Forskere åbner døren til en mystisk kvanteverden
Forskerne har efterhånden vænnet sig til, at partikler opfører sig højst besynderligt i kvantemekanikkens mikroskopiske verden. Nu viser forskning, at der også sker overraskende ting i overgangen mellem den almindelige verden og kvanteverdenen.

Bag døren til kvantefysikkens mystiske verden, har forskere fundet helt ny viden om, hvad der sker i overgangen mellem vores kendte verden og kvantefysikkens. (Foto: Colourbox)

Bag døren til kvantefysikkens mystiske verden, har forskere fundet helt ny viden om, hvad der sker i overgangen mellem vores kendte verden og kvantefysikkens. (Foto: Colourbox)

Mystiske ting foregår, når man zoomer ind på Jordens allermindste bestanddele. For i de mikroskopiske partiklers verden gælder helt andre fysiske love og regler end dem, vi normalt kender – her hersker den såkaldte kvantemekanik.

Det betyder for eksempel, at én partikel kan befinde sig mange steder på samme tid, og selvom det formentlig strider mod al din sunde fornuft, er det efterhånden blevet hverdag for kvantefysikerne.

Men hvad sker der i overgangen mellem kvantemekanikkens mystiske verden og vores almindelige verden?

Det har forskeren Malte Tichy fra Aarhus Universitet været med til at udforske i en ny undersøgelse, som netop er blevet publiceret i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

»Vi er vant til, at tingene opfører sig på en bestemt måde i vores almindelige verden, men alt foregår meget anderledes, når man bevæger sig ned i den mikroskopiske verden.«

»Tidligere troede man, at de to forskellige verdener udgjorde to yderpunkter, og at der ville være en glidende overgang imellem dem. Men vi viser i vores undersøgelse, at det ikke er tilfældet. Der foregår også mærkelige ting i overgangen mellem de to verdener,« siger Malte Tichy, som er postdoc ved Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet.

Der er meget, vi ikke forstår

Den nye undersøgelse har blandt andet overrasket Peter Lodahl, som er professor ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.

»Det er en rigtig interessant opdagelse. Det giver os en ny indsigt i kvantemekanikkens verden, men samtidig viser det os også, at der stadig er meget, som vi ikke forstår,« siger Peter Lodahl, som er leder af en forskningsgruppe inden for kvantefotonik.

Han har ikke været med til at lave den nye undersøgelse, men han forsker inden for samme område.

Partikler er mindre end mikroskopiske

Blandt fysikere er det en kendt sag, at det er meget svært at undersøge, hvad der foregår i kvantemekanikkens verden. De partikler, som befinder sig i kvanteriget, er for det første så små, at de ikke kan ses i et almindeligt mikroskop.

Den helt store udfordring er dog, man kan komme til at påvirke partiklen alene ved at kigge eller måle på den. Påvirkningen kan føre til, at den ikke længere udviser kvanteegenskaber.

»Det kan være meget svært at forstå. I vores klassiske verden kender vi jo ikke til en fodbold, som både befinder sig det ene og det andet sted, og som først i det øjeblik, vi måler på den, beslutter sig for, om den skal ligge oppe ved midterlinjen eller nede i målet. Men sådan er det i den kvantemekaniske verden.«

»Man kan sige, at før vi måler på en partikel, så har den ikke besluttet sig for, hvor den er. Men i det øjeblik vi måler på den kollapser den til én position,« forklarer Peter Lodahl.

Forskerne bruger finurlige tricks

Med andre ord er partiklers kvanteegenskaber altså meget skrøbelige. Alligevel har forskerne efterhånden fundet flere finurlige tricks til at få indblik i kvanteverdenen uden at få den til at kollapse.

I den nye undersøgelse har forskerne for eksempel opstillet et eksperiment med en bestemt type partikler, som hedder fotoner.

Fotoner er den fundamentale bestanddel af lys, og de er et typisk eksempel på partikler, som både kan færdes i den kvantemekaniske verden og vores almindelige verden – kendt som den klassiske verden blandt fysikerne.

Fakta

Kvantemekanik (eller kvantefysik) er en gren af fysikken, som beskæftiger sig med stoffers egenskaber på atomart niveau og mindre – altså hvad der foregår, når man zoomer ind på Jordens mindste bestanddele
.
Den klassiske fysik har rod i den verden, som vi erfarer i dagligdagen, men dette gælder ikke for kvantemekanikken.

Ifølge kvantemekanikken kan alle objekter opføre sig både som partikler og som bølger, der er udstrakt over en del af rummet.

Den danske fysiker og nobelprisvinder Niels Bohr spillede en afgørende rolle i udviklingen af kvantemekanikken.

Kilde: Gyldendals åbne encyklopædi

Som nogle måske husker fra forsøg i fysiktimerne, kan lys – og dermed fotoner – beskrives som bølger, der bevæger sig gennem luften.
I nogle tilfælde opfører lyset sig dog ikke som bølger, men derimod som partikler – frem for at være bølger kan fotonerne altså bevæge sig gennem luften som små golfbolde. 

Læs artiklen: Lys kan både være bølger og partikler – på samme tid

Fotoner ter sig både som bølger og partikler

»Fotoner har det, som hedder partikel-bølge-dualitet. Nogen egenskaber beskriver man bedst som bølger, og nogen beskriver man bedst som partikler.«

»Man kan ikke bare vælge det ene eller det andet, for så får man ikke hele beskrivelsen af fotoner med,« forklarer Peter Lodahl.

Forsimplet sagt opfører en foton sig som en bølge, når den er i kvantemekanikkens verden, mens det er et tegn på, at fotonen befinder sig i den klassiske verden, når den opfører sig som en partikel. 

Netop denne viden har forskerne i den nye undersøgelse udnyttet til at undersøge, hvad der sker i overgangen imellem de to riger.

Eksperimenter med stråledeler

I deres eksperiment har forskerne opstillet en såkaldt stråledeler – et halvgennemsigtigt spejl, som enten reflekterer lyset eller lader lysstrålerne gå igennem (ligesom solstråler ryger igennem en glasrude).

Herefter har de placeret måleapparater på hver sin side af stråledeleren, så de kan få besked om, hvilken af de to exit-muligheder lysfotonerne ’vælger’, når de rammer stråledeleren.

Undersøgelsen viser, at når en enkelt foton sendes ind mod stråledeleren, er der 50 procents sandsynlighed for, at den vil blive reflekteret, og 50 procents sandsynlighed for, at den vil ryge igennem stråledeleren.

Men hvis der i stedet sendes to fotoner ind mod stråledeleren samtidigt - eller næsten samtidigt - så ændrer billedet sig pludseligt.

»Hvis vi sender to fotoner af sted med kort afstand imellem sig, så ser vi pludselig, at sandsynligheden ændrer sig. Jo tættere fotonerne er på hinanden, jo større er sandsynligheden for, at de forlader stråledeleren den samme vej,« siger Malte Tichy.

To tætte partikler holder sammen

Malte Tichy forklarer, at sandsynlighederne ændrer sig, fordi de to fotoner påvirker hinanden.

»Når fotonerne bliver sendt af sted sammen, begynder de at interferere med hinanden, og det betyder, at de opfører sig som bølger. Og når fotonerne opfører sig som bølger, vil de helst holde sammen og forlade stråledeleren den samme vej,« forklarer han.

Jo tættere de to fotoner er på hinanden, når de sendes ind mod stråledeleren, jo større er sandsynligheden altså for, at de vil opføre sig som bølger – et sikkert praj for forskerne om, at fotonerne er i kvantemekanikkens verden.

Golfbolde-partikler bliver til bølger

Tricket i hele eksperimentet er altså, at ved at mindske afstanden mellem to fotoner, kan man få fotonerne til at gå fra at være partikler (golfbolde) til at være bølger – eller med andre ord kan man altså få fotonerne til at bevæge sig fra den klassiske verden til kvantemekanikkens verden.

Alt dette er dog ’børnelærdom’ for kvantefysikere, og eksperimentet har tidligere været efterprøvet af flere andre forskere.

Billedet viser opstillingen af eksperimentet, som blev udført i Pohang i Sydkorea. Den gennemsigtige terning i midten af billedet er en såkaldt stråledeler (beam-splitter). De røde pile viser, at fotoner kommer ind mod stråledeleren fra både højre og venstre. Når en foton rammer stråledeleren, vil den enten blive reflekteret eller ryge igennem stråledeleren. Der er 50 procents sandsynlighed for begge udfald. Men hvis to fotoner rammer samtidigt, så påvirker de hinanden (interfererer). Det betyder, at de helst forlader stråledeleren den samme vej - jo tættere fotonerne er på hinanden, des større er sandsynligheden for, at de forlader stråledeleren sammen. Til forskernes overraskelse viste det sig dog, at når man i stedet sender fire fotoner ind mod stråledeleren, så udviser de ikke længere samme mønster. (Foto: Young-Sik Ra, Pohang University of Science and Technology)

Det nye i forsøget er, at Malte Tichy og hans kollegaer har undersøgt, hvad der sker, når flere end to fotoner sendes ind mod stråledeleren. Og her gjorde de en overraskende opdagelse.

»Umiddelbart skulle man tro, at fotonerne ville opføre sig på samme måde, som når man sender to fotoner ind mod stråledeleren.«

»Hvis det var tilfældet, burde fotonerne opføre sig mest ekstremt og kvantemekanisk, når alle fire fotoner ramte stråledeleren samtidigt. Men vi opdagede, at det ikke var tilfældet,« forklarer Malte Tichy.

Kvantemekanisk forskning fører til ny teknologi

Forskerne varierede afstanden mellem fotonerne fra 0 til 180 micrometer (en micrometer svarer til 0.001 millimeter), og det så ud til, at de fire fotoner opførte sig allermest kvantemekanisk, når afstanden mellem dem var omkring 80 micrometer.

»Det var overraskende læsning for mig. Den intuition, som vi fysikere hidtil har haft, siger os, at jo mere du adskiller fotonerne i et system, jo værre er det for de kvantemekaniske egenskaber.«

»Men nu viser eksperimentet, at sådan fungerer det altså ikke, når der er flere end to fotoner i systemet. Det er langt mere komplekst,« siger Peter Lodahl.

Spørgsmålet er så, hvad man kan bruge den nye indsigt i kvanteriget til.

»I første omgang er der tale om grundforskning, og man kan ikke direkte gå ud og anvende forskningen til at opfinde noget nyt. Men på sigt er forståelsen af kvantemekanikken vigtig for udviklingen af ny teknologi,« siger Malte Tichy.

Ekstremt præcise ure og supercomputere

Viden om kvantemekanik har allerede ført til udviklingen af ekstremt præcise ure og kommunikationssystemer, som ikke kan hackes. Blandt fysikerne er der også store forventninger til, at kvantemekanikken skal føre til udviklingen af en supercomputer, som vil få nutidens computere til blegne fuldstændigt.

»For at kunne lave en superkvantecomputer, er man nødt til at arbejde med store kvantesystemer. Det er et ikke nok at arbejde med en eller to fotoner – der skal man koble 10, 20 eller 30 fotoner med hinanden.«

»Derfor er vi nødt til at forstå den kvantemekaniske vekselvirkning mellem mange fotoner. Det er et område, som er ret uudforsket, men her er den nye undersøgelse med til at give os ny, grundlæggende viden,« siger Peter Lodahl.

En åben dør til en mærkelig verden

Den nye viden har været med til at åbne døren til en endnu en ny og mærkelig verden, tilføjer Malte Tichy.

»Før troede forskerne, at der kun var kvanteverdenen og den klassiske verden, og at overgangen var kedelig og ’in between’. Men nu ser vi, at det ikke er tilfældet.«

»Man kan sige, at der findes en mellemliggende verden, som opfører sig mærkeligt, og som kun dukker op, når man har mange partikler,« siger Malte Tichy.

Udover Malte Tichy fra Aarhus Universitet har koreanske og tyske forskere været med til at lave den nye undersøgelse af overgangsriget, som befinder sig mellem den klassiske verden kvantemekanikkens lilleputrige.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab, klima og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.