Vi kan beskrive kvanteområdet ved hjælp af ligetil matematik – men når vi først prøver at oversætte disse ideer til den virkelige verden, bliver tingene underlige. Vores kvantekolumnist Karmela Padavic-Callaghan forklarer hvorfor
Hvorfor er kvantområdet så underligt?
Følgende er et uddrag fra vores tabte i rum-tid-nyhedsbrev. Hver måned overleverer vi tastaturet til en fysiker eller matematiker for at fortælle dig om fascinerende ideer fra deres hjørne af universet. Du kan tilmelde dig Lost in Space-Time her.
Før jeg gik ind på universitetet, lærte jeg, at kvantefysik er den mest mystiske type fysik, fuld af partikler, der findes to steder på én gang, bølger, der faktisk ikke vinker og genstande, hvis opførsel kan afhænge af ting, der sker på den anden side af vores univers. Jeg var ærefrygt – indtil en middag på mit universitets fysikafdeling afskred mig. Over pizza spurgte jeg en ekspert inden for kvanteoptik om deres arbejde. ”Det hele er bare lineær algebra,” sagde de mellem fedtede bid.
Jeg blev chokeret over, hvor hurtigt de havde taget mysteriet ud af det hele. Men det er sandt, at når det kommer til at sammenligne matematik og hvad forskere ser i eksperimenter, stabler kvantefysikken latterligt godt. I den forstand er det en af de mest succesrige – hvis ikke de mest succesrige – videnskabelige teorier. Der er ikke noget unøjagtigt ved at koge ned al den modintuitive, mind-bøjende kvante underlige over for noget så simpelt som ”bare” en type algebra. Så hvorfor kan det ikke undslippe sit ry for at være bisarr?
Svaret ligger på den måde kvantemekanik justerer – eller ikke – med vores oplevelse af verden. Ofte ser det ud til, at så snart noget kvantum forlader matematikområdet, bliver det næsten ufatteligt. Så for mig ligger Quantum Physics ‘sande underhed og meget af dens appel i, hvordan det konfronterer os med muligheden for, at de værktøjer, vi opfandt til at forstå verden, kun går så langt. Det får mig også til at undre mig over, om jeg nogensinde virkelig kunne udvikle en kvanteintuition.
Hver fysikteori bruger sin egen slags matematik. Tag Isaac Newtons love, som kan hjælpe med at forudsige, hvor hurtigt du skal pedalere en cykel op ad en bakke for at undgå at glide nedad – de er bare et sæt differentialligninger. Et andet eksempel er elektromagnetisme, hvis teori udtrykkes gennem tredimensionel beregning. Af afgørende betydning behøver du dog ikke ekspertise i at tage derivater af funktioner for at forhindre dig i at rulle ned ad en bakke, og du behøver heller ikke at vide, hvad et vektorprodukt er for at stikke en magnet til dit køleskab. Din oplevelse og din krops reflekser er alt, hvad der kræves. At lære matematikken forklarer det bare.
Quantum Physics har også hævdet sit eget hjørne af matematik, men hvordan vi bruger det til at give mening om teorien er meget mindre ligetil. I nogle tilfælde, hvor vores intuition siger ”umulig”, beviser matematikken andet.
Kvanteteori blev bygget på arbejde med matrixer, bølge ligninger og sandsynlighed af nogle af dens mest kendte grundlæggere, såsom Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger og Max Born. Selv de mistænkte spranget fra matematikken på siden til den fysiske verden, vi oplever, ville være usædvanligt vanskeligt. At gribe årtier beviste denne vanskelighed med at være så stor, at det overhovedet er så stor at bringe i tvivl om fysikens praksis fuldt ud kan fange virkeligheden.
”Virkeligheden modstår efterligning gennem en model,” skrev Schrödinger i 1935 og klagede i hullerne i fysikernes forståelse af æraens banebrydende kvanteeksperimenter. Heisenberg var endnu mere forvirret over forholdet mellem virkelighed og matematik, der overvejede i sin bog fra 1958 Fysik og filosofi: Revolutionen inden for moderne videnskab om, hvorvidt fænomener, der ikke kan beskrives ved matematik, endda kunne opstå.
Lad os overveje en af kvanteadfærd, der ofte betragtes som den underligste: partikler kan eksistere i en superposition af stater, hverken netop her eller der. Dette er en vigtig del af det berømte dobbeltslitede eksperiment. Her bevæger et kvanteobjekt, såsom en elektron eller en anden subatomisk partikel, mod en barriere, der har to smalle spalter skåret ud af det. Bag barrieren er en skærm, hvor partiklen lander og markerer sig, når den passerer gennem en spalte.
Antag, at du skyder partikler mod barrieren ad gangen. Efter at have gjort det hundrede gange, kan du forvente at finde et stort mærke på skærmen lige bag en af spalterne, og et andet stort mærke lige bag det andet, men ingen mærker mellem dem, hvor partiklernes stier blev blokeret. Det er en helt rimelig antagelse – intuitiv, endda – men du ville have forkert.
I stedet ville du se et mønster spredt over skærmen, hvilket antyder, at partiklerne kørte til mange flere steder end umiddelbart bag hver spalte.
Kvanteteori har en forklaring på, hvordan dette sker, der ikke føles som om det skal fungere – men matematikken er perfekt sunde. Det hele hænger sammen med et plustegn.
Jeg lærte denne beregning i mit første kvantefysikkursus på universitetet. Først skriver du en funktion ned, der betyder “partikel går gennem venstre spalte” og en funktion, der betyder “partikel går gennem højre spalte”. Derefter, med flair fra en mindre tryllekunstner, lægger du et plustegn mellem dem. Dernæst følger du de perfekt gode matematiske regler for, hvordan man håndterer disse typer funktioner, kaldet bølgefunktioner og ender med at forudsige – modstridende, men alligevel sandt – det mønster, der dukker op på skærmen.
På dette tidspunkt kan du muligvis nå ud til en lærebog i håb om at forstå, hvad det præcist er, at du lige er beregnet. Det vil fortælle dig, at når du skrev ned på det plustegn, skabte du en speciel sum, der kaldes en “superpositionstilstand”, hvor det er umuligt at se, om partiklen går gennem den venstre spalte eller den højre. Nogle gange fortolkes denne påstand mere radikalt, hvilket poserer plustegn betyder, at partiklen bevægede sig gennem begge spalter samtidig. Det er en frygtelig masse magt til et matematisk symbol, og indtil videre har ingen været i stand til direkte at se partiklen udføre den magiske handling.
Det bliver ikke bedre, hvis du overvejer at gribe ind. I det dobbelt-spalteeksperiment, hvis du tilføjer en detektor lige ved siden af en af spalterne til mere direkte at se, hvornår en partikel gør eller ikke definitivt gennemgår det, ændres mønsteret på skærmen.
Nogle kvantefænomener er stadig fremmed. Forvikling, for en. Matematerne antyder – og vi har set beviser i de sidste flere årtier – at dette fænomen kan bruges til at teleportere kvanteegenskaber for en partikel til en anden på tværs af store afstande. Et par eksperimenter, der har vist dette, fungerer så godt, at der er bestræbelser på at bruge dem som grundlaget for et helt nyt kommunikationssystem. Dette er en triumf af kvanteteori: selv dens mest modstridende forudsigelser har modstået eksperimentel kontrol og vist sig nyttig.
Alligevel er det en besværlig slags triumf, fordi der stadig ikke er nogen enighed om den bedste måde at fortolke kvanteteori og sige med sikkerhed nøjagtigt, hvad der sker med kvanteobjekter til enhver tid, i alle situationer. Vil kvanteteori nogensinde være i stand til at fortælle mig, hvad det plustegn faktisk betyder på en måde, der ikke er helt fremmed for min intuition og erfaring? Jeg mister søvn over dette spørgsmål mindre end jeg gjorde som studerende, men spændingen mellem at være i stand til at gøre matematik og oplevelse af virkeligheden bor stadig i mit hovedleje.
Heisenberg hævdede, at dette hul stammer fra den måde, vi konceptualiserer, hvad det betyder at gøre videnskab, et idealiseret syn på, hvor vi adskiller os fra resten af verden og behandler det som et perfekt forståeligt og uafhængigt objekt. Du kan tro, at hvis vi kan nedbryde verden i mindre og mindre bits, kan vi fuldt ud forstå, ja, alt. Kvantefysik opfordrer os gentagne gange til at spørge, om det virkelig kan være så enkelt.
Det er det, der gør kvantefysik så berusende. Jeg har længe opgivet at være oprørt over muligheden for, at en partikel er to steder på én gang. Men ingen anden teori eller videnskabsgren har nogensinde fået mig til at bekymre mig så meget om, hvorvidt jeg – eller nogen – nogensinde vil være i stand til at forstå den fysiske virkelighed ud over “bare lineær algebra” og fuldt ud ved det, dybt inde i mine knogler. Hvis du har opnået dette, skal du skrive ind for at fortælle mig, hvordan lineær algebra føles.