Kvantfysiken hundra år

ur DN Vetenskap

Max Planck var bekymrad. Han var på tyska fysikersamfundets möte i Berlin. Där la han motvilligt fram ett drastiskt antagande om hur ljus skickas från svarta, upphettade ytor.

-Det är en förtvivlad åtgärd. En sista utväg för att nå resultat, berättade Planck.

Plancks antagande var att ljus är uppdelat i små separata enheter – kvanta.

De samlade fysikerna trodde att de fick höra en teori som troligen kunde hjälpa till att mäta effektiviten hos den nyligen uppfunna glödlampan.

Man kan lugnt säga att ingen av de närvarande förstod att de just hade bevittnat kvantfysikens födelse.

För vad Planck åstadkom i Berlin den 14:e december år 1900 var grunden till en av de mest revolutionerande teorierna under det kommande århundradet. En teori som gav oss datorerna, atombomben och kartläggningen av de mänskliga generna. Idag kan vi se tillbaka på hundra år av forskning kring universums allra minsta beståndsdelar.

Det skulle ta Planck över tio år att acceptera konsekvenserna av sitt antagande. Han älskade klassisk fysik, den fysik som var baserad på uppfattningen att världen existerar utanför oss. Att våra sinnen tillåter oss att observera verkligheten sådan den verkligen är. Men med sitt drastiska antagande hade Planck skjutit den klassiska fysiken i sank för alltid.

Med den nya kunskapen behövdes en ny beskrivning av atomen. Den danske fysikern Niels Bohr ritade 1913 en atommodell som liknade atomens struktur med vårt solsystem. En kärna som solen och partiklar som cirklande planeter. Kvanta tolkade han som energin som frigjordes eller bands när planeter hoppade närmare eller längre bort från solen. Något som kunde inträffa när systemet belystes.

Vårt gamla universum förvandlades. Och den nya världen krävde nya räkneregler.

Det blev tysken Werner Heisenberg och österrikaren Erwin Schrödinger som slog fast räknereglerna för hur atomer och partiklar beter sig – kvantmekaniken.

Om kvantfysiken tidigare ansetts strida mot sunda förnuftet var det för de klassiska fysikerna en mild västanfläkt jämfört med konsekvenserna av Schrödinger och Heisenbergs ekvationer.

Till exempel är ljuset både partiklar och vågor. Ljusenheten fick namnet foton. Ibland beter sig fotonen som en våg. Ibland som en partikel. Heisenbergs osäkerhetsprincip sa att position och hastighet hos fotoner hörde ihop. Ju exaktare man mäter det ena desto mindre kan man veta om det andra.

Det var inte bara kvantfysikens motståndare som tyckte det hela var vansinnigt. Niels Bohr formulerade det så här:

-Den som inte blir chockad av kvantfysiken har inte begripit den.

För att visa kvantfysikens konsekvenser gjorde Schrödinger 1935 en legendarisk tankelek. Fysiker och särskilt kvantfysiker älskar tankelekar eftersom medelsvenssons sympati för partiklar och atomer är så mycket mindre än för exempelvis katter. Lämpligt nog var det just en katt som Shrödinger använde i sin tankelek.

Man lägger katten i en låda. I lådan läggs också en mekanism som slumpmässigt utlöser en giftig cyanidkapsel. Sedan stängs lådan. Från det ögonblicket vet man inte om katten lever eller om den är död. Alltså innehåller lådan möjligheten av en levande katt och möjligheten av en död katt. Och enda sättet att ta reda på hur katten mår är om man öppnar lådan och tittar efter.

Genom att öppna lådan riskerar man att katten går från kanske levande till definitivt död. Alltså kanske man dödar katten när man öppnar lådan.

Shrödinger tänkte sig detta som en illustration till hur partiklar, till exempel fotonen, fungerar. Hur den beter sig vet man först när man har mätt den. Att mäta fotonen är samma sak som att öppna lådan med katten. Det är att tvinga den att ta ställning. Är du död – eller?

En ständig kritiker av kvantfysiken var Albert Einstein. Han deltog i dess utveckling genom att förklara att belysta ytor blir varma eftersom ljus är energi – den fotoelektriska effekten. Efter det började han att leta fel i teorierna.

-Jag har lagt ner mer tankearbete på kvantfysiken än på relativiteten, har Einstein sagt.

I ett försök att visa på motsägelser inom kvantfysiken gjorde han och två kolleger en tankelek. De visade vad som skulle hända om man delade upp en sammansatt partikel i två separata och skickade dem åt olika håll. Eftersom summan av energin i universum tros vara konstant kommer partiklarna att snurra var sitt håll. Summan av snurrarna blir alltså noll. På kvantfysikspråk kallas partikelsnurren för spinn. Men det är inte förrän man mäter den som partikeln bestämmer sig för vilken snurr den har. Ungefär som att Schrödingers katt inte kan vara död förrän någon har öppnat lådan.

Och nu kommer det som Einstein hade så svårt att smälta. Säg att partiklarna är en miljard mil från varandra. Du mäter snurr på den ena. Då bestämmer den sig för hur den snurrar. Exakt samtidigt, menar kvantfysikerna, vet också den andra partikeln det, eftersom den då måste snurra åt motsatt håll. Alltså har information om snurren transporterats snabbare än ljuset mellan partiklarna. Men många av fysikens lagar bygger på att inget kan färdas snabbare än ljuset. Denna motsägelse kallas EPR-paradoxen. En intressant konsekvens av EPR-paradoxen är att två partiklar som en gång har haft med varandra att göra, för alltid kommer att veta exakt vad den andre gör. Som om hela universum hörde ihop på partikelnivå.

De amerikanska kvantfysikerna Hugh Everett III och John Wheeler var upphovsmän till mångvärldsteorin 1957. De menade att alla möjligheter inträffar. Det finns en Schrödingerkatt i var sitt universum. En är död. En är levande. Partikelsnurr åt ena hållet i ett universum. Åt andra hållet i ett annat.

Inspirationen till denna teori kom från Richard Feynman. Han var känd som en briljant nytänkare och lade grunden till en av kvantfysikens senaste projekt – kvantdatorn.

Dagens datorer använder ettor och nollor. En kvantdator skulle kunna använda sig av ett, noll och båda samtidigt. Precis som att katten i den stängda lådan är både död och levande. Det är inte mer än fem år sedan en amerikansk forskare visade att en kvantdator skulle kunna knäcka koder som dagens datorer går bet på. Men än så länge är det inte bevisat att

det är tekniskt möjligt att bygga en kvantdator. Det hindrar inte att experiment pågår med full kraft. 1999 gjorde japanen Nakamura lyckade försök med supraledare – ett material som leder ström helt utan motstånd. Han lyckades hålla ett litet kvantmekaniskt system stabilt så länge att det gick att styra.

Det största problemet med kvantdatorer i exempelvis supraledare hade dittills varit samma som för Schrödingers katt. I det ögonblick omgivningen påverkar systemet – som att öppna kattens låda – har man låst systemet vid antingen ett eller noll. Död katt eller levande katt. Och eftersom omgivningen ständigt påverkar med exempelvis temperaturskiftningar menar vissa forskare att bygget av en kvantdator är som att försöka lagra glass i helvetet.

Andra, mer optimistiska forskare, säger att kvantdatorn kommer att kunna göra fler uträkningar än det finns atomer i universum.

Ett annat påfund nära genombrott är kvantkryptot. Ju mer hemlig information som skickas genom fiberoptiska kablar, desto viktigare har det blivit att hitta på nya system för att slippa bli bestulen på information. Just nu är det hyfsat lätt att avlyssna en fiberkabel. Det är bara att stjäla lite ljus. Men med kvantkrypto blir avlyssning svårare. Det har nyligen blivit tekniskt möjligt att skicka en foton i taget genom fiberoptisk kabel. Professor W. E. Moerner vid Stanford publicerade för fyra månader sedan resultatet av experiment där han lyckats få molekyler att skicka iväg ensamma fotoner. Att sno sådant ljus från en kabel innebär att ta själva fotonen. Att bugga kvantkrypto är alltså som att stjäla en elefant från ZOO – det märks.

Nu när kvantfysiken lagt sina första hundra år bakom sig återstår en stor utmaning – att förklara gravitationen. Den rådande förklaringen, som ges av relativitetsteorin, är att gravitationen är en konsekvens av rymdkrökning. Om rymden vore ett uppspänt lakan och du släppte ned jorden mitt i så skulle lakanet krökas eller bukta. Ett äpple nedsläppt i seglet kommer nu att dras mot jorden. Släpp ned solen mitt i lakanet. Både äpplet och jorden kommer nu rulla mot solgropen.

Många fysiker drömmer om att kunna förena relativitetsteorin och kvantfysiken. En populär tes har varit supersträngteorin som beskriver partiklarna som tiodimensionella. Tyvärr har de övriga dimensionerna ännu inte kunnat påvisas. En annan fundering har lagts fram av samme John Wheeler som föreslog många världar. Han menar – förenklat – att Plancks teori om energi går att tillämpa på tid. Tid skulle då vara små separata enheter. Och på samma sätt som det är omöjligt att samtidigt bestämma både position och hastighet hos en partikel skulle det kanske vara omöjligt att samtidigt exakt bestämma tid och rum. Och ju exaktare vi mätte tiden – desto osäkrare skulle vi bli på var vi är någonstans.

Mitt i all denna osäkerhet är en sak säker. Hade den konservative Planck lyssnat till det råd han fick av sin fysiklärare år 1874 så hade världen sett annorlunda ut. Rådet löd:

-Ägna dig inte åt fysik, där finns knappt något kvar att upptäcka.

Kommentera

Vänligen logga in med någon av dessa metoder för att lägga till din kommentar:

WordPress.com Logo

Du kommenterar med ditt WordPress.com-konto. Logga ut / Ändra )

Twitter-bild

Du kommenterar med ditt Twitter-konto. Logga ut / Ändra )

Facebook-foto

Du kommenterar med ditt Facebook-konto. Logga ut / Ändra )

Google+ photo

Du kommenterar med ditt Google+-konto. Logga ut / Ändra )

Ansluter till %s