Spiller Gud terninger med universet?
Hvad er kvantemekanik egentlig, hvor sikker er teorien, og hvordan fastholder man partikler ét sted, når de i princippet kan være to forskellige steder på én og samme tid? En teoretisk fysiker tager os med ind i det inderste af sit felt.
Gud terninger univers kvantemekanik

Einsten sagde »Gud kaster altså ikke terning«, og han troede ikke på, at kvantemekanikken kunne fortælle en sandhed om partikler. (Foto: Shutterstock)

Einsten sagde »Gud kaster altså ikke terning«, og han troede ikke på, at kvantemekanikken kunne fortælle en sandhed om partikler. (Foto: Shutterstock)

Kvanteme­kanik, kort sagt, går ud på, at alt i universet både kan opføre sig som en partikel og en bølge på samme tid. I kvantemekanik kommer partiklens bølgeopførsel til udtryk i form af informa­tion om partiklen.

Alt det, man kan vide om partiklen: Dens bane, position og hastighed er med andre ord beskrevet af en slags sandsynlighedsbølge. Sandsynlighedsbølgen gør det utrolig svært at arbejde med partikler både i teori og eksperimenter.

Som teoretisk fysiker forsker jeg i en metode til at fastholde partikler, så jeg med større sandsynlighed kan sige noget om deres position og dermed tæmme dem. Og alt det sker i én dimension.

Hvorfor en bold ikke kan gå gennem et nøglehul

Idéen, om at alting i universet både kan opføre sig som partikler og bølger på samme tid, kan lyde meget skør.

Det skyldes mest, at disse to egenskaber er vidt forskellige i vores hverdag. En bold er en rund ting, man kan se og sparke til, hvor lydbølger derimod kan sprede sig gennem små huller og endda gå igennem hinanden ved konstruktiv eller destruktiv interferens.

Så hvorfor overhovedet blande disse to egenskaber med hinanden?

partikler_er_ikke_bare_punktformede_objekter

Partikler er ikke bare punktformede objekter, men kan også have bølge egenskaber, der gør dem mere spredt i rum. (Illustration: A. S. Dehkharghani/Aarhus Universitet)

Historisk set startede det hele med Albert Einstein, som foreslog, at lys består af en strøm af partikler kaldet fotoner. Hvert foton består af en vis mængde energi, som er afhængig af lysets frekvens.

Senere kom franskmanden Louis de Broglie med et kontroversielt postulat. Han sagde: »Hvis lys, som man kender det som bølger, kan have partikelegenskaber, hvorfor skulle partikler ikke kunne have bølgeegenskaber?« 

Og med det introducerede han 'de Broglie bølgelængden', som associeres med impulsen af en partikel, p, og Plancks konstant, h

Plancks konstant er en naturkonstant, der blev introduceret helt tilbage i 1900-tallet, men har en meget central rolle i kvantemekanikken i dag.

Den er ansvarlig for, at større partikler er mere veldefinerede i deres position og opfører sig mere som partikler end bølger.

Det er også grunden til, at en bold ikke kan gå igennem et nøglehul. Kvantemekaniske effekter bliver altså mindre betydelige, når vi zoomer mere ud end nanoniveauet, og partikler begynder at blive mere vellokaliserede.

Hvad er kvantemekanik?

Bestil en Forsker - helt gratis

Amin Salami Dehkharghani stiller i forbindelse med Forskningens Døgn 24.-30. april sin viden til rådighed med et foredrag om kvantemekanikken under titlen ’Does God play dice with the universe’.

Amin er dog allerede helt booket. 

Til gengæld kan du finde masser af andre spændende forskere, der stadig har plads i kalenderen, her

I kvantemekanik kommer partiklers bølgeopførsel til udtryk i form af information om partiklen, og denne information er beskrevet af en slags sandsynlighedsbølge.

Ud fra sandsynlighedsbølgen kan man finde sandsynligheden for at finde partiklen i et bestemt område.

Sandsynlighedsbølgen indeholder altså al den information, man kan have om partiklen.

Forestiller vi os, at vi har et glas vand, hvor vandet repræsente­rer sandsynlighedsbølgen for én partikel, kan vi med 100 procent sikkerhed finde partik­len i glasset.

En måling kan for eksempel ske ved at føre blikket mod glasset og observere partiklen.

Hælder vi derimod noget af vandet i et andet glas, er partiklen sådan set to steder på én gang, men der er jo som sagt kun én partikel, og den kan vi finde ved at måle den.

Ligesom en terning, hvor vi ikke kan være sikre på at kaste en 6’er hver gang, kan vi heller ikke være sikre på at observere partiklen i det ene glas hver gang.

Vi vil heller aldrig finde partiklen i begge glas efter én enkelt observation, da der som sagt kun er én partikel, men sandsynligheden for at observere partiklen er størst der, hvor der mest vand.

Vi vil altså ved at udføre målingen flere gange se denne sandsynlighedsfordeling, der svarer nøjagtig til mængden af det vand, der er i hvert glas.

Einstein tog fejl

Einstein var ikke vild med tanken om at gøre virkeligheden til tilfældigheder og sandsynligheder og sagde: »Gud kaster altså ikke terning.« 

Partiklen må derfor altid, ifølge Einstein, have befundet sig i det glas, hvor vi finder den. Men i dag har der været mange eksperimenter, der rent faktisk viser det modsatte.

Utallige eksperimenter viser således, at partikler rent faktisk opfører sig som bølger. Det har ført til accept af Broglies bølgepartikelbeskrivelse af naturen.

Det er blevet bevist eksperimentalt, at én partikel kan være i en superposition af to tilstande, og ligesom en bølge kan en partikel gå rundt om hjørner og i en forstand være ‘spredt’ i rum snarere end bare placeret i et punkt.

Det har medført til nogle velkendte eksempler såsom Schrödingers kat (se videoen) og 'spooky action of a distance'.

I Schrödingers katteeksempel, her forklaret i en video (engelsk tale), har man placeret en kat i en bunker med noget sprængstof. Efter sprængstoffet går af, er katten, ifølge kvantemekanikken, i en superposition, indtil vi kigger. (Kilde: YouTube)

Bohrs fortolkning af kvantemekanikken

Hvad det er, der får partiklen til at vælge at være i det ene glas frem for det andet, har den moderne fysik ikke svar på, men der findes ikke desto mindre mange fortolkninger på området. Én af fortolkningerne er Københavner-fortolkningen.

Dens svar på spørgsmålet, om hvor partiklen er, er det simple, at spørgsmålet er meningsløst, indtil man har målt på eller observeret den.

Som Niels Bohr sagde til Einstein: »Du skal ikke fortælle Gud, hvad han skal gøre!« 

Fortolkningerne giver stof til eftertanke og manuskripter til Sci-Fi filmene, men kvantemekanikkens beskrivelse af atomare partikler er en af de mest succesfulde teorier i fysik, som vi så at sige bare skal vænne os til.

At tæmme det utæmmelige

Man kan nemt forestille sig, at partiklernes bølgeegenskaber gør det utrolig svært at arbejde med dem, når der er en vis sandsynlighed for at finde dem over det hele på én gang.

I vores forskningsgruppe på Aarhus Universitet beskæftiger vi os lige netop med dette fænomen og forsøger at udvikle nogle metoder til at fastholde partikler, så vi bedre kan tæmme dem.

Måden at styre partiklerne på er meget enkel: Hvis vi tvinger partikler til kun at bevæge sig i én dimension, ligesom perler på en snor, kan partiklerne kun bytte plads med hinanden ved at gå igennem hinanden, hvilket kun er tilfældet i én dimension.

I højere dimensioner kan de undvige hinanden og er dermed slet ikke til at holde styr på.

Ved at regne på hver enkelt partikels på­virkning af omgivelser og hinanden har vi udviklet nogle numeriske og analytiske metoder, der viser, hvordan partiklerne placerer sig efter en bestemt rækkefølge. Vi kan endda manipulere og flytte på partiklerne, som vi har lyst til.

Kvanteteknologiens anvendelsesmuligheder

Det er først i de sidste 10 år, vi er blevet i stand til at tvinge partikler til kun at bevæge sig i én dimension. Tilsvarende kan man nu også ændre på forholdene i omgivelserne eller ændre interaktionstyrken mellem partiklerne, så de placerer sig på en bestemt måde for at minimere systemets energi.

Sammenholdt med vores teoretiske og analytiske resultater er vi stand til bedre at forstå, hvordan materialer såsom magneter i naturen er opbygget og måske designe nye materialer helt fra bunden i fremtiden.

Det åbner også for mange anvendelsesmuligheder både i nanoscience og kvanteinformation, hvilket jeg er sikker på, vi vil møde oftere i fremtiden. For vi mennesker har altid en interesse for, hvordan naturen egentlig hænger sammen, og vi har ofte forsøgt at udnytte denne viden til vores fordel.

partikler_paa_en_raekke_kan_kun_bytte_plads_ved_at_gaa_igennem_hinanden

Partikler på en række kan kun bytte plads ved at gå i gennem hinanden, hvilket er specielt i en dimension, da de ellers kan undvige hinanden i højere dimensioner og dermed er mere uforudsigelige og ikke kan fastholdes på samme vis. (Illustration: A. S. Dehkharghani/Aarhus Universitet)

Scrödingers ligning

I princippet bygger vores metoder til at manipulere og flytte på partiklerne på at løse Schrödingers ligning i én dimension for en række partikler fanget i en parabolformet skål:

Den er næppe mulig at forstå for alvor for folk, der ikke beskæftiger sig med det til daglig.

Men helt kort forklaret er det første led i ligningen ovenfor systemets kinetiske led. Andet led svarer til den parabolformede skål, partiklerne er fanget i, og sidste led er partiklernes interaktion med hinanden, hvor g er interaktionsparameteren.

Den analytiske løsning af sådan en ligning kræver nye matematiske metoder, som vi har udviklet og haft stor succes med. Fordelen ved analytiske resultater er, at man bedre kan forstå systemet og dets dynamik.

Schrödingers ligning

Erwin Schrödinger er en af kvantemekanikkens grundlæggere, der formulerede en ligning, der beskriver partiklers sandsynlighedsbølge.

Ligningen kan sammenlignes med Newtons 2. Lov, F = m * a, hvor kraft er lig med masse gange acceleration.

Her beskriver begge ligninger, og hvordan partikler opfører sig i tid og rum.

Man kan også ændre parametrene hurtigt og producere helt nye resultater, som ingen andre kan løse selv med computerens hjælp på grund af systemets kompleksitet.

Ved at regne på hver enkelt partikels på­virkning af omgivelser og hinanden har vi udviklet nogle numeriske og analytiske metoder, der viser, hvordan partiklerne placerer sig efter en bestemt rækkefølge. Vi kan endda manipulere og flytte på partiklerne, som vi har lyst til.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte, døde og vaccinationer i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs mere om det utroligt velbevarede dinosaur-foster, som du kan se herunder.

Hej! Vi vil gerne fortælle dig lidt om os selv

Nu hvor du er nået helt herned på vores hjemmeside, er det vist på tide, at vi introducerer os.

Vi hedder Videnskab.dk, kom til verden i 2008 og er siden vokset til at blive Danmarks største videnskabsmedie med 1 million brugere om måneden.

Vores uafhængige redaktion leverer dagligt gratis forskningsnyheder og andet prisvindende indhold, der med solidt afsæt i videnskabens verden forsøger at give dig aha-oplevelser og væbne dig mod misinformation.

Vores journalister fortæller historier om både kultur, astronomi, sundhed, klima, filosofi og al anden god videnskab indimellem - i form af artikler, podcasts, YouTube-videoer og indhold på sociale medier.

Vi stiller meget høje krav til, hvordan vi finder og laver vores historier. Vi har lavet et manifest med gode råd til at finde troværdig information, og vi modtog i 2021 en fornem pris for vores guide til god, kritisk videnskabsjournalistik.

Vores redaktion gør en dyd ud af at få uafhængige forskere til at bedømme betydningen af nye studier, og alle interviewede forskere citat- og faktatjekker vores artikler før publicering.

Hvis du går rundt og undrer dig over stort eller småt, vil vi elske at høre fra dig og forsøge at give dig svar med forskernes hjælp. Send bare dit spørgsmål til vores brevkasse Spørg Videnskaben.

Vi håber, at du vil følge med i forskningens forunderlige opdagelser her på Videnskab.dk.

Få et af vores gratis nyhedsbreve sendt til din indbakke. Du kan også følge os på sociale medier: Facebook, Twitter, Instagram, YouTube eller LinkedIn.

Med venlig hilsen

Videnskab.dk