Hvordan formidler vi kvantefysik, vi ikke kan se?
Kvantemekanikken er svær at forstå, men den er samtidig også enormt fascinerende og teknologisk potent. Derfor er det vigtigt at udvikle og forny den måde, vi formidler kvantefysik på - og ikke mindst undgå at mystificere det, der er vanskeligt at forstå.
wulfmorgenthaler kvanter kvantefysik mekanik humor tegneserie kø superpositionstilstand

Når man skal formidle kvantemekanik, kan man for eksempel bruge humor og genkendelighed, skriver Ulrich Busk Hoff. (Illustration: Wulffmorgenthaler)

»Hvad jeg forsker i? Jo altså, jeg forsøger at bruge den kvantemekaniske støj i laserlys til at få et objekt til at være to steder på samme tid… « 

Historien kort
  • Kvanteteknologier er under hastig udvikling, men fysikken bag er kompliceret og næsten uforståelig, hvis man ikke selv er fysiker.
  • Det er nødvendigt, at naturvidenskabelige forskere prioriterer at kommunikere deres viden ud i et sprog, så almindelige mennesker også kan forstå, hvad eksempelvis kvantefysik, genom og sorte huller er. 
  • Kvantemekanikkens fænomener kan ikke forklares med billeder, men måske humor og hverdagsanalogier kan hjælpe med at gøre dem genkendelige?

Længere når jeg sjældent, når familie og venner spørger ind til mit arbejde. Så begynder deres øjne at flakke fra side til side, mens hjernen blusser op i et festfyrværkeri af neuronimpulser i et febrilsk forsøg på at skabe mening ud af det, ørerne hørte.

For at komme videre med samtalen har jeg haft den dårlige vane at sige noget i stil med, at »kvantemekanik også er noget lidt mystisk og verdensfjernt noget at beskæftige sig med.«

Men det er jo ikke sandt!

Kvantemekanikken er overalt, og den er i hastigt tempo ved at finde vej ind i vores højteknologiske informationssamfund.

Og er det ikke næsten en falliterklæring som fysiker at beskrive sit arbejde som mystisk, når forskningens fornemmeste opgave netop er at udvikle vores samfund ved at gøre det uforståelige forståeligt, så vi styrer uden om uoplyste dogmatiske verdensbilleder?

Dårligt ordvalg gør kvantefysikken fjern

Det er vigtigt, at vi som forskere tager formidlingsansvaret alvorligt og husker på, at faglig ekspertise ikke automatisk gør os til gode kommunikatorer.

Det viser det indledende eksempel med al ønskelig tydelighed: ordet kvantemekanik associeres af mange med noget nærmest utilnærmeligt, så allerede her er der risiko for at distancere modtageren.

Derefter kombineres begrebet ’støj’ med lys, i modstrid med den gængse opfattelse af støj som et lydfænomen, og endelig afbrydes forbindelsen til modtageren endegyldigt ved nonchalant indirekte at inddrage et af kvantemekanikkens mest bemærkelsesværdige og omdiskuterede fænomener, nemlig superpositionsprincippet. 

Alt i alt en håbløs formidlingsindsats, der er dømt til at mislykkes. 

I Podcasten 'Kan du forstå kvantefysik?' kan du høre Ulrik Busk Hoff fortælle meget mere om, hvordan man gør kvantefysik letforståeligt og interessant for læsere, som ikke kender noget til emnet i forvejen. 

I stedet for at tydeliggøre, at jeg prøver at forstå og kontrollere kvantefysikkens fænomener, så de måske kan vendes til en ressource for samfundet, og dermed forhåbentlig pirre modtagerens nysgerrighed, så har jeg snarere efterladt det indtryk, at mit arbejde er ren sci-fi og uden relation til den virkelige verden. Et indtryk, der blot cementeres af den undvigende bemærkning om, at kvantemekanik er mystisk.

Desværre er jeg ikke ene om at fejle kommunikationsopgaven, og alt for ofte fejes de vanskelige, men virkelig interessante, aspekter ind under gulvtæppet med ordvalg som ’mystisk’, ’paradoksalt’ og ’ikke-intuitivt’, der direkte strider imod videnskabens ånd.

Kritikken kan kun rettes indad

Kvantefysikken står desværre ikke alene med kommunikationsproblemet. Naturvidenskaben har generelt et problem med at få sit budskab og fundamentale samfundsrelevans til at brænde igennem i den brede offentlighed og på politisk niveau.  

Som oftest er problemet, at der ikke investeres nok tid og omtanke i at udvælge og forarbejde materialet, så det præsenteres på målgruppens præmisser. 

Vi er alt for bundet af den stringente logiske argumentation, der afkræves fagfolk imellem, og tillader ikke os selv at skære de hjørner af, der ikke er nødvendige for at formidle det centrale budskab. 

korrelation entanglement fysik kvanter kvantefysik mekanik formidling fysik videnskab

Kvantemekanikken rummer korrelationer, der er langt stærkere end dem, der kan forklares af den klassiske fysik. Se faktaboks om korrelationer og entanglement (Illustration: Ulrich Busk Hoff).

Forstå korrelationer og entanglement 

Hvis to personer, Alice og Bob, udfører det samme eksperiment, og den enes resultater kan forudsiges ud fra viden om den andens, så er de to eksperimenter korrelerede.

I enhver klassisk fysisk teori findes kun lokale korrelationer mellem to begivenheder, og de kan forklares ud fra blot to årsager (a): direkte påvirkning fra den ene til den anden eller (b) fælles lokale påvirkninger. 

Kvantemekanikken, derimod, rummer også ikke-lokale korrelationer. Alice og Bob kan være i hver deres ende af universet (c) – så langt fra hinanden at lys end ikke kan nå fra den ene til den anden, mellem deres identiske målinger bliver foretaget – og deres resultater vil stadig være korrelerede. 

Sådanne korrelationer mellem to fysiske systemer kaldes 'entanglement' og kan ikke beskrives af nogen klassisk fysisk teori.

Hvor gerne vi end vil redegøre for vores arbejde ned til mindste detalje, tjener det ikke noget formål at udsætte sit publikum for et regulært tæppebombardement af information.

Helt galt er det, hvis der ikke er enighed om begrebernes betydning eller hvis fagsprog benyttes uden omtanke. Tag bare det indledningsvise eksempel.

Vi kan desværre ikke rette kritikken mange andre steder end indad. Vi må selv tage ansvar for at videregive den fascination og nysgerrighed for naturen, som driver vores arbejde, og understrege vigtigheden af den systematik og kompromisløse stræben efter fakta, som kendetegner naturvidenskaben, og som har drevet vores samfund fremad gennem århundreder. 

Den viden, vi genererer, skal aktiveres og oplyse samfundet som helhed.

At være 'her' og 'der' - samtidigt

Kvantemekanikken er uden sammenligning fysikkens bedste og mest succesfulde model for, hvordan naturen opfører sig på såkaldt atomart niveau.

I kraft af den har vi opnået så forfinede teknikker til at kontrollere og manipulere for eksempel atomer og fotoner og deres indbyrdes vekselvirkning, at det nu danner grundlag for udviklingen af en helt ny generation af teknologier baseret på kvantefysik. Det gælder for eksempel kvantecomputere, kvantekryptografi og kvantesensorer. 

I forskningslaboratorierne kan vi på daglig basis bekræfte, at den mikroskopiske verden grundlæggende er baseret på tilfældigheder, og at kvantepartiklers egenskaber først fastlægges, i det øjeblik de måles.

Vi kan frembringe ’entanglede’, det vil sige sammenfiltrede, partikler, der er så tæt korrelerede, at det ikke giver mening at tale om dem hver for sig, på trods af at de er adskilt af store afstande.

Og vi kan måle, at fysiske partikler vitterligt kan befinde sig i en superposition af samtidig at være ’her’ og ’der’. 

Kvantefysik kan ikke vises i billeder

Desværre har vores evne til at formidle kvantefysikken ikke udviklet sig i samme takt. Selv efter en tilvænningsperiode på over 100 år, så strider kvantemekanikkens fænomener stadig imod den intuition for naturen, som vi opbygger gennem hverdagens erfaringer.

Vi konfronteres ikke med ’entanglement’ i det daglige, fordi fænomenet (så vidt vides) kun forekommer på en skala, der er langt mindre, end den vi lever vores liv på, og derfor er det ikke i almindelighed en integreret del af vores verdensbillede og vores sproglige begreber.

End ikke i laboratorierne lader det sig gøre at zoome så meget ind på den mikroskopiske verden, at vi kan tage et snapshot af ’entanglement’. Kun gennem kvantemekanikkens abstrakte matematiske formalisme lader fænomenet sig beskrive.

kvanter Bells ulighed matematik fysik kvantemekanik fænomen lokalitet

'Entanglement' er et af de mere besynderlige fænomener i fysikken. Med de eksperimentelle opstillinger i QuantumLab er det muligt at bryde Bells ulighed og dermed bekræfte, at der er ikke-lokale korrelationer mellem entanglede fotoner, som ikke lader sig beskrive af nogen klassisk fysisk teori. (Foto: Ulrich Busk Hoff)

Som kvantefysiker misunder jeg ofte astronomerne deres fantastiske billedmateriale og mulighed for at illustrere deres forskning. Astrofysikken lader sig naturligvis ikke beskrive blot med et par billeder, men det gør det nemmere som nysgerrig ikke-ekspert at relatere til videnskaben, når man kan knytte det til noget visuelt.

Mest af alt misunder jeg dog astronomerne de stjerneklare nætter.

Mon ikke alle i en eller anden grad bliver nysgerrige på universet og mærker et lille sug i maven over dets uendelighed, når de en mørk aften kaster et blik på himlen? 

Det splitsekund af nærhed og den fysiske reaktion på naturen er det utrolig svært at stimulere omkring den usynlige kvanteverden.

Teori skal tættere på hverdagen

Vores forståelse af kvanteverdenen skyldes årtiers omfattende eksperimentelle tests af kvantemekanikkens forudsigelser.

Hvis vi som forskere opbygger vores forståelse gennem samspillet mellem teori og eksperimenter, er det måske på samme måde, vi skal overvinde formidlingsbarrieren, og bringe kvantemekanikken tættere på hverdagen?

QuantumLab

Formidlingsprojektet QuantumLab er støttet af Lundbeckfonden, Otto Mønsteds Fond, Marie & M. B. Richters Fond samt DTU Fysik.

Med udgangspunkt i den ide, har vi på DTU Fysik for nylig etableret formidlingsplatformen QuantumLab, hvor alle har mulighed for på egen hånd at eksperimentere med nogle af kvantefysikkens milepæle.

En af dem er ’Bells ulighed’: 

Kan entanglement på nogen måde beskrives med den sædvanlige fysiks love og principper, eller er vi nødt til at acceptere kvantemekanikken?

Det spørgsmål formåede fysikeren John S. Bell i 1964 at formulere matematisk i form af en ulighed, og gjorde det derved muligt at finde svaret eksperimentelt.

  • Bells ulighed giver en grænse for, hvor tæt korrelerede to partikler kan være i en hvilken som helst klassisk fysisk teori.
  • Måler man en værdi, der er større end det, så er man nødt til at acceptere entanglement som et reelt fysisk fænomen.

Nok kan vi ikke se kvantefænomenerne med det blotte øje, men vi kan måle på dem og de ’aftryk’, de efterlader, med utrolig følsomme detektorer. De er vores objektive øjne i mørket, og det er på baggrund af målingerne, vi kan opbygge en forståelse og model for den mikroskopiske verden.

Bells ulighed er et bemærkelsesværdigt resultat og et elegant eksempel på, hvordan naturvidenskaben kan revolutionere vores verdensopfattelse og blotlægge en ny ressource for samfundet.

At indse dybden i det resultat, og selv være ansvarlig for at bekræfte det i laboratoriet, er lidt som at se Tycho Brahe over skuldrene, da han så supernovaen Stella Nova og opdagede, at universet ikke er uforanderligt.

Det skaber et øjebliks nærhed med en ukendt del af naturen og giver et bredere perspektiv på omverdenen.

 
kvanter formidling Wulffmorgenthaler tegneserie slips kvantefysik formidling

Det er ingen let sag at gøre den abstrakte kvantefysik genkendelig for lægfolk. (Illustration: Wulffmorgenthaler)

Sure underbukser visualiserer det abstrakte

Forhåbentlig kan praktisk erfaring med kvantemekanikken, og de teknologier der gør det muligt at kontrollere og måle kvantefænomener, hjælpe med at gøre afstanden til kvanteverdenen en lille smule kortere.

Men vi mangler stadig ’billeder’, som vi kan hægte fænomenerne op på og relatere til. Det er en vanskelig opgave, da det netop er en præmis for kvantemekanikken, at den ikke lader sig beskrive med hverdagens begreber. 

Analogier har altid spillet en stor rolle i arbejdet med at forstå det abstrakte, og den tradition vil vi gerne bygge videre på ved gennem humor og satirisk kant at trække den højtsvævende og abstrakte kvantefysik ned på niveau med sure underbukser og dagligdagens mest trivielle almindeligheder.

Derfor har vi allieret os med Anders Morgenthaler.

 »Jeg arbejder altid med at humanisere alt, og gøre det nærværende,« siger Anders Morgenthaler og fortsætter:

»Man skal få en fysisk reaktion på joken. Virkelig mærke smerten af sømmet gennem neglen, lugte lorten eller bare kende det scenarie, joken foregår i, alt for godt.«

Og det er præcis den genkendelighed, vi ønsker at opnå omkring kvantemekanikken, og som er motivationen for hele QuantumLab projektet.

Er smilet den korteste vej til kvantemekanikken?

Som forsker er det fantastisk at se den verden, jeg normalt kun kender fra formler og signaler på oscilloskoper, tænkt ind i situationer, jeg kender til hudløshed fra hverdagen.

Det giver en helt ny mulighed for at formidle vores arbejde, at fænomenerne bliver overført på hverdagen.

ForskerZonen

Denne artikel er en del af ForskerZonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde. Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.

ForskerZonen er støttet af Lundbeckfonden.

Endnu mere fantastisk er det at se folk, der normalt skræmmes en lille smule af ord som ’naturvidenskab’ og ’kvantemekanik’, få sig et godt grin over at genkende deres hverdag i nogle af kvanteverdenens mest abstrakte fænomener.

Det er et virkemiddel Anders Morgenthaler helt bevidst arbejder med:

»Man får utrolig meget foræret ved at tænke joken ind i et scenarie, modtageren kender«, siger han.

Måske en god huskeregel at have i baghovedet, når vi fremover forsøger at sprede vores begejstring og fascination af kvantefysikken og dens muligheder?