Den mystiske kvantefysikken

Hva er egentlig kvantefysikk, og har den virkelig snudd det fysiske universet på hodet? En ting er i hvert fall sikkert: Einstein tok feil. Gud *spiller* faktisk terning med universet.

Published

Jon Magne Leinaas er professor i fysikk ved Universitetet i Oslo, og kanskje Norges ledende spesialist på kvantefysikk.

Han legger ikke skjul på at én av hovedgrunnene til at han begynte å studere kvantefysikk nettopp var fordi den utfordrer vår oppfatning av hvordan naturen fungerer.

Kvantefysiskens historie

Kvantefysikken er vanskelig å forstå. Men hvis man skal gjøre et forsøk, er det kanskje en idé å ta en titt på kvantefysikkens historie.

I 1900 forsøkte fysikeren Max Planck å forklare varmestrålingen fra en svart ovn. Men han fikk ikke regnestykket sitt til å gå opp, fordi han så på strålingen som sammenhengende bølger.

Derimot falt ting på plass dersom han så for seg at atomene i ovnen ikke sendte ut strålingen kontinuerlig, men i form av ørsmå “pakker” med energi. Disse energipakkene er det som senere ble kalt “kvanter”.

Kvantefysikken var født.

Den ikke ukjente fysikeren Albert Einstein har også gitt viktige bidrag til kvantefysikken.

I 1905 leverte Einstein sin fotonteori. Her hevdet han at når lys forplanter seg gjennom rommet er det ikke i form av kontinuerlige lysbølger, men som lyspartikler eller lyskvanter.

Atomet - ikke et solsystem

Flere brikker i puslespillet falt hele tiden på plass. I 1913 leverte dansken Niels Bohr en ny modell for atomer.

Bohr hevdet at vårt bilde av atomene som ørsmå solsystemer, med elektroner som snurrer i pene baner rundt atomkjernen, ikke holdt. Elektroner springer derimot mellom et helt sett med forskjellige baner.

"Jon Magne Leinaas, ekspert på kvantefysikk."
"Jon Magne Leinaas, ekspert på kvantefysikk."

Det er dette som er de såkalte “kvantesprangene” (som altså i virkeligheten er det motsatte av det de er i vanlig språkbruk - de er de minste sprangene vi vet om).

Etter vesentlige bidrag fra navn som deBroglie (som påsto at elektronet kan være både partikkel og bølge), Werner Heisenberg (som formaliserte hvordan man kunne regne med kvantefysikken) og Schrödinger (han med katten) var kvantefysikken etablert som fag på slutten av 1920-tallet.

Denne nye fysikken var intet mindre enn en vitenskapelig revolusjon. Revolusjonen fortsetter fremdeles, ikke minst fordi kvantefysikken beveger seg inn i fagfelter som astrofysikk og biologi, og har gitt oss nye redskaper for å forstå hva som skjer i inne i stjerner eller menneskehjerner.

Teknologien har også hatt stort bruk av dette. Både lasere og transistorer bygger på kvantefysikk, og det nyeste nå er kvantekryptografi der man bruker kvantefysiske prinsipper for å skape helt sikre koder.

Snill revolusjon

Så kvantefysikken har vært en revolusjon, men den har vært en snill revolusjon, og man har ikke sendt den gamle fysikken til Sibir.

"Isaac Newton. Hans fysikk holder fremdeles."
"Isaac Newton. Hans fysikk holder fremdeles."

- Den gamle, klassiske fysikken er ikke død. Den lever videre, men den må ses som et grensetilfelle, noe som bare har gyldighet innen et begrenset område, forklarer Leinaas.

Den enkleste måten å forestille seg den klassiske fysikken er å tenke på Newtons berømte eple - som faller rett ned. Men selv om kvantefysikken utfordrer det newtonske verdensbildet, betyr ikke dette at kvantefysikken betyr at epler faller rett oppover eller sidelengs - eller at fallet avhenger om noen ser på det eller ikke.

Atom-epler

- Men hvis vi ser nærmere på atomene inne i eplet, kommer vi til kort ved å bare bruke Newtonsk fysikk på det.

Det er typisk for fysikken at den kommer seg videre, men det er sjelden at noe virkelig blir kastet ut av fysikken. Derimot viser det seg innimellom at det man trodde var grunnleggende prinsipper viser seg å ha begrenset gyldighet.

Derfor har den filosofiske overbygningen forandret seg. Det mekanistiske verdensbildet som fulgte med Newton har ikke samme posisjon som det hadde for 100 eller 200 år siden.

- Så hva har forandret seg i denne filosofiske overbygningen?

- Kvantemekanikken handler primært om ting som foregår på atomnivå. Dermed må man innse at kvantefysikken er både vanskeligere å forklare og vanskeligere å forstå enn klassisk Newtonsk fysikk med fallende epler.

- Det mekanistiske verdensbildet så for seg et univers bestående av byggesteiner som bumper borti hverandre eller går i baner, og i den mest ekstreme versjonen er dette like forutsigbart som et urverk. Men dette holder ikke i forhold til moderne fysikk.

Einstein tok feil

- Kvantefysikken sier noe om sannsynlighet. Det er umulig å forutsi noe i universet helt sikkert. Det er vanskelig å forstå dette, særlig siden sannsynligheten ligger i naturen selv.

"Albert Einstein, som tok feil innimellom han også."
"Albert Einstein, som tok feil innimellom han også."

- Det var her Einstein ikke kunne følge Niels Bohr, og Einstein kom med sin berømte replikk “Gud spiller ikke terning med universet”, forteller Leinaas.

Men her tok Einstein faktisk feil, og den videre utviklingen av kvantefysikken skulle vise at Gud (eller naturlovene, som nok var det Einstein mente med “gud”) er en temmelig lidenskapelig terningspiller.

Når Leinaas snakker om det kvantefysiske universet, dukker det opp begreper som “subjektivt” og “objektivt”. Men dette betyr ikke at det er fritt fram for all verdens merkelige påstander.

Grensene ikke borte

- Selv om vi ikke forstår alt ved kvantefysikken, gir den oss ganske klare og skarpe grenser for hvor mangelen på forståelse går.

- Hvis man bringer det ned på det nivået der vi opererer med eksperimenter, blir svarene nokså entydige. Kvantefysikken er veldig spesifikk, den sier mye om hva som skjer under visse forutsetninger. Så alt er ikke relativt, påpeker Leinaas.

Det fine med fysikken er nemlig at den har fasiten på forhånd. Og med “fasit” menes ganske enkelt naturen.

Det vil si at hver gang en fysiker kommer med en påstand, er det bare å sjekke om påstanden holder vann ved å sammenligne den med det som skjer i naturen.

Så hvis du påstår at tyngdekraften er relativ (slik noen faktisk påstår), er det bare å begynne å slippe epler og se hva som skjer.

- Fantasi er viktig innen vitenskap, men fantasiens resultater må sjekkes med naturen. Hvis naturen ikke bekrefter påstandene, har fantasien løpt løpsk. De som ikke respekterer dette, er utenfor rammene av naturvitenskapen, understreker Leinaas.