annonce
annonce
annonce

Verden kører på kvantemekanik

Der findes en virkelighed, hvor man kan gå igennem vægge og endda være to steder på én gang. Det kaldes kvantemekanik, og vores digitale hverdag afhænger af det.

Tilføj som favorit

Vi er vant til at forholde os til naturlovene. De beskriver, hvordan en fodbold kurver på sin vej gennem luften, og hvordan krusninger bevæger sig på en vandoverflade. Eller hvordan et æble falder fra et træ, hvilket efter sigende var det, der fik Isaac Newton til at udtænke sin teori om tyngdekraften. For ikke at tale om astronomiske ting som galakser, stjerner og planeters bevægelser. Men når vi kommer ned på det kvantemekaniske niveau, til universets mindste byggesten, er tingene ikke så oplagte.

Det er næsten umuligt at forestille sig, hvor mærkelige ting kan blive på kvanteniveau. Hvis disse bizarre love gjaldt os mennesker, kunne vi blive usynlige, bevæge os gennem solide objekter og være flere steder på én gang – og man kunne tilsyneladende gå tilbage i tiden og ændre på fortiden!

Det virker utroligt, men i løbet af de sidste firs år har man brugt kvantelovene til at lave beregninger af, hvordan atomer og partikler opfører sig. Og i eksperiment efter eksperiment har teorierne altid været korrekte. Massevis af bekræftende beviser for, at kvantemekanikken stemmer, og ikke ét eksperiment, der har bevist det modsatte.

Gådefuldt lys
Kvantemekanikken blev opdaget for omkring 100 år siden, da man havde problemer med at forklare nogle usædvanlige egenskaber hos lys, der blev udsendt, når en gas blev varmet op i et glasrør. Da forskerne observerede lyset gennem et prisme, så de, at det dannede tydelige linjer i forskellige farver, adskilt af mellemrum. Det, man skulle forvente, var en sammenhængende regnbue af farver, der gled jævnt over i hinanden. Det gav anledning til hovedbrud.

Helium_Spektrum
Her ser man det fragmenterede lysspektrum, i dette tilfælde fra helium.

Den danske fysiker Niels Bohr (1885-1962) kom til undsætning. Han fandt ud af, at løsningen lå på atomart niveau. Et atom er som et lille solsystem med endnu mindre partikler – elektroner – der kredser om en atomkerne. På samme måde, som planeterne kredser om Solen. Men i modsætning til Solsystemet er elektronernes baner fastlagt på forhånd, og kun visse baner er tilladt. Når et atom bliver overspændt, bliver elektronerne urolige og springer direkte fra én fastlagt bane til en anden. Ligesom hvis planeten Venus på et øjeblik sprang fra sin egen bane omkring Solen ud til Jordens bane.

Hvert spring indad mod kernen udløser energi i form af lys med meget specifikke bølgelængder. Det er grunden til, at forskellige atomer producerer deres egne, helt specifikke farver. Dette spring fra bane til bane er dét, vi kalder et kvantespring.

solsystem_atom
Et atom er som et lille solsystem, men her har elektronerne hver sin fastlagte bane. Et hop ind mod eller væk fra kernen kaldes et kvantespring.

Plottet spidser til
Men vi har kun lige skrabet overfladen af kvantemekanikkens mystiske verden. Man kan nemlig aldrig vide, hvor en partikel befinder sig på et givet tidspunkt. Et eksperiment kaldet dobbeltspalte-eksperimentet eksponerer kvantemekanikkens mysterier som ingen andre forsøg.

dobbeltspalte
Ret en lampe mod en dobbelt spalteåbning. I virkeligheden slynges fotoner mod spalten, hvilket danner et interferensmønster bagved.

Forestil dig en lettere modificeret bowlingbane. En skillevæg med to spalteåbninger ved siden af hinanden er sat op midt på banen, og de bowlingkugler, der rammer en af de to åbninger, kan rulle videre. I den bagerste ende af banen er der en ny væg med en indbygget detektor, som bowlingkuglerne rammer til sidst.

Efterhånden som man får kastet en masse bowlingkugler, vil man se to tydelige ansamlinger ved detektorvæggen bagved. De kugler, der passerer igennem den venstre spalte, danner et klyngemønster på venstre side af væggen, mens kuglerne til højre gør det samme på højre side af væggen. Ganske forudsigeligt.

Elektronerne er kastet
Dobbeltspalte-eksperimentet foregår på samme måde, men i stedet for bowlingkugler bruges subatomare partikler, f.eks. elektroner eller fotoner. Når de skydes mod de to spalteåbninger, sker der noget helt andet på den anden side. I stedet for at ende i to klynger bag hver sin åbning lander de ud over hele skærmen bagved i et mønster af lodrette striber. Også dér, hvor de burde være blokeret af stykket mellem skillevæggens to åbninger.

interferensmønster
En elektron opfører sig som bølger, når den skydes mod dobbeltspalte-åbningen, og danner et interferensmønster.

Dette stribemønster kaldes et interferensmønster og kan kun betyde én ting: Bølger. Men hvordan kan elektroner, som er partikler, danne et bølgemønster?

Ikke kigge
I 1920’erne troede fysikeren Erwin Schrödinger (1887-1961), at han havde svaret, og fremlagde et regnestykke, der så ud til at beskrive det. Han mente, at bølgen var en udvidet elektron, som var blevet “tværet ud” ved at blive sat i bevægelse.

Det viste sig dog ikke at stemme, da forskerne undersøgte, hvordan elektronerne opførte sig, når de gik igennem de to huller. Når man observerede åbningen, opførte elektronerne sig som partikler og dannede samme mønster på skærmen bagved som de tidligere beskrevne bowlingkugler. Men når forskerne ikke observerede åbningerne, dannede elektronerne et bølgemønster.

Altså: Når vi ikke kigger, opfører en elektron sig, som om den går igennem begge huller på én gang, dvs. som en bølge, men når vi kigger, går den altid igennem det ene eller det andet hul. Selve observation påvirker med andre ord udfaldet. Det er ikke helt til at forstå og virker nærmest umuligt.

Tilbage i tiden
Men det stopper ikke her. I de senere år har man kunnet udføre en mere højteknologisk version af eksperimentet. Her skydes elektroner ligesom før mod en barriere med to huller. Men forskerne kan nu forsinke deres beslutning om at observere elektronerne, til efter at de har passeret igennem hullerne, men før de rammer skærmen bagved. Som om man lukker øjnene, idet man kaster en bowlingkugle gennem en af spalteåbningerne, og åbner dem igen, når kuglen har passeret, men før den rammer skærmen bagved.

I det øjeblik man observerer elektronerne, har de nået at blive partikler og ikke bølger. Og når man står bag skillevæggen og kigger igennem hullerne, ser elektronerne ud, som om de har været partikler hele tiden – lige siden det øjeblik de blev affyret af partikelkanonen. Det er et ægte kvantemysterium: Observationen bestemmer elektronernes tidligere tilstand!

dobbeltspalte_lukkede_øyne
Når man ikke kigger, opfører elektronerne sig som bølger.

dobbeltspalte_åpne_øyne
Når man åbner øjnene, er elektronerne partikler.

dobbeltspalte_alltid_partikler
Kigger man igennem dobbeltspalten, ser det ud, som om elektronerne har været partikler hele tiden.

Rider på en bølge
Det viste sig, at den bølge, som danner interferensmønsteret, i virkeligheden var en sandsynlighedsbølge. At størrelsen på bølgen ved en given position forudsiger sandsynligheden for, at elektronen vil blive fundet netop dér: Der, hvor bølgen er stor, er ikke der, hvor størstedelen af elektronen er, men snarere der, hvor elektronen mest sandsynligt vil befinde sig.

Man skal altså ikke spørge: “Hvor er elektronen lige nu?” men i stedet: “Hvis jeg ser efter elektronen i dette lille område, hvad er så sandsynligheden for, at jeg vil finde den der?” Komplicerede sager.

Selv om man aldrig kan forudse, nøjagtig hvor en elektron vil lande, kan man bruge Schrödingers ligning til at finde elektronens sandsynlighedsbølge og dermed forudsige med stor sikkerhed, at hvis tilstrækkelig mange elektroner sendes af sted, så vil f.eks. 39,2 procent af dem ende her, 17,4 procent af dem dér, 4,1 procent derovre osv. Denne type prognose er blevet bekræftet igen og igen gennem eksperimenter.

Ligningerne inden for kvantemekanik har altså vist sig at være meget præcise, så længe man accepterer, at alt handler om sandsynlighed.

Kvanteroulette
Sandsynlighed betyder derimod ikke, at man er nødt til at gætte, hvilket kasinoerne i Las Vegas beviser på daglig basis. Lad os sige, at du satser 100 kroner på nr. 29 på roulettehjulet. Huset ved ikke, om du vinder i denne runde eller den næste eller den næste igen. Men det kender sandsynligheden for udfaldene. Så selv om du vinder nu og da, vil huset i det lange løb altid få mere ind, end det taber. Huset er nemlig ikke nødt til at kende udfaldet af hvert enkelt kortspil, terningeslag eller drej af roulettehjulet.

Kasinoer kan være helt sikre på, at over tid – med tusindvis af drej, kortgivninger og terningeslag – vil de vinde. Og de kan med stor nøjagtighed beregne hvor ofte. Ifølge kvantemekanikken er hele verden, ja hele universet et chancespil på samme måde som på et kasino.

Einsteins måne
Alt stof i universet består af atomer og subatomare partikler. Når de styres af sandsynlighed og ikke sikkerhed, må det betyde, at fundamentet for naturen styres på samme måde, hvilket går imod al menneskelig intuition og vil være svært for de fleste at acceptere.

einstein_by_iota_alpha-d6j0pvf
“Jeg vil gerne tro, at Månen er der, selv når jeg ikke kigger på den.” – Albert Einstein

Blandt dem, der nægtede at acceptere det, var Albert Einstein. Manden bag selve relativitetsteorien, som beskriver lysets hastighed og dens indflydelse på universet. Den teori, der i sin tid kastede lys over vores forståelse af tid og rum – og i øvrigt forklarede tyngdekraften langt mere præcist, end Isaac Newton havde kunnet nogle århundreder tidligere.

Einstein troede på sikkerhed. Som han sagde: “Jeg vil gerne tro, at Månen er der, selv når jeg ikke kigger på den.” Og om kasinoparallellen sagde han: “Gud spiller ikke med terninger.” Kvanteteoretikeren Niels Bohr svarede: “Lad være med at fortælle Gud, hvad han skal gøre.”

Einstein døde som skeptiker i 1955.

Bohr_Einstein
Einstein: “Gud spiller ikke med terninger.” Bohr: “Lad være med at fortælle Gud, hvad han skal gøre.”

Bizarre eksperimenter
Historien har vist, at Einstein tog fejl, og Bohr havde ret. Kvantemekanikken har bestået alle de prøver, der er blevet smidt efter den, og har desuden banet vej for en hel del bizarre udregninger, som alle enten er blevet bekræftet gennem forsøg eller endnu ikke har kunnet testes.

Som den teoretiske fysiker Allan Adams fra MIT siger: “Der er ingen uoverensstemmelse mellem kvantemekanikken og et hvilket som helst eksperiment, der nogensinde er lavet.”

Elektroniske elektroner
Og det skal vi være glade for. Takket være kvantemekanikken har forskerne kunnet lave matematiske ligninger, der igen er basis for udviklingen af de mikroskopiske omskiftere, som styrer den strøm af elektroner, der kontrollerer så godt som alle nutidens computere, digitalkameraer, smartphones og tablets.

Dioder og transistorer, der er med til at danne grundlag for informationsteknologien og det moderne liv, virker på grund af kvantemekanikken. Uden kvantemekanik ville vi sandsynligvis stadig have befundet os i 1800-tallet rent teknologisk. Tænk hvis vi stadig havde dampmaskiner og kommunikerede via telegraf!

telegraf
Hvis det ikke var for kvantemekanikken, ville vi stadig kommunikere telegrafisk.

Kvantetunnelsyn
Et eksempel er digital hukommelse, hvad enten det er i form af hukommelseskort, SSD-drev eller ram i en computer. Den kan slettes og omskrives takket være noget så mærkeligt som kvantetunnelering, hvor elektroner på “magisk” vis flyttes fra én sektor til en anden, selv om de er adskilt af en fysisk barriere.

kvantetunnelering
En elektron kan gå igennem en væg, idet den låner energi fra fremtiden, som den så betaler tilbage, når den er nået om på den anden side.

I den virkelige verden kan man kaste en bold mod en væg, og den bliver standset af væggen, medmindre man kan kaste meget hårdt. Men en elektron kan gå igennem væggen, selv om den som udgangspunkt ikke har energi nok. Det kaldes kvantetunnelering og kan lade sig gøre, ved at usikkerhedsprincippet i kvanteverdenen tillader en partikel at låne energi fra fremtiden (!), hvorefter den kan bryde barrieren og derefter betale energien tilbage, når den er nået om på den anden side af skillevæggen.

Eller sagt på en anden måde: Elektronen er på en måde allerede på den anden side af væggen, og derfor kan den gå igennem og vise sig på den anden side.

Kvantekludder
Galskaben vil tilsyneladende ingen ende tage, for vi ikke kan tale om kvantemekanik uden at nævne sammenfiltring. Det er det grundlæggende princip i kvantecomputeren, som man håber en dag bliver til virkelighed.

sammenfiltring
To sammenfiltrede partikler vil altid være i modsat position til hinanden – også selv om de skulle befinde sig på hver sin side af galaksen.

Hvis to partikler er sammenfiltret, vil det, der sker for den ene partikel, straks påvirke den anden. Når f.eks. to elektroner er sammenfiltret, vil deres rotation, position og andre egenskaber være lænket sammen gennem en proces, som vi endnu ikke kan forklare. Hvis man så måler den ene partikel, vil det med det samme bestemme adfærden for både den og dens sammenfiltrede partikel. Selv om den anden befinder sig på Månen.

Forestil dig to lykkehjul med kun røde og blå felter. Det ene hjul står i din stue, det andet på Månen. De står begge og snurrer i det uendelige, indtil du beslutter dig for at kigge på dit hjemlige lykkehjul. Idet du observerer, ser du, at dit lykkehjul er standset på rød. Så ved du med sikkerhed, at det på Månen er standset på blå. De bevæger sig desuden modsat hinanden – når det ene hjul drejer med uret, drejer det andet mod uret.

Alt dette indikerer, at information kan sendes øjeblikkeligt over flere lysår, altså meget hurtigere end lysets hastighed, fra én partikel til en anden. Einstein kaldte det “skummel handling over afstand” (spooky action at a distance) og troede ikke på det. Men det har vist sig at være sandt.

Håbet er, at kvantesammenfiltring i fremtiden kan bruges til at kommunikere øjeblikkeligt over lange afstande. Hvis man f.eks. vil sende astronauter til Mars, ville det være godt at slippe for de 15 minutters forsinkelse, som lyset har på sin vej mellem Jorden og Mars, hver gang man skal aflevere og modtage en besked.

D-Wave_innside
Indersiden af kvantecomputeren D-Wave.

KvanteOS
Men sammenfiltring kan også ændre den måde, computere arbejder på. I en såkaldt kvantecomputer er hver bit repræsenteret af et atom. På denne skala er det kvantelovene, der gælder. Bitværdierne er 0 og 1 ligesom i traditionelle computere, men i stedet for at skulle være enten 1 eller 0 kan disse kvantebit være både 1 og 0 på samme tid.

Det kaldes superposition og er det princip, der gør det muligt for en kvantecomputer at lave flere udregninger samtidig. Dermed slipper den f.eks. for at prøve sti efter sti ud af en labyrint; den prøver alle stierne samtidig og forkaster øjeblikkelig alle dem, der er forkerte. Men for at det kan fungere, skal disse kvantebit være synkroniseret, altså sammenfiltret.

Google har allerede bygget en kvantecomputer med 28 qubit (kvantebit) kaldet D-Wave. Forskerne bag har endnu ikke helt bevist, at computeren rent faktisk er en ægte kvantecomputer, men alle forsøg på at bevise, at den bruger traditionel databehandling, er blevet afkræftet.

Den kvantemekaniske virkelighed
Når vi nu ved, hvor usikker og mærkelig virkeligheden er på kvanteniveau, så er spørgsmålet: Hvor forsvinder denne “mærkelighed” hen, efterhånden som man bevæger sig op ad størrelsesskalaen? Partikler kan være to steder på én gang og i et uendeligt antal tilstande samtidig, så hvorfor er vi – der jo består af partikler og atomer – altid låst i en bestemt tilstand?

Nogle mener, at der mangler noget i matematikken. At nogle hidtil oversete detaljer vil forklare, hvordan tingene justerer sig, når man bevæger sig fra atomer til objekter i den “store” verden, så alle muligheder bortset fra én efterhånden forsvinder, og resultatet bliver et enkelt, definitivt udfald.

Andre fysikere mener, at de mærkelige kvante-egenskaber aldrig forsvinder. I stedet vil hvert eneste tænkelige udfald ske, men de sker i hver sit parallelle univers.

Parallelle_univers
Nogle mener, at alt, hvad der kan ske, også sker, men i paralleluniverser.

Uanset hvad sandheden er, så ved vi, at kvantelovene ikke kun beskriver de små ting. De beskriver selve virkeligheden. Og vi kan også prise os lykkelige for, at kvantemekanikken har gjort vores moderne digitale livsstil mulig.

Har du noget at tilføje?
Velkommen til Lyd & Billedes diskussionsforum. Vi vil gerne vide, hvad du mener. Hold dig til emnet og vær saglig, så slipper vi for at slette eller moderere indlæg. Andre spørgsmål eller synspunkter rettes til redaktion@lydogbillede.dk.

Skriv et svar

annonce

Læs også

Dyk med droner

Dyk med droner

Glem flyvende droner, undervandsdroner er sjovere.Tilføj som favorit
CES 2019: Hey Google

CES 2019: Hey Google

Med Google Assistant Connect vil søgemaskinegiganten styre hele dit smarte hjem.Tilføj som favorit
Tidal med studielyd på Android

Tidal med studielyd på Android

Nu kan du nyde musikken i studiekvalitet med MQA på mobilen. Foreløbig dog kun hvis du har en Android-telefon. MQA-understøttelse til iPhone kommer senere.Tilføj som favorit
CES 2019: Kvantecomputeren er her

CES 2019: Kvantecomputeren er her

IBM viste verdens første kommercielt tilgængelige kvantecomputer i Las Vegas.Tilføj som favorit
Microsoft-medstifter er død

Microsoft-medstifter er død

Paul Allen, der grundlagde Microsoft sammen med Bill Gates er død, 65 år.Tilføj som favorit
Derfor bliver Google Home det næste store

Derfor bliver Google Home det næste store

Elgiganten forventer at sælge en halv million Google Home i Norden allerede i fjerde kvartal.Tilføj som favorit
Google Smart TV Kit og ny Chromecast

Google Smart TV Kit og ny Chromecast

På forkanten af Googles arrangement den 9. oktober er et “Smart TV Kit” allerede blevet lækket.Tilføj som favorit
Sådan beskyttes dit privatliv hos Apple

Sådan beskyttes dit privatliv hos Apple

Se, hvad der gemmes om dig, ret fejl og slet dine oplysninger.Tilføj som favorit
annonce
Luk menu