Hvad i alverden er kvantemekanik?

Åbn øjnene og se dig omkring. Du ser mennesker, biler, huse, cykler, skyer, myrer og sandkorn. Ting som kan være alt fra en tiendedel millimeter små til hundredvis af meter store.

Det meste bevæger sig fra et sted til et andet. Nogle med mange hundrede kilometer i timen, andre med sneglefart, nogle få millimeter i minuttet.

Når vi studerer ting i den mikroskopiske verden, opfører de sig anderledes. Vi er nu på nanometer-skala. Her finder vi molekyler og atomer.

Molekyler er blot samlinger af flere eller færre atomer. For eksempel består et vandmolekyle af to brintatomer plus et iltatom. Det gør alle verdenshavenes vandmolekyler, og de er allesammen ens.

Atomer er bittesmå byggesten, som alt i denne verden er udgjort af. Men hvad består atomerne af?

For over hundrede år siden fandt fysikere ud af, at atomer består af nogle små partikler, der hedder elektroner. De bestemmer formen af atomerne og molekylerne. Men atomets vægt eller masse er samlet i nogle meget små stumper i centrum af atomet.

Det, der gør denne atomare verden helt anderledes, er, at man ikke kan sige hvor en elektron er, eller hvor hurtigt den bevæger sig. Egenskaber som sted og hastighed er ikke noget som en elektron har.

20 spørgsmål til kvanteprofessoren

Det er meget svært at forestille sig atomers opførsel, for alt, vi oplever til dagligt, har netop sted og hastighed.

Men en gang imellem får elektronen næsten en position, andre gange får den næsten en hastighed. Men det sker aldrig samtidig.

Der findes en leg, der hedder »20 spørgsmål til professoren«: En deltager, professoren, tænker på en ting — for eksempel et dyr. En anden deltager skal gætte, hvad der tænkes på, og det gør man ved at stille spørgsmål, som man kan svare »ja« eller »nej« på.

Man har nu 20 spørgsmål til at indkredse, hvad professoren tænker på.

Hvis vi laver en kvanteversion af legen, bliver det hele lidt mere mystisk. I modsætning til tidligere, så tænker professoren ikke på noget. Man kan nu spørge om hun for eksempel tænker på et dyr.

Hvis svaret er »ja«, findes der stadig ikke et helt bestemt dyr i professorens tanker, men det er dog blevet indskrænket til at tilhøre dyreriget.

Ved at »måle« på professoren – det vil sige ved at stille yderligere spørgsmål – kan det ende med, at der er en »løve« i hendes tanker. Løven er opstået i processen.

På samme måde forholder det sig med elektroner. Stedet findes ikke, men kan opstå i særlige situationer, der indbyder til det.

I legen vil man sige, at der er en større sandsynlighed for at der opstår en løve i hovedet på professoren, hvis der er svaret ja til, at det er et dyr.

Sandsynligheden for plat eller krone

I den klassiske fysik har vi haft Isaac Newtons love til præcist at beregne, hvordan en sten vil bevæge sig, hvis man slipper den, eller for den sags skyld, hvordan alt muligt andet vil bevæge sig.

Man kan for eksempel præcist beregne, om en mønt vil lande med plat eller krone, hvis man ved, hvordan den startede sin bevægelse.

I kvanteverdenen er det ikke muligt, fordi egenskaber som sted og hastighed ikke findes — de er ubestemte. Det er nu et mirakel, at vi rent faktisk har opdaget en måde at beregne sandsynligheder for at dette eller hint vil ske.

Det var den unge tysker Werner Heisenberg og østrigeren Erwin Schödinger, der i 1925 opdagede den matematik, som kan benyttes til at beregne sandsynlighederne.

Sandsynlighed er noget man benytter, når man ikke ved alting præcist. For eksempel når man kaster en mønt.

Inden man løfter hånden, så vil man sige, at der er 50 procent sandsynlighed for »plat« og 50 procent sandsynlighed for »krone«. Men i det øjeblik man løfter hånden og det afsløres hvilken side der vender op, så skifter sandsynligheden til 100 procent for »plat« og 0 procent for »krone«.

Det er på samme måde i kvantemekanikken:

Inden man observerer positionen af en elektron, har man en sandsynlighed, og efter man observerer har sandsynligheden ændret sig. Man siger at »bølgefunktionen kollapser«.

Forskellen fra kastet med mønten er, at i virkeligheden har mønten hele tiden vendt med plat opad, også inden man løfter hånden, mens en elektrons position slet ikke findes, før man måler den.

I forbindelse med at elektronen rammer en detektor, opstår positionen som en fysisk virkelighed.

Og kvantemekanikkens regler fortæller sandsynlighederne for, at den opstår, det ene eller det andet sted.

Verden er uforudsigelig

Kvantemekanikken har lært os, at verden er mere uforudsigelig, end den klassiske fysik ville have gjort.

Den store fysiker Pierre-Simon Marquis de Laplace (1749-1827) sagde, at hvis man vidste, hvordan verden ser ud på et bestemt tidspunkt, kan man i princippet beregne, hvad der vil ske senere.

Den klassiske verdens fysik er deterministisk –  den er bestemt på forhånd.

Når en dominobrik falder, ved man allerede, at andre dominobrikker længere nede i rækken også vil falde.

I et tankeeksperiment forestillede Laplace sig et alvidende væsen, der kendte ethvert atoms placering og bevægelse i universet. Denne viden ville gøre det muligt at forudsige verdens gang.

For dette alvidende væsen »ville intet være usikkert, og fremtiden ville – ligesom fortiden – være nærværende for dets øjne,« skrev Laplace.

Dette gælder ikke i kvanteverdenen.

Her opstår der konstant nye ting, som man umuligt kan forudsige. På en vis måde er en sådan verden mere charmerende, og det er altså den verden, vi lever i.