Seks ting, som alle bør vide om kvantefysik

Kvantemfysik er som regel bare skræmmende fra starten. Den er lidt underlig og kan virke kontraintuitiv, selv for de fysikere, der beskæftiger sig med den hver dag. Men det er ikke uforståeligt. Hvis du læser noget om kvantefysik, er der faktisk seks nøglebegreber om det, som du bør huske på. Gør det, og du vil finde kvantefysikken meget lettere at forstå.

Alt er lavet af bølger; også partikler

Der er mange steder at starte denne slags diskussion, og dette er lige så godt som alle andre: Alt i universet har både partikel- og bølgenatur på samme tid. Der er en linje i Greg Bears fantasy-duologi (The Infinity Concerto og The Serpent Mage), hvor en karakter, der beskriver det grundlæggende i magi, siger: “Alt er bølger, uden at noget bølger, over ingen afstand overhovedet.” Jeg har altid godt kunnet lide det som en poetisk beskrivelse af kvantefysik – inderst inde har alt i universet bølgenatur.

Selvfølgelig har alt i universet også partikelnatur. Det virker fuldstændig vanvittigt, men er en eksperimentel kendsgerning, der er udarbejdet ved en overraskende velkendt proces:

(der er også en animeret version af dette, som jeg lavede til TED-Ed).

Naturligvis er det nødvendigvis noget upræcist at beskrive virkelige objekter som både partikler og bølger. Egentlig er de objekter, der beskrives af kvantefysikken, hverken partikler eller bølger, men en tredje kategori, der deler nogle egenskaber ved bølger (en karakteristisk frekvens og bølgelængde, en vis spredning over rummet) og nogle egenskaber ved partikler (de er generelt tællelige og kan lokaliseres til en vis grad). Dette fører til en livlig debat inden for fysikundervisningen om, hvorvidt det virkelig er hensigtsmæssigt at tale om lys som en partikel i introfysikkurser; ikke fordi der er nogen uenighed om, hvorvidt lys har en vis partikelnatur, men fordi det at kalde fotoner for “partikler” i stedet for “excitationer af et kvantefelt” kan føre til nogle misforståelser hos eleverne. Jeg har en tendens til ikke at være enig i dette, fordi mange af de samme bekymringer kunne rejses om at kalde elektroner for “partikler”, men det giver en pålidelig kilde til blogsamtaler.

Denne “dør nummer tre”-karakter af kvanteobjekter afspejles i det til tider forvirrende sprog, som fysikere bruger til at tale om kvantefænomener. Higgsbosonen blev opdaget ved Large Hadron Collider som en partikel, men du vil også høre fysikere tale om “Higgs-feltet” som en delokaliseret ting, der fylder hele rummet. Dette sker, fordi det under nogle omstændigheder, f.eks. ved collider-eksperimenter, er mere bekvemt at diskutere excitationer af Higgs-feltet på en måde, der understreger de partikellignende egenskaber, mens det under andre omstændigheder, f.eks. ved generelle diskussioner om, hvorfor visse partikler har masse, er mere bekvemt at diskutere fysikken i form af vekselvirkninger med et universudfyldende kvantefelt. Det er bare forskelligt sprog, der beskriver det samme matematiske objekt.

Kvantfysik er diskret

Det ligger lige i navnet – ordet “kvante” kommer fra latin for “hvor meget” og afspejler det faktum, at kvantemodeller altid involverer noget, der kommer i diskrete mængder. Den energi, der er indeholdt i et kvantefelt, kommer i hele multipla af en eller anden grundlæggende energi. For lys er dette forbundet med lysets frekvens og bølgelængde – højfrekvent, kortbølget lys har en stor karakteristisk energi, mens lavfrekvent, langbølget lys har en lille karakteristisk energi.

I begge tilfælde er den samlede energi, der er indeholdt i et bestemt lysfelt, dog et heltalsmultiplikator af denne energi – 1, 2, 14, 137 gange – aldrig en underlig brøkdel som halvanden, π eller kvadratroden af to. Denne egenskab ses også i atomernes diskrete energiniveauer og energibåndene i faste stoffer – visse værdier af energi er tilladt, andre er ikke. Atomure fungerer på grund af kvantefysikkens diskrete karakter, idet de bruger lysfrekvensen i forbindelse med en overgang mellem to tilladte tilstande i cæsium til at holde tiden på et niveau, der kræver det meget omdiskuterede “skudsekund”, som blev tilføjet i sidste uge.

Ultrapræcis spektroskopi kan også bruges til at lede efter ting som mørkt stof, og det er en del af motivationen for et institut for grundlæggende fysik ved lav energi.

Det er ikke altid indlysende – selv nogle ting, der grundlæggende er kvantemæssige, som f.eks. stråling fra sorte legemer, synes at involvere kontinuerlige fordelinger. Men der er altid en slags granularitet i den underliggende virkelighed, hvis man graver ned i matematikken, og det er en stor del af det, der fører til teoriens mærkværdigheder.

Kvantfysik er probabilistisk

Et af de mest overraskende og (i hvert fald historisk set) kontroversielle aspekter af kvantefysikken er, at det er umuligt at forudsige resultatet af et enkelt eksperiment på et kvantesystem med sikkerhed. Når fysikere forudsiger resultatet af et eller andet eksperiment, tager forudsigelsen altid form af en sandsynlighed for at finde hvert af de bestemte mulige resultater, og sammenligninger mellem teori og eksperiment indebærer altid at udlede sandsynlighedsfordelinger fra mange gentagne eksperimenter.

Den matematiske beskrivelse af et kvantesystem tager typisk form af en “bølgefunktion”, der i ligninger generelt er repræsenteret ved det græske bogstav psi: Ψ. Der er en del debat om, hvad denne bølgefunktion præcis repræsenterer, og den deler sig i to hovedlejre: dem, der betragter bølgefunktionen som en virkelig fysisk ting (jargonudtrykket for disse er “ontiske” teorier, hvilket har fået en vittig person til at kalde deres fortalere for “psi-ontologer”) og dem, der betragter bølgefunktionen som blot et udtryk for vores viden (eller mangel på samme) om den underliggende tilstand af et bestemt kvanteobjekt (“epistemiske” teorier).

I begge klasser af grundmodeller er sandsynligheden for at finde et resultat ikke givet direkte af bølgefunktionen, men af bølgefunktionens kvadrat (i hvert fald løst sagt; bølgefunktionen er et komplekst matematisk objekt (hvilket betyder, at den involverer imaginære tal som kvadratroden af negativ et), og operationen for at få sandsynligheden er lidt mere kompliceret, men “kvadratet på bølgefunktionen” er nok til at få den grundlæggende idé). Dette er kendt som “Born-reglen” efter den tyske fysiker Max Born, der først foreslog dette (i en fodnote til en artikel i 1926), og nogle mennesker synes, at det er en grim ad hoc-tilføjelse. Der er en aktiv indsats i nogle dele af kvantefundsfællesskabet for at finde en måde at udlede Born-reglen fra et mere grundlæggende princip; til dato er ingen af disse bestræbelser lykkedes fuldt ud, men det genererer en masse interessant videnskab.

Det er også det aspekt af teorien, der fører til ting som at partikler kan være i flere tilstande på samme tid. Alt, hvad vi kan forudsige, er sandsynlighed, og forud for en måling, der bestemmer et bestemt resultat, befinder det system, der måles, sig i en ubestemt tilstand, der matematisk set kortlægger en superposition af alle muligheder med forskellige sandsynligheder. Om man betragter dette som om systemet virkelig befinder sig i alle tilstande på én gang, eller om det blot befinder sig i én ukendt tilstand, afhænger i høj grad af ens følelser for ontiske versus epistemiske modeller, selv om disse begge er underlagt begrænsninger fra det næste punkt på listen:

Kvantfysik er ikke-lokal

Det sidste store bidrag, som Einstein ydede til fysikken, blev ikke bredt anerkendt som sådan, mest fordi han tog fejl. I en artikel fra 1935 sammen med sine yngre kolleger Boris Podolsky og Nathan Rosen (“EPR-papiret”) gav Einstein en klar matematisk redegørelse for noget, der havde generet ham i nogen tid, en idé, som vi i dag kalder “entanglement.”

EPR-papiret argumenterede for, at kvantefysikken tillod eksistensen af systemer, hvor målinger foretaget på vidt forskellige steder kunne være korreleret på en måde, der tydede på, at resultatet af den ene var bestemt af den anden. De argumenterede for, at dette betød, at måleresultaterne må være bestemt på forhånd, af en eller anden fælles faktor, fordi alternativet ville kræve, at resultatet af den ene måling skulle overføres til den anden måles placering med hastigheder, der var hurtigere end lysets hastighed. Kvantemekanikken må således være ufuldstændig, blot en tilnærmelse til en dybere teori (en teori om “lokale skjulte variable”, hvor resultaterne af en bestemt måling ikke afhænger af noget længere væk fra målepunktet, end et signal kan bevæge sig med lysets hastighed (“lokalt”), men bestemmes af en faktor, som er fælles for begge systemer i et sammenfiltret par (den “skjulte variabel”)).

Dette blev i omkring tredive år betragtet som en mærkelig fodnote, da der tilsyneladende ikke var nogen måde at teste det på, men i midten af 1960’erne arbejdede den irske fysiker John Bell konsekvenserne af EPR-papiret mere detaljeret ud. Bell viste, at man kan finde omstændigheder, hvor kvantemekanikken forudsiger korrelationer mellem fjerntliggende målinger, der er stærkere end enhver mulig teori af den type, som E, P og R foretrækker. Dette blev afprøvet eksperimentelt i midten af 1970’erne af John Clauser, og en række eksperimenter udført af Alain Aspect i begyndelsen af 1980’erne anses generelt for definitivt at have vist, at disse sammenfiltrede systemer umuligt kan forklares med nogen lokal teori om skjulte variable.

Den mest almindelige tilgang til at forstå dette resultat er at sige, at kvantemekanikken er ikke-lokal: at resultaterne af målinger foretaget på et bestemt sted kan afhænge af egenskaberne af fjerntliggende objekter på en måde, der ikke kan forklares ved hjælp af signaler, der bevæger sig med lysets hastighed. Dette tillader dog ikke, at man kan sende information med hastigheder, der overstiger lysets hastighed, selv om der har været et utal af forsøg på at finde en måde at bruge kvante-non-lokalitet til at gøre dette på. At tilbagevise disse forsøg har vist sig at være et overraskende produktivt foretagende – læs David Kaiser’s How the Hippies Saved Physics for flere detaljer. Kvante non-localitet er også centralt for problemet med information i fordampende sorte huller og “firewall”-kontroversen, som har skabt en masse aktivitet i den seneste tid. Der er endda nogle radikale idéer, der involverer en matematisk forbindelse mellem de sammenfiltrede partikler beskrevet i EPR-papiret og ormehuller.

Kvantfysik er (for det meste) meget lille

Kvantfysik har ry for at være underlig, fordi dens forudsigelser er dramatisk ulig vores hverdagserfaring (i det mindste for mennesker – min bogs idé er, at den ikke virker så underlig for hunde). Det sker, fordi de involverede effekter bliver mindre, når objekter bliver større – hvis man ønsker at se entydig kvanteadfærd, ønsker man grundlæggende at se partikler, der opfører sig som bølger, og bølgelængden aftager, når impulsen øges. Bølgelængden for et makroskopisk objekt som en hund, der går gennem rummet, er så latterligt lille, at hvis man udvidede alt, så et enkelt atom i rummet var på størrelse med hele solsystemet, ville hundens bølgelængde være på størrelse med et enkelt atom i dette solsystem.

Det betyder, at kvantefænomener for det meste er begrænset til skalaen for atomer og fundamentale partikler, hvor masserne og hastighederne er små nok til, at bølgelængderne bliver store nok til, at man kan observere dem direkte. Der er dog en aktiv indsats på en række områder for at skubbe størrelsen af systemer, der viser kvanteeffekter, op til større størrelser. Jeg har blogget en del om eksperimenter fra Markus Arndts gruppe, der viser bølgelignende adfærd i større og større molekyler, og der er en række grupper inden for “cavity opto-mekanik”, der forsøger at bruge lys til at bremse bevægelsen af siliciumstykker ned til det punkt, hvor bevægelsens diskrete kvantekarakter bliver tydelig. Der er endda nogle forslag om, at det kunne være muligt at gøre dette med ophængte spejle, der har en masse på flere gram, hvilket ville være utroligt sejt.

Kvantfysik er ikke magi

Den foregående pointe fører meget naturligt over i denne: Hvor mærkeligt det end kan virke, så er kvantefysik helt klart ikke magi. De ting, den forudsiger, er mærkelige efter hverdagsfysikkens standarder, men de er strengt begrænset af velforståede matematiske regler og principper.

Så hvis nogen kommer hen til dig med en “kvante”-idé, der virker for god til at være sand – gratis energi, mystiske helbredende kræfter, umulige rumdrev – er det næsten helt sikkert det. Det betyder ikke, at vi ikke kan bruge kvantefysik til at gøre fantastiske ting – man kan finde nogle virkelig seje fysik i dagligdags teknologi – men disse ting holder sig inden for rammerne af termodynamikkens love og almindelig sund fornuft.

Så der har du det: de vigtigste kerneelementer i kvantefysik. Jeg har sikkert udeladt et par ting eller fremsat nogle udsagn, som ikke er tilstrækkeligt præcise til at tilfredsstille alle, men det burde i det mindste tjene som et nyttigt udgangspunkt for den videre diskussion.