100 år med kvantefysikk

Ragnar Fjelland, Johannes M Hansteen og Ladislav Kocbach

Lørdag 26. mai kl. 10 arranger Fysisk institutt og Senter for vitenskapsteori, Universitetet i Bergen, et åpent møte i auditoriet ved Bryggens museum i anledning av kvantefysikkens hundreårsjubileum. Denne kronikken skisserer kvantefysikkens historie og diskuterer noen av de filosofiske konsekvensene av teorien. Ragnar Fjelland er professor ved Senter for vitenskapsteori, og Johannes M. Hansteen og Ladislav Kocbach er professorer ved Fysisk institutt.

For noen år siden ga vitenskapsjournalisten John Horgan ut boken The End of Science. Han hevdet at det ikke ville bli flere store vitenskapelige oppdagelser på linje med Einsteins releativitetsteori og oppdagelsen av DNA-molekylets struktur. Boken ble en bestselger, men Horgan ble kritisert for å være "anti-vitenskapelig". Kritikken førte til at han mistet stillingen i Scientific American, hvor han hadde vært en vel ansett vitenskapsjournalist.

Det er interessant å merke seg at stort sett det samme ble sagt om fysikken på slutten av 1800-tallet. Det var da en utbredt oppfatning at innen fysikken var alle vesentlige oppdagelser gjort, og at det som gjensto var å fylle ut noen detaljer. Den berømte fysikeren Michelson sa i 1894 at "fremtidige sannheter vil finnes i sjette desimal". Men bare få år senere begynte den mest omfattende revolusjonen i fysikkens historie. Denne revolusjonen startet med kvantehypotesen, som i løpet av noen år forandret fysikkens grunnbegreper, og den nye kvantefysikken kom til å prege alle deler av fysikken. Det er derfor ikke tilfeldig at vitenskapsteoretikeren Thomas Kuhn, kjent for sin teori om vitenskapelige revolusjoner, har skrevet en egen bok om kvantefysikkens tilblivelse, Black-Body Theory and the Quantum Discontinuity, 1894-1912. Han betraktet selv
denne boken som sitt viktigste historiske arbeid.

Den kvantefysiske revolusjonen startet svært beskjedent, ved et forsøk på å løse et avgrenset problem. Den tyske fysikeren Max Planck arbeidet på slutten av 1800-tallet med strålingens fordeling over bølgelengder. For å forklare den målte fordelingen av lyset over bølgelengder, måtte han motvillig anta at strålingsenergien finnes i små veldefinerte porsjoner, kvanter. Dette skjedde i løpet av året 1900, og artikkelen hvor denne kvantehypotesen ble offentliggjort kom i begynnelsen av 1901.

I 1905 førte Albert Einstein kvantefysikken et langt skritt videre. Han forklarte den såkalte "fotoelektriske effekt" ved å anta at lyset består av såkalte lyskvanter, senere kalt fotoner. I 1913 fremsatte Niels Bohr sin atommodell, som innebærer at elektronene i et atom bare kan gå i bestemte baner, helt i tråd med Einsteins kvantehypotese. I 1924 antok den franske fysikeren de Broglie at materien, som for eksempel elektroner, kan betraktes som bølger. Dette motiverte Schrödinger til å sette frem den berømte likningen for materiebølger, som sammen med Heisenbergs bidrag, førte til utvikling av kvantemekanikken, med Heisenbergs uskarphetsrelasjoner og den iboende statistiske karakter av kvantemekanikkens forutsigelser. I formuleringen av kvantemekanikken spilte Niels Bohr en avgjørende rolle.

Kvantefysikkens eksperimenter og teorier førte til paradokser. Lyset, som tidligere ble betraktet som bølgebevegelse, oppviste typiske partikkelegenskaper. Materielle partikler, slik som elektroner, oppviste bølgegenskaper. Kan noe være både en bølge og en partikkel samtidig? Bohrs viktigste bidrag til kvanteteorien er å forklare tilsynelatende paradokser ved hjelp av sitt komplementaritetsbegrep. Denne ideen innebærer at vi må ha forskjellige perspektiver på virkeligheten, og noen av disse perspektivene kan ha aspekter som utelukker hverandre. Det betyr at det er umulig å redusere all beskrivelse av virkeligheten til bare ett grunnleggende perspektiv, som f.eks. at atomære objekter enten er partikler eller at de er bølger. Istedenfor krever den fulle beskrivelsen av observasjonen at begge perspektivene blir brukt, alt avhengig av hele situasjonen.

Ikke alle fysikere aksepterte Bohrs tolkning av kvantefysikken. De mest kjente skeptikerne var Einstein, Schrödinger og senere Bohm. I første omgang protesterte Einstein mot den statistiske karakteren av kvantemekanikken, ved sitt berømte utsagn ‘Vårherre spiller ikke med terninger’. Senere hevdet Einstein at kvantefysikken måtte være ufullstendig fordi den ikke forega å beskrive en virkelighet uavhengig av målesituasjonen. Imot dette hevdet Bohr at teorien var fullstendig, og at feilen var i Einsteins definisjon av virkelighet. Forskjellen  mellom Bohrs og Einsteins syn var av filosofisk og vitenskapsteoretisk art, det dreide seg om to forskjellige oppfatninger av virkeligheten og av krav som må stilles til en teori.

Selv om kvantefysikken nå er hundre år, er ikke alle implikasjoner utforsket. Et spennende eksempel er det fenomenet som på engelsk heter ’entanglement’, på norsk har man valgt ordet ’sammenfiltring’. To objekter som er i en sammenfiltret tilstand, selv om de er separert med vilkårlig stor avstand, vil oppvise korrelert oppførsel. Fenomenet ble først drøftet av Einstein, Podolsky og Rosen i 1935 for å vise kvantemekanikkens utilstrekkelighet. Schrödinger har samme år analysert det, ga det navnet ’entanglement’, og har utpekt det som kvantemekanikkens viktigste trekk. Den langvarige diskusjonen mellom Bohr og Einstein om dette problemet er berømt . Først de meget omtalte Aspect-eksperimentene i begynnelsen  av 1980-årene anses å ha endelig bekreftet Bohrs synspunkt.

I utgangspunktet trodde man at sammenfiltringen skjer på grunn av en vekselvirkning på et tidligere tidspunkt, men i det siste har man forstått og demonstrert at man kan sette i sammenfiltret tilstand to objekter som aldri har vært i kontakt med hverandre. I de seneste år har man faktisk arbeidet med anvendelser av dette fenomenet. Store deler av såkalt kvantekryptografi og forskningen om kvantedatamaskiner bygger på kontroll og isolasjon av objekter i sammenfiltrede tilstander. Fra å være gjenstand for filosofisk uenighet har kvantisk sammenfiltring blitt et mulig grunnlag for fremtidig teknologi.

Kvantefysikkens teknologiske anvendelser omgir oss i så stor grad at vi ikke lenger er oppmerksomme på dette. Man burde merke seg at laseren (for eksempel i Cd-spilleren), transistoren, mikroelektroniske komponenter og datamaskiner bygget av dem, antakelig ikke ville ha eksistert uten kvantefysikken. Helt sikkert kan man si dette om den medisinske MR-diagnostikken (anvendelsen av kjernemagnetisk resonans). Men har kvanteteorien interesse også utover fysikken og eventuelt teknologien? Det har blant annet vært hevdet at kvantemekanikken kan løse spørsmålet om menneskets frie vilje. Slike slutninger er uansvarlige. Analyser av misforståelser om observatørens rolle kan fylle hele bøker. Det har vært skrevet mye rart om kvantefysikken, og den har vært misbrukt til å legitimere til dels svært luftige spekulasjoner. Kanskje er den viktigste lærdom fra kvantefysikken hva vi ikke kan overføre fra fysikk til andre fagområder.

Vitenskapene i dette århundret har vært preget av en reduksjonistisk tendens. I henhold til et reduksjonistisk syn er sosiologi og psykologi egentlig bare biologi, og biologi er i siste instans fysikk. Bohrs komplementaritetsbegrep står i motsetning til dette. Selv insisterte Bohr på at fag som biologi og psykologi ikke kan reduseres til fysikk. Vi kan gjøre en organisme til gjenstand for fysikalske undersøkelser. Men jo mer detaljert vi går til verks, jo mer vil vi utelukke de egenskapene som kjennetegner organismen som organisme. Hvis vi ønsker å studere mennesket som et vesen med bevissthet, kan vi ikke bruke bare fysikkens begreper. Fysikken mister sin evne til å gi en utfyllende forståelse jo mer vi nærmer oss de trekk hos levende organismer som er knyttet til bevisstheten.


Added February 2006: you might be interested in this "science game" http://equal-opportunity-game.blogspot.com/. You are asked there to guess an outcome of a game, which is a natural law in disguise.