører sig som en strøm af partikler. Ligesom det delvist sølvbelagte spejl i et interferometer "deler" fotonerne, deler Youngs spalter hver foton i to dele, som interfererer med hinanden på den anden side af skærmen for at skabe det stribede mønster på væggen. Disse "stykker" af fotoner kan ikke detekteres: hvis man anbringer detektorer lige op ad spalterne, for at se hvilken vej fotonerne går, ødelægger man interferensmønsteret. Hvis man forlanger at se fotonerne opføre sig som partikler, gående gennem den ene eller den anden spalte, taber man den bølgeadfærd, som skaber de lyse og mørke striber. Man kan se fotonerne opføre sig som bølger eller man kan se dem opføre sig som partikler, men ikke begge dele samtidigt.
    Denne almene ide er en af kvanteverdenens definerende kvaliteter. Husk i EPR paradokset hvordan en foton synes at have en øjeblikkelig virkning på sin fjerne tvilling på grund af sandsynlighed. Begge indviklede fotoner bærer med sig potentialet for mange mulige resultater, som ikke afgøres for de virkelig måles. Og når man vælger at måle en ting, må man undvære viden om noget andet.
    Einstein blev berømt for ikke at kunne acceptere den ide, at Gud "spiller terninger med Universet..." Det var ikke kun ideen om sandsynlighed der foruroligede ham, men alle de foruroligende konsekvenser den førte til. En hel del fysikere har delt Einsteins overbevisning om at kvantemekanikken ikke kan være helt rigtig og i løbet af årene er nogle af dem kommet med nogle opfindsomme forsøg på at bringe orden i sagerne. I 1952 kom David Bohm, en amerikansk fysiker, der havde arbejdet med Einstein, med en version af kvantemekanikken, der forekom at løse Einsteins uro.
    I Bohms teori har kvantepartikler "skjulte variable" - indre egenskaber, der er specifikke og bestemte for hver partikel. Når man foretager en måling, vekselvirker disse skjulte variable med måleapparatet for at frembringe et resultat. Ligemeget hvor omhyggeligt de er forberedt, har en samling kvantepartikler et område af skjulte variable inde i sig, på samme måde som nogle atomer i en konventionel luftart bevæger sig hurtigere end middel og nogle langsommere.
    I denne version af kvanteteori giver målinger et område af resultater, fordi partiklerne, der bliver målt, har et område af indre egenskaber. Ubestemthedsprincippet overlever. Til praktiske formål er Bohms teori nøjagtigt ækvivalent med konventionel kvanteteori. Den er faktisk et matematisk omstøbning og gentolkning af standard ligningerne og frembringer derfor de samme resultater.
    Men heri ligger det pinlige: kvanteteorien har nogle distinkt ikke-klassiske karakteristika, så selv om Bohm prøvede at genoprette en klassisk definition af kvantepartikler, kan hans teori ikke være sandt klassisk. Og det er den ikke.
    I to-spalte eksperimentet, for eksempel, siger Bohms teori, at en foton bestemt går gennem den ene eller den anden spalte. Hvordan skaber den så et interferensmønster på den anden side? Svaret er noget kaldet pilotbølgen. Bohm siger, at der er både bølger og partikler og de er temmelig distinkte. Pilotbølgen går gennem de to spalter ligesom en klassisk bølge og skaber et interferensmønster. Partiklen følger så denne pilotbølge - derfor navnet. Fotoner, der går gennem spalterne i en strøm har alle lidt forskellige energier og retninger og de følger pilotbølgen som perler der rulles over rynket pap og følger forskellige baner afhængig af hvordan de startede. Fotonerne ankommer ved skærmen efter at være blevet styret af pilotbølgen og skaber det forventede interferensmønster.
    Pænt nok. Men den store vanskelighed er, at forklare lige hvad denne pilotbølge er og hvordan den styrer fotonerne. Det kan ikke være en klassisk bølge der udøver en kraft for at styre fotonerne, fordi så ville fotonernes energi ændre sig - og det gør den ikke.
    Pilotbølgens underlige natur blive mere tydelig i et EPR eksperiment. Der overfører pilotbølgen bogstaveligt information fra en indviklet partikel til den anden, så målinger på parret altid kommer rigtigt ud. Men den skal gøre det øjeblikkeligt. Pilotbølgen er en fysisk manifestation af den gamle ide om "virkning- på -afstand", som er præcist, hvad Einstein prøvede at undgå.
    Fem år efter Bohm frembragte sin skjult-variabel version af kvanteteori fik en Princeton fysiker ved navn Hugh Everett en helt anden inspiration. I et EPR eksperiment kunne man f.eks. vide, at en foton i et par er lodret polariseret, så den anden må være horisontal. Men det kunne let have været omvendt. Mysteriet er, hvorfor en mulighed hænder og den anden ikke gør.
    Everett sagde, at begge muligheder sker - men i forskellige universer. Han foreslog, at når som helst der udføres en kvantemåling, "deler" forskellige universer sig til et for hver muligt resultat. Vi ser et særligt resultat, fordi vi er i det univers, hvor det sker. I de andre universer ser vore modparter et af de andre resultater og så videre i så mange universer man kan tænke sig.
    Everetts mange universer forslag efterlader det tekniske indhold i teorien helt uændret. Det er, om man vil, en metafysisk glasur på den samme gamle teori. Selv spørgsmålet om hvorvidt disse andre universer er virkelige, er et åbent spørgsmål. At få et glimt af et andet univers end ens eget udgør en overtrædelse af ubestemthedsprincippet. Det ville f.eks. betyde at måle en elektrons hastighed i et univers, måle dens position i et andet og så kombinere resultaterne fra begge universer for at slå Heisenbergs begrænsning.
    Når en måling en gang har frembragt disse adskilte universer må de derfor holdes strengt og absolut separate. Er de virkelige eller ej? Det bestemmer du. Skænderier over "tolkninger" af kvanteteori har været lange og, kunne man sige, i sidste ende ligegyldige, da de pga. deres konstruktion alle frembringer de samme praktiske resultater. Det er i virkeligheden et spørgsmål om, hvilket mentalt billede af kvanteverdenen man finder mest tiltalende.
    Det har imidlertid været muligt at bevise, at kvanteteorien er fundamentalt anderledes end klassisk fysik. I 1964 kom John Bell med det enkle og elegante teorem, som nu bærer hans navn. Det drejer sig om et EPR eksperiment, hvor par af partikler er indviklede og sendt afsted i forskellige retninger som sædvanligt. Bell tænkte på, hvad der ville ske, hvis de to eksperimentatorer ikke altid var tvunget til at måle en fotons polarisation i en foreskreven retning, f.eks., men tilfældigt kunne vælge mellem målinger ved forskellige vinkler.
    Klassisk kan to EPR partikler ikke influere på hinanden, når de en gang er sendt afsted på deres forskellige veje. Ifølge kvanteteorien opretholdes den spøgelsesagtige forbindelse, men det er svært at sige, hvad den forbindelse er eller at finde en måde at kvantifisere den på. Bells teorem gør lige netop det: det siger, at i en serie af målinger på en rækkefølge af par af EPR partikler dukker der statistiske forskelle op mellem det klassiske og kvante billedet. Kvantepartikler er mere korrelerede end klassiske og man kan vise dette ved at udføre enkle matematiske prøver på resultaterne fra en serie målinger på EPR par.
    Bell formulerede en matematisk mængde, der ifølge kvanteteorien ville være større end noget klassisk billede ville tillade. Det varede 20 år før Bells teorem blev succesfuldt afprøvet. De nødvendige eksperimenter var vanskelige at udføre med tilstrækkelig pålidelighed og præcision. Men i 1982 lykkedes det for Alain Aspect på University of Paris.
    Kvanteteorien gav det rette svar, hvilket om ikke andet ødelagde ethvert resterende håb om, at klassisk fysik en dag kunne blive gendannet til sin tidligere glorværdighed. Mere dybt viste Aspects test af Bells teorem, at ethvert forsøg på at genstøbe kvantemekanik som en pseudo-klassisk teori nødvendigvis var utilstrækkeligt. Kvanteteorien er og vil altid være i sandhed anderledes.
    Forskellens natur er, fundamentalt, et begreb kaldet "ikke-lokalitet". Klassisk fysik indeholder en strengt lokal lov om årsag og virkning. Hvad der sker i punkt A kan kun have en øjeblikkelig virkning ved punkt A og hvis virkningen gør sin tilstedeværelse følt ved punkt B, skal en fysisk indflydelse rejse fra A til B og tage en endelig tid om at gøre det.
    Kvanteteorien er ikke-lokal. I et EPR eksperiment har en måling ved punkt A en flygtig, øjeblikkelig og - gennem Bells teorem - kvantificerbar indflydelse ved punkt B. Om noget fysisk rejser fra A til B kan debatteres. I Bohms teori bærer pilotbølgen den øjeblikkelige indflydelse. I Everetts ide spredes ikke-lokaliteten gennem de mange universer. Ligemeget hvordan man ser på det, sker ikke-lokaliteten i kvanteverdenen. Man kan ikke komme bort fra den.

Fra New Scientist online.

30. marts, 2002.

Index