Store opdagelser: Den mageløse kvantemekanik
Fra et historisk synspunkt giver det mening at skelne mellem 'kvanteteori' og 'kvantemekanik'. Mens den gamle kvanteteori, der var baseret på især Bohrs atomteori, optræder som en parentes i videnskabshistorien, var kvantemekanikken fra 1920erne kommet for at blive.

Ved Solvaykongressen in Bruxelles 1927 samledes en kreds af prominente fysikere for at diskutere kvantemekanikken og dens forhold til den fysiske erkendelse. Blandt kvantefysikerne var ledende skikkelser som Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg og Paul Dirac, men det var Albert Einstein og Niels Bohr der dominerede diskussionen om kvantemekanikkens fysiske fortolkning og filosofiske konsekvenser. (Solvaykongressen. Foto: Benjamin S. Couprie)

Ved Solvaykongressen in Bruxelles 1927 samledes en kreds af prominente fysikere for at diskutere kvantemekanikken og dens forhold til den fysiske erkendelse. Blandt kvantefysikerne var ledende skikkelser som Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg og Paul Dirac, men det var Albert Einstein og Niels Bohr der dominerede diskussionen om kvantemekanikkens fysiske fortolkning og filosofiske konsekvenser. (Solvaykongressen. Foto: Benjamin S. Couprie)
Bringes i samarbejde med 50 opdagelser - Højdepunkter i naturvidenskaben

I denne bog gives der en fremstilling af 50 markante gennembrud i naturvidenskaberne, der alle har været med til at skabe det moderne ver

 

Ikke blot er kvantemekanikken i dag fuldt accepteret som en absolut grundlæggende teori om stof og stråling – ja, i princippet om alting – den fremstår også som endnu stærkere og mere mageløs, end den oprindeligt gjorde.

For at illustrere, hvor hysterisk præcis en teori kvantemekanikken er, så forudsiger den om en vis egenskab for elektronen (dens magnetiske moment), at denne skal have værdien

1,001 159 652 46 ± 0,000 000 000 20 μB,

hvor symbolet μB betegner enheden for magnetisk moment, kaldet en Bohr-magneton. Eksperimenter for samme størrelse fortæller os, at talværdien i samme enhed er

1,001 159 652 21 ± 0,000 000 000 03 μB.

Kvanteverdenen er sær

Der er altså tale om en fantastisk præcis forudsigelse af en fysisk egenskab, hvilket forståeligt nok imponerer fysikerne.

De må så affinde sig med, at den selvsamme kvantemekanik også har konsekvenser, som i en filosofisk forstand er mildest talt overraskende, og som det i nogle tilfælde kan være svært at tage helt alvorligt. Kvanteverdenen er sær.

Det hele startede i sommeren 1925, da den 23-årige Werner Karl Heisenberg (1901-1976) i Zeitschrift für Physik fremkom med en ny fortolkning af den eksisterende kvanteteori som undgik de begrebsmæssige problemer, der i nogen tid havde plaget teorien.

Den nye kvantemekanik var abstrakt 

Hans udgangspunkt var metodologisk, nemlig at en grundlæggende fysisk teori ikke måtte operere med størrelser, som ikke kunne observeres eller i princippet kunne måles.

Af denne grund afviste han de elektronbaner, der karakteriserede Bohrs atomteori, og erstattede dem med størrelser, der henviste til frekvenser for kvanteovergange i atomet.

Nu var Heisenbergs kvantemekanik et radikalt brud med Bohrs ældre kvanteteori, men i alt væsentligt var den dybt inspireret af denne og især af det korrespondensprincip, Bohr havde indført og som udtrykker en formel forbindelse mellem kvanteteorien og den klassiske fysik.

Fakta

 

Denne artikel stammer fra bogen '50 opdagelser - Højdepunkter i naturvidenskaben'. Bogen bringes i samarbejde med Aarhus Universitetsforlag. Køb bogen her

 

Mens den nye kvantemekanik skrottede Bohrs stationære baner, så beholdt den ideen om stationære energitilstande i atomet. Resultatet blev en abstrakt og symbolsk teori, Heisenberg i starten knap nok selv forstod den fysiske mening af.

Ikke desto mindre så han og hans kolleger alligevel teorien som et revolutionært nybrud. Det gjaldt bare om at finde ud af en lille detalje: Hvad gik revolutionen egentlig ud på?

Den kunne ikke engang bruges til at beregne et brintatom

Heisenbergs matematisk abstrakte teori blev hurtigt videreudviklet af ham selv og andre fysikere, herunder hans lærer Max Born (1882-1970) fra Göttingen og den ligeledes 23-årige engelske fysiker Paul Dirac (1902-1984) fra Cambridge University.

Resultatet af den hektiske aktivitet var, at der allerede ved slutningen af 1925 fandtes en næsten færdig teori for kvanteverdenens fænomener. Teorien var konsistent og interessant, men resulterede ikke umiddelbart i ny viden, der kunne testes eksperimentelt.

Den kunne ikke engang bruges til at beregne det simple brintatom, som Bohr havde forklaret i 1913.

Bølgemekanikken var mere gennemskuelig

Det forhold ændrede de ihærdige videnskabsmænd dog snart, ikke mindst efter at den østrigske fysiker Erwin Schrödinger (1887-1961) i foråret 1926 i en række artikler i Annalen der Physik udviklede sin egen version af kvantemekanikken – bølgemekanikken.

Schrödingers teori var i fysisk henseende mere gennemskuelig, og matematisk byggede den på teknikker, der var kendte fra den klassiske fysik.

Ifølge Schrödinger kunne atomet beskrives ved en bølgefunktion (der normalt betegnes med det græske bogstav ψ, som udtales 'psi'), der følger en bestemt ligning.

Kvantemekanikken handler om sandsynligheder

Når denne 'Schrödingerligning' løses, svarer løsningerne til fysisk målelige størrelser, for eksempel energien af et brintatom. Den fysiske mening af ψ-funktionen var i nogen tid uklar.

Schrödinger selv håbede at kunne forstå materielle partikler som bestående af ψ-bølger og dermed ultimativt at reducere alt stof til bølger.

Men han blev nødt til at opgive tanken, og senest i 1927 stod det klart, at ψ-funktionen refererer til sandsynligheden for, at en hændelse indtræder eller at et fysisk system er i en bestemt tilstand.

Bølgefunktionen for brintatomet i forskellige kvantetilstande, sådan som beregnet ud fra Schrödingerligningen.

Som ikke mindst Born påpegede, så er det netop et karakteristisk træk ved kvantemekanikken, at den grundlæggende er af statistisk karakter. Den handler om sandsynligheder, ikke visheder.

 

Samme teori udformet i to forskellige sprog

Schrödinger opfattede oprindeligt sin bølgemekanik som et alternativ til Heisenbergs kvantemekanik, hvis mangel på anskuelighed han fandt direkte 'frastødende', som han skrev i en af sine artikler fra 1926.

Efter en periode med nogen forvirring og rivalisering mellem de to versioner af kvantemekanikken indså fysikerne, at der ikke var tale om to forskellige teorier, men om den samme teori udformet i to forskellige sprog.

Et resultat opnået fra Heisenbergs teori kunne oversættes til det samme resultat i Schrödingers teori, og omvendt. Denne matematiske ækvivalens blev blandt andet vist af Schrödinger selv.

 

Kvantekemien lykkedes det samme år

Den nye kvantemekanik udviklede sig forbløffende hurtigt og blev tilsvarende hurtigt bekræftet eksperimentelt.

I 1927 påviste den amerikanske fysiker Clinton Davisson (1881-1958), at elektronstråler netop viser de bølgeegenskaber, som kvantemekanikken foreskriver, men som er umulige efter den klassiske fysik.

Samme år lykkedes det for første gang at forklare den kemiske binding, der holder atomer sammen i molekyler, hvilket markerede starten på en helt ny og frugtbar forskningsgren, kvantekemien.

 

Solens udstråling af energi kunne beregnes

Mens molekylers struktur hidtil havde unddraget sig fysisk forståelse, kunne de nu forstås ud fra komplicerede kvantemekaniske beregninger.

På den tid var atomkernen dårligt forstået, den var nærmest et atomfysisk terra incognita, men allerede året efter, i 1928, var kvantemekanikken i stand til at give en forklaring på, hvordan alfapartikler udsendes fra radioaktive atomkerner.

Endnu mere imponerende var det, da den tysk-amerikanske fysiker Hans Bethe (1906-2005) i 1939 var i stand til at give en detaljeret forklaring på Solens udstråling af energi ud fra kvantemekanikkens principper.

I Solens indre, hvor temperaturen er omkring 20 millioner grader, vil brintkerner slutte sig sammen til heliumkerner under udvikling af energi. Ved beregning af de komplicerede kerneprocesser fandt Bethe en strålingsenergi, der passede fint med den målte energi fra Solen.

 

Heisenberg udledte ubestemthedsrelationer

Bohr og Einstein udveksler dybe tanker om kvanteverdenens mysterier i 1925. (Foto: Bohr og Einstein. Niels Bohr Arkivet, København)

Kvantemekanikken gik altså fra succes til succes, når det gjaldt om at forklare og forudsige fænomener, uanset om de fandt sted i naturen eller i laboratoriet. Fortolkningen af teorien voldte derimod større problemer. Hvad var det egentlig, man havde gang i?

De fortolkningsmæssige problemer blev flittigt diskuteret af fysikerne i tiden omkring 1930, mens de uforberedte filosoffer holdt sig på sidelinjen.

Et centralt element i denne diskussion var de såkaldte ubestemthedsrelationer, som Heisenberg i 1927 udledte fra de kvantemekaniske ligninger og som Bohr samme år udbyggede til det mere omfattende og mere filosofiske komplementaritetsprincip.

 

Sådan er betingelserne for at erkende verden

Ifølge Heisenberg og Bohr kan man ikke fastlægge en partikels bevægelsestilstand med vilkårlig nøjagtighed, men kun med en vis usikkerhed eller ubestemthed, der aldrig kan blive nul. Det følger heraf, at en eksakt forudsigelse af partiklens videre færd i rum og tid også er umulig.

Mens den klassiske newtonske fysik var deterministisk, er kvantemekanikken indeterministisk. Og mens hændelser i klassisk fysik altid har en årsag (uanset om vi kender den eller ej), så kan ting foregå i kvanteverdenen uden nogen årsag.

De sker bare, uden vi præcist kan sige hvordan, hvorfor og hvornår. Når vi ikke kan have viden herom, er det ikke, fordi vi ikke er kloge nok, eller fordi teorien ikke er god nok.

Ifølge den såkaldte københavnerskole skyldes det, at sådan er verden og vores betingelser for at erkende den.

 

Vi må ikke 'forstyrre' objekter

Kvantemekanikken er altså såvel indeterministisk som akausal. For Bohr og Heisenberg, og de fysikere der fulgte dem, var manglen på determinisme og kausalitet en integreret og nødvendig del af naturbeskrivelsen.

Så længe kvantemekanikken gav forudsigelser i nøje overensstemmelse med eksperimentel viden, så de ingen grund til at forlade denne fortolkning.

Mere generelt argumenterede Bohr og Heisenberg, at kvantemekanikken ikke er en teori om naturen, som den er i virkeligheden eller i sig selv, men en teori om, hvad vi kan vide og sige om naturen.

Når vi iagttager eller måler et objekt, må vi nødvendigvis vekselvirke med det – 'forstyrre' det, og det er kun den slags 'forstyrrede objekter', fysikken kan udtale sig om.

 

Einstein ville påsvise at ubestemthedsprincippet kunne omgåes

En forelæsning i kvantemekanik.

Men hvad mente Einstein? Einstein argumenterede for, at verden eksisterer uafhængigt af, om den bliver observeret i form af målinger eller ej, og denne verden – og ikke kun den 'forstyrrede verden' – må kunne beskrives entydigt af fysikken.

Fysikernes job var derfor at udtale sig om den objektive virkelighed, og hvis kvantemekanikken ikke kunne leve op til dette krav, ja, så kunne den ikke være den endelige og fuldstændige teori, Bohr og Heisenberg hævdede, at den var.

Einstein søgte ved snedige tankeeksperimenter at påvise, at det var muligt at omgå Heisenbergs ubestemthedsprincip, men uden succes. Hans modstand mod kvantemekanikken, eller rettere mod københavnerfortolkningen af den, var i vid udstrækning intuitiv og filosofisk baseret.

 

Kvantemekanikken er imponerende

Så tidligt som 1926 udtrykte han i et brev til Max Born sin mistro til påstanden om, at mikroverdenen kun kan beskrives i en statistisk forstand.

»Kvantemekanikken er meget imponerende«, skrev han, »men den bringer os næppe nærmere til den Gamles hemmeligheder, … jeg er overbevist om, at Han ikke spiller med terninger.«

Einstein troede ikke på, at den fysiske virkelighed var baseret på sandsynligheder og tilfældigheder, hans opfattelse var langt mere deterministisk.

 

Kvantemekanikken har dog sine begrænsninger

Den her skitserede diskussion fik ikke noget utvetydigt svar i mellemkrigstiden, og selv om den er fortsat til og med i dag, så er der stadig intet klart svar. For det store flertal af fysikere, dengang som nu, var dette dog uden videre betydning.

For dem var det afgørende, at kvantemekanikken kunne virke som et fortræffeligt værktøj i fysiske beregninger og eksperimenter. Og det kunne den, og det kan den stadig, og mere fortræffeligt end nogensinde.

På trods af kvantemekanikkens dybde og fortræffeligheder har den dog sine begrænsninger. Den har intet at sige om de gravitationsfænomener, der til gengæld beskrives så præcist af Einsteins generelle relativitetsteori.

 

Strengteori er det bedste bud

I mere end et halvt århundrede har fysikere arbejdet ihærdigt på at forene de to grundlæggende teorier, men uden at have fundet en tilfredsstillende foreningsteori.

I dag er det bedste bud på en 'kvantegravitationsteori' nok den såkaldte strengteori eller teori for superstrenge, der imidlertid mere har karakter af matematik end fysik.

Skulle det en dag lykkes at udvikle strengteorien til en overbevisende fysisk teori, eller på anden måde at finde en god foreningsteori, er det muligt at kvantemekanikkens virkelighedsbegreb må revideres. Ja, det er endda muligt, at Einstein vil blive rehabiliteret.

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

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 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.