Schrödingers springbræt
Det er tyndt. Det er både her og der samtidig, ligesom Schrödingers kat var både død og levende. Men katten er teori. Springbrættet er virkelighed.

Figuren illustrerer Erwin Schrödingers tankeeksperiment med katten i et aflukket rum. (Grafik: Dhatfield)

Forestil dig en kat i en kasse. Inde i kassen er der også nogle få atomer af et radioaktivt stof.

Hvis de spaltes og udsender stråling, bliver det registreret af en geiger-tæller. Den udløser en mekanisme, som smadrer en flaske med gift, og katten dør.

Problemet er bare, at ingen kan sige med sikkerhed, om de radioaktive atomer blev spaltet eller ej. Derfor kan heller ingen sige med sikkerhed, om katten er levende eller død.

Og vi kan aldrig være helt sikre. Kvantemekanikken siger nemlig, at atomer og andre små partikler faktisk kan være spaltede og ikke-spaltede samtidig. De kan være i flere tilstande på en gang.

Som fysikeren Erwin Schrödinger påpegede i sit tankeeksperiment fra 1935, betyder det, at katten også kan være både død og levende.

Absurd, men muligt

Det kan selvfølgelig ikke være rigtigt. Eller kan det? Schrödinger brugte i hvert fald eksemplet for at vise, at kvantemekanikken afføder nogle absurde konsekvenser.

Som Einstein skrev i et brev til Schrödinger: De fleste (forskere) kan ikke se, hvilken farlig leg, de leger med virkeligheden – virkeligheden som noget uafhængigt af, hvad der kan påvises gennem eksperimenter.

Som for eksempel døde, levende katte.

Men nu er forskerne i færd med at virkeliggøre denne farlige leg i større målestok. Ganske vist ikke med katte, men med små springbræt og trampoliner.

Erwin Schrödinger, kort tid før han lancerede tankeeksperimentet med katten.

Og det er ikke bare teoretisk akrobatik. Kvantemekanik bliver allerede brugt i blandt andet elektronmikroskoper og USB-nøgler. Men her er det kun på atomniveau.

Med Schrödingers springbræt kan teknologien sætte sig nye mål. Men vil vi nogensinde kunne gøre som Bob Wilton i den sidste scene i filmen The Men Who Stare At Goats: at gå igennem væggen?

Elektroner og andre små partikler kan nemlig udføre dette lille kunststykke. De kan gå igennem en barriere, som de egentlig har for lidt energi til at overvinde. Det kaldes kvantemekanisk tunnelering.

Elektronen kan ligesom Schrödingers kat være i flere tilstande på en gang. Men for elektronerne betyder det ikke, at de både er døde og levende.

Det betyder, at de kan være flere steder samtidig. For eksempel på begge sider af en barriere.

Springbrættet fra Californien

Den 4. august 2009 lavede Aaron O'Connell og hans kolleger fra University of California den første større mekanisme, som kan være flere steder på en gang.

Den lignede et lillebitte springbræt, som kun lige kan ses med det blotte øje. Forskerne nedkølede dette lille springbræt næsten helt ned til det absolutte nulpunkt. Her burde al bevægelse ophøre.

Men springbrættet dirrede alligevel. Hvorfor? Den var i to tilstande samtidig, men da O'Connell observerede den, kunne han kun se én af tilstandene ad gangen, i tilfældig rækkefølge. Det så derfor ud som om, springbrættet dirrede.

Dette gennembrud blev publiceret i tidsskriftet Nature i foråret 2010 og blev af tidsskriftet Science kåret til årets videnskabelige gennembrud.

Verdens første kvantemaskine, lavet i 2009 som en del af en ph.d.-afhandling af Aaron O´Connell ved University of California, Santa Barbara. (Foto: Aaron O'Connell fra ph.d.-afhandlingen 'A Macroscopic Mechanical Resonator Operated in the Quantum Limit', Fig. 3.2a.)

O'Connells springbræt var i to tilstande på en gang, men det passerede ikke gennem en barriere. Nu har finske forskere planlagt et eksperiment, som skal få en større genstand til at opnå kvantemekanisk tunnelering.

Mika Sillanpää og hans kolleger fra Aalto-universitetet foreslår at spænde en lille trampolin ud over en metalplade. Eksperimentet blev beskrevet i tidsskriftet Physical Review i november.

Trampolinen skal fremstilles af stoffet grafen. Det består af karbonatomer i et hønsenet-lignende mønster, og det er både superstærkt og strømledende.

Trampolinen skal kunne bule på to forskellige måder. Men de mekaniske og elektriske kræfter skal forhindre, at den går fra den ene form til den anden. Heri består barrieren.

Herefter vil forskerne nedkøle trampolinen, helt som i eksperimentet med springbrættet. Hvis de kan se, at trampolinen ændrer form, skyldes det kvantemekanisk tunnelering.

Silanpää mener, at eksperimentet kan tage flere år at gennemføre. Problemet er at få temperaturen langt nok ned, lyder det i en artikel på ScienceNow.

Én kat med flere tolkninger

Men hvis Schrödingers absurde tankeeksperiment rent faktisk kan blive virkelighed for små trampoliner og springbrætter, hvorfor så ikke også for en kat.

Jo større genstanden er, desto mere sandsynligt er det, at den bliver påvirket af omgivelserne, så den mister sin dobbelte status og bliver helt almindeligt entydig.

Det er blandt andet derfor, at forskerne skal nedkøle trampolinerne og springbrætterne næsten helt ned til det absolutte nulpunkt: Det skal forhindre, at energien fra den omkringliggende varme påvirker dem.

Et flade af grafen - et atom tykt, men relativt stort i udstrækning - hænges ud over en elektrisk ladet metalplade. Grafenfladens to mulige kvantetilstande er vist øverst og nederst. (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no, basert på Peter Linjeroth)

Det er nærmest umuligt at holde noget så stort som en kat, for slet ikke at tale om et menneske, i perfekt isolation fra omgivelserne. Men kun nærmest.

Følger vi denne tankerække, vil det også være et problem, at vi ikke kan observere noget, som er isoleret fra os. Vi kan ikke observere uden at påvirke. Det er ikke muligt blot at se og ikke røre.

Vores måleinstrumenter kan ikke se, hvad der sker med katten uden at belyse den og tage billeder af de lyspartikler, som pelsen udsender.

Ligesom det radioaktive stof i kattekassen holder op med at være flertydigt, når det enten udveksler energi med geigertælleren eller ej – og katten dør eller lever videre.

Det er også derfor, at da O'Connell så springbrættet, faldt det ud af flertydigheden og ned til en af de to mulige tilstande. Det var det, der så ud som vibration.

Er der flere virkeligheder?

»Dette er den ældste tolkning af, hvad der sker, når vi observerer et kvantemekanisk system,« siger Bjørn Samset. Han har blandt andet arbejdet med partikelfysik ved CERN.

»Men der sker mange spændende ting med forståelsen af kvantemekanikken for tiden. Flere forskere forsøger at videreføre tolkningen.«

»Måleinstrumenterne bliver bedre, og der begynder at dukke små hints op om, hvordan blandt andet lys kan være i flere tilstande på en gang,« siger han.

Der er også andre mere filosofiske tolkninger af, hvad der sker. En af dem går ud på, at virkeligheden deler sig. Både katte og os, der kigger på, er til stede i begge de parallelle universer.

En tolkning af Schrödingers tankeeksperiment er, at katten både er død og levende, men i parallelle virkeligheder. (Figur: Dc987)

I det ene univers ser vi, at katten er død. I det andet ser vi, at katten lever. Denne tolkning kaldes mange-verdener tolkningen og blev lanceret af den amerikanske fysiker Hugh Everett i 1957.

»Fysikere har forsøgt at regne ud, hvor mange af disse parallelle verdener, vi ville ende med. Tallet er helt vanvittigt, men ideen er ikke mere skør end så mange andre tolkninger,« siger Samset.

»Tidligere lå det i tankegangen, at vi ikke kunne forstå kvantemekanikken uden disse filosofiske tolkninger. Nu har fysikerne en stærkere vilje og selvtillid til at forstå den ud fra fysikkens egne begreber,« siger Samset.

Vi er flertydige

En anden filosofisk tolkning forkaster ideen om den objektive entydige observation. Den, der observerer, er også et kvantemekanisk system med de samme indbyggede flertydigheder som katten i Schrödingers kasse.

Det betyder, at det, vi observerer, er afhængigt af, hvilken tilstand, vi selv er i. Det afhænger igen af, hvordan vi udveksler energi og dermed information med omgivelserne.

»Det grundlæggende spørgsmål bag disse tanker er: Hvad er en måling?« siger Samset.

»Måler jeg ud fra mig selv, når jeg måler verden? Kræver det en bevidsthed at foretage en måling? Disse spørgsmål har ikke noget med fysik at gøre. Vi afgrænser os ud fra forudsætningen om, at der findes en verden derude, som er afhængig af os,« understreget Samset.

Men vil mennesker så nogensinde kunne kvantetunneleres gennem vægge?

Sandsynligheden for, at du kommer til at opleve det, er så lille, at du nok måtte vente til universets undergang og stadig ville ende med at blive skuffet, siger Bjørn Samset.

© forskning.no. Oversat af Magnus Brandt Tingstrøm