Bakgrunn: Den knøttlille fysikken

Kvantefysikkens verden kan gi deg bakoversveis, men det er all grunn til å tro at det den beskriver stemmer med virkeligheten.

Published
 (Foto: (Illustrasjon: Per Byhring))
(Foto: (Illustrasjon: Per Byhring))

Den mystiske vitenskapen forteller om det å  teleportere egenskaper fra en del av et atom til et annet, uavhengig av tid og rom, og om partikler som er mange steder på en gang.

Kvantefysikk kan høres ut som tankespinnet til fysikere som tillegger partikler overnaturlige evner for å få regnestykket til å gå opp, men det er langt fra sannheten.

Ikke bare er kvantefysikk en gammel, utprøvd vitenskap. Vitenskapens prinsipper er helt konkrete, selv om de er ganske annerledes enn hva vi er vant til.

Ned på partikkelnivå

For å forklare det nærmere må vi bevege oss ned på et nivå som er like lite for oss som solsystemet er stort.

– De minste tingene vi vet om er elementærpartiklene, forteller Bjørn Samset fysiker ved CICERO.

– Ta for eksempel elektronet. Vi tror ikke at det er noe inne i elektronet. Det er en bit. Det samme gjelder hvis du tar stoff i naturen, og deler det inn i mindre og mindre biter, da kommer du først til atomer som består av elektroner, protoner og nøytroner Når vi bryter opp de to siste igjen så finner vi kvarkene.

Stolen du sitter på er med andre ord i ytterste konsekvens bygget opp av elektroner og kvarker. Men så dukker spørsmålet om hva det er som holder disse partiklene sammen opp. Her kommer elektromagnetisme og kjernekraft inn i bildet.

– Det som gjør at vi kan se rundt oss i rommet vi sitter i og at det er strøm i mobiltelefonen vår det er det samme som får elektronene til å holde seg fast på atomkjernen.

Elektronene utveksler nemlig lyspartikler, fotoner, med atomkjernene, og det er denne utvekslingen som gjør at de to henger sammen. Atomkjernen holdes sammen av kjernekraften, og her er det partikkelen gluon som bærer denne kraften.

Elektroner og kvarker utgjør stoffet, gluoner og fotoner holder det sammen. Disse er ikke de eneste elementærpartiklene, men de er de viktigste for å forstå verden vi lever i.

– Kvantefysikk er den matematiske beskrivelsen av hvordan disse minste byggesteinene i naturen oppfører seg. Hvis du tar en bowlingkule og triller bortover gulvet, så vet vi intuitivt hva som vil skje med den. Men hvis vi hadde kunnet ta et elektron på samme måte, og slenge det bortover, så hadde det gjort helt andre ting, forklarer Samset.

Andre regler

Når ting blir så små, oppfører de seg på måter vi ikke er vant til, og da må vi ha en annen, mer detaljert matematikk. Denne matematikken er kvantefysikken.

Oppførselen til så små partiklene er rett og slett så annerledes enn hva vi er vant til å se med våre egne øyne at det er vanskelig å fatte. Men det er ikke så mystisk som vi kanskje tror.

– Kvantefysikken var en litt usikker vitenskap på tredvetallet, for da hadde man ikke så gode eksperimenter. Nå har vi 70- 80 år med dyre eksperimenter, og kvantefysikken er så sann som det går an. Det er støttet av observasjoner alt sammen.

Kvantefysikken omfatter alt som innehar kvantefysiske egenskaper. Det blir for enkelt å definere kvantefysikk ut i fra størrelsesordener alene, da grensen for størrelsen på partikler med kvantefysiske egenskaper er glidende og i utvikling.

Det siste steget vi må ta for å forstå hva kvantefysikk er, er å definere hva en kvantefysisk egenskap er.

– Kjernen av en kvantefysisk egenskap, er det vi kaller for sannsynlighetstolkningen, forklarer Samset.

Bølge og partikkel samtidig

Sannsynlighetstolkningen sier noe om hvor det er mest sannsynlig at en partikkel befinner seg. Partikkelen kan nemlig være overalt på en gang, og det blir først bestemt hvor den vil være når vi måler den. Man vil derfor etter mange nok målinger av den samme partikkelen få et sannsynlighetsmønster, som likner en bølge i formen.

Partikler på denne størrelsen er dermed verken en partikkel eller en bølge, men noe midt i mellom.

Bjørn H. Samset (Foto: Bjørn H. Samset)
Bjørn H. Samset (Foto: Bjørn H. Samset)

Og det er her vi må stole på kvantefysikken. For en partikkel som hverken er en partikkel eller en bølge, er en vanskelig nøtt å svelge. Men Samset mener det ikke er noe mystisk ved det. Det er rett og slett en egenskap vi ikke er vant til.

– Den er noe annet; den er ikke en partikkel, den er ikke en bølge, den er en kvantepartikkel. Og av og til så likner det litt på det vi kjenner som en bølge, og av og til så likner det litt på det vi kjenner som en partikkel. Det er ikke noe dypere mysterium enn det.

Katta i kassa

Man kaller det en superposisjon når en partikkel er i en tilstand hvor den har flere tilstander samtidig.

Å prøve å måle hvilken tilstand partikkelen befinner seg i er som å prøve å få en oversikt over hva som er i sekken til kompisen din, men samtidig som han tar ut den første tingen fra sekken, hiver han sekken og dermed resten av innholdet ut i evigheten. Ganske slitsomt.

Schrödingers katt er det mest kjente eksempelet på dette. Schrödinger så for seg en katt som er fullstendig isolert fra omverdenen i en boks. Inne i boksen har katten med seg en beholder med giftig cyanidgass som dreper katten hvis den slipper ut av beholderen. Cyanidgassen slipper kun ut i rommet hvis et radioaktivt atom, som også er i boksen, brytes ned.

Schrödingers katt. (Foto: (Illustrasjon: Dhatfield / wikimedia commons))
Schrödingers katt. (Foto: (Illustrasjon: Dhatfield / wikimedia commons))

Siden det radioaktive atomet har kvantefysiske egenskaper, har den en superposisjon hvor den både er nedbrutt og ikke, og som en konsekvens kan en si at katten, til tross for at den ikke er styrt av kvantefysiske lover, også er i en superposisjon – den er både levende og død.

Vi kan ikke åpne esken å se om katten er død eller ikke, da det radioaktive atomet er så følsomt for omverdenen at vi da vil risikere å drepe katten.

Juksetitter på partiklene

Schrödingers katt er et flittig brukt eksempel på å forklare absurditeten til partikler på kvantenivå, og hvorfor det er umulig å måle på et atom i en superposisjon. Men nå er faktisk forskerne i ferd med å jukse seg til svaret på om katten er levende eller død. Uten å ødelegge superposisjonen.

– Vi begynner å kunne gjøre såkalte svake målinger. Du måler ikke egentlig, du måler bare nesten. Du lurekikker littegrann, sier Samset.

– Hva om du sender en mus løpende inn gjennom boksen hvor katten holder til, og så spør du musa etterpå: ble du skremt? Vi har ikke sett på katten, vi har sjekket noe annet som kan ha blitt påvirket av om katten er i live eller ikke.

Denne målingen av kvantesystemer var en av tingene fysikerne Serge Haroche og David J. Wineland fikk nobelpris i fysikk for i fjor.

Haroche sendte i sitt eksperiment et atom inn i en boks med et foton. Fotoner er så skjøre at om du åpner boksen for å se etter selv, forsvinner det. Men når de sendte inn spion-atomet kunne de se om fotonet var der eller ikke ved å se på hvordan atomet forandret seg.

Gigantiske atomer

Wineland på sin side, brukte en laser for å skape en superposisjon hos atomet, så klusset han med atomet ved å bruke andre laserstråler. Fysikeren oppnådde med andre ord å kunne manipulere et enkelt atoms oppførsel.

Man kan bli ganske svimmel av kvantefysikken. Men det er viktig å huske hva de kvantefysiske reglene gjelder for. Det er snakk om universets aller minste byggestener, og det hadde kanskje vært enda mer svimlende og rart om disse oppførte seg akkurat som de ballene og kulene vi er vant til fra vår egen verden.

I kvanteverdenen er selv atomer gigantiske og de tilhører yttergrensene for hva som er lite nok til å regnes som kvantepartikler. For å tenke oss den faktiske størrelsen på disse – for kvantefysikken – ekstremt store partiklene er, kan vi ta utgangspunkt i en mann som veier 70 kilo.

Denne mannen vil i følge det amerikanske forskningslaboratoriet Jefferson Lab være satt sammen av flere atomer enn det er stjerner i universet.

Kvantefysikk er forenklet sagt partikler på denne størrelsens helt egne grammatikk. Et sett med regler som viser oss hvordan disse bittesmå enhetene skal forstås.

Og akkurat som det er umulig for oss å forstå det kinesiske språket uten å kunne de grammatiske reglene og skriftspråket, er det umulig for oss å forstå hvordan kvantepartikler fungerer uten å kunne kvantefysikken og dens matematikk.