Bohr versus Einsten: Spillede Gud terninger?

Når du sparker en bold mod et mål, ved du godt at for at ramme lige i trekanten, så skal du have den helt rigtige fart og retning i bolden.

Er du fysiker, kan du endda bestemme præcis, hvordan bolden skal bevæge sig for at ramme plet ved at bruge en række formler og naturlove.

Engang troede de fleste videnskabsmænd, at det var sådan hele universet var skruet sammen: Hvis bare du kendte alle naturlovene, kunne du forudsige fremtiden.

Men det blev der lavet om på i starten af 1900-tallet med kvanteteorien. Nu blev fremtiden i stedet et spørgsmål om sandsynligheder.

Det var et voldsomt brud med flere hundrede års naturvidenskab, og sammen med relativitetsteorien markerede det et paradigmeskift. Et begreb i videnskabsteorien, der beskriver en videnskabelig revolution, som radikalt ændrer måden at opfatte verden på.

Da verden blev uforudsigelig

Kvantemekanikkens revolution bestod i at forkaste den klassiske mekaniske fysiks verdensbillede.

Ifølge for eksempel Newtons 2. Lov kan vi beregne, hvor en partikel vil bevæge sig hen, hvis vi kender kræfterne, partiklens startposition og hastighed. Partiklens bevægelse er forudsigelig.

Det er den ikke i kvantemekanikken. Her er partiklen alle steder på én gang, og vi kan kun beregne, hvor der er størst sandsynlighed for at finde den. Først i det øjeblik, vi måler på den, får den en bestemt position.

Heisenberg og Schrödinger grundlægger kvantemekanikken

Optakten til kvantemekanikken var den fremspirende moderne fysikvidenskab i overgangen til det 20. århundrede.

Man havde netop opdaget først elektronen og så atomkernen. Bohr havde fremlagt sin atommodel, og Einstein havde startet jordskredet under det mekaniske verdensbillede med sin relativitetsteori - både den specielle og den generelle.

I 1925-1926 blev den moderne kvantemekanik født med Werner Heisenbergs matrixmekanik og Erwin Schrödingers bølgeligning.

I begyndelsen blev de nye teorier udelukkende anset som en gave til fysikken, for pludselig kunne hidtil uløselige puslespil for atomers, molekylers og faste stoffers opførsel lægges.

Bohr gjorden kvanteteorien kontroversiel

Ved at beskrive partikler med matematiske bølger adskilte kvanteteorien sig godt nok fra den gængse fysik, men bølger var ikke et ukendt fysisk begreb, og de meget vidtrækkende konsekvenser af bølgebeskrivelsen stod først klart, da danske Niels Bohr fik fingre i teorien.

»Med Bohrs fortolkninger af kvantemekanikken fik vi et helt nyt virkelighedsbegreb. Indtil da havde vi måske nok frembragt mere og mere avancerede teoretiske beskrivelser af fysikken men ret beset anskuet virkeligheden af fysiske fænomener på samme måde som stenaldermanden. Nu skulle vi pludselig til at forstå, at vi ikke kunne pålægge naturen nogen objektiv virkelighed,« fortæller Klaus Mølmer, professor, ph.d., ved Institut for Fysik og Astronomi, Aarhus Universitet.

Uret viser 11, selv om du ikke kigger

Bohrs fortolkninger, også kendt som 'Københavnerfortolkningen', går ud på, at vi kun kan se verden, når den bliver målt, og altså ikke som naturen er i sig selv.

Klaus Mølmer sammenligner det med at kigge på et ur.

»Du kigger på dit armbåndsur og observerer, at viseren er ud for klokken 11. Selv hvis du ikke havde kigget på uret, så havde viseren jo vist 11. I kvantemekanikken er det faktisk ikke rigtigt. Ifølge den er viseren først ud for kl. 11 i det øjeblik, du kigger på den. Indtil da er den i princippet ikke noget sted eller alle mulige steder på en gang.«

Inden du går helt agurk over det løbske armbåndsur, så skal det lige indskydes, at kvantemekanikken kun gælder på atomniveau.

Einstein og Bohr røg i klinch

Albert Einstein var en af dem, der ikke brød sig om udsigten til, at virkeligheden blev reduceret til sandsynligheder. Det skyldes dog på ingen måde, at Einstein var en forstokket og konservativ videnskabsmand.

»Hans relativitetsteori siger, at to iagttagere ikke altid vil være enige om basale fysiske egenskaber som rækkefølge, varighed og længde af fysiske fænomener, og den var et voldsomt brud med den kendte fysik. Han var også selv med sine radikale idéer om lysets opførsel medvirkende til at skabe kvantemekanikken,« siger Klaus Mølmer, der er i gang med at skrive en populærvidenskabelig bog om kvantemekanikken.

Einstein og Bohr, begge Nobelpristagere og to af tidens mest respekterede og anerkendte fysikere, kom i åben strid. Bag sig havde de hver sin fløj af prominente videnskabsfolk.

Einstein havde blandt andet Schrödinger på sin side, der offentlig proklamerede, at han fortrød at have bidraget til kvantemekanikken, hvis Bohr havde ret. Heisenberg holdt til gengæld med Bohr.

'Gud spiller ikke terninger'

Det er i lyset af den debat, at Einsteins berømte ord faldt. I 1926 skrev han i et brev til den tyske fysiker Max Born:

»Kvantemekanikken trænger sig sandelig på, men en indre stemme siger mig, at den ikke er den endelige sandhed. Teorien er omfattende, men den bringer os ikke nærmere den gamle teoris mysterier. Under alle omstændigheder er jeg overbevist om, at han [Gud, red.] ikke kaster terninger.«

Bohr vandt diskussionen. I dag har man eksperimentelt efterprøvet flere af hans dengang hypotetiske argumenter, og de holder alle vand.

Kvantemekanik markerede et paradigmeskift

Fordi kvantemekanikken radikalt brød med den klassiske newtonske fysik, er den tykt beskrevet i videnskabsteorien.

»Grundlæggende har mennesket siden tidernes morgen interesseret sig for, hvad er det for en virkelighed, vi lever i. Den rokker kvantemekanikken ved. Kort sagt har den simpelthen ændret vores metafysik ved at konstatere, at der er en immanent usikkerhed i verden,« fortæller Vincent Fella Hendricks, professor i formel filosofi ved Institut for Medier, Erkendelse og Formidling, Københavns Universitet.

Den amerikanske videnskabsteoretiker, -filosof og -historiker, Thomas Kuhn (1922-1996) hævdede, at overgangen skulle ses som et af de største paradigmeskift i videnskabshistorien på linje med overgangen til et verdensbillede med solen i centrum.

Filosoffer er i strid om paradigmebegrebet

Einstein ville givetvis sige, at selv om kvantemekanikken ikke kan give noget præcis svar på, hvor en partikel er på et givent tidspunkt, så ved Vor Herre godt, hvor den er.

Klaus Mølmer, professor, ph.d., ved Institut for Fysik og Astronomi, Aarhus Universitet

Kuhn havde fremsat teorien om paradigmeskift i bogen 'Videnskabelige revolutioners struktur' fra 1962. Ifølge den udvikler videnskaben sig i revolutioner, når det gamle verdensbillede viser sig at have for mange paradokser eller anomalier i mod sig.

Et af Kuhns krav til et paradigmeskift er, at den gamle og nye teori skal være inkommensurable eller usammenlignelige.

Men den klassiske fysik og kvantemekanikken er ikke usammenlignelig. Bohr mente for eksempel, at den klassiske fysiks grundprincipper skulle forstås ud fra forståelsen af kvantefysikken, og han så på den måde den klassiske fysik som en nødvendig del af kvantefysikken.

Derfor er overgangen til kvantefysikken blevet brugt af andre videnskabsteoretikere til at afvise Kuhns krav om inkommensurabilitet mellem paradigmer.

Einsteins arbejde fortsætter

Fysikkens hellige gral i dag er at forene kvantemekanikken og Einsteins generelle relativitetsteori. Lykkes det, ender det måske med, at Einsteins virkelighedsbegreb alligevel sejrer over Bohrs.

»Et af buddene på en kobling er for eksempel gennem strengteori, som beskriver elementarpartiklerne som svingninger på en streng i et højt antal rumlige dimensioner, hvor vi kun kan erkende de tre. Det, vi opfatter som egenskaber uden en selvstændighed virkelighed i tre dimensioner, kunne altså teoretisk godt være projektioner af noget mere virkeligt i en meget mere kompliceret verden« forklarer Klaus Mølmer.

Strengteori ville gøre Einstein glad

Selv om strengteori virker endnu mere krøllet og mystisk end kvantemekanikken, så er Klaus Mølmer overbevist om, at den ville have fået Einstein til at juble.

»Einstein havde ikke noget problem med mærkelige teorier. De måtte gerne være groteske, bare de beviste, at der er et rigtigt fysisk system eller en objektiv dynamik i verden,« siger han og slår fast, at Einstein både anerkendte og brugte kvantemekanikken.

Den gav bare ikke et tilstrækkeligt verdensbillede.

»Einstein ville givetvis sige, at selv om kvantemekanikken ikke kan give noget præcis svar på, hvor en partikel er på et givent tidspunkt, så ved Vor Herre godt, hvor den er.«