100 år med kvantemekanik: En mærkelig idé, der ændrede alt

»Hvad mener du egentlig med det?« blev Niels Bohr ved med at spørge sin kvikke, nysgerrige 23-årige elev.

For hundrede år siden gik den danske fysiker Niels Bohr og hans elev, den tyske fysiker Werner Heisenberg, i timevis gennem Dyrehaven og langs Øresund og forsøgte at forklare atomers mærkelige opførsel, når fysikere studerede dem i laboratorier.

På det tidspunkt troede fysikere, at atomet var som et lille solsystem – en tæt kerne i midten med elektroner i kredsløb om den.

Ved århundredeskiftet havde Max Planck foreslået, at energi findes i små pakker. En matematisk idé, han kom på for at forklare sine eksperimentelle resultater. Albert Einstein udvidede derefter idéen og argumenterede for, at lys i sig selv kommer i pakker eller »kvanter«.

Ved hjælp af dette nye perspektiv brugte Niels Bohr sin intuition til at finde atomets sande indre virkemåde. Han var uenig i, at elektroner er som planeter, der kredser om Solen – de bevæger sig ikke rundt i jævne cirkler.

De forsvinder fra ét niveau og dukker pludselig op på et andet, hvor de afgiver (eller optager) lys. Dengang lød idéen absurd for fysikere, og der fandtes ingen teori til at forklare en sådan adfærd.

Derfor blev Bohr og Heisenberg ved med at diskutere, hvordan man kunne lave en ny teori, der kunne forklare atomernes mærkelige adfærd. Deres lange gåture og intense diskussioner markerede begyndelsen på det, vi nu kalder kvantemekanik – en teori, der i år fylder 100 år.

Kvantemekanikkens tidlige år

Udover kampen for at forklare naturens mystiske opførsel kæmpede Heisenberg også med en intens pollenallergi. Derfor tog han til den afsidesliggende ø Helgoland i Nordsøen, hvor han fandt ro og fokus.

Dér skulle Heisenberg endelig lægge byggestenene til en matematisk teori, der kunne forklare lovene i den mikroskopiske verden: en kvanteteori.

»Jeg har skrevet en skør artikel«, skulle Heisenberg angiveligt have sagt til Max Born, hans vejleder i Göttingen, som var med til at forme Heisenbergs nye idé. Blot et par måneder senere skabte de den første formulering af den nye teori.

Heisenbergs originale idé var at beskrive naturen ved kun at bruge det, man kan se.

Ifølge denne opfattelse følger man ikke, hvor en partikel »virkelig er«, men arbejder i stedet direkte med det, man kan måle i laboratoriet: partiklens energi, lysfrekvenserne, den udsender, eller hvordan den påvirker andre partikler.

Kun fakta, vi kan se, indgår i teorien. Virkeligheden er i denne opfattelse baseret på observationer.

To sider af samme mønt

På omkring samme tid udviklede den østrigske fysiker Erwin Schrödinger en anderledes, men tilsvarende tilgang. Den var baseret på det faktum, at lys opfører sig som en bølge, hvilket giver et mere intuitivt billede af atomers adfærd.

Det vil sige, at i stedet for kun at fokusere på målbare størrelser, forestillede han sig partikler som glatte bølger spredt gennem rummet. Bølger, vi aldrig ser direkte, men hvis form fortæller os, hvor sandsynligt det er at finde partiklen forskellige steder, når vi måler den.

Men dette rejste et spørgsmål: Hvis en partikel er spredt ud som en bølge, hvorfor befinder den sig så altid på et bestemt sted, når vi måler den?

Denne kontrovers gør det klart, at de to tilgange går hånd i hånd: De beskriver den samme virkelighed fra forskellige vinkler.

Bølgen fortæller os sandsynlighederne, og målingen fortæller os resultatet. Schrödingers formulering viste sig snart at være matematisk identisk med Heisenbergs og forenede to tilsyneladende modsatrettede syn på kvanteverdenen.

Det, der begyndte som en abstrakt debat, ændrede snart vores forståelse af naturen: Vished blev erstattet af sandsynlighed, partikler flød som bølger, og virkeligheden kunne ikke adskilles fra det, vi kan observere.

Transistoren og moderne elektronik

Selvom kvantefysikken ikke var intuitiv og til tider var kontroversiel for forskere i begyndelsen af ​​det 20. århundrede, gav den forskere og ingeniører et værktøj til at kontrollere materialer og processer, de ikke tidligere kunne forstå.

Dette førte til fremkomsten af ​​mange nye teknologier, og inden for 25 år efter Heisenbergs opdagelse blev grundlaget for mange af nutidens teknologier lagt.

I 1930'erne og 1940'erne hjalp kvantemekanikken forskere med at forstå halvledere – det vil sige materialer, der kan indstilles til enten at isolere eller lede elektricitet.

Denne indstilling kommer fra elektroner, der fungerer som bølger i et krystal, hvilket lader nogle energier flyde let, mens andre blokeres. Kort efter blev de første transistorer baseret på halvledere udviklet, og de er siden blevet kernematerialet i moderne elektronik.

Lys, kameraer, stregkoder!

På cirka samme tidspunkt lærte forskere, hvordan man kan lyse med en stråle af små partikler på et materiale og dermed lære om dets egenskaber. Sådan skabte de den første sensor, der udnytter kvantemekanik.

Det førte til en drastisk forøgelse af den præcision og opløsning, vi kan undersøge naturen med. Især medicin har haft stor gavn af det, for eksempel MR-skanninger, som bruges på hospitaler over hele verden.

Forståelsen af hvordan lys interagerer med forskellige materialer, sammen med fremkomsten af ​​halvledere, førte i 1950'erne og 1960'erne til udviklingen af ​​to nye lyskilder: LED og lasere. Takket være deres lave energiforbrug findes LED i dag i næsten alle lyspærer og skærme.

Lasere har vist sig at være et meget alsidigt værktøj, der ikke kun bruges til at læse stregkoder i supermarkeder, men også er rygraden i vores globale kommunikationsnetværk: Fiberinternet har overtaget verden, hvor beskeder bevæger sig lynhurtigt.

For nylig blev kvanteprikker opfundet. Det er bittesmå strukturer, der opfører sig som kunstige atomer og bruges i skærme og solceller af høj kvalitet.

De innovationer, der hidtil er nævnt, var baseret på en bedre forståelse af materialer og samtidig kontrol af store grupper af atomer.

De nyeste anvendelser

Siden 1990'erne har forskere – takket være nogle af de ovennævnte bedrifter – opnået stigende kontrol over enkelte atomer, elektroner og fotoner.

Under denne »anden kvanterevolution« finder man blandt andet opfindelsen af kommunikationskanaler, der er sikre mod uopdaget aflytning.

Det er eksempelvis værdifuldt for statslige institutioner, banker og sundhedssektoren, der håndterer følsomme data og har brug for høj sikkerhed.

Samlingen af ​​sådanne kanaler er det, vi kalder et netværk, og i dag stiger kompleksiteten af ​​sådanne netværk støt og kan endda udvides via satellitter.

Kontrol over enkelte atomer førte til udviklingen af ​​nye og mere præcise sensorer, der primært anvendes i forskning og som for eksempel bruges til at undersøge tyngdekraften mere præcist.

Hvordan kvantemekanik hænger sammen med vores forståelse af tyngdekraft er stadig et åbent spørgsmål – ​​et grundlæggende problem, som Heisenberg viede en stor del af sit liv til.

I de senere år har intet område fået mere opmærksomhed – og finansiering – end kvantecomputere. Det er maskiner, hvis beregningsenheder er atomer, og som udnytter kvantemekanik til beregninger og simuleringer.

De findes allerede, men det vil tage mange år endnu, før en virkelig brugbar kvantecomputer er bygget.

Med en funktionel kvantecomputer kunne vi for eksempel simulere komplekse molekylære strukturer, der ville give os mulighed for at udvikle nye lægemidler eller materialer.

Potentiale for godt og ondt

Der er gode grunde til at hylde den innovative kraft, som forskere og ingeniører har udvist i løbet af det sidste århundrede.

Mange af de ting, de har udviklet ved hjælp af kvantemekanik, har drastisk ændret vores liv. Og hvis de reguleres korrekt, kan de bidrage til at skabe et mere bæredygtigt samfund.

Det er dog vigtigt at huske på, at der også var perioder, hvor farlige mål drev teknologiske fremskridt – og hemmeligheden omkring det gjorde det værre.

Bare femten år efter Heisenberg delte sin opdagelse med fysikere fra hele verden, havde det videnskabelige miljø ændret sig markant. Forskere delte ikke længere tankeeksperimenter og idéer frit med hinanden, men arbejdede på hemmelige projekter, der havde til formål at bygge våben.

Heisenberg arbejdede på uranprojektet for nazisterne, og mange andre fysikere var involveret i Manhattan-projektet i USA.

Det resulterede i atombomben. Som navnet antyder, var det muligt at bygge den på grund af fremskridt inden for kvantefysik og forståelsen af ​​den mikroskopiske verden.

I dag er der igen en tendens til at isolere forskningsfelter, der menes at have potentiale for både godt og ondt. Det skyldes igangværende krige og stigende politiske spændinger.

I Danmark og resten af verden bliver forskeres bevægelsesfrihed begrænset på grund af deres nationalitet, og langvarige samarbejder bliver afbrudt.

I disse tider bør vi huske Niels Bohrs brev til FN i 1950, hvor han erklærede, at en mere åben verden ville være en mere fredelig verden.

En ung videnskab med mange ubesvarede spørgsmål

I år fejrer vi 100-året for opdagelsen af ​​kvantemekanik.

Mange af de spørgsmål, som Heisenberg, Einstein, Bohr og deres samtidige stillede dengang, er dog stadig ubesvarede.

Hvad betyder det at måle noget? Er der en underliggende og mere kraftfuld teori at opdage? Kaster Gud virkelig terninger?

Kvantefysik er en relativt ung videnskab, som stadig har meget at udforske og opdage – og i fremtiden vil den fortsætte med at udvide vores forståelse af verden.