Kvantemekanikken og universets byggesten

Teorien om kvantemekanikken beskriver universets mindste byggesten som paradoksale og uforudsigelige:

De er tilsyneladende flere steder på én gang, og målinger på dem giver altid tilfældige resultater.

Man forstår ikke kvantemekanikken, men man vænner sig til den, og forskningen frembringer stadig nye aspekter og anvendelser af kvantemekanikken.

Småt er godt, men ikke for den klassiske fysik

Den klassiske fysiks love gør os i stand til at beregne og forklare, hvordan kræfter får ting til at bevæge sig – helt fra fjedrenes og tandhjulenes bevægelse i et lommeur til planeternes og stjernernes bevægelse på himlen.

Siden begyndelsen af 1900-tallet har fysikere og kemikere vidst, at alt stof omkring os er opbygget af atomer og molekyler, og den danske fysiker Niels Bohr er verdensberømt for i 1913 at have beskrevet atomer som elektrisk ladede elektroner og kernepartikler, holdt sammen af elektriske kræfter.

Elektronernes bevægelse omkring atomkernerne foregår ufatteligt hurtigt og på en nærmest ufattelig lille længdeskala:

En million milliard kredsløb foretager elektronen hvert sekund, og så lille er dens afstand til brintkernen, at hundrede millioner brintatomer ved siden af hinanden blot fylder en centimeter.

Endnu sværere at fatte er dog de fysiklove, der styrer den måde, de mikroskopiske partikler bevæger sig på.

Den klassiske fysiks love bryder nemlig fuldstændigt sammen på den mikroskopiske skala, og i denne artikel vil jeg fortælle historien om den nye teori, fysikerne udviklede i de første årtier af det 20. århundrede. Det blev den mest succesfulde, den mest eksakte og den mest mærkværdige teori i naturvidenskaben: kvantemekanikken.

Lys og kvanter

Den engelske fysiker Isaac Newton (1643-1727) fremsatte i sin bog Principia i 1687 en simpel formel, F=m x a (kraft er lig med masse gange acceleration), som revolutionerede menneskets forståelse af verden:

Bevægelse kan beskrives kvantitativt, den har en årsag, og den følger en generel lovmæssighed, som ikke er specifik for et bestemt objekt eller for en bestemt konkret situation.

Planeternes baner om solen og et æble, der falder til jorden, beskrives ved anvendelse af den eksakt samme sammenhæng mellem de tyngdekræfter, der virker mellem massive objekter og den bevægelse, de derfor vil udføre.

Under påvirkning af tyngdekraften, de elektriske kræfter, fjederkræfter, gnidningskræfter m.m. kan man med Newtons berømte formel beskrive alle de bevægelsesfænomener, vi kan iagttage omkring os.

Maxwells bølger er for eksempel lys, mikrobølger og radiobølger

Danskeren H.C. Ørsted opdagede i 1820, at en variation i elektrisk strøm i en ledning giver anledning til en kraftpåvirkning på en kompasnål, og den britiske fysiker James Clerk Maxwell (1831-1879) forenede i anden halvdel af 1800-tallet Ørsteds opdagelse af elektromagnetismen med andre observationer ved elektriske og magnetiske fænomener i et sæt matematiske formler.

De redegør blandt andet for, hvordan elektriske og magnetiske felter opstår i vekselvirkning med hinanden og udbreder sig med lysets hastighed som en bølgebevægelse gennem det tomme rum.

Lys, mikrobølger og radiobølger er eksempler på Maxwells bølger, og de adskiller sig fra hinanden ved afstandene og frekvenserne af de elektriske og magnetiske feltvariationer.

Gløder i et bål udsender lys

Den rumlige variation af en bølge, bølgelængden, er i synligt lys nogle få titusindedele af en millimeter, og lysbølgerne svinger med en frekvens af et 14-cifret antal svingninger per sekund.

Det, vi med synssansen oplever som forskellige farver, beskrives i fysikken med forskellige værdier af lysbølgelængden eller frekvensen, og regnbuen på himlen forklares ved, at regndråber spreder sollysets forskellige bølgelængder i forskellige retninger.

Gløderne i et bål udsender lys, hvis farve skifter fra hvidglødende til rødglødende, når bålet køler ned.

Maxwells ligninger forklarer sammenhængen mellem farve og frekvens, mens man i varmelæren har en simpel proportionalitet mellem energi og temperatur.

Planck fandt på en matematisk formel, der passede til lysets frekvensfordeling

Det var i slutningen af 1800-tallet muligt at foretage præcise målinger ved forskellige temperaturer og indtegne grafer med lysets frekvensfordeling, men man kunne ikke forklare den observerede sammenhæng mellem temperatur og farve.

I år 1900 fandt den tyske fysiker Max Planck (1858-1947) på en matematisk formel, som passede godt med alle målingerne af lysets frekvensfordeling. Formlen indeholdt forholdet mellem lysets frekvens og den termiske energi.

Den samlede mængde af energi i en lysstråle varierer med lysets intensitet, men Planck foreslog, at der til lysbølger med bestemt frekvens svarer en bestemt energimængde, hvis værdi er givet ved lysets frekvens.

Denne energi er den mindste enhed eller det mindste kvantum for udveksling af energi mellem lys og stof. Max Planck kaldte sin teori kvanteteorien, og sammenhængen mellem energi og frekvens skrives E=h x f, hvor h i dag betegnes Plancks konstant.

Man skulle opfatte lys som en samling lyskvanter

Albert Einstein, som i de samme år var travlt optaget af sin berømte relativitetsteori, viste i 1905, at Plancks kvanteteori kunne forklare den såkaldte fotoelektriske effekt:

Belyser man en metaloverflade, kan man iagttage en elektrisk strøm, som imidlertid forsvinder, hvis lysets frekvens reduceres.

Einstein foreslog, at strømmen skyldes, at enkelte af Plancks kvanter absorberes og løsriver elektronerne fra materialet, men hvis frekvensen bliver for lav, har de ikke energi nok til at løsrive elektronerne.

Er Plancks kvanteenergi derimod større end nødvendigt, bliver elektronen blot løsrevet med større fart, og det havde man faktisk også observeret.

Einstein foreslog også, at man helt bogstaveligt skulle opfatte lys som en samling lyskvanter, hvis antal er bestemmende for lysets intensitet. I dag kalder vi lyskvanterne fotoner.

En Watt angiver en energimængde per tid, svarende til et 18 cifret antal fotoner pr sekund, så almindeligt dagslys eller lyset fra en 60 Watts-pære indeholder ufatteligt mange fotoner.

Fotonens energi er absorberet

Einstein påpegede imidlertid også et alvorligt problem med kvantebeskrivelsen:

Hvis lysbølger og radiobølger er elektriske og magnetiske felter, som udfører svingninger i store dele af rummet på samme tid, hvad sker der så med det svingende felt for en enkelt foton, når den løsriver en elektron fra et metal et bestemt sted i rummet?

Hele fotonens energi er jo absorberet, men hvordan kan feltet i stor afstand fra det sted, hvor elektronen blev løsrevet, ‘vide’, at det pludselig ikke skal svinge længere?

Einsteins bekymring var et forvarsel om de berømte diskussioner, som han senere indædt skulle føre med Niels Bohr om kvantemekanikkens fysiske og filosofiske fortolkning.

Atomer fik videnskabelig form i 1800-tallet

De græske naturfilosoffer forestillede sig, at der findes en mindste udelelig bestanddel af stof, atomet, og med detaljerede studier af kemiske processer i 1800-tallet fik hypotesen om atomer og molekyler i gasser videnskabelig form.

Da den negativt elektrisk ladede elementarpartikel – elektronen – og de tunge positivt ladede kernepartikler var blevet observeret i starten af 1900-tallet, var banen kridtet op for Niels Bohrs atommodel:

Den elektriske kraft har samme matematiske afhængighed af afstande som tyngdekraften, og anvender man Newtons klassiske formel, F=m x a, finder man, at en eller flere elektroner kredser i cirkel- eller ellipseformede baner om den meget tungere atomkerne, ligesom satellitterne kredser om Jorden.

Lyset fra Solen og stjerner kan splittes op i alle regnbuens farver

Når lyset fra solen og stjernerne splittes op i regnbuens farver, ser man – ud over Plancks fordeling af lysbølgelængder – et stort antal mørke striber ved farver, hvor lyset ‘mangler’.

Striberne er karakteristiske for forskellige stoffer, og et perfekt match mellem et stribemønster i lyset fra en stjerne og fra en jordisk lyskilde med et bestemt materiale viser, at det samme materiale må være til stede på Jorden og i stjernen.

Den orange vejbelysning langs motorvejene skyldes natriumlamper, og striber ved præcist
de samme farver i solens lys afslører således forekomsten af natrium i solens atmosfære.

Udfordringen var at forklare fremkomsten af helt særlige lysfrekvenser

Midt i 1800-tallet fandt man striber i sollyset, som aldrig var set i lyskilder på Jorden, og man tilskrev dem et nyopdaget stof, som man opkaldte helium efter Solens græske navn, Helios. Først senere identificerede man gasarten helium, som er så let, at den ikke findes naturligt i Jordens atmosfære.

Hvis elektronerne bevæger sig om kernen som planeter om solen, skulle atomet ifølge Maxwells teori udsende stråling med en frekvens svarende til deres omløbsfrekvens, og elektronbaner med en radius svarende til et atoms typiske størrelse vil faktisk have omløbsfrekvenser tæt på de målte lysfrekvenser.

Udfordringen var at forklare fremkomsten af de helt særlige lysfrekvenser. En given lille ændring af afstanden til kernen vil føre til en bane med en tilsvarende lille ændring af omløbsfrekvensen, og der er ingen fysisk mekanisme, der kan forklare de helt specielle frekvenser, man observerer i lyset.

Bohrbaner og kvantespring

Niels Bohr foreslog derfor i et dristigt brud med Newtons og Maxwells teorier – de absolutte hjørnesten i fysikken:

Elektronerne kan kun bevæge sig i planetlignende baner ved bestemte afstande til kernen, og under bevægelsen i disse baner er elektronens energi bevaret, og der forekommer ingen stråling.
I stedet udveksles der strålingsenergi med omgivelserne, når elektronen uden varsel springer mellem de lovlige baner i pludselige kvantespring.

Det er fundamentalt i fysikken, at den samlede energi er bevaret i alle fysiske processer. Forskellen i elektronens energi ved et spring mellem to af Bohrs særlige baner skal derfor svare til strålingsenergien i et udsendt eller absorberet lyskvantum.

Plancks lyskvanter har energier, som er proportionale med frekvensen af lyset, og Bohrs atommodel forklarer derfor, at der er striber ved helt bestemte farver i lyset.

Intet andet fysikfænomen havde tilladt så præcis og så succesrig en sammenligning

Niels Bohr argumenterede for, at man ved meget store baner skulle genfinde den klassiske fysiks resultater, og at springet i energi derfor måtte give stråling med samme frekvens som elektronens banebevægelse
i de meget udstrakte baner.

Den egenskab førte til en matematisk formel, som passede med meget stor præcision på alle de målte lysfrekvenser. Med en senere justering, der korrigerede nogle få promille for Einsteins specielle relativitetsteori, stod man før 1920 med en teori, der forudsiger frekvenserne i brintatomets lysspektrum med bedre end en milliontedels nøjagtighed.

Intet andet fysikfænomen havde tilladt så præcis og så succesrig en sammenligning af teori og eksperimentelle observationer.

Bohrs banebeskrivelse forklarer forskellige stoffers kemiske egenskaber

Der findes omtrent hundrede forskellige slags atomer: de såkaldte grundstoffer. De adskiller sig fra hinanden ved at have forskellige antal elektroner i kredsløb om atomkerner med forskellig størrelse og elektrisk ladning.

Bohrs banebeskrivelse forklarer de forskellige stoffers kemiske egenskaber ved elektronernes tilbøjelighed til at lade sig indfange af de elektriske kræfter fra andre atomer.

De større atomer er meget sværere at beskrive præcist end brint, fordi elektronerne frastøder hinanden, og deres baner omkring atomkernen derfor er sværere at beregne, og for heliumatomet med bare to elektroner opnåede man end ikke en bare nogenlunde overensstemmelse med de målte værdier.

Bohrs banebeskrivelse fungerede perfekt for brint, men den kunne ikke bruges til præcise forudsigelser for andre atomer. Efter et helt årtis anstrengelser stod det klart, at man måtte finde en ny og bedre beskrivelse af atomerne, men hvordan kunne man forene den med den allerede kendte viden?

Partikler og bølger

Den franske fysiker Louis de Broglie (1892-1987) foreslog, at man kunne se på Bohrs baner i et nyt lys, hvor elektronen måske ikke følger en planetlignende bane, men snarere udfører en bølgebevægelse om kernen.

Bohrs helt bestemte baner passer netop med sådan en bølgebevægelse, hvis omkredsen er et helt antal bølgelængder, og bølgelængden
er omvendt proportional med elektronens hastighed.

Det var langtfra klart, hvad elektronens bevægelse skulle have med bølger at gøre, men bølgebevægelsen af en svingende guitarstreng eller af luften i en orgelpibe giver anledning til musikinstrumenternes karakteristiske tonesvingninger ved bestemte frekvenser, og en bølgeteori kunne måske derfor også forklare de særlige lysfrekvenser.

Kvantemekanikken er den nye bølgeteori

Den østrigske fysiker Erwin Schrödinger (1887-1961) satte sig i 1925 for at beskrive
de Broglies bølger matematisk, og blandt
de ligninger, man allerede kendte for lys og lydbølger og svingende strenge, fandt han en, som netop giver svingninger ved de frekvenser, man ser i lyset fra brintatomet.

På samme måde som i musikinstrumenterne fremkommer de rette frekvenser direkte fra den nye bølgeligning og ikke ved at påstå særlige spilleregler for Newtons og Maxwells fysik.

Elektronernes mekaniske energi kan ifølge Schrödingers ligning kun antage bestemte værdier. Den nye bølgeteori for mekanisk bevægelse betegnedes kvantemekanikken.

Schrödingers ligning er kvantemekanikkens grundlæggende ligning

På samme måde som Newtons ligning, F=m x a, er helt generel og virker for alle slags kræfter, anvendes Schrödingers ligning på mange forskellige fysikproblemer, idet løsningerne til ligningen antager forskel
lige former afhængigt af, hvilke kræfter de kvantemekaniske partikler er udsat for.

Den første store sejr for Schrödingers ligning kom, da den norske fysiker Egil Hylleraas udførte en omtrentlig løsning af ligningen for heliumatomet og kom meget tæt på de målte værdier.

Schrödingers ligning er kvantemekanikkens grundlæggende ligning, og den
har indtil i dag altid givet resultater i god overensstemmelse med de eksperimentelle undersøgelser.

Kvantemekanikken giver det mikroskopiske fundament for vores forståelse af stoffers kemiske, mekaniske, elektriske og optiske egenskaber. Den fungerer fantastisk, og den kan både forklare kvantitative resultater og mere kvalitative egenskaber ved de undersøgte fysiske systemer.

Kvantemekanikkens fortolkning

Hvad er det, der bølger? Forsøg med registrering af de kvantemekaniske partikler viser, at man kan opfatte bølgens matematiske form som en sandsynlighedstæthed: Ved store talværdier i bølgens form ses partiklerne ofte, ved små talværdier sjældent.

Da næsten alle fysikforsøg involverer målinger på meget store antal mikroskopiske partikler, er den mest udbredte anvendelse af bølgefunktionen netop at forudsige, hvordan måledata fordeler sig i eksperimenter.

Men det er underligt og måske ikke helt tilfredsstillende, at vi ikke kan forudsige, hvor de enkelte partikler detekteres, men kun give sandsynligheder som ved et terningkast.

Man skal tænke på partiklerne i klassisk fysisk forstand

At det er svært at forstå kvantemekanikken, skyldes, at man på samme tid skal tænke på de mikroskopiske partikler som partikler i klassisk fysisk forstand og som bølger.

I forsøg registrerer vi partiklers ankomst på en film eller en skærm, som om de er klassiske partikler, men de mange registreringer udgør tilsammen mønstre, hvis form vi forudsiger på basis af bølgebeskrivelsen.

Hvis der er tale om partikler, hvorfor ser man så bølgemønstrene? Hvis der er tale om, at hver enkelt elektron faktisk er en bølge med en udsmurt fordeling i rummet, hvad afgør så, hvor man ser den?

Og hvordan kan den udsmurte fordeling i en del af rummet ‘vide’, at den skal forsvinde, når elektronen registreres et andet sted på filmen eller skærmen?

Schrödinger, Einstein og Bohr var uenige om, hvad ‘der sker i virkeligheden’

De spørgsmål stillede Einstein til Plancks lyskvantum 20 år tidligere, og nu stillede han det igen til Schrödingers bølgefunktion.

Schrödinger, Einstein og Bohr var enige om, hvordan bølgefunktionen beregnes, og hvad den kan bruges til, men de var uenige om, hvad ‘der sker i virkeligheden’, og det afstedkom så indædte diskussioner af konsekvenserne af kvantemekanikken, at Erwin Schrödinger til sidst udtalte om kvantemekanikken:

»Jeg bryder mig ikke om det og er ked af, jeg nogensinde har haft noget med det at gøre«, mens Albert Einstein mente, at »hvis kvanteteorien er korrekt, er det enden på fysikken som videnskab.«

»Lad os tænke os et eksperiment«

I deres diskussioner af problemerne med kvantemekanikkens fortolkning satte Einstein og Schrödinger teorien på spidsen ved at studere konsekvenserne af teorien i såkaldte ‘tankeeksperimenter’. Et tankeeksperiment er et forsøg, som ikke udføres i virkeligheden, men hvor bare diskussionen af forsøget udfordrer forståelsen af fysikken.

Einstein angreb i 1927 kvantemekanikken med et tankeeksperiment, hvor en skærm med to åbninger beskydes med elektroner.

Kvantemekanikken beskriver elektronerne som en bølge, der kan passere gennem begge åbninger i skærmen, og hvor bølgerne mødes, opstår der – som for lydog lysbølger – et stribet interferensmønster. Det betyder, at elektronerne vil blive detekteret enkeltvis, men i punkter som tilsammen danner en stribet fordeling.

I eksperimentet vil man kunne se hver elektrons aftryk som en prik

Elektronen lader sig i det enkelte forsøg registrere som en partikel, men det observerede stribemønster skyldes, at bølgen har udbredt sig ad forskellige veje gennem både det ene og det andet hul i spalten.

I forsøget på at forstå, om en elektron undervejs gennem forsøgsopstillingen faktisk passerer gennem den ene spalteåbning, foreslog Einstein snedigt, at den nederste spalteåbning monteres i en plade, der er ophængt i en fjeder, så passagen af en enkelt elektron kan sætte pladen i bevægelse.

I eksperimentet vil man kunne se hver elektrons aftryk som en prik, der bidrager til stribemønsteret, og samtidig afgøre, hvilken vej den faktisk har taget.

Einsteins tankeeksperiment kan i en grænse registrere partikelegenskaben

Bohr påpegede imidlertid en fejl i Einsteins argument: En skærm ophængt i fjedre er selv et kvantemekanisk objekt og skal også beskrives med en bølgefunktion, og derfor er der en statistisk usikkerhed om spalteåbningens position.

Interferensmønstre afhænger kritisk af afstanden mellem kilderne til en bølge, og en usikkerhed om afstanden vil ødelægge interferensmønstret. Det undgås, hvis skærmen er ophængt i så stærke fjedre, at usikkerheden er lille, men så vil skærmen ikke bevæge sig tilstrækkeligt til, at vi kan registrere elektronens passage gennem den.

Einsteins tankeeksperiment kan i en grænse registrere partikelegenskaben og i en anden bølgeegenskaben ved elektronen, men man kan ikke i samme forsøg måle begge.

Bohrs komplementaritet

Niels Bohrs analyse viste, at det i praksis ikke ville være muligt at bestemme alle aspekter af elektronens gøren og laden, sådan som Einstein havde håbet.

Bohr gjorde sig i stedet til talsmand for et mere filosofisk, og måske mindre konventionelt fysisk synspunkt, som hævdede, at den naturvidenskabelige beskrivelse ikke nødvendigvis handler om, hvad naturen er eller gør, men om hvad vi kan sige om den.

I Bohrs udlægning er den kvantemekaniske formalisme og bølgefunktionen en beskrivelse af vores viden om et fysisk system af mikroskopiske partikler – ikke en beskrivelse af systemet selv.

De indbyrdes modstridende partikelog bølgeaspekter var, ifølge Bohr, udtryk for en såkaldt komplementaritet: De er begge nødvendige for at give en tilbundsgående beskrivelse – men man kan for en given eksperimentel opstilling enten studere det ene eller det andet aspekt, men ikke dem begge.

Schrödingers katteeksperiment er et tankeeksperiment

Schrödinger tog stærk afstand fra ideen om, at partiklerne i den mikroskopiske verden ikke skulle lade sig beskrive ved deres egen objektive opførsel, og at hans bølgefunktion kun skulle redegøre for vores evne til forudsige resultater af eksperimenter.

Han foreslog et tankeeksperiment, hvor et atom er koblet til en mekanisme, der udløses, når atomet henfalder. Herved knuses en ampul og frigiver en giftgas, som dræber en kat. Hele den makabre begivenhed foregår
i en lukket kasse, og for en iagttager uden for kassen er det naturligt at tale om sandsynligheden for, at vi finder katten levende eller død, når vi åbner kassen.

En statistisk forudsigelse af, hvad vi får at se, er måske en tilstrækkelig beskrivelse af virkeligheden for Niels Bohr, men katten har vel også en meget virkelig opfattelse af og interesse i, om den faktisk er levende eller død.

Det samme har vel en mus, men har en bakterie? Har en virus? Hvor ophører den verden, hvor vi kan tale om, at målinger registrerer egenskaber, som de undersøgte objekter virkelig har, og hvor begynder den verden, hvis egenskaber ifølge Bohr kun er det, vi kan sige om vores erkendelse af den?

Aarhushistorier

Kvantemekanikkens succeser i alle områder af fysikken og kemien har gået hånd i hånd med en endnu ikke afsluttet strid om, hvad den egentlig betyder. Fysikerne er i dag enige om, at kvantemekanikken virker fantastisk godt, men de er lige så uenige om, hvordan vi skal forstå den, som fysikere var på Einsteins og Bohrs tid.

Teoriens mest mystiske og paradoksale konsekvenser studeres dog ikke længere kun som filosofiske spidsfindigheder. Flere af dem rummer nemlig kimen til interessante eksperimenter og måske ligefrem nyttige nye teknologier.

Lad os slutte denne korte præsentation af kvantemekanikken med et par korte eksempler på forskning i det 21. århundrede med deltagelse af forskere fra Aarhus Universitet, hvor kvantemekaniske effekter studeres og anvendes på en måde, som teoriens skabere ikke kunne have drømt om.

Se i øvrigt også artiklen af professor Flemming Besenbacher, her omtales en dansk patenteret teknologi til en værdi af milliarder af kroner, som er navngivet efter en elektronisk kvantetilstand.

Fortidsøgler og fremtidens computer

I de fleste fysikforsøg studeres den samlede opførsel af rigtigt mange partikler, og den dybere fortolkning af, om det enkelte atom opfører sig tilfældigt eller ej, har ikke den store relevans for den praktiske, statistiske anvendelse af teorien.

I 1950’erne gik Schrödinger endda så vidt som til at erklære, at selv tanken om det enkelte atom kun er en matematisk og filosofisk abstraktion, og han sammenlignede ideen om at udføre forsøg med enkelte atomer med den absurde mulighed for at opdrætte fortidsøglen Ichthyosaurus i zoologiske haver.

Absurd eller ej – de tekniske muligheder ændrede sig, og fra omkring 1980 har man
i fysiklaboratorier kunnet studere enkelte kvantemekaniske systemer.

Ionerne er fanget ved hjælp af elektroder

Det gør man for eksempel ved Ionfældelaboratoriet ved Institut for Fysik og Astronomi, hvor det er lykkedes professor Michael Drewsen at fotografere fem enkelte atomare ioner.

Ionerne er fanget ved hjælp af elektroder i et rigtigt godt vakuumkammer, og vi kan se dem, fordi de rammes af en laserstråle og absorberer og udsender mange tusinde fotoner per sekund, mens elektronen skifter mellem to tilstande med en bestemt energiforskel i den enkelte ion.

Der findes også en tredje tilstand, som elektronen kun sjældent springer til, men når det sker, passer laserens frekvens ikke længere. Så længe elektronen ikke af sig selv finder tilbage til de to tilstande, som passer med laserfrekvensen, vil den derfor ikke absorbere og udsende lys, og ionen vil ikke lyse op på billedet.

Ionen lyser ikke med en konstant gennemsnitlig intensitet

Schrödinger, Einstein og Bohr havde uden konkrete eksperimenter i tankerne netop diskuteret, hvordan kvantemekanikkens statistiske forudsigelser vedrører partiklers individuelle og ikke blot gennemsnitlige adfærd.

I eksperimentet med de fangede atomare ioner er det muligt at se, om en enkelt ion lyser med en svagere gennemsnitlig intensitet på grund af sandsynligheden for at være i den tredje, mørke tilstand, eller om den er skiftevis slukket og tændt med høj intensitet i takt med, at elektronen springer til og fra den mørke tilstand.

Svaret er, at ionen ikke lyser med en konstant gennemsnitlig intensitet, men i stedet udviser lyse og mørke perioder. Intensitetsvariationerne mellem de lyse og mørke perioder demonstrerer elektronens tilfældige kvantespring i et enkelt atom, og de afspejler de mikroskopiske processer i et kraftigt signal med mange tusinde registrerede fotoner per sekund.

Signaler, hvor lysintensiteten skifter brat mellem lav og høj intensitet, er lette at udlæse, og de benyttes i meget præcise atomure og i de mest følsomme præcisionsmålinger, der nogensinde er foretaget.

Fangede ioner er en af ideerne til kvantecomputing

Mange forskere beskæftiger sig i dag med konstruktionen af kvantecomputere, som benytter, at bølgefunktionen i en vis forstand beskriver kvantemekaniske partikler, som om de er flere steder på samme tid.

Koder man tal med mikroskopiske partikler, kan en computer, bygget på kvantefysikkens regler, derfor regne på flere tal på samme tid og ved en enkelt gennemregning løse svære matematiske problemer meget hurtigere end selv de kraftigste supercomputere.

Fangede ioner er en af de ideer til kvantecomputing, hvor den eksperimentelle forskning er nået længst, og hvor man har udført regneoperationer på tal op til 14 cifre i to-talsystemet.

At stoppe lys – og at starte det igen

Den danske fysiker Lene Vestergaard Hau blev uddannet ved Aarhus Universitet samme år som forfatteren til denne artikel, og hun er i dag professor ved Harvard University i USA. Lene Hau er kendt for sine forsøg med at nedbremse lyset i kolde, atomare gasser, så det bevæger sig med cyklehastighed eller går helt i stå.

Det er ikke så vanskeligt at stoppe en lysstråle. Det kan man gøre med et stykke papir, men i den proces bliver lyset enten absorberet eller reflekteret ud til alle sider, når vi ser den lysende prik på papiret.

Lysstrålens energi og information om dens farve og strålens retning gennem rummet går derved tabt, og det er ikke muligt at gendanne den oprindelige stråle igen.

Det samme sker, hvis man lyser ind i en gas af rigtig mange atomer, som har elektroner med energier, der passer til absorption af den indkommende stråles frekvens.

Gassen belyses med en anden frekvens

I stedet for blot at lyse ind i gassen, så hver foton absorberes, belyser Lene Hau i sit forsøg gassen med endnu en lysstråle ved en anden frekvens, så elektronen straks bliver ført videre til en tredje, mere stabil kvantetilstand.

Her bliver den helt passiv – som i de mørke intervaller i ionfældeforsøgene beskrevet ovenfor – indtil man med en ny lyspuls fører elektronen tilbage, så den på kommando udsender lys ved den oprindelige frekvens.

Einstein bekymrede sig for, at fotonens bølgeinformation i store dele af rummet går tabt, når en foton detekteres, og en enkelt elektron løsrives.

Fotonen er en udstrakt bølge

Det sker ikke i Lene Haus eksperiment: Fotonen er en udstrakt bølge, og dens absorption sker ikke ved et enkelt atom i gassen, men overalt på samme tid.

Skulle vi kigge efter, hvilket atom der har modtaget fotonens energi, vil et tilfældigt af atomerne give sig til kende, men lader vi være, forbliver bølgebeskrivelsen intakt, og alle atomer i gassen bidrager til at opbevare fotonbølgens energi, som derfor også kan udsendes igen senere, når elektronen løftes tilbage i den udstrålende tilstand.

I et avanceret eksperiment blev lysstrålerne arrangeret sådan, at atomet, der absorberer fotonen og dermed bliver parkeret i den mørke tilstand, også får et rekylspark fra lyset og derfor bevæger sig væk fra de andre atomer og endda helt ud af gassen og ind i en anden gas af identiske atomer.

Processen sker også her ikke kun for et enkelt atom, men på samme tid for et, et andet og et tredje … og når kontrollaseren herefter tændes og fører elektronen tilbage til den lysende tilstand, vil atomerne afgive deres energi tilbage til en lysstråle igen. Men i dette eksperiment bliver den altså udsendt fra et andet sted, end hvor den blev absorberet.

En teori med højt til loftet

Kvantemekanikken er på vej mod sit 100-årsjubilæum. Den giver en effektiv og eksakt beskrivelse, og den finder til stadighed nye anvendelser inden for fysik og kemi og i de seneste år også inden for biologi, medicin, matematik og datalogi.

Den danske fysiker Niels Bohr, som var en af de mest markante figurer ved tilblivelsen af kvantemekanikken og ved diskussionerne af dens betydning, sagde han engang:

»De, som ikke chokeres, når de første gang støder på kvantemekanikken, kan umuligt have forstået den.«

Der er højt til loftet i kvantemekanikken, og det er bemærkelsesværdigt, at forskere, der er rørende enige i kvantemekanikkens formalisme og anvendelse, stadig strides om, hvad der egentligt foregår i den mikroskopiske verden.