Vi er vant til å forholde oss til naturlovene. De beskriver hvordan en fotball buer seg på sin ferd gjennom luften, og krusninger vandrer langs overflaten på et vann. Eller et eple som faller fra et tre, som etter sigende var det som fikk Isak Newton til å tenke ut sin teori om tyngdekraften. For ikke å snakke om bevegelsen til astronomiske ting som galakser, stjerner og planeter. Men når vi går ned på nivå med universets minste byggesteiner, er ikke ting så opplagt.
Det er nesten umulig å tenke seg hvor merkelig ting kan bli på kvantenivået. Hvis disse bisarre lovene gjaldt oss mennesker, ville vi kunne bli usynlige, bevege oss gjennom solide objekter, være flere steder på én gang – og man kunne tilsynelatende gå tilbake i tid og forandre fortiden! Det virker utrolig, men i løpet av de siste 80 årene har man brukt kvantelovene til å gjøre beregninger for hvordan atomer og partikler oppfører seg. Og i eksperiment etter eksperiment har lovene alltid vært korrekt. Milliarder av bekreftende bevis viser at kvantemekanikken stemmer. Ikke ett eksperiment har bevist det motsatte.
Lys skaper uro
Kvantemekanikken ble oppdaget for rundt 100 år siden, da man slet med å forklare noen uvanlige egenskaper hos lyset som ble avgitt, idet en gass ble varmet opp i et glassrør. Da forskere observerte lyset gjennom et prisme, så de at lyset dannet distinkte linjer av ulike farger, atskilt med mellomrom. Det normale ville være en sammenhengende regnbue av farger som gled jevnt over i hverandre. Dette ga grunn til hodebry.
Den danske fysikeren Niels Bohr kom til unnsetning. Han fant ut at løsningen lå på atomnivå. At et atom er som et lite solsystem, med enda mindre partikler – elektroner – som går i bane rundt en atomkjerne. På samme måte som planetene går i bane rundt solen. Men i motsetning til solsystemet, er elektronenes baner fastsatt på forhånd, og bare visse baner er tillatt. Når et atom blir overspent, blir elektronene urolige, og hopper direkte fra en fikset bane til en annen. Som om planeten Venus plutselig skulle hoppe fra sin egen bane rundt solen, ut til jordens bane, helt øyeblikkelig. Hvert hopp innover mot kjernen utløser energi i form av lys, med veldig spesifikke bølgelengder. Det er grunnen til at ulike atomer produserer hver sine helt spesifikke, distinkte farger. Dette spranget fra bane til bane er det vi kaller et kvantesprang.
Det blir merkeligere
Men vi har ennå ikke engang skrapet overflaten av kvantemekanikkens mystiske verden. Man kan nemlig aldri vite hvor en partikkel befinner seg til enhver tid. Et eksperiment kalt dobbeltspalte-eksperimentet eksponerer kvantemekanikkens mysterier som ingen andre eksperimenter.
Tenk deg en bowlingbane, bare noe modifisert. En skillevegg med to spalteåpninger ved siden av hverandre er satt opp på midten av banen, og ballene som treffer en av de to åpningene får rulle videre. I bakerste ende av banen er en ny vegg, med innebygd detektor, som ballene til slutt treffer. Etter hvert som du har bowlet mange baller, vil du se to distinkte samlinger på detektorveggen bak. Ballene som går gjennom den venstre spalten, danner et klasemønster på venstre side av veggen, mens de høyre ballene gjør det samme på høyre side av veggen. Ganske forutsigbart.
Elektronene slenges
Dobbeltspalte-eksperimentet foregår på samme måte, men i stedet for bowlingkuler brukes subatomiske partikler, for eksempel elektroner eller fotoner. Når disse skytes mot de to spalteåpningene, skjer noe veldig annerledes på den andre siden. I stedet for å havne i to klynger bak hver sin åpning, Lander de over hele skjermen bak, i et mønster av loddrette striper. Også der hvor de burde vært blokkert av midtpartiet mellom skilleveggens to åpninger.
Dette stripemønsteret er et interferensmønster, og kan bare bety én ting: bølger. Men hvordan kan elektroner, som er partikler, danne dette bølgemønsteret?
Utstrukket elektron
På 1920-tallet trodde fysiker Erwin Schrödinger at han hadde svaret, og presenterte et regnestykke som så ut til å beskrive det. Han trodde bølgen var et utvidet elektron, som hadde blitt smurt utover av å bli satt i bevegelse.
Dette viste seg å ikke stemme, når forskere studerte hvordan elektronene oppførte seg idet de gikk gjennom de to hullene. Når de observerte åpningene, oppførte elektronene seg som partikler, og dannet det samme mønsteret på skjermen bak som bowlingballene tidligere beskrevet. Men når forskerne ikke observerte, dannet elektronene bølgemønsteret.
Altså: Når vi ikke ser, oppfører et elektron seg som at det går gjennom begge hullene på én gang som en bølge, mens når vi ser, går det alltid gjennom det ene hullet eller det andre. Observasjon påvirker med andre ord utfallet den ene eller andre veien. Dette er nærmest utrolig, og virker umulig.
Påvirker fortiden
Men det stopper ikke der. I senere år har man kunnet utføre en mer høyteknologisk versjon av eksperimentet. Elektroner skytes som før mot en barriere med to hull. Men forskerne kan forsinke sin avgjørelse om å observere elektronene, inntil etter de har passert gjennom hullene, men før de treffer skjermen bak. Som om man lukker øynene i det man slenger en bowlingkule gjennom en av spalteåpningene, og åpner øynene igjen etter kulen har passert, men før den treffer skjermen bak.
I øyeblikket man observerer elektronene har de nå blitt partikler og ikke bølger. Og når man står på baksiden av skilleveggen og ser gjennom hullene, synes elektronene som de har vært partikler hele tiden – helt siden øyeblikket de ble avfyrt ut av partikkelkanonen. Snakk om et kvantemysterium: Observasjonen bestemmer den tidligere tilstanden til elektronet!
Sannsynlighet
Det viste seg etter hvert at bølgen som dannet interferensmønsteret i virkeligheten var en sannsynlighetsbølge. At størrelsen på bølgen ved enhver gitt posisjon spår sannsynligheten for at elektronet blir funnet der: Der hvor bølgen er stor, er ikke hvor mesteparten av elektronet er, men snarere der elektronet med størst sannsynlighet kommer til å befinne seg. Det er med andre ord ikke lov til å spørre: ”Hvor er elektronet akkurat nå?” I stedet må du spørre: ”Hvis jeg ser etter elektronet i dette lille området, hva er sannsynligheten for at jeg vil finne det der?” Snodige greier.
Selv om man aldri kan forutsette nøyaktig hvor et elektron vil lande, kan man bruke Schrödingers regnestykke for å finne elektronets sannsynlighetsbølge, og dermed forutse med stor sikkerhet, at hvis nok elektroner kastes, så vil for eksempel 39,2 prosent av dem ende opp her, 17,4 prosent av dem der, 4,1 prosent der borte, og så videre. Denne typen prognose har blitt bekreftet om og om igjen i eksperimenter. Ligningene innen kvantemekanikk har altså vist seg som uhyre nøyaktige, så lenge man aksepterer at alt dreier seg om sannsynlighet.
Som et kasino
Sannsynlighet betyr derimot ikke at du må gjette, noe kasinoene i Las Vegas beviser på daglig basis. Si du vedder 100 kroner på nr 29 på ruletten. Huset vet ikke om du vinner på denne runden eller neste, eller neste. Men det vet sannsynligheten for hva utfallet blir. Så selv om du vinner nå og da, vil huset i det lange løp alltid ta inn mer enn det taper. Huset er nemlig ikke nødt til å vite utfallet av et enkelt kortspill, terningkast eller snurr på ruletthjulet.
Kasinoene kan likevel være helt sikre på at over tid med tusenvis av spinn, kortutdelinger og terningkast, vil de vinne. Og de kan beregne med høy nøyaktighet nøyaktig hvor ofte. I følge kvantemekanikk er hele verden og universet et sjansespill på samme måte som et kasino.
Einstein ble opprørt
All materie i universet består av atomer og subatomiske partikler. Når disse styres av sannsynlighet og ikke sikkerhet, må det bety at fundamentet i naturen styres på samme måte, som går imot all menneskelig intuisjon, og som de fleste vil slite med å godta.
Blant de som nektet å godta det, var Albert Einstein. Mannen bak selve relativitetsteorien, som beskriver lysets hastighet og dets påvirkning på universet. Teorien som i sin tid lyste ny forståelse over tid og rom, og dessuten forklarte tyngdekraften på en langt mer presis måte enn hva Isak Newton noen hundre år tidligere hadde vært i stand til.
Einstein trodde på sikkerhet. Som han selv sa: ”Jeg liker å tro at månen er der, selv når jeg ikke ser på den.” Og om kasinoparallellen sa han: ”Gud kaster ikke terning.” Kvanteteoretiker Niels Bohr fnøs bare tilbake: ”Slutt å fortelle Gud hva han skal gjøre.”
Einstein døde som skeptiker i 1955.
Bekreftet gjennom eksperimenter
Historien har vist seg at Einstein tok feil, Bohr hadde rett. Kvantemekanikken har bestått alle prøvene den har fått slengt mot seg, og dessuten banet vei for en hel del bisarre beregninger, hvor alle enten har blitt bekreftet gjennom eksperimenter, eller ennå ikke har kunnet testes. Som teoretisk fysiker Allan Adams fra MIT sier: ”Det er ingen uoverensstemmelser mellom kvantemekanikk og ethvert eksperiment som noensinne har vært gjort.”
Dikterer vår teknologi
Og det skal vi være glade for. Takket være kvantemekanikken har forskere kunnet utvikle matematiske ligninger, som igjen brukes som basis i utviklingen av mikroskopiske brytere som styrer strømmen av små elektroner, og som kontrollerer så godt som alt av dagens datamaskiner, digitalkameraer, smartmobiler og nettbrett. Dioder og transistorer, som er med å forme basisen av informasjonsteknologi og det moderne livet, virker på grunn av kvantemekanikk. Uten kvantemekanikk ville vi sannsynligvis vært tilbake i 1800-tallet teknologisk sett. Tenk, vi kunne fortsatt hatt dampmotorer og kommunisert via telegrafen!
Kvantetunnellering
Et eksempel er digitalt minne, enten det er i form av minnekort SSD-harddisk eller RAM i en datamaskin. Dette kan slettes og omskrives takket være noe så merkelig som kvantetunnellering, hvor elektroner på magisk vis flyttes fra en sektor til en annen, selv om de er atskilt med en fysisk barriere.
I den virkelige verden kan du kaste en ball mot en vegg, og den stanses av veggen hvis du ikke kaster hardt nok. Men et elektron kan gå gjennom likevel, selv om det ikke har nok energi i utgangspunktet. Dette kalles kvantetunnellering, og er mulig ved at usikkerhetsprinsippet i kvanteverdenen tillater en partikkel å låne energi fra fremtiden(!), hvorpå den kan bryte barrieren, for så å betale tilbake energien etter den har nådd andre siden av skilleveggen. Eller sagt på en annen måte: Elektronet ER allerede på den andre siden av veggen, og derfor kan det gå igjennom og vise seg på den andre siden.
Kvantesammenfiltring
Galskapen vill visst ingen ende ta, for vi kan ikke snakke om kvantemekanikk uten å ta opp sammenfiltring. Det er dette som er grunnprinsippet for kvantedatamaskinen, som man håper en dag blir virkelighet.
Hvis to partikler er sammenfiltret, vil det som skjer den ene partikkelen umiddelbart påvirke den andre. Når for eksempel to elektroner er sammenfiltret, vil deres spinn, posisjon og andre egenskaper være lenket, gjennom en prosess man ennå ikke kan forklare. Hvis du så måler den ene partikkelen, vil det umiddelbart bestemme oppførselen til både denne og dens sammenfiltrede partikkel. Selv om den andre partikkelen er på månen.
Tenk deg to lykkehjul med bare røde og blå felt. Det ene hjulet står i stua di, det andre på månen. De står begge og spinner uendelig, inntil du bestemmer deg for å se på ditt lykkehjul. Idet du observerer, ser du at ditt lykkehjul har stanset på rødt. Da vet du med sikkerhet at det på månen har stanset på blått. De beveger seg dessuten motsatt av hverandre; når det ene hjulet spinner med klokken, vil det andre spinne mot klokken.
Dette indikerer at informasjon kan sendes umiddelbart over flere lysår, altså mye raskere enn lysets hastighet, fra en partikkel til en annen. Einstein kalte dette ”skummel handling over avstand” og trodde ikke på det. Men det har vist seg å stemme.
Håpet er at kvantesammenfiltring i fremtiden kan brukes for å kommunisere umiddelbart over lange avstander. For eksempel, skal man sende astronauter til mars, ville det vært herlig å slippe de 15 minuttene med forsinkelse hver gang man skal avlevere og høre en beskjed, grunnet tiden lyset bruker på sin ferd mellom jorden og mars.
Kvantedatamaskin
Men sammenfiltring kan også forvandle hvordan datamaskiner jobber på. I en såkalt kvantedatamaskin er hver bit representert av et atom. På denne skalaen er det kvantelovene som gjelder. Bitverdiene er 0 og 1 som i tradisjonelle datamaskiner, men i stedet for å måtte være enten 1 eller 0, kan kvantebitene være både 1 og 0 samtidig. Dette kalles superposisjon, og er prinsippet som gjør at en kvantedatamaskin kan gjøre flere utregninger samtidig. Dermed slipper den å prøve løype etter løype ut av en labyrint; den prøver alle løypene samtidig, og forkaster umiddelbart alle som er feil. Men for å kunne fungere, må kvantebitene synkroniseres ved at de sammenfiltreres.
Allerede har Google bygget en kvantedatamaskin med 28 qbits (kvantebits) kalt D-Wave. Forskerne bak har ennå ikke fullt bevist at datamaskinen faktisk er en ekte kvantedatamaskin, men alle forsøk som er gjort for å vise at den bruker tradisjonell databehandling, har vært avkreftet.
Kvantemekanikk forteller oss om verden
Når vi vet hvor usikker og merkelig virkeligheten er på kvantenivå, er spørsmålet: hvor forsvinner denne snodigheten etter hvert som man kommer utover på størrelsesskalaen? Partikler kan være to steder på en gang, og i et uendelig antall tilstander samtidig, så hvorfor og hvordan er vi, som jo er laget av partikler og atomer, alltid låst i en fastsatt tilstand? Noen mener noe mangler i matematikken. At noen hittil manglende detaljer vil forklare hvordan ting justerer seg idet man beveger seg opp i størrelse fra atomer til objekter i den store verden. Til slutt blir det klart at alle bortsett fra én mulighet forsvinner, og resultatet blir et enkelt, definitivt utfall.
Andre fysikere mener at de merkelige kvanteegenskapene aldri forsvinner. I stedet vil hvert eneste tenkelige utfall skje, men at alle skjer i hvert sitt parallelle univers.
Uansett hva som er sannheten, vet vi at kvantelovene ikke bare forteller oss om små ting. De forteller oss om virkeligheten. Og vi kan dessuten prise oss takknemlige for at kvantemekanikken har gjort vår moderne, digitale hverdag mulig.
