Fire almindelige misforståelser om kvantefysik

Kvantemekanikken - en gren af fysikken der beskriver fysiske fænomener på atomart plan - har uden tvivl rigelig X-faktor.

I modsætning til mange andre områder af fysikken er kvantemekanikken bizar og kontraintuitiv, hvilket gør den spektakulær og spændende.

Da Nobelprisen i fysik i 2022 blev tildelt Alain Aspect, John Clauser og Anton Zeilinger for forskning, der kastede lys over kvantemekanikken, vakte det både begejstring og debat.

Men debat om kvantemekanik – det være sig på chatfora, i medierne eller i science fiction – kan ofte blive forkludret takket være en række standhaftige myter og misforståelser.

Her beskriver vi fire almindelige misforståelser.

Misforståelse nummer 1: En kat kan være både død og levende

Erwin Schrödinger ville nok aldrig havde troet, at hans tankeeksperiment, Schrödingers kat, ville opnå internet-meme-status i det 21. århundrede.

I Erwin Schrödingers berømte tankeeksperiment sidder en uheldig kat i en lukket kasse med en 'kill-switch' udløst af en tilfældig kvantehændelse - for eksempel henfald fra en radioaktiv kilde.

Katten kan være levende og død på samme tid, så længe vi ikke åbner kassen for at tjekke.

Vi har længe vidst, at kvantepartikler kan være i to tilstande - for eksempel på to steder - på samme tid. Vi kalder det en superposition.

Det har forskerne været i stand til at påvise i det berømte dobbeltspalte-eksperiment, hvor en enkelt kvantepartikel, som en foton eller elektron, kan blive sendt gennem to forskellige spalter i en væg på sammme tid.

Men hvordan ved vi det?

I kvantefysikken er hver partikels tilstand også en bølge, men når vi sender en strøm af fotoner – én efter én – gennem spalterne, skaber det et mønster af to bølger, der interfererer (påvirke hinanden så der opstår interferens om bølger, red.) med hinanden på en skærm bag spalten.

Fordi hver foton ikke havde andre fotoner at interferere med, da den blev sendt gennem spalterne, betyder det, at den samtidig gik gennem begge spalter - og altså interfererer med sig selv (billede nedenfor).

For at det skal fungere, skal tilstandene (bølgerne) i superpositionen af partiklen, der går gennem begge spalter, være 'kohærente' - have et veldefineret forhold til hinanden.

Disse superpositionseksperimenter kan udføres med objekter af stadigt stigende størrelse og kompleksitet.

Et berømt eksperiment af Anton Zeilinger fra 1999 demonstrerede kvantesuperposition med store molekyler af Carbon-60 kendt som 'Buckyballs'.

Så hvad betyder det for vores stakkels kat? Er den virkelig både levende og død, så længe vi ikke åbner kassen?

Katten er selvfølgelig slet ikke som en individuel foton i et kontrolleret laboratoriemiljø: Den er meget større og mere kompleks.

Enhver kohærens, som trillioner og billioner af atomer, der udgør katten, kan have med hinanden, er ekstremt kortvarig. Det betyder ikke, at kvante-kohærens er umulig i biologiske systemer, bare, at det generelt ikke vil gælde for store væsner som katte eller mennesker.

Misforståelse nummer 2: Simple analogier kan forklare sammenfiltring

Sammenfiltring, eller 'entanglement' på engelsk, er en måde at korrelere forskellige kvantesystemer med hinanden.

Denne kvanteegenskab forbinder to forskellige partikler, så hvis du måler den ene, kender du automatisk og øjeblikkeligt den andens tilstand - uanset hvor langt fra hinanden de er.

Almindelige forklaringer på det involverer typisk hverdagsgenstande fra vores klassiske makroskopiske verden, som for eksempel terninger, kort eller endda sokker i forskellige farver.

Forestil dig for eksempel, at du fortæller din ven, at du har lagt et blåt kort i en konvolut og et orange kort i en anden. Hvis din ven vælger og åbner én af kuverterne og finder det blå kort, ved de, at du har det orange kort.

Men for at forstå kvantemekanikken skal du forestille dig, at de to kort inde i kuverterne er i en fælles superposition, hvilket betyder, at de er både orange og blå på samme tid (specifikt orange/blå og blå/orange).

Hvis du åbner én af kuverterne afsløres én farve bestemt tilfældigt. Men åbning af den anden kuvert afslører stadig den modsatte farve, fordi det på mærkværdig vis er knyttet til det første kort.

Man kunne tvinge kortene til at fremstå i et andet sæt farver, svarende til at udføre en anden type måling.

Vi kunne åbne en kuvert og stille spørgsmålet: »Er du et grønt eller et rødt kort?« Svaret ville igen være tilfældigt: grøn eller rød.

Men af afgørende betydning: Hvis kortene var sammenfiltrede, ville det andet kort stadig altid give det modsatte resultat, når det samme spørgsmål blev stillet.

Albert Einstein forsøgte at forklare det med klassisk intuition ved at foreslå, at kortene muligvis var forsynet med skjulte, interne instruktioner, som fortalte dem, hvilken farve de skulle antage, givet et bestemt spørgsmål.

Han afviste også det tilsyneladende 'spøgelsesagtige' forhold mellem kortene, der angiveligt giver dem mulighed for øjeblikkeligt at påvirke hinanden, som ville resultere i kommunikation, der er hurtigere end lysets hastighed, hvilket er forbudt ifølge Einsteins teorier.

Men Einsteins forklaring blev efterfølgende udelukket af Bells ulighed (en matematisk-fysisk ulighed, som blev udledt i 1964 af den irske fysiker John Stewart Bell) samt nobelpristagere 2022 eksperimenter.

Idéen om, at måling af et sammenfiltret kort ændrer det andet korts tilstand, er ikke rigtig.

Kvantepartikler er bare på mystisk vis korreleret på måder, vi ikke kan beskrive med hverdagens logik eller sprog - de kommunikerer ikke, mens de indeholder en skjult kode, som Einstein troede.

Så glem alt om hverdagsobjekter i forbindelse med sammenfiltring.

Misforståelse nummer 3: Naturen er uvirkelig og 'ikke-lokal'

Bells ulighed siges ofte at bevise, at naturen ikke er 'lokal', at et objekt ikke bare er direkte påvirket af dets umiddelbare omgivelser.

En anden almindelig fortolkning er, at det forudsætter, at kvanteobjekternes egenskaber ikke er ‘virkelige’, at de ikke eksisterer før måling.

Men Bells ulighed giver os kun mulighed for at sige, at kvantefysik betyder, at naturen ikke er både reel og lokal, hvis vi antager et par andre ting på samme tid.

Disse antagelser omfatter ideen om, at målinger kun har et enkelt udfald (og ikke flere, måske i parallelle verdener), at årsag og virkning flyder frem i tiden, og at vi ikke lever i et univers, der 'kører på skinner', hvor alt har været forudbestemt siden tidernes morgen.

På trods af Bells ulighed kan naturen godt være ægte og lokal, hvis vi gav os bryde væk fra andre ting, som vi betragter som sund fornuft, såsom at tiden går fremad.

Yderligere forskning vil forhåbentlig indsnævre det store antal potentielle fortolkninger af kvantemekanikken.

Men de fleste nuværende muligheder - for eksempel tiden, der flyder baglæns, eller fraværet af fri vilje - er mindst lige så absurde som at opgive begrebet lokal virkelighed.

Misforståelse nummer 4: Ingen forstår kvantemekanik

»Jeg tror, jeg med sikkerhed kan sige, at ingen virkelig forstår kvantemekanikken,« sagde den amerikanske fysiker og nobelprismodtager Richard Feynman.

Niels Bohr mente, at hvis man ikke bliver svimmel, når man først hører om kvanteteori, så har man ikke forstået et ord af det hele.

Denne opfattelse er udbredt i offentligheden.

Kvantefysik er angiveligt umulig at forstå, også for fysikere, men fra et 21. århundredes perspektiv er kvantefysik hverken matematisk eller begrebsmæssigt særlig vanskelig for forskerne.

Vi forstår den ekstremt godt, til et punkt, hvor vi kan forudsige kvantefænomener med høj præcision, simulere meget komplekse kvantesystemer og endda begynde at bygge kvantecomputere.

Forener kvantefysik med vores intuitive virkelighed

Superposition og sammenfiltring, når det forklares på kvanteinformationens sprog, kræver blot matematik på gymnasieniveau. Bells ulighed kræver overhovedet ikke kvantefysik. Den kan udledes i et par linjer ved hjælp af sandsynlighedsteori og lineær algebra.

Der, hvor vanskeligheden virkelig ligger, er måske, hvordan man forener kvantefysik med vores intuitive virkelighed.

Ikke at have alle svarene forhindrer os ikke i at gøre yderligere fremskridt med kvanteteknologi. Vi skal ganske enkelt holde bøtte og beregne.

Heldigvis for menneskeheden nægtede nobelvinderne Aspect, Clauser og Zeilinger at holde bøtte, men blev ved med at spørge hvorfor.

Andre som dem kan måske en dag hjælpe med at forene kvantefysikkens mærkværdigheder med vores oplevelse af virkeligheden.

Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.