Schrödingers springbrett

Det er tynt. Det er både her og der samtidig, slik som Erwin Schrödingers katt var både død og levende. Men katten er teori. Springbrettet er virkelighet.

Tenk deg en katt i en kasse. Inne i kassa er også noen få atomer av et radioaktivt stoff. Hvis de spaltes og sender ut stråling, tikker det i en geigerteller. Den utløser en mekanisme. Mekanismen knekker en giftampulle. Katten dør.

Problemet er bare at ingen kan si helt sikkert om de radioaktive atomene spaltet seg eller ikke. Dermed kan ingen heller si helt sikkert om katten er levende eller død.

Og vi kan ikke bli helt sikre. Kvantemekanikken sier nemlig at atomer og andre små partikler faktisk kan spaltes og ikke spaltes samtidig. De kan være i flere tilstander på en gang.

Som fysikeren Erwin Schrödinger påpekte i sitt tankeeksperiment i 1935, betyr det at katten også kan være både død og levende.

 Absurd, men mulig

Erwin Schrödinger, kort tid før han lanserte tankeeksperimentet med katten (Foto: Ukjent, Wikimedia Commons)
Erwin Schrödinger, kort tid før han lanserte tankeeksperimentet med katten (Foto: Ukjent, Wikimedia Commons)

Det går selvfølgelig ikke an. Eller – kan det være mulig? Schrödinger brukte i alle fall eksempelet for å vise at kvantemekanikken gir absurde konsekvenser.

Som Eistein skrev i et brev til Schrödinger: De fleste (forskere) ser ikke hva for et risikabelt spill de leker med virkeligheten – virkeligheten som noe uavhengig av hva som påvises ved eksperimenter.

For eksempel dødlevende katter.

Men nå er forskerne i ferd med å virkeliggjøre dette risikable spillet i større målestokk. Ikke med katter, riktignok, men med små springbrett og trampoliner.

Kvantetunnelering

Og dette er ikke bare teoretisk akrobatikk. Kvantemekanikk blir allerede brukt i blant annet elektronmikroskop og minnepinner. Men her virker den bare på atomnivå.

Med Schrödingers springbrett kan teknologien ta sats mot nye mål. Men vil vi noensinne kunne gjøre det samme som Bob Wilton i sluttscenen av filmen Menn som stirrer på geiter: Gå gjennom veggen?

Elektroner og andre små partikler kan nemlig gjøre dette kunststykket. De kan gå gjennom en barriere som de egentlig har for lite energi til å overvinne. Dette kalles kvantetunnelering.

Elektronet kan – som Schrödingers katt – være i flere tilstander på en gang. Men for elektronene betyr det ikke at de er både døde og levende.

Det betyr at de kan være flere steder samtidig. For eksempel på begge sider av en barriere.

Springbrettet fra California

Verdens første kvantemaskin, laget i 2009 som en del av doktorgradsarbeidet til Aaron O´Connell ved University of California, Santa Barbara. (Foto: (Elektronmikroskopi: Aaron O´Connell, Wikimedia Commons))
Verdens første kvantemaskin, laget i 2009 som en del av doktorgradsarbeidet til Aaron O´Connell ved University of California, Santa Barbara. (Foto: (Elektronmikroskopi: Aaron O´Connell, Wikimedia Commons))

Den 4. august 2009 laget Aaron O´Connell og kollegene hans ved University of California, Santa Barbara, den første større mekanismen som kan være flere steder på en gang.

Den så ut som et ørlite springbrett, akkurat så vidt synlig for det nakne øyet. Forskerne kjølte ned dette lille springbrettet til nesten det absolutte nullpunkt. Da burde all bevegelse stanset opp.

Men springbrettet dirret likevel. Hvorfor? Den hadde to tilstander samtidig, men når O´Connell observerte den, kunne han bare se en av tilstandene om gangen, i tilfeldig rekkefølge. Dette så ut som dirring.

Dette gjennombruddet ble publisert i tidsskriftet Nature våren 2010, og ble av tidsskriftet Science kåret som årets gjennombrudd.

Finsk trampoline

Et flak av grafén, ett atom tykt men relativt stort i utstrekning, henges ut over en elektrisk ladet metallplate. De to mulige kvantetilstandene til grafenflaket er vist øverst og nederst. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no, basert på Peter Linjeroth))
Et flak av grafén, ett atom tykt men relativt stort i utstrekning, henges ut over en elektrisk ladet metallplate. De to mulige kvantetilstandene til grafenflaket er vist øverst og nederst. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no, basert på Peter Linjeroth))

Springbrettet til O´Connell hadde to tilstander på en gang, men det passerte ikke gjennom noen barriere. Nå har finske forskere planlagt et eksperiment som skal få en større gjenstand til å kvantetunnelere.

Mika Sillanpää og kollegene hans ved Universitetet i Aalto forslår å spenne ut en liten trampoline over en metallplate. Eksperimentet ble beskrevet i en artikkel i tidsskriftet Physical Review B den 8. november.

Trøblete nedkjøling

Trampolinen skal lages av stoffet grafén. Dette er karbonatomer i et hønsenettingmønster, supersterkt og strømledende.

Trampolinen skal kunne bule på to forskjellige måter. Men det mekaniske opphenget og et elektrisk felt skal hindre at det går fra den ene formen til den andre. Dette utgjør barrieren.

Så vil forskerne kjøle ned trampolinen, akkurat som i eksperimentet med springbrettet. Hvis de kan se at trampolinen endrer form, så skyldes det kvantetunnelering.

Sillanpää tror at eksperimentet kan ta flere år å gjennomføre. Problemet er å få temperaturen lav nok, ifølge en nyhetsmelding på nettsidene til tidsskriftet Science.

En katt med flere tolkninger

Men hvis Schrödingers absurde tankelek faktisk kan bli virkelighet for små springbrett og trampoliner, hvorfor ikke også for en dødlevende katt?

Jo større gjenstanden er, desto mer sannsynlig er det at omgivelsene påvirker den, slik at den faller ned fra sin flertydige tilværelse og blir tradisjonelt entydig.

Det er blant annet derfor forskerne må kjøle ned trampolinene og springbrettene til nær det absolutte nullpunkt: De må hindre energien fra varmen omkring i å påvirke dem.

Å holde noe så stort som en katt, langt mindre et menneske, i perfekt isolasjon fra omgivelsene er tilnærmet umulig. Men bare tilnærmet.

Bare se, ikke røre?

Følger vi denne tankerekken, vil det også være et problem at vi ikke kan observere noe som er isolert fra oss. Vi kan ikke observere uten å påvirke. Vi kan ikke bare se, og ikke røre.

Måleinstrumentene våre kan ikke se hva som skjer med katten uten at vi belyser den og tar bilde av lyspartiklene som pelsen sender ut.

Eller – for den saks skyld – det radioaktive stoffet i kattekassa slutter å være flertydig når det enten utveksler energi med geigertelleren eller ikke – og katta dør eller lever videre.

Det er også derfor at O´Connell så springbrettet, så falt det ned fra flertydigheten til en av de to mulige tilstandene. Dette så ut som en vibrasjon.

Ny forståelse

Bjørn Samset (Foto: Universitetet i Oslo)
Bjørn Samset (Foto: Universitetet i Oslo)

- Dette er den eldste tolkningen av hva som skjer når vi observerer et kvantemekanisk system, sier Bjørn Samset. Han har blant annet arbeidet med partikkelfysikk ved CERN.

- Men det skjer mye spennende innenfor forståelse av kvantemekanikken for tida. Flere forskere prøver å ta tolkningen videre.

- Måleinstrumentene blir bedre, og det begynner å renne inn små hint om hvordan blant annet lys kan ha flere tilstander på en gang, forteller han.

Flere virkeligheter

Det finnes også andre mer filosofiske tolkninger av hva som skjer. En av dem går ut på at virkeligheten deler seg. Både katta og vi som ser på, er tilstede i begge de parallelle universene.

I det ene universet ser vi at katta er død. I det andre ser vi at katta lever. Denne tolkningen kalles mange verden-tolkningen, og ble lansert av den amerikanske fysikeren Hugh Everett i 1957.

- Fysikere har forsøkt å regne ut hvor mange slike parallelle verdener vi da ville få. Tallet er avsindig, men ideen er ikke sprøere enn mange andre tolkninger, sier Samset.

- Tidligere lå det i bunnen av tankegangen at vi ikke kunne forstå kvantemekanikken uten slike filosofiske tolkninger. Nå har fysikerne en sterkere vilje og selvtillit til å forstå den utfra fysikkens egne begreper, sier Samset.

Vi er flertydige

Enda en filosofisk tolkning forkaster idéen om den objektive, entydige observasjon. Den som observerer, er også et kvantemekanisk system, med de samme innebygde flertydigheter som katta i Schrödingers kasse.

Det betyr at hva vi observerer, er avhengig av hvilken tilstand vi selv er. Dette avhenger igjen av hvordan vi utveksler energi og dermed informasjon med omgivelsene.

- Bak slike tanker ligger det grunnleggende spørsmålet: Hva er en måling? sier Samset.

- Måler jeg utfra meg selv når jeg måler verden? Trengs en bevissthet for å gjøre en måling? Slike spørsmål har ikke noe med fysikk å gjøre. Vi avgrenser oss utfra forutsetningen om at det finnes en verden der ute som er uavhengig av oss, understreker Samset.

Så vil mennesker noensinne kunne kvantetunneleres gjennom vegger?

Sannsynligheten for at du skal kunne oppleve det, er så liten at du trolig måtte vente til universets ende og likevel bli skuffet, sier Bjørn Samset.

Referanse og lenker:

Mika A. Sillanpää et.al: Macroscopic quantum tunneling in nanoelectromechanical systems, Physical Review B, volume 84, issue 19, DOI 10.1103

Nyhetsartikkel om trampolinen av grafén på nettsidene til tidsskriftet Science

Nyhetsartikkel om den første kvantemaskinen (springbrettet) på nettsidene til tidsskriftet Science

Artikkel om det samme på nettsidene til tidsskriftet Nature

Powered by Labrador CMS