Hvad laver kvantepartikler, før vi måler dem? At komme i gang med denne århundrede gamle debat fører os til hjertet af, om der er en objektiv virkelighed
Der er altid et “look af forargelse” på studerendes ansigter, når de først lærer om kvantesuperposition, siger fysiker Marcelo Gleiser. Han har undervist i kvantemekanik, teorien om den mikrokosmiske verden af atomer og partikler, i årtier, og hans studerendes konsternation fremgår uundgåeligt lige ved kø: når han når delen om kvanteobjekter, der tilsyneladende er flere steder på én gang.
Denne historie er en del af vores koncepter specielle, hvor vi afslører, hvordan eksperter tænker på nogle af de mest sindssygende ideer inden for videnskab. Læs mere her
Problemet er, at ord som “tilsyneladende” optræder en frygtelig masse omkring dette emne. Faktisk i århundrede eller deromkring siden ideen om superposition dukkede op, er dens sande betydning forblevet omtvist. Det eneste, fysikerne er enige om, er, at det fører os til hjertet af, hvad det betyder, at noget skal være ”reelt”.
Et godt sted at starte er med Schrödinger -ligningen. Udviklet af Erwin Schrödinger i 1920’erne er det en fundamentsten af kvanteteori, der fortæller os sandsynligheden for at finde en partikel i en given tilstand, når vi måler den. Pointen er, at kvantemekanik drejer sig om at forudsige resultatet af en situation – det siger intet konkret om, hvad en partikel gjorde, før den blev målt.
Schrödinger -ligningen fungerer imidlertid ved at beskrive alle de mulige steder, en partikel kan være, før den måles ved hjælp af et stykke matematik kendt som bølgefunktionen. Dette giver os en matematisk definition af en superposition: det er en sum af forskellige mulige kvantetilstande.
Vi ved bestemt, at partikler kan eksistere i en superposition. I det dobbelt-spalteeksperiment fyres for eksempel en enkelt foton, en partikel af lys, mod et gitter med to smalle huller foran en skærm. Hvis en detektor ser, vil fotonen “vælge” en spalte og ramme et specifikt sted på skærmen. Men hvis der ikke er nogen detektor, vises et “interferensmønster” på skærmen, hvilket antyder, at partiklen opførte sig som en bølge og gik gennem begge spalter på én gang og interagerede med sig selv.
Det, vi ikke ved med sikkerhed, er, hvad “at være i superposition” betyder. Stort set er der to synspunkter. Den ene siger, at bølgefunktionen er et nyttigt matematisk værktøj og ikke mere. Det er bestemt, hvor Gleiser, der er baseret på Dartmouth College, New Hampshire, kommer ned. ”Intet i formalismen af kvantemekanik fortæller os, at bølgefunktionen skal være en del af den fysiske virkelighed,” siger han. ”Troen på matematik som sandhed bliver lidt som en kult.”
Gleiser støtter en fortolkning af kvantemekanik kaldet Quantum Bayesianism (eller QBISM), der siger, at teorien ikke beskriver virkeligheden i sig selv, men snarere hvad vi ved om det. I sidste ende, hvad der ændrer sig, når vi måler en kvantetilstand, er vores oplysninger om det, ikke virkeligheden i sig selv.
Men der er en lejr, der fladt tilbageviser denne opfattelse. Simon Saunders, en filosof ved University of Oxford, mener, at bølgefunktionen er reel. For ham er en partikel i en superposition fysisk på mere end et sted samtidig. ”Det er et udvidet objekt,” siger han. ”Det er delokaliseret.” I henhold til dette perspektiv må vi acceptere, at partiklernes verden ikke ligner virkeligheden, når vi oplever den. De elektroner, der kredserer et atom, findes for eksempel som en sky af sandsynlighed, før vi måler dem.
Kritikere af denne holdning spørger ofte, hvad der sker med disse andre muligheder, når en måling klikker en partikel til et sted. Saunders er glade for at omfavne det radikale svar, at de alle manifesterer sig i deres egen gren af en uendelig multivers.
En beslutning på dette spørgsmål kommer ikke snart. I mellemtiden er forskere gået langt ud over at placere enkeltpartikler i superposition-det er opnået for store molekyler og endda et 16-mikrogram krystal. Hvis dette fortæller os noget, er det, at virkeligheden er langt fremmed end det ser ud til.