Eksperimentet, der for altid ændrede vores måde at tænke på virkeligheden på

Usikkerhedsprincippet siger, at man ikke kan kende visse egenskaber ved et kvantesystem på samme tid. For eksempel kan man ikke på samme tid kende en partikels position og dens impuls. Men hvad betyder det om virkeligheden? Hvis vi kunne kigge bag kvanteteoriens gardiner, ville vi så opdage, at objekter virkelig har veldefinerede positioner og impulser? Eller betyder usikkerhedsprincippet, at objekter på et grundlæggende niveau bare ikke kan have en klar position og impuls på samme tid. Med andre ord, er det sløret i vores teori, eller er det i selve virkeligheden?

Se mere

Fælde 1: Slørede briller, klar virkelighed

Den første mulighed er, at det at bruge kvantemekanikken er som at bære slørede briller. Hvis vi på en eller anden måde kunne løfte disse briller af og kigge bag kulisserne på den fundamentale virkelighed, så må en partikel naturligvis have en bestemt position og et bestemt momentum. Det er trods alt en ting i vores univers, og universet må vide, hvor den er, og hvilken vej den går, selv om vi ikke ved det. Ifølge dette synspunkt er kvantemekanikken ikke en fuldstændig beskrivelse af virkeligheden – vi undersøger naturens finhed med et stumpt værktøj, og derfor er vi nødt til at overse nogle af detaljerne.

Dette passer med, hvordan alt andet i vores verden fungerer. Når jeg tager mine sko af, og du ser, at jeg har røde sokker på, går du ikke ud fra, at mine sokker var i en tilstand af ubestemt farve, før vi observerede dem, med en vis chance for, at de kunne have været blå, grønne, gule eller lyserøde. Det er vanvittig snak. I stedet antager du (korrekt), at mine sokker altid har været røde. Så hvorfor skulle en partikel være anderledes? Tingenes egenskaber i naturen må vel eksistere uafhængigt af, om vi måler dem, ikke sandt?

Fælde 2: Klare briller, sløret virkelighed

På den anden side kunne det være, at vores briller er helt klare, men at virkeligheden er sløret. Ifølge dette synspunkt er kvantemekanikken en fuldstændig beskrivelse af virkeligheden på dette niveau, og tingene i universet har bare ikke en bestemt position og et bestemt momentum. Det er det synspunkt, som de fleste kvantefysikere tilslutter sig. Det er ikke fordi værktøjerne er stumme, men fordi virkeligheden i sagens natur er tåget. I modsætning til tilfældet med mine røde sokker har en partikel, når man måler, hvor den befinder sig, ikke haft en bestemt position, før man har målt den. Den handling at måle dens position tvang den til at have en bestemt position.

Nu tænker du måske, at dette er et af disse “hvis et træ falder i skoven”-typer af metafysiske spørgsmål, som aldrig kan få et endeligt svar. Men i modsætning til de fleste filosofiske spørgsmål er der et faktisk eksperiment, som du kan udføre for at afgøre denne debat. Desuden er eksperimentet blevet udført mange gange. Efter min mening er dette en af de mest undervurderede idéer i vores populære forståelse af fysik. Eksperimentet er ret simpelt og enormt dybtgående, fordi det fortæller os noget dybt og overraskende om virkelighedens natur.

Her er opsætningen. Der er en lyskilde i midten af rummet. Hvert minut, på minuttet, sender den to fotoner ud, i modsatte retninger. Disse par af fotoner skabes i en særlig tilstand kendt som kvanteforvikling. Det betyder, at de begge er forbundet på en kvantemæssig måde – så hvis man foretager en måling på den ene foton, ændrer man ikke bare kvantetilstanden for denne foton, men ændrer også straks kvantetilstanden for den anden foton.

Er du med mig indtil videre?

Til venstre og til højre i dette rum står to identiske kasser, der er beregnet til at modtage fotonerne. Hver kasse har en lampe på den. Hvert minut, når fotonen rammer kassen, blinker lyset i en af to farver, enten rød eller grøn. Fra minut til minut synes lysets farve at være helt tilfældig – nogle gange er det rødt, andre gange grønt, uden noget klart mønster på den ene eller anden måde. Hvis du stikker din hånd ind i fotonens bane, blinker pæren ikke. Det ser ud til, at denne kasse registrerer en eller anden egenskab ved fotonen.

Så når man ser på en hvilken som helst kasse, blinker den med et rødt eller grønt lys, helt tilfældigt. Man kan gætte på, hvilken farve den vil blinke næste gang. Men her er det virkelig mærkelige: Når den ene kasse blinker i en bestemt farve, vil den anden kasse altid blinke i samme farve. Uanset hvor langt væk man forsøger at flytte kasserne fra detektoren, de kunne endda være i modsatte ender af vores solsystem, vil de uvægerligt blinke med samme farve.

Det er næsten som om disse kasser konspirerer for at give det samme resultat. Hvordan er det muligt? (Hvis du har din egen yndlingsteori om, hvordan disse kasser fungerer, så hold fast i den, og om lidt vil du kunne afprøve din idé ved hjælp af et eksperiment.)

“Aha!” siger kvanteentusiasten. “Jeg kan forklare, hvad der sker her. Hver gang en foton rammer en af kasserne, måler kassen dens kvantetilstand, som den rapporterer ved at blinke enten med et rødt eller et grønt lys. Men de to fotoner er bundet sammen af kvanteforvikling, så når vi måler, at den ene foton er i den røde tilstand (lad os sige), har vi tvunget den anden foton ind i den samme tilstand også! Det er derfor, at de to kasser altid blinker i samme farve.”

“Vent lige lidt,” siger den prosaiske klassiske fysiker. “Partikler er som billardkugler, ikke voodooedukker. Det er absurd, at en måling i et hjørne af rummet øjeblikkeligt kan påvirke noget et helt andet sted i et helt andet sted. Når jeg observerer, at en af mine sokker er rød, ændrer det ikke straks tilstanden af min anden sok og tvinger den til også at være rød. Den mere enkle forklaring er, at fotonerne i dette eksperiment, ligesom sokkerne, skabes parvis. Nogle gange er de begge i den røde tilstand, andre gange er de begge i den grønne tilstand. Disse kasser måler blot denne ‘skjulte tilstand’ hos fotonerne.”

Det eksperiment og det ræsonnement, der er beskrevet her, er en version af et tankeeksperiment, der først blev formuleret af Einstein, Podolsky og Rosen, og som er kendt som EPR-eksperimentet. Kernen i deres argument er, at det virker absurd, at en måling et sted umiddelbart kan påvirke en måling et helt andet sted. Den mere logiske forklaring er, at kasserne registrerer en skjult egenskab, som begge fotoner har til fælles. Fra det øjeblik, hvor de blev skabt, kan disse fotoner bære et skjult stempel, som et pas, der identificerer dem som værende enten i den røde eller den grønne tilstand. Kasserne må så registrere dette stempel. Einstein, Podolsky og Rosen hævdede, at den tilfældighed, som vi observerer i disse eksperimenter, er en egenskab ved vores ufuldstændige naturteori. Ifølge dem er det vores briller, der er slørede. I fagsprog er denne idé kendt som en teori om skjulte variabler i virkeligheden.

Det ser ud til, at den klassiske fysiker har vundet denne runde med en forklaring, der er enklere og giver mere mening.

Den næste dag ankommer et nyt par kasser med posten. Den nye version af æsken har tre døre indbygget i den. Du kan kun åbne én dør ad gangen. Bag hver dør er der et lys, og ligesom før kan hvert lys lyse rødt eller grønt.

De to fysikere leger rundt med de nye kasser, fanger fotoner og ser, hvad der sker, når de åbner dørene. Efter et par timers fiflen er det her, hvad de finder:

1. Hvis de åbner den samme dør på begge kasser, blinker lyset altid i samme farve.

2. Hvis de åbner dørene på de to kasser tilfældigt, blinker lyset i præcis samme farve præcis halvdelen af tiden.

Efter lidt eftertanke finder den klassiske fysiker frem til en simpel forklaring på dette eksperiment. “I bund og grund er det her ikke meget anderledes end gårsdagens kasser. Her er en måde at tænke på det på. I stedet for kun at have et enkelt stempel, så lad os sige, at hvert par fotoner nu har tre stempler, lidt ligesom at have flere pas. Hver dør i kassen læser et andet af disse tre stempler. Så for eksempel kunne de tre stempler være rødt, grønt og rødt, hvilket betyder, at den første dør ville blinke rødt, den anden dør ville blinke grønt og den tredje dør ville blinke rødt.”

“Hvis vi følger denne idé, giver det mening, at når vi åbner den samme dør på begge kasser, får vi det samme farvede lys, fordi begge kasser aflæser det samme stempel. Men når vi åbner forskellige døre, læser kasserne forskellige stempler, så de kan give forskellige resultater.”

Og igen, den klassiske fysikers forklaring er ligetil og påberåber sig ikke nogen smarte begreber som kvanteforvikling eller usikkerhedsprincippet.

“Ikke så hurtigt,” siger kvantefysikeren, der lige er blevet færdig med at kradse en beregning på sin notesblok. “Da du og jeg åbnede dørene tilfældigt, opdagede vi, at i halvdelen af tiden blinker lysene i samme farve. Dette tal – en halvdel – stemmer nøjagtigt overens med kvantemekanikkens forudsigelser. Men ifølge dine idéer om ‘skjulte frimærker’ burde lysene blinke i samme farve mere end halvdelen af tiden!”

Kvantemekanikken har fat i noget her.

“Ifølge idéen om skjulte frimærker er der 8 mulige kombinationer af frimærker, som fotonerne kan have. Lad os kort sagt mærke dem med de første bogstaver i farverne, så RRG = rød rød rød grøn.”

RRG
RGR
GRR
GGR
GRG
RGG
RRR
GGG

“Når vi nu tilfældigt vælger døre, vil vi i en tredjedel af tilfældighederne vælge den samme dør, og når vi gør det, ser vi den samme farve.”

“De andre to tredjedele af tiden vælger vi forskellige døre. Lad os sige, at vi støder på fotoner med følgende stempelkonfiguration:”

RRG

“I en sådan konfiguration, hvis vi valgte dør 1 på den ene kasse og dør 2 på den anden, blinker lysene i samme farve (rød og rød). Men hvis vi valgte dør 1 og 3, eller dør 2 og 3, ville de blinke i forskellige farver (rød og grøn). Så i en tredjedel af disse tilfælde blinker kasserne i samme farve.”

“For at opsummere: I en tredjedel af tilfældene blinker kasserne i samme farve, fordi vi har valgt den samme dør. To tredjedele af tiden har vi valgt forskellige døre, og i en tredjedel af disse tilfælde blinker kasserne med samme farve.”

“Når man lægger dette sammen,”

⅓ + ⅔ ⅔ ⅓ = 3/9 + 2/9 = 5/9 = 55.55%

“Så 55,55% er oddsene for, at kasserne blinker i samme farve, når vi tilfældigt vælger to døre, i henhold til teorien om skjulte stempler.”

“Men vent! Vi har kun kigget på én mulighed – RRG. Hvad med de andre? Det kræver lidt eftertanke, men det er ikke så svært at vise, at matematikken er nøjagtig den samme i alle de følgende tilfælde:”

RRG
RGR
GRR
GRR
GGR
GRG
RGG

“Det efterlader kun to tilfælde:”

RRR
GGG

“I disse tilfælde får vi den samme farve, uanset hvilke døre vi vælger. Så det kan kun øge de samlede odds for, at de to kasser blinker med samme farve.”

“Pointen er, at ifølge ideen om skjulte frimærker er oddsene for, at begge kasser blinker med samme farve, når vi åbner dørene tilfældigt, mindst 55,55%. Men ifølge kvantemekanikken er svaret 50 %. Dataene stemmer overens med kvantemekanikken, og det udelukker teorien om ‘skjulte frimærker’.”

Hvis du er nået så langt, er det værd at standse op og tænke over det, vi lige har vist.

Vi har lige gennemgået argumentationen for et banebrydende resultat i kvantemekanikken, der er kendt som Bells sætning. De sorte kasser blinker ikke rigtig med rødt og grønt lys, men i de detaljer, der betyder noget, stemmer de overens med virkelige eksperimenter, der måler polariseringen af sammenfiltrede fotoner.

Bells sætning trækker en streg i sandet mellem den mærkelige kvanteverden og den velkendte klassiske verden, som vi kender og elsker. Det beviser, at teorier om skjulte variable som den slags teorier, Einstein og hans venner fandt på, simpelthen ikke er sande1. I stedet er kvantemekanikken komplet med dens partikler, der kan være sammenfiltrede over store afstande. Når man forstyrrer kvantetilstanden hos en af disse sammenfiltrede partikler, forstyrrer man øjeblikkeligt også den anden, uanset hvor i universet den befinder sig.

Det er betryggende at tænke, at vi kunne bortforklare kvantemekanikkens mærkværdigheder, hvis vi forestillede os hverdagspartikler med små usynlige tandhjul i sig eller usynlige frimærker eller en skjult notesbog eller noget – nogle skjulte variabler, som vi ikke har adgang til – og disse skjulte variabler gemmer den “virkelige” position og impuls og andre detaljer om partiklen. Det er betryggende at tænke på, at virkeligheden på et fundamentalt niveau opfører sig klassisk, og at vores ufuldstændige teori ikke giver os mulighed for at kigge ind i dette skjulte register. Men Bells teorem fratager os denne trøst. Virkeligheden er sløret, og det må vi bare vænne os til.

Footnotes

1. Teknisk set udelukker Bells sætning og det efterfølgende eksperiment en stor klasse af teorier om skjulte variable, der er kendt som lokale teorier om skjulte variable. Det er teorier, hvor de skjulte variable ikke bevæger sig hurtigere end lyset. Det udelukker ikke ikke-lokale teorier om skjulte variabler, hvor de skjulte variabler rejser hurtigere end lyset, og Bohmian mekanik er det mest vellykkede eksempel på en sådan teori.

Jeg stødte første gang på denne bokse-med-blinklys-forklaring af Bells sætning i Brian Greenes bog Fabric of the Cosmos. Denne pædagogiske version af Bells eksperiment går tilbage til fysikeren David Mermin, som fandt på det. Hvis du gerne vil have en smagsprøve på hans unikke og geniale måde at forklare fysik på, kan du købe et eksemplar af hans bog Boojums All the Way Through.

Homepage Image: NASA/Flickr