Når du sparker en ball mot et mål, vet du at for å treffe rett i krysset, må du ha helt riktig fart og retning på ballen.

Er du fysiker, kan du til og med regne ut nøyaktig hvordan ballen skal bevege seg for å treffe blink, ved å bruke en rekke naturlover.

En gang trodde de fleste vitenskapsmenn at det var slik hele universet var skrudd sammen: Hvis bare du kjente alle naturlovene, kunne du forutsi framtiden.

Men det ble det slutt på i begynnelsen av 1900-tallet – da kvanteteorien slo igjennom. Nå ble framtiden i stedet et spørsmål om sannsynligheter.

Det var et voldsomt brudd med flere hundre års naturvitenskap, og sammen med relativitetsteorien markerte det et paradigmeskifte.

Paradigmeskifte er et begrep i vitenskapsteorien som beskriver en vitenskapelig revolusjon som radikalt endrer måten vi oppfatter verden på.

Da verden ble uforutsigbar

Kvantemekanikkens revolusjon besto i å forkaste den klassiske mekaniske fysikkens verdensbilde.

For eksempel: Ifølge Newtons andre lov kan vi beregne hvor en partikkel vil bevege seg hvis vi kjenner kreftene, partikkelens startposisjon og fart. Partikkelens bevegelse er forutsigbar.

Det er den ikke i kvantemekanikken. Her er partikkelen alle steder på en gang, og vi kan bare beregne hvor det er størst sannsynlighet for å finne den. Først i det øyeblikket vi måler den, får den en bestemt posisjon.

Heisenberg og Schrödinger

Opptakten til kvantemekanikken var spirene til den moderne fysikken i overgangen til 1900-tallet.

Man hadde nettopp oppdaget elektronet og atomkjernen. Bohr hadde lagt fram atommodellen sin, og Einstein hadde startet jordskredet under det mekaniske verdensbildet med relativitetsteorien sin – både den spesielle og den generelle.

I 1925-1926 ble den moderne kvantemekanikken født med Werner Heisenbergs matrisemekanikk og Erwin Schrödingers bølgeligning.

I begynnelsen ble de nye teoriene utelukkende ansett som en gave til fysikken, for plutselig kunne man løse en rekke problemer knyttet til oppførselen til atomer, molekyler og faste stoffer.

Bohr gjorde kvanteteorien kontroversiell

Ved å beskrive partikler som matematiske bølger, skilte kvanteteorien seg riktignok fra den vanlige fysikken, men bølger var ikke et ukjent fysisk begrep, og de svært vidtrekkende konsekvensene av bølgebeskrivelsen sto først klart da danske Niels Bohr fikk fingrene i teorien.

– Med Bohrs fortolkninger av kvantemekanikken fikk vi et helt nytt virkelighetsbegrep. Inntil da hadde vi riktignok frambrakt mer og mer avanserte teoretiske beskrivelser av fysikken, men vi betraktet fysiske fenomener på samme måte som steinaldermannen.

– Nå skulle vi plutselig forstå at vi ikke kunne pålegge naturen noen objektiv virkelighet, forteller Klaus Mølmer, professor ved Institutt for Fysik og Astronomi ved Aarhus universitet.

Klokken viser 11, selv om du ikke ser på

Bohrs fortolkninger, også kjent som «Københavnfortolkningen», går ut på at vi bare kan se verden når den blir målt, og altså ikke som naturen er i seg selv.

Mølmer sammenligner det med å se på en klokke.

– Du ser på armbåndsuret ditt og observerer at viseren står ved klokken 11. Selv om du ikke hadde sett på klokken, så hadde jo viseren vist 11. I kvantemekanikken er det faktisk ikke riktig. Ifølge den er viseren først på 11 i det øyeblikket du ser på den. Inntil da er den i prinsippet ikke noe sted, eller alle mulige steder på en gang.

Før du går helt fra konseptene over det løpske armbåndsuret, så skal det innskytes at kvantemekanikken bare gjelder på atomnivå.

Einstein og Bohr røk i tottene på hverandre

Albert Einstein var en av dem som ikke likte utsikten til at virkeligheten ble redusert til sannsynligheter. Det skyldes imidlertid på ingen måte at Einstein var en forstokket og konservativ vitenskapsmann.

– Relativitetsteorien hans sier at to observatører ikke alltid vil være enige om grunnleggende fysiske egenskaper som rekkefølge, varighet og lengde av fysiske fenomener, og den var et voldsomt brudd med den kjente fysikken.

– Han var også selv, med sine radikale ideer om lysets oppførsel, medvirkende til å skape kvantemekanikken, sier Mølmer, som er i gang med å skrive en populærvitenskapelig bok om kvantemekanikken.

Einstein og Bohr, begge Nobelpris-vinnere og to av tidens mest respekterte og anerkjente fysikere, kom i åpen strid. Bak seg hadde de hver sin fløy av prominente vitenskapsfolk.

Einstein hadde blant annet Schrödinger på sin side, som offentlig proklamerte at han angret på å ha bidratt til kvantemekanikken hvis Bohr hadde rett. Heisenberg var enig med Bohr.

– Gud spiller ikke med terninger

Det er i lys av den debatten Einsteins berømte ord falt. I 1926 skrev han i et brev til den tyske fysikeren Max Born:

«Kvantemekanikken trenger seg sannelig på, men en indre stemme sier meg at den ikke er den endelige sannheten. Teorien er omfattende, men den bringer oss ikke nærmere den gamle teoriens mysterier. Under alle omstendigheter er jeg overbevist om at han [Gud, red.] ikke kaster terninger.»

Bohr vant diskusjonen. I dag har man eksperimentelt etterprøvd flere av hans den gang hypotetiske argumenter, og de holder vann alle sammen.

Kvantemekanikken markerte et paradigmeskifte

Fordi kvantemekanikken brøt radikalt med den klassiske, newtonske fysikken, er den grundig beskrevet i vitenskapsteorien.

– Mennesket har siden tidenes morgen interessert seg for hva slags virkelighet vi lever i. Kvantemekanikken rokker ved denne virkeligheten.

– Kort sagt har den simpelthen endret metafysikken vår ved å konstatere at det er en iboende usikkerhet i verden, forteller Vincent Fella Hendricks, professor i formell filosofi ved Institutt for Medier, Erkendelse og Formidling ved Københavns Universitet.

Den amerikanske vitenskapsteoretikeren Thomas Kuhn (1922-1996) hevdet at overgangen var et av de største paradigmeskiftene i vitenskapshistorien, på linje med overgangen til et verdensbilde med solen i sentrum.

Filosofer i strid om paradigmebegrepet

Kuhn hadde fremsatt teorien om paradigmeskifter i boken «Vitenskapelige revolusjoners struktur» fra 1962. Ifølge denne teorien utvikler vitenskapen seg i revolusjoner når det gamle verdensbildet viser seg å ha for mange paradokser eller anomalier i mot seg.

Et av Kuhns krav til et paradigmeskifte er at den gamle og nye teorien skal være inkommensurable (usammenlignbare).

Men den klassiske fysikken og kvantemekanikken er ikke usammenlignbare. Bohr mente for eksempel at den klassiske fysikkens grunnprinsipper skulle forstås ut fra forståelsen av kvantefysikken, og han så på den måten den klassiske fysikken som en nødvendig del av kvantefysikken.

Derfor er overgangen til kvantefysikken blitt brukt av andre vitenskapsteoretikere til å avvise Kuhns krav om inkommensurabilitet mellom paradigmer.

Einsteins arbeid fortsetter

Fysikkens hellige gral er i dag å forene kvantemekanikken og Einsteins generelle relativitetsteori. Lykkes det, ender det kanskje med at Einsteins virkelighetsbegrep likevel seirer over Bohrs.

– Et av forslagene til en kobling er for eksempel strengteori, som beskriver elementærpartiklene som svingninger på en streng i et høyt antall romlige dimensjoner hvor vi bare kan erkjenne tre.

– Det vi oppfatter som egenskaper uten en selvstendighet virkelighet i tre dimensjoner, kunne altså teoretisk være projeksjoner av noe mer virkelige i en mye mer komplisert verden, forklarer Mølmer.

Strengteori ville gjort Einstein fornøyd

Selv om strengteori virker enda mer kronglete og mystisk enn kvantemekanikken, så er Mølmer overbevist om at den ville fått Einstein til å juble.

– Einstein hadde ikke noe problem med merkelige teorier. De kunne gjerne være groteske bare de beviste at det er et virkelig fysisk system eller en objektiv dynamikk i verden, sier han og fastslår at Einstein både anerkjente og brukte kvantemekanikken.

Den ga bare ikke et tilstrekkelig verdensbilde.

– Einstein ville naturligvis si at selv om kvantemekanikken ikke kan gi noe nøyaktig svar på hvor en partikkel er på et gitt tidspunkt, så vet Vårherre godt hvor den er.

Referanse og lenker

Les mer om kvantemekanikk (Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet)

Klaus Mølmers profil