- Det viser seg til dømes at ein partikkel ikkje berre er ein partikkel, den er også ei bølge. Som med bølger flest, kan vi ikkje gi ho nokon nøyaktig posisjon. Og sidan dei er bølger, kan også partiklar blande seg og lage flotte bølgemønster, skriv Sølve Selstø. (Illustrasjonsfoto: Shutterstock / NTB scanpix)
- Det viser seg til dømes at ein partikkel ikkje berre er ein partikkel, den er også ei bølge. Som med bølger flest, kan vi ikkje gi ho nokon nøyaktig posisjon. Og sidan dei er bølger, kan også partiklar blande seg og lage flotte bølgemønster, skriv Sølve Selstø. (Illustrasjonsfoto: Shutterstock / NTB scanpix)

Forskeren forteller: Mikrokosmos er skrullete og vakkert

Ein tur ned i verda som består av molekyl, atom og enda mindre byggeklossar, tvingar oss til å utvide perspektiva våre.

Publisert

Forskeren forteller

Denne spalten gir plass til forskere, fagfolk og studenter som med egne ord forteller om sin og andres forskning. Vil du skrive? Ta kontakt på [email protected]

Det er vanskeleg å forstå noko vi aldri har sett eller erfart. Men vi kan lære mykje om vi vågar å ta steget inn i det ukjende.

Biologen J. B. S. Haldane ytra følgande i 1927: «Eg mistenkjer at universet ikkje berre er meir skrullete enn vi trur, men meir skrullete enn vi kan tru. Eg mistenkjer at der er meir i himmelen og på jorda enn det har blitt drøymt om, eller kan bli drøymt om, i nokon filosofi.» Kanskje var orda inspirert av kvantefysikken, som var i ferd med å bli fødd omtrent på denne tida.

Uansett er det vanskeleg å vere ueinig med han. Dei omgrepa vi nyttar for å skildre verda, har blitt til for å forstå, strukturere og kommunisere det vi alle opplever til dagleg. Når vi må ta til takke med desse omgrepa for å forstå ting vi aldri har sett, kan det fort sjå paradoksalt og skrullete ut.

Den geniale, skrullete kvantefysikken

Det er no nærare hundre år sidan innsatsen til ei rekkje geniale, fantasifulle og skapande forskarar bidrog til å komme fram til matematiske formuleringar som viser seg å skildre den mikroskopiske verda svært presist. Få, om nokon, vitskaplege teoriar har hatt så stor suksess som denne, som vi kallar kvantefysikken. Men trass i at vi har hatt god tid på oss, kan det framleis vere krevjande å få «omgreps-karta» våre til å passe med «terrenget» vi ser i laboratoria.

Det viser seg til dømes at ein partikkel ikkje berre er ein partikkel, den er også ei bølge. Som med bølger flest, kan vi ikkje gi ho nokon nøyaktig posisjon. Og sidan dei er bølger, kan også partiklar blande seg og lage flotte bølgemønster – også når der berre er éin partikkel.

Så når vi ikkje kan sjå på atom og andre «småting» som bittesmå biljardkuler som går i bestemte banar, korleis kan vi då rekne på dei? Vi blir nøydde til å ta til takke med å snakke om kor sannsynleg det er å finne partikkelen ein bestemt stad. Vi kan ikkje vite resultatet av ei posisjonsmåling på førehand – ikkje ein gong i prinsippet. Det same gjeld andre fysiske storleikar. Naturen ser altså ut til å oppføre seg grunnleggande tilfeldig på mikro-nivå.

Einstein syntest det blei for rart

Dette er berre nokre av dei rare tinga som dukkar opp når vi dukkar ned i mikrokosmos. Eit tydleg  vitnemål om at kvantefysikken kan bli i overkant skrullete for enkelte, er at sjølvaste Einstein, ein mann som neppe kan skuldast for å mangle evna til å «tenkje utanfor boksen», synest det heile blei for rart. Han aksepterte aldri fullt ut korleis det tilfeldige var ein del av teorien – trass i at han var høgst delaktig i å legge grunnen for kvantefysikken.

Men om mikroverda er rar, skal det også seiast at ho er nydeleg vakker.

Vakre mønster gir innsikt

Oppe til høgre ser du eit elektron som er i ferd med å «rømme» frå eit molekyl. Resten er hydrogenatom i ulike tilstandar. (Illustrasjon av hydrogenatomer: <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/User:PoorLeno">PoorLeno</a> / Bilde av elektron: Sølve Selstø)
Oppe til høgre ser du eit elektron som er i ferd med å «rømme» frå eit molekyl. Resten er hydrogenatom i ulike tilstandar. (Illustrasjon av hydrogenatomer: PoorLeno / Bilde av elektron: Sølve Selstø)

Vi er sikkert fleire som har latt oss imponere av mønsteret som dukkar opp når bølger møtest – anten det er snakk om vassbølger eller elektron. Og på same måte som vi kan få fram ståande bølger på ein stram snor når vi ristar på ho med akkurat den rette frekvensen, har også atom tilstandar av ståande bølger.

Kvar av desse vil svare til ein bestemt energi, noko som igjen bestemmer strukturen til systemet. Desse atom-tilstandane/ståande bølgene liknar på blomar. Bildet av atom som solsystem i miniatyr, som mange av oss har med seg frå skulen, er verken rett eller vakkert nok.

Og kva eigenskap har blomar som gjer dei vakre og tiltalande? Vel, ein av dei er symmetri. Få omgrep står så sentralt i moderne fysikk som dette. Vi seier at noko har ein symmetri dersom det blir verande uendra etter at vi har gjort eit eller anna med det.

Eit kvadrat, til dømes, er symmetrisk fordi vi kan rotere det 90 grader og ende opp med same figuren. Ein sirkel er enda meir symmetrisk. Fysikarar som leitar etter dei mest elementære byggesteinane og kreftene, er ofte først og fremst på leit etter symmetriar. Ein stiller seg spørsmål av typen «om vi byter om på høgre å venstre, vil dei fysiske lovene framleis sjå like ut?» (Svaret er faktisk nei.)

Eit nydeleg eksempel på korleis jakta etter symmetri har ført til nye oppdagingar såg vi tidleg på 60-talet. Fysikaren Murray Gell-Mann påstod, kun på grunnlag av symmetri-vurderingar, at der måtte finnast ein bestemt partikkel som ingen hadde sett før. Det tok ikkje langt tid frå eksperimentalistane tok utfordringa frå Gell-Mann og begynte å leite etter han til dei fann han.

Å forstå det uforstålege

Einstein tenkte kanskje ikkje spesielt på kvantefysikken då han påstod at det mest uforståelege ved universet er at det er forståeleg. Han ser ut til å dele Haldane sitt utgangspunkt men  konkludere noko annleis.

Innsikt hadde dei alle fall begge. Trass i at omgrepa våre ikkje heilt strekk til når det gjeld mikroverda, har vi lukkast veldig bra med å skildre ho matematisk – på kompakt og elegant vis. Og om vi ikkje eigentleg heilt forstår ho, ser vi at ho er vakker og velordna. Kanskje har Einstein rett i at  nettopp dette det mest «skrullete» av alt.