Einstein tog fejl: Vores verden er 'spøgelsesagtig'

Året er 1920, og vi befinder os i en fuld sporvogn, der rasler gennem Københavns gader. Det er efterår, og stræderne er dækket af efterårets blade i varme nuancer af gul, orange og en dyb rød. Travle arbejdere springer på i farten, røg og damp snor sig op omkring kupeerne og duften fra byens madboder bølger ind gennem de letåbnede vinduer.

Midt i dette mylder sidder to herrer på de smalle sæder i kupeen, fuldstændigt opslugt i deres egen diskussion. Den ene sidder roligt tilbagelænet i sædet, han taler langsomt og overvejer hvert af sine ord. Den anden har en mere rastløs natur; han sidder ude på kanten af sædet og gestikulerer ivrigt med sine arme.

Det er topfysikerne Albert Einstein og Niels Bohr, og det er den nyopdagede kvantemekanik, der er årsag til deres intense diskussion. Det er især ét kvantefænomen, der skiller de to genier. Einstein døber det i frustration 'spooky action at a distance' – at ting kan påvirke hinanden, selvom de er fysisk adskilt.

Én partikel kan være på både Jorden og Månen på samme tid

Det drejer sig om det helt specielle kvantefænomen, hvor én partikel er flere steder på samme tid – altså før du måler på den. Når du først måler, hvor partiklen er henne, 'vælger' den ét sted i rummet. Men inden da, er den faktisk både her på Jorden og for eksempel på Månen.

Partiklen er i, hvad fysikere kalder, en superposition: En tilstand, hvor partiklen er flere forskellige steder på samme tid, og hvor hvert af stederne har sin egen sandsynlighed for, at partiklen ender netop dér, når en måling eller en anden forstyrrelse fra omverdenen får partiklens superposition til at kollapse til én enkelt position i rummet.

Derfor er det heller ikke givet på forhånd, hvor partiklen ender med at være, når du måler på den. Det er et spørgsmål om sandsynligheder.

Bohr: Verden er ikke nødvendigvis intuitiv

Tilbage i sporvognen, kan Einstein ikke acceptere, at en partikel skulle kunne være flere steder på én gang. Han argumenterer i stedet, at når man nu måler, at partiklen er ét sted, så må det helt simpelt være fordi, den har været netop dér hele tiden.

Ellers vil det også betyde, at hvad der sker her på Jorden hænger sammen med, hvad der sker på Månen. Og det er jo absurd, mener Einstein.

Men sådan er verden, også selvom det virker kontraintuitivt for os mennesker, konkluderer Niels Bohr.

Sporvognen er nu næsten tom, og de sidste passagerer gør sig klar til at stå af ved endestationen. Først her går det op for Einstein og Bohr, at de har glemt at stå af ved den rigtige station – for anden gang.

Nu kan vi måle, at Einstein tog fejl

De to genier blev aldrig enige. Men i dag, næsten 100 år efter de to topvidenskabsmænds diskussion i sporvognen i København, har et forskerhold endelig bevist, at én partikel virkelig kan være flere steder på samme tid.

Forskerne fra USA og Japan splittede en enkelt lyspartikel, kaldet en foton, op, sådan at noget af lyset blev transmitteret til ét laboratorium, mens resten af lyset blev reflekteret tilbage til et andet laboratorium. Lyspartiklen var derfor i begge laboratorier på samme tid, og når forskerne med én detektor målte på fotonens elektriske felt i det ene laboratorium, kunne forskerne i det andet laboratorium se, at det ændrede på deres måling af partiklens elektriske felt.

Hvis vi holder os til billedet af månen og jorden, har forskerholdet hermed vist, at hvis de måler på partiklens elektriske felt på månen, har det en indflydelse på partiklens elektriske felt nede på jorden, forklarer professor i kvantefysik Anders Sørensen fra Niels Bohr Institutet.

»Nu kan man simpelthen måle, at Einstein tog fejl,« fastslår han og uddyber:

»Hvis verden skulle have været, som Einstein mente - at ting ikke hænger sammen – ville vi ikke få de måleresultater, som vi faktisk gør.«

At partikler kan hænge sammen og påvirke hinanden, selvom de er fysisk adskilt, er før blevet påvist eksperimentielt. Men det er første gang nogensinde, at det er lykkedes et forskerhold at vise det med kun én partikel, understreger Anders Sørensen.

Det er afgørende, hvad man spørger partiklen om

Fordi en måling af en partikels position i kvantemekanikkens verden 'tvinger' partiklen til at vælge, præcis hvor den vil være, er det meget svært at lave en måling, der beviser det mystiske fænomen 'spooky action at a distance' – at partiklen er flere steder, før målingen bliver lavet.

»Nu skal vi holde tungen lige i munden. Det er vigtigt at holde styr på, hvilket spørgsmål man stiller partiklen,« advarer professor i kvantefysik Anders Sørensen og fortsætter:

»Til spørgsmålet 'hvor er du?' vil partiklen svare enten 'Jorden' eller 'Månen'. Det er ikke så spændende. Men hvis man i stedet spørger partiklen, hvad dens elektriske felt er, får man et meget mere interessant svar.«

Det gør man, fordi en måling af lyspartiklens elektriske felt i et laboratorium påvirker partiklens elektriske felt i det andet laboratorium – på den måde viser forskerne, at de to elektriske felter, som de hver især måler på, hænger sammen og altså tilhører én partikel – men uden at man behøver bede partiklen fortælle, hvor den er.

Og ved at måle på fotonens elektriske felt i stedet for dens position, kunne forskerholdet samtidig tage livet af en gammel 'konspirationsteori'.

Teorien går ud på, at fordi en detektor sjældent er 100 procent effektiv, vil der opstå situationer, hvor forskere ikke med sikkerhed kan sige, om det er detektorens skyld eller naturens veje, når de ikke måler noget. Et 'argument' for, at man ikke kan påstå, at Einstein tog fejl, forklarer Anders Sørensen.

Men lige netop elektriske felter kan faktisk måles med en 100 procent effektiv detektor, og derfor holder denne konspirationensteori heller ikke.

Det står 2-0 til Bohr

Dette nye spændende forskningsresultat slår, sammen med et andet eksperiment fra 80'erne, én gang for alle fast, at det mystiske fænomen 'spooky action at a distance' eksisterer i vores univers.

For ud over at en partikel kan være flere steder på én gang, dækker Einsteins 'spooky action at a distance' også over et mindst lige så fantastisk fænomen, der hedder 'sammenfiltring': At man i kvantemekanikkens verden kan få to eller flere partikler til at hænge sammen. Det betyder, at hvis man ændrer på den ene partikel, vil det straks påvirke den anden partikel. Og det ligegyldigt om partiklerne er to helt forskellige steder i universet, forklarer Anders Sørensen.

Det kunne Einstein absolut heller ikke acceptere. Han mente, at det måtte være en fejl i kvantemekanikken. Einstein og Bohr diskuterede det i vildskab, vurderer Anders Sørensen, men de nåede aldrig en konklusion.

Konklusionen kom først, efter de begge var døde. Det startede med en teoretisk diskussion i 60'erne og blev endeligt målt eksperimentielt i 80'erne i de såkaldte Bell test-eksperimenter. Bell test-eksperimenterne gik ud på at modbevise Einsteins påstand om, at hvad partikler gør på Månen, kun har en konsekvens for dem selv – ikke for andre partikler på for eksempel Jorden.

»Idéen med Bell test-eksperimenterne er, at hvis partikler på Månen skulle være uafhængige af partikler på Jorden, vil der matematisk være grænser for, hvor mange forskellige måder partiklerne kan hænge sammen på. Men dem kan man bryde i kvantemekanikken, og altså må antagelsen om, at partiklerne er uafhængige, være forkert.«

Og det var netop, hvad eksperimenterne i 80'erne viste.

Så med hensyn til, hvor 'spooky' vores univers er, må det i dag med det nye forskningsresultat stå 2-0 til Niels Bohr.

Det nye forskningsresultat er udgivet i det videnskabelige tidskrift Nature Communications.