Naturen er ubestemmelig og umålelig

Verden er forunderlig. Det gælder ikke mindst på det mest grundlæggende niveau, hvor man går så tæt på stoffer, som man overhovedet kan komme.

Her hersker kvantefysikkens love, og naturen opfører sig meget anderledes, end man er vant til fra den makroskopiske verden, som vi bevæger os i til daglig.

Det betyder for eksempel, at man ikke kan kende en partikels position og samtidig kende dens bevægelsesmængde.

Der vil altid være en usikkerhed eller nærmere en ubestemthed, der er indbygget i naturen, og som ikke bare skyldes måleinstrumenternes begrænsninger.

Der er tale om flere usikkerheder

Det viser et nyt eksperiment, som i samme ombæring bekræfter, at Heisenbergs oprindelige ubestemthedsrelationer - den version af kvantemekanikkens regler, man finder i lærebøgerne - ikke er den fulde sandhed.

Der er nemlig både en usikkerhed knyttet til målesituationen og en helt fundamental, kvantefysisk ubestemthed, man skal tage hensyn til, når man måler på de mindste partikler.

»Man må skelne mellem den kvantefysiske usikkerhed, som er en fundamental atomar egenskab, og så den måde, man forholder sig til målingen,« fortæller Nikolaj Thomas Zinner, der er postdoc ved Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet.

»Som fysiker må man forstå, hvad det faktisk betyder, når man måler på et system, og den forståelse har flyttet sig siden Heisenberg. Så jeg er ikke så overrasket over resultatet.«

Hvor er elektronen?

Lad os spole lidt tilbage og se på, hvad problemet egentlig er. Hvis man vil kende et objekts position, er det jo bare at finde målebåndet frem og måle.

Og hvis man kender objektets masse og også kan måle dets hastighed, kender man også objektets impuls.

Med gode måleinstrumenter er det umiddelbart ingen sag at måle position og impuls samtidig.

Man kan f.eks. filme en billardkugle med et højhastighedskamera og på den måde finde ud af, hvor den befinder sig, og i hvilken retning og med hvilken hastighed, den bevæger sig.

Heisenberg forestillede sig et eksperiment

Men med kvantefysikken føres der en ubestemthed ind i målingerne.

Det tænkte Werner Heisenberg sig frem til i midten af 1920'erne, og han forestillede sig et eksperiment, hvor man forsøger at observere en elektrons position ved hjælp af et følsomt mikroskop, der kan opfange enkelte lyspartikler - fotoner.

Elektronen er sendt af sted med en bestemt hastighed, så impulsen kendes i forvejen, og så kan man jo bare holde øje med, om den rammes af en foton lige under mikroskopet - så kender man både position og impuls.

Man må vælge mellem position og impuls

Problemet er, at den foton, der rammer elektronen og fortsætter op i mikroskopet, skubber til elektronen og ændrer dens impuls.

Så kender man godt nok positionen af elektronen, men dens impuls er usikker.

Hvis man benytter fotoner, der næsten ingen energi har, og som derfor ikke kan påvirke elektronens hastighed ret meget, har de til gengæld en lang bølgelængde - de bliver så at sige udflydende, så man ikke kan være helt sikker på, hvor elektronen var.

Man kan altså umuligt kende både position og impuls samtidig - man må vælge.

Naturen kan ikke måles præcist

Ubestemtheden kan udtrykkes med en simpel ligning, nemlig ΔxΔp ≥ ħ/2.

Her angiver x positionen, p er impulsen og ħ (h-streg) er Plancks konstant delt med to gange pi. Trekanterne er det græske bogstav delta, som angiver usikkerheden.

Ligningen fortæller, at jo mere sikker, man er på positionen, desto større er usikkerheden på impulsen og omvendt.

Produktet af usikkerhederne vil nemlig altid være større end eller lig med ħ/2, hvor ħ er en ekstremt lille størrelse på godt 10^-34 joule gange sekunder.

Den fysiske ubestemthed er fundamental

Netop fordi Plancks konstant er så lille, har denne ubestemthedsrelation ingen betydning i den makroskopiske verden. Men blandt elementarpartikler er den ikke til at komme udenom.

Der er flere ubestemthedsrelationer, f.eks. at man ikke kan kende den præcise energi for en partikel, som findes i en tilstand i en begrænset tid.

Men det er vigtigt at indse, at ubestemthedsrelationerne ikke bare handler om vores begrænsede evne til at foretage præcise eksperimenter - det drejer sig om en helt fundamental, fysisk ubestemthed, der er indbygget i naturen, og som aldrig kan fraviges.

Fænomenet hænger sammen med, at partikler også kan opfattes som bølger.

Forsøg bekræfter en ny formulering

Faktisk skal man både tage hensyn til den fundamentale ubestemthed og måle-ubestemtheden, når man foretager forsøg med de mindste partikler.

Det fører til en ny og noget mere kompliceret formulering af ubestemthedsrelationerne - en ny formel som rummer begge former for ubestemthed. Den kom japaneren Masanao Ozawa med i 2003.

Nu har et hold forskere med Ozawa i spidsen så bekræftet den nye formulering eksperimentelt.

Naturen har hemmeligheder

Forskerne fra det tekniske universitet i Wien målte ikke på position og impuls for elektroner, men i stedet på neutroners spin i forskellige retninger – princippet er dog det samme.

Med forsøget kunne forskerne skelne mellem de to former for ubestemthed, der indgår i den nye formulering.

Og nu ligger det fast, at ubestemtheden ikke blot har med målesituationen at gøre, men at den ligger meget dybere. Naturen har hemmeligheder, som den vil holde for sig selv.

Ingen betydning i hverdagen

Men hvad betyder det så for den måde, fysikerne forsøger at blive klogere på verden?

Ikke voldsomt meget for folk som Nikolaj Thomas Zinner:

»I fysikernes praktiske hverdag, hvor vi sidder og regner på ting og sager, bruger vi ikke Heisenbergs ubestemthedsrelation. Den har ikke en effektiv betydning for mig som atomfysiker, for jeg kigger ikke på systemer, hvor der er en 'tovejskommunikation' mellem et måleapparat og et fysisk system - det er ikke den måde, jeg arbejder på.«

Men dermed ikke sagt, at forskningen inden for fysikfeltet, der hedder "weak measurements" - svage målinger - ikke er interessant, for det er den absolut.

Kan føre til nye teknologiske gennembrud

Fysikerne bliver konstant klogere på, hvordan man kan foretage målinger på en måde, så man forstyrrer det fysiske system mindst muligt.

»Det bliver spændende at følge og se, hvordan forskningen inden for svage målinger udvikler sig. Der er masser af aktiviteter på området, f.eks. inden for kvantecomputere,« fortæller Nikolaj Thomas Zinner.

Så måske kan det nye resultat fra Wien før eller siden føre til nye teknologiske gennembrud. De nye forskningsresultater er offentliggjort i tidsskriftet Nature Physics.