Sex saker som alla bör veta om kvantfysik

Kvantfysik är oftast skrämmande från början. Den är ganska konstig och kan verka kontraintuitiv, även för de fysiker som sysslar med den varje dag. Men den är inte obegriplig. Om du läser något om kvantfysik finns det egentligen sex nyckelbegrepp om den som du bör ha i åtanke. Om du gör det kommer kvantfysiken att bli mycket lättare att förstå.

Allt är gjort av vågor; även partiklar

Det finns många ställen där man kan börja den här typen av diskussion, och det här är lika bra som alla andra: allt i universum har både partikel- och vågkaraktär, på samma gång. Det finns en replik i Greg Bears fantasyduologi (The Infinity Concerto och The Serpent Mage), där en karaktär som beskriver grunderna för magi säger: ”Allt är vågor, med ingenting som vågor, över inget avstånd alls”. Jag har alltid gillat det som en poetisk beskrivning av kvantfysik – innerst inne har allt i universum vågnatur.

Självklart har allt i universum också partikelnatur. Detta verkar helt galet, men är ett experimentellt faktum som utarbetas genom en förvånansvärt bekant process:

(det finns också en animerad version av detta som jag gjorde för TED-Ed).

Att beskriva verkliga objekt som både partiklar och vågor är förstås nödvändigtvis något oprecist. Egentligen är de objekt som beskrivs av kvantfysiken varken partiklar eller vågor, utan en tredje kategori som delar vissa egenskaper hos vågor (en karakteristisk frekvens och våglängd, viss spridning över rummet) och vissa egenskaper hos partiklar (de är i allmänhet räkningsbara och kan lokaliseras i viss utsträckning). Detta leder till en livlig debatt inom fysikutbildningen om huruvida det verkligen är lämpligt att tala om ljus som en partikel i introduktionskurser i fysik; inte för att det finns någon kontrovers om huruvida ljuset har en viss partikelkaraktär, utan för att det kan leda till vissa missuppfattningar hos eleverna att kalla fotoner för ”partiklar” snarare än för ”excitationer av ett kvantfält”. Jag tenderar att inte hålla med om detta, eftersom många av samma problem skulle kunna uppstå om man kallar elektroner för ”partiklar”, men det ger en pålitlig källa till bloggkonversationer.

Denna ”dörr nummer tre”-karaktär hos kvantobjekten återspeglas i det ibland förvirrande språk som fysiker använder för att tala om kvantfenomen. Higgsbosonen upptäcktes vid Large Hadron Collider som en partikel, men du kommer också att höra fysiker tala om ”Higgsfältet” som en delokaliserad sak som fyller hela rymden. Detta beror på att det under vissa omständigheter, t.ex. vid kollisionsexperiment, är bekvämare att diskutera excitationer av Higgsfältet på ett sätt som betonar de partikelliknande egenskaperna, medan det under andra omständigheter, t.ex. vid allmänna diskussioner om varför vissa partiklar har massa, är bekvämare att diskutera fysiken i termer av växelverkan med ett universumfyllande kvantfält. Det är bara olika språk som beskriver samma matematiska objekt.

Kvantfysik är diskret

Det står redan i namnet – ordet ”kvantum” kommer från latinets ord för ”hur mycket” och återspeglar det faktum att kvantmodeller alltid innebär att något kommer i diskreta mängder. Den energi som finns i ett kvantfält kommer i heltalsmultiplar av någon grundläggande energi. För ljus är detta förknippat med ljusets frekvens och våglängd – högfrekvent, kortvågigt ljus har en stor karakteristisk energi, vilket lågfrekvent, långvågigt ljus har en liten karakteristisk energi.

I båda fallen är dock den totala energin i ett visst ljusfält en helhetsmultipel av den energin – 1, 2, 14, 137 gånger – aldrig en konstig bråkdel som ett och ett halvt, π eller kvadratroten av två. Denna egenskap ses också i atomernas diskreta energinivåer och i fasta kroppars energiband – vissa energivärden är tillåtna, andra är inte tillåtna. Atomklockor fungerar på grund av kvantfysikens diskretion, genom att använda ljusfrekvensen i samband med en övergång mellan två tillåtna tillstånd i cesium för att hålla tiden på en nivå som kräver den mycket omdiskuterade ”skottsekund” som lades till förra veckan.

Ultraprecis spektroskopi kan också användas för att leta efter saker som mörk materia, och är en del av motivationen för ett institut för grundläggande fysik med låg energi.

Detta är inte alltid uppenbart – till och med vissa saker som är fundamentalt kvantmässiga, som svartkroppsstrålning, tycks involvera kontinuerliga fördelningar. Men det finns alltid ett slags granularitet i den underliggande verkligheten om man gräver i matematiken, och det är en stor del av det som leder till teorins konstigheter.

Kvantfysiken är probabilistisk

En av de mest överraskande och (åtminstone historiskt sett) kontroversiella aspekterna av kvantfysiken är att det är omöjligt att med säkerhet förutsäga resultatet av ett enskilt experiment på ett kvantsystem. När fysiker förutsäger resultatet av ett experiment tar förutsägelsen alltid formen av en sannolikhet för att finna vart och ett av de särskilda möjliga resultaten, och jämförelser mellan teori och experiment innebär alltid att man måste härleda sannolikhetsfördelningar från många upprepade experiment.

Den matematiska beskrivningen av ett kvantsystem tar typiskt sett formen av en ”vågfunktion”, som i ekvationer i allmänhet representeras av den grekiska bokstaven psi: Ψ. Det finns en hel del debatt om vad exakt denna vågfunktion representerar, som delas upp i två huvudläger: de som anser att vågfunktionen är en verklig fysisk sak (jargongtermen för dessa är ”ontiska” teorier, vilket har lett till att någon kvick person har kallat deras förespråkare för ”psi-ontologer”) och de som anser att vågfunktionen endast är ett uttryck för vår kunskap (eller brist på kunskap) om det underliggande tillståndet hos ett visst kvantobjekt (”epistemiska” teorier).

I båda klasserna av grundmodeller ges sannolikheten att finna ett resultat inte direkt av vågfunktionen, utan av vågfunktionens kvadrat (löst uttryckt i alla fall; vågfunktionen är ett komplext matematiskt objekt (vilket innebär att den inbegriper imaginära tal som kvadratroten av negativt ett), och operationen för att få fram sannolikheten är något mer komplicerad, men ”vågfunktionens kvadrat” räcker för att få fram den grundläggande idén). Detta är känt som ”Bornregeln” efter den tyske fysikern Max Born som först föreslog detta (i en fotnot till en artikel 1926), och vissa tycker att det är ett fult ad hoc-tillägg. Det finns en aktiv strävan i vissa delar av samhället för kvantfundament att hitta ett sätt att härleda Born-regeln från en mer grundläggande princip; hittills har ingen av dessa ansträngningar lyckats fullt ut, men det genererar en hel del intressant vetenskap.

Detta är också den aspekt av teorin som leder till saker som att partiklar kan befinna sig i flera tillstånd samtidigt. Allt vi kan förutsäga är sannolikhet, och före en mätning som bestämmer ett visst resultat befinner sig systemet som mäts i ett obestämt tillstånd som matematiskt kartlägger en superposition av alla möjligheter med olika sannolikheter. Huruvida du betraktar detta som att systemet verkligen befinner sig i alla tillstånd samtidigt, eller bara befinner sig i ett okänt tillstånd beror till stor del på dina känslor om ontiska kontra epistemiska modeller, även om dessa båda är föremål för begränsningar från nästa punkt på listan:

Kvantfysiken är icke-lokal

Det sista stora bidraget som Einstein gjorde till fysiken var inte allmänt erkänt som sådant, främst för att han hade fel. I en artikel från 1935 tillsammans med sina yngre kollegor Boris Podolsky och Nathan Rosen (”EPR-artikeln”) gav Einstein ett tydligt matematiskt uttalande om något som hade stört honom under en längre tid, en idé som vi nu kallar för ”förväxling”.

I EPR-artikeln hävdades det att kvantfysiken tillät existensen av system där mätningar som gjordes på vitt skilda platser kunde korreleras på ett sätt som tydde på att utfallet av den ena var bestämt av den andra. De hävdade att detta innebar att mätresultaten måste bestämmas i förväg, genom någon gemensam faktor, eftersom alternativet skulle kräva att resultatet av den ena mätningen överförs till platsen för den andra med hastigheter som är snabbare än ljusets hastighet. Därför måste kvantmekaniken vara ofullständig, en ren approximation till en djupare teori (en teori om ”lokala dolda variabler”, en teori där resultaten av en viss mätning inte beror på något som ligger längre bort från mätplatsen än vad en signal skulle kunna färdas med ljusets hastighet (”lokalt”), utan bestäms av en faktor som är gemensam för båda systemen i ett sammanflätad par (den ”dolda variabeln”)).

Detta betraktades som en märklig fotnot i ungefär trettio år, eftersom det inte verkade finnas något sätt att testa det, men i mitten av 1960-talet arbetade den irländske fysikern John Bell ut konsekvenserna av EPR-artikeln mer i detalj. Bell visade att man kan hitta omständigheter där kvantmekaniken förutsäger korrelationer mellan avlägsna mätningar som är starkare än någon möjlig teori av den typ som E, P och R föredrar. Detta testades experimentellt i mitten av 1970-talet av John Clauser, och en serie experiment av Alain Aspect i början av 1980-talet anses allmänt ha visat definitivt att dessa sammanflätade system omöjligen kan förklaras av någon lokal teori om dolda variabler.

Den vanligaste metoden för att förstå detta resultat är att säga att kvantmekaniken är icke-lokal: att resultaten av mätningar som görs på en viss plats kan bero på egenskaperna hos avlägsna objekt på ett sätt som inte kan förklaras med hjälp av signaler som rör sig med ljusets hastighet. Detta tillåter dock inte att information sänds med hastigheter som överstiger ljusets hastighet, även om det har gjorts hur många försök som helst för att hitta ett sätt att använda kvantornas icke-lokalitet för att göra detta. Att motbevisa dessa har visat sig vara ett förvånansvärt produktivt företag – läs David Kaisers How the Hippies Saved Physics för mer information. Kvantlöshet är också centralt för problemet med information i avdunstande svarta hål och kontroversen om ”brandväggar” som har skapat en hel del aktivitet på senare tid. Det finns till och med några radikala idéer som inbegriper ett matematiskt samband mellan de förvirrade partiklar som beskrivs i EPR-dokumentet och maskhål.

Kvantfysik är (mestadels) mycket liten

Kvantfysik har rykte om sig att vara konstig eftersom dess förutsägelser är dramatiskt olik vår vardagserfarenhet (åtminstone för människor – tanken med min bok är att den inte verkar så konstig för hundar). Detta beror på att de inblandade effekterna blir mindre när objekten blir större – om man vill se ett otvetydigt kvantbeteende vill man i princip se partiklar som beter sig som vågor, och våglängden minskar när rörelsemängden ökar. Våglängden för ett makroskopiskt objekt som en hund som går genom rummet är så löjligt liten att om man expanderade allting så att en enda atom i rummet var lika stor som hela solsystemet, så skulle hundens våglängd vara ungefär lika stor som en enda atom i det solsystemet.

Detta innebär att kvantfenomen för det mesta är begränsade till skalan för atomer och fundamentala partiklar, där massorna och hastigheterna är tillräckligt små för att våglängderna ska bli tillräckligt stora för att man ska kunna observera direkt. Det pågår dock ett aktivt arbete inom en rad områden för att driva upp storleken på system som uppvisar kvanteffekter till större storlekar. Jag har bloggat en hel del om experiment av Markus Arndts grupp som visar vågliknande beteende i allt större molekyler, och det finns en hel del grupper inom ”hålrumsopto-mekanik” som försöker använda ljus för att sakta ner rörelsen hos kiselbitar till den punkt där rörelsens diskreta kvantnatur skulle bli tydlig. Det finns till och med några förslag om att det skulle vara möjligt att göra detta med upphängda speglar som har en massa på flera gram, vilket skulle vara otroligt häftigt.

Quantum Physics Is Not Magic

Den föregående punkten leder mycket naturligt in på den här: hur konstigt det än kan tyckas är kvantfysik absolut inte magi. De saker som den förutsäger är märkliga med tanke på vardagens fysik, men de är strikt begränsade av välförstådda matematiska regler och principer.

Så om någon kommer till dig med en ”kvantum”-idé som verkar för bra för att vara sann – fri energi, mystiska helande krafter, omöjliga rymddrivningar – så är det med största sannolikhet så. Det betyder inte att vi inte kan använda kvantfysiken för att göra fantastiska saker – du kan hitta riktigt häftig fysik i vardaglig teknik – men dessa saker håller sig väl inom gränserna för termodynamikens lagar och bara grundläggande sunt förnuft.

Så där har du det: de viktigaste kärnorna i kvantfysiken. Jag har förmodligen utelämnat några saker, eller gjort några uttalanden som inte är tillräckligt exakta för att tillfredsställa alla, men detta borde åtminstone fungera som en användbar utgångspunkt för vidare diskussioner.