Tendenser
i fysik:
Kvantefilosofi
Nye eksperimenter - virkelige og tænkte - undersøger
det surrealistiske kvanteområde endnu dybere.
John Horgan
· Indledning
· Synske fotoner
· Spøgelsesagtig virkning
· Overlejrede filosoffer
· Ortodoksi under angreb
· Den fra bit
· Breve til redaktørerne
I det gamle Grækenland forsøgte Platon at tænke
og tale sig til sandheden i udstrakte dialoger med sine disciple. I dag
arbejder fysikere som Leonard Mandel fra University of Rochester på en noget
anden facon. Han og hans studerende, som sandsynligvis bærer T-shirts og
lasersikre briller i stedet for kåber og sandaler, tilbringer utallige timer
bøjet over et stort metalbord, hvor de prøver at rette en laser ind mod et
indviklet netværk af spejle, linser, stråledelere og lysdetektorer.
Alligevel er de spørgsmål, de beskæftiger sig med,
ikke mindre ophøjede end dem, Platon spekulerede over på sin græsklædte eng.
Hvor går grænsen for menneskelig viden? Formes den fysiske verden i en eller
anden forstand af vor perception af den? Er der et element af tilfældighed i
universet eller er alle begivenheder forudbestemte?
Mandel, som hælder mod underdrivelse, tilbyder en
mere beskeden beskrivelse af sin opgave. "Vi prøver at forstå
kvantemekanikkens konsekvenser," siger han. "Emnet er meget
gammelt, men vi lærer stadig".
Det er faktisk næsten et århundrede siden Max Planck foreslog, at elektromagnetisk stråling
kommer i ordnede bundter af energi, som kaldes kvanter. Med denne spinkle
antagelse som grundlag har videnskabsfolkene rejst den allermest sucessfyldte
teori i videnskabens historie. Udover at have frembragt teorier for alle
naturens fundamentale kræfter, undtaget tyngdekraften, har kvantemekanikken
gjort rede for så adskilte fænomener som stjernernes skin og den periodiske
tabels rækkefølge. Fra den er der opstået teknologier, der rækker fra
atomreaktorer til lasere.
Alligevel har kvanteteorien foruroligende
konsekvenser. For at nævne én: den rystede de traditionelle opfattelser af
kausalitet. Den elegante ligning, som blev angivet af Erwin Shrödinger i 1926 til beskrivelse af
kvantebegivenheders gang, gav ikke visheder, som newtonsk mekanik gjorde, men
kun en svingende bølge af muligheder. Werner
Heisenbergs ubestemthedsprincip viste derefter, at
vor viden om naturen er fundamentalt begrænset - så snart vi griber en del,
smutter en anden mellem vore fingre.
Kvantefysikkens grundlæggere kæmpede med disse
spørgsmål. Albert Einstein, som i 1905 viste
hvordan Plancks elektromagnetiske kvanter, nu kaldet fotoner, kunne forklare
den fotoelektriske effekt ( hvori lys, som rammer en metaloverflade,
fremkalder en elektrisk strøm), insisterede senere på, at en mere detaljeret,
helt deterministisk, teori måtte ligge under kvantemekanikkens lunefuldhed.
Mens han argumenterede "Gud spiller ikke med terninger",
konstruerede han fantasifulde "tanke" eksperimenter for at demonstrere
teoriens "ufornuft". Teoriens forsvarere, som Niels Bohr, fastlog, bevæbnet med deres egne
tankeeksperimenter, at Einsteins indvendinger afspejlede et forældet syn på
virkeligheden. Det er ikke videnskabsfolks job "at fortælle Gud hvordan
han skal drive verden", irettesatte Bohr sin ven.
Indtil fornylig har den fremherskende indstilling
blandt fysikere været nyttebetonet: hvis teorien kan forudsige en dopet
gallium arsenid halvleders opførsel, hvorfor så bekymre sig om dens epistemologiske
konsekvenser? I det sidste årti har et stigende antal forskere imidlertid
undersøgt de spøgelsesagtige grundlag for deres fag. Ny teknologier, af
hvilke nogle er baseret på selve de kvantefænomener de afprøver, har gjort
det muligt for forskerne at udføre eksperimenter, som Einstein og Bohr kun
kunne forestille sig. Disse resultater har derefter inspireret teoretikere
til at opfinde endnu mere udfordrende - og sommetider bizarre -
eksperimenter.
Kvante sandheds-søgernes mål er ikke at bygge
hurtigere computere eller kommunikationsudstyr - skønt det kunne blive
resultatet af deres forskning. Og få af dem forventer at
"modbevise" en teori, der er blevet bekræftet i utallige
eksperimenter. I stedet er deres mål at blotlægge kvanteområdets mærkelige
virkelighed. "For mig er hovedformålet at vise folk, hvor mærkelig
kvantefysik er", siger Anton Zeilinger
fra Universitetet i Innsbruck, som både er teoretiker og eksperimentator. [Se
Kvantesyn i Mørket]. "De fleste fysikere er
meget naive; de fleste tror stadig på virkelige bølger eller partikler".
Indtil videre bekræfter eksperimenterne Einsteins
værste anelser. Fotoner, neutroner og selv hele atomer opfører sig sommetider
som bølger og sommetider som partikler, men de har faktisk ingen bestemt form
før de bliver målt. Når målingerne én gang er udført, kan de også slettes og
dermed ændre resultatet af en måling, som allerede har fundet sted. En måling
på en kvanteenhed kan øjeblikkeligt øve indflydelse på en anden langt væk.
Denne mærkelige opførsel kan finde sted ikke bare i det mikroskopiske område
men også i genstande, som er store nok til at kunne ses med det blotte øje.
Disse resultater har givet anledning til en
genoplivet interesse for kvantemekanikkens "fortolkning", som
prøver at placere den i fornuftige rammer. Men de nuværende fortolkninger
forekommer alt andet end fornuftige. Nogen medfører mængder af universer.
Andre kræver tro på en logik, som tillader to modstridende erklæringer at
være sande. "Einstein sagde, at hvis kvantemekanikken er korrekt, så er
verden tosset", siger Daniel Greenberger, teoretiker på City College i
New York. "Tja, Einstein havde ret, verden er tosset".
Den grundlæggende årsag til denne sindssyge er
kvantefænomenernes skizofrene personlighed, det ene øjeblik optræder de som
bølger og det næste som partikler. Mysteriet om partikel-bølge dualiteten er
gammelt, i hvert fald når det drejer sig om lys. En autoritet som Newton foreslog, at lys bestod af
"korpuskler", men et klassisk eksperiment, udført af Thomas Young i
det tidlige 18. århundrede, overbeviste de fleste videnskabsfolk om, at lys
essentielt var bølgeagtigt.
Young sigtede med en lysstråle på en plade, som havde
to snævre spalter, og belyste dermed en skærm på den anden side. Hvis lyset
bestod af partikler, skulle der kun være dukket to smalle linier op på
skærmen. I stedet dannedes der en serie linier. Linierne kunne kun forklares
ved at antage, at lyset udbredte sig som bølger, der deltes i småbølger af
to-spalte apparatet. Mønstret på skærmen dannedes af overlapningen eller
interferensen af de små bølgepar. Skærmen var lys, hvor toppene faldt sammen
og mørk, hvor toppe mødte dale og derved udlignede hinanden.
Men mere nutidige to-spalte eksperimenter antyder, at
Newton også havde ret. Moderne fotodetektorer (som udnytter den
fotoelektriske effekt, der blev forklaret af Einstein) kan vise individuelle
elektroner, som rammer ind i skærmen bag spalterne på et bestemt sted til et
bestemt tidspunkt - nøjagtig som partikler. Men efterhånden som elektronerne
fortsætter med at ramme skærmen, dukker interferens mønstret gradvist frem,
et sikkert tegn på, at hver enkelt individuel elektron gik gennem begge
spalter ligesom en bølge.
Hvis forskeren ydermere enten lader en spalte være
åben af gangen eller flytter detektorerne tæt nok på de to spalter til at
kunne afgøre hvilken vej en foton gik, går fotonerne gennem enten den ene
eller den anden spalte og interferensmønstret forsvinder. Det ser ud til, at
fotoner opfører sig som bølger, så længe de får lov til at opføre sig som
bølger, udbredt i rummet uden nogen bestemt position. Men i det øjeblik,
nogen spørger om, hvor fotonerne er - ved at afgøre hvilken spalte, de gik
igennem eller ved at lade dem ramme en skærm - bliver de brat til partikler.
I virkeligheden er bølge-partikel
dualiteten endnu mere forbløffende end denne forklaring antyder, som John A. Wheeler fra Princeton Universitet
demonstrerede med et tankeeksperiment, han anviste i 1980. "Bohr plejede
at sige, at hvis man ikke blev forvirret af kvantefysik, så havde man ikke
rigtigt forstået den", bemærker Wheeler, som studerede under Bohr i 1930'erne
og gik hen og blev en af de mest eventyrlige udforskere af kvanteverdenen.
I to-spalte eksperimenterne tvinger fysikerens valg
af apparatur fotonen til at vælge mellem at gå gennem begge spalter, som en
bølge, eller kun én spalte, som en partikel. Men hvad ville der ske, spurgte
Wheeler, hvis forskeren på en eller anden måde kunne vente indtil efter lyset
havde passeret de to spalter, før han beslutter, hvordan han vil observere
det?
Fem år efter at Wheeler fremlagde det, han kaldte
forsinket-valg eksperimentet, blev det udført uafhængigt af grupper på
University of Maryland og München's Universitet. De sigtede med en
laserstråle, ikke på en plade med to spalter, men på en stråledeler (beam
splitter), et spejl dækket af lige nok sølv til at reflektere halvdelen af de
fotoner der ramte det og lade den anden halvdel gå igennem. Efter opdelingen
ved stråledeleren blev de to stråler ledt tilbage sammen af spejle og ledt
ind i en detektor.
Denne første opstilling gav ikke forskerne mulighed
for at sige, om en individuel foton var gået til højre eller venstre ved
stråledeleren. Derfor gik hver foton begge veje og delte sig i småbølger, som
til sidst interfererede med hinanden ved detektoren.
Så installerede forskerne et specialfremstillet
krystal, kaldet en Pockets celle, i midten af den ene rute. Når der blev
tilført elektrisk strøm til Pockets cellen, afbøjede den fotonerne til en
ekstra detektor. Ellers passerede fotonerne uhindret gennem cellen. En
tilfældigt-signal generator gjorde det muligt at tænde eller slukke for
cellen efter, at fotonen allerede havde passeret stråledeleren men før, den
nåede detektoren, som Wheeler havde specificeret.
Når Pockets cellen var tændt, opførte fotonen sig som
en partikel og bevægede sig ad den ene eller anden rute og anslog enten den
ekstra detektor eller den primære, men ikke dem begge samtidig. Hvis Pockets
cellen var slukket, fremkom et interferensmønster ved detektorerne ved
slutningen af begge ruter, dette viste, at fotonen havde bevæget sig ad begge
ruter.
For at understrege det skøre ved denne virkning peger Wheeler på, at astronomer kunne udføre et forsinket
valg eksperiment på lyset fra kvasarer, meget lysstærke, mystiske objekter
fundet nær universets kanter. I stedet for en stråledeler og spejle kræver
eksperimentet en tyngdekraftlinse, en galakse eller andet massivt objekt, som
deler lyset fra en kvasar og genfokuserer det i retning af en fjern
observatør og derved skaber to eller flere billeder af kvasaren.
Astronomens valg, af hvordan han vil observere fotonerne fra kvasaren her
i nutiden, bestemmer, hvorvidt hver enkelt foton gik begge veje eller kun en
vej rundt om tyngdekraftlinsen - for milliarder af år siden. Da de nærmede
sig den galaktiske stråledeler, må fotonerne have haft en slags forudanelse
til at fortælle dem, hvordan de skulle opføre sig for at tilfredsstille et
valg, som ville blive gjort af ufødte skabninger på en planet, der stadig
ikke eksisterede.
Fejltagelsen, der giver anledning til sådanne
spekulationer, forklarer Wheeler, er antagelsen om, at en foton havde en
eller anden fysisk tilstand, før astronomen observerede den. Enten var den en
bølge eller en partikel; enten gik den begge veje rundt om kvasaren eller kun
en vej. I virkeligheden, siger Wheeler, er kvantefænomener hverken bølger
eller partikler, men er grundlæggende udefinerede indtil det øjeblik de
bliver målt. På en måde havde den britiske filosof biskop George Berkeley
ret, da han for to århundreder siden forsikrede "at være er at blive
perciperet".
Da han gjorde sig betragtninger om kvantemekanik for
60 år siden, beklagede den britiske fysiker Sir
Arthur Eddington sig over, at teorien gav lige så meget mening som Lewis Carroll's digt "Jabberwocky",
hvori " Et slidigt gravben vridrede sig i brumringen på tidvis
plent". Uheldigvis er kvantemekanikkens jargon mindre livlig. En
uobserveret kvanteenhed siges at eksistere i en "kohærent superposition"
af alle mulige "tilstande", som er tilladt af dens
"bølgefunktion". Men så snart observatøren laver en måling, som kan
skelne mellem disse tilstande, "kollapser" bølgefunktionen og
enheden tvinges ind i en enkelt tilstand.
Men selv dette bevidst abstrakte sprog indeholder
nogle forvirrende betydninger. En er, at måling kræver direkte fysisk
indgriben. Fysikere forklarer ofte ubestemthedsprincippet på denne måde: når
man måler en kvanteenheds position, slår man den uundgåeligt ud af sin bane
og mister dermed information om dens retning og fase, den relative position
af toppe og dale.
De fleste eksperimenter involverer faktisk
påtrængende målinger. For eksempel, at blokere en eller anden rute eller at
nærme detektorer tæt på spalterne forstyrrer klart fotonens passage i
to-spalte eksperimenterne, det samme gør placeringen af en detektor i den ene
af forsinket-valg eksperimentets ruter. Men et eksperiment, som blev udført
sidste år af Mendel's hold på University of Rochester, viser, at en foton kan
tvinges til at skifte fra bølgeagtig til partikelagtig opførsel af noget, der
er meget mere blidt end direkte intervention.
Eksperimentet afhænger af en parametrisk
ned-omdanner, en usædvanlig linse, som deler en foton med en given energi til
to fotoner, hvis energi er halvt så stor. Skønt apparatet blev udviklet i
1960'erne, var Rochester gruppen de første, der brugte den i forsøg med
kvantemekanik. I eksperimentet affyrer en laser lys mod en stråledeler.
Reflekterede fotoner rettes mod én ned-omdanner og transmitterede fotoner går
til en anden ned-omdanner. Hver ned-omdanner deler enhver foton, der rammer
den, op i to fotoner med lavere frekvens, den ene kaldes signal og den anden
kaldes tomgang. De to ned-omdannere er opstillet sådan, at de to tomgangs
stråler samles til en enkelt stråle. Spejle styrer de overlappende tomgange
til en detektor og de to signal stråler til en separat detektor.(Se FIG.1
nedenfor).
Denne opstilling gør det ikke muligt for en
observatør at sige, hvilken vej nogen enkelt foton gik efter at have mødt
stråledeleren. Derfor går hver foton både til højre og venstre ved
stråledeleren, som en bølge, og passerer gennem begge ned-omdannere og
frembringer to signal småbølger og to tomgangs småbølger. Signal småbølgerne
frembringer et interferensmønster ved deres detektor. Mønstret fremkommer ved
gradvist at forlænge den afstand, som signalerne fra en ned-omdanner skal gå
for at komme til detektoren. Detektionsmængden stiger og falder så, når
toppene og dalene fra de interfererende småbølger forskyder sig i forhold til
hinanden, idet de går ud og ind af fase.
Nu kommer det mærkelige. Når signalfotonerne og
tomgangsfotonerne en gang er udsendt af ned-omdannerne, krydses deres veje
aldrig mere; de fortsætter til deres respektive detektorer uafhængigt af
hinanden. Ikke desto mindre sker der det, at hvis forskerne simpelthen
blokerer det ene sæt tomgangsfotoners vej, ødelægger de signalfotonernes
interferensmønster. Hvad har ændret sig?
Svaret er, at observatørens potentielle viden har
ændret sig. Han kan nu bestemme, hvilken rute signalfotonerne tog til deres
detektor ved at sammenligne deres ankomsttidspunkter med de resterende
ublokerede tomgange. Den oprindelige foton kan nu ikke længere gå begge veje
ved stråledeleren, som en bølge, men må enten reflekteres eller gå igennem,
som en partikel.
Sammenligningen af ankomsttider behøver ikke blive
aktuelt udført for at ødelægge interferensmønstret. Bare "truslen"
om at opnå information om hvilken vej fotonen gik, forklarer Mandel, tvinger
den til kun at gå én vej. "Kvantetilstanden afspejler ikke bare, hvad vi
ved om systemet, men hvad man i princippet kan vide", siger Mandel.
FIG.1. Information, snarere end
indgriben, ødelægger den bølgelignende opførsel i et eksperiment udført på
University of Rochester. En laser affyrer fotoner gennem et halvt-forsølvet
spejl, eller en stråledeler(beam-splitter), til to ned-omdannere, benævnt 1
og 2. Disse omdanner hver indkommende foton til to fotoner med lavere energi,
kaldet "signal" og "tomgang". Fordi signal detektoren
ikke kan afgøre, hvordan "signalerne" ankom, tager hver
"signal" begge ruter, som en bølge og skaber et interferensmønster
ved signal detektoren. Men mønstret kan ødelægges bare ved at blokere
tomgangene fra ned-omdanner 1 (den punkterede linie). Grunden er, at hver
"signals" rute nu kan bestemmes; samtidig detektion af en
"signal" og en "tomgang" viser, at de begge kom fra en
foton der blev reflekteret fra stråledeleren ind i ned-omdanner 2.
Kan truslen om at opnå belastende information, når den en gang er gjort,
trækkes tilbage? Med andre ord, er målinger reversible? Mange teoretikere,
herunder Bohr, mente det ikke, og udtrykket "bølgefunktionens
kollaps" genspejler denne opfattelse. Men siden 1983 har Marlan O. Scully, teoretiker ved University of
New Mexico, argumenteret for, at det burde være muligt at samle information
om et kvantesystems tilstand og derved ødelægge dets bølgelignende
egenskaber, for derefter at gendanne disse egenskaber ved at
"slette" informationen. [Se Materiens og
Lysets Dualitet].
Adskillige grupper, som arbejder med optisk
interferometri, inkluderende Mandel's, hævder, at have demonstreret det,
Scully har kaldt "kvante sletning". Den gruppe, der ifølge Scully
er kommet nærmest, ledes af Raymond Y. Chiao
fra University of California at Berkeley.
Tidligere i år ledte Chiao's gruppe en lysstråle
gennem et ned-omdanner krystal, og frembragte to identiske fotoner. [Se Hurtigere end Lyset?]. Efter at være blevet dirigeret af
spejle to forskellige veje, mødtes de to fotoner igen ved et halvt-sølvbelagt
spejl og gik ind i to detektorer. Fordi det var umuligt at vide, hvilken
foton der endte i hvilken detektor, syntes hver foton at gå begge veje. Som i
Mandel's eksperiment blev interferensmønstret afsløret ved at forlænge den
ene arm af interferometret; et apparat, som kaldes en sammenfaldsdetektor
(coincidence detektor), viste de samtidige aktiveringer af de to
fotondetektorer stige og falde efterhånden som de to småbølger gik ud og ind
af fase.(Se FIG. 2 nedenfor).
Så indførte forskerne en anordning i
interferometeret, som skiftede ét sæt fotoners polarisation med 90 grader.
Hvis man tænker på en lysstråle som en pil, er polarisationen retningen af
pilehovedets plan. En af polarisationens særegenheder er, at det er en
strengt binær egenskab; fotoner er altid polariseret enten vandret eller
lodret. Den ændrede polarisation tjente som en mærkat; ved at sætte polarisationsdetektorer
foran de enkle lysdetektorer ved ruternes afslutning, kunne man bestemme,
hvilken rute fotonerne havde taget. De to ruter var ikke længere uskelnelige
og derfor forsvandt interferensmønstret.
Til sidst indsatte Chiao's gruppe to apparater, der
kun tillod lys, der var polariseret i én retning at gå igennem, lige foran
detektorerne. Igen var ruterne uskelnelige og interferensmønstret kom til
syne igen. Ulig Klumpe-Dumpe, kan en kollapset bølgefunktion sættes sammen
igen.
FIG. 2. Når man sletter information om
en fotons rute, genskabes den bølgelignende opførsel i et eksperiment udført
på University of California at Berkeley. Par af identisk polariserede
fotoner, som er frembragt af en ned-omdanner, hopper via spejle, samles igen
ved en stråledeler og passerer ind i to detektorer. En sammenfaldsdetektor
observerer et interferensmønster i raten af samtidige detekteringer i de to
detektorer, dette viser, at hver foton er gået begge veje ved stråledeleren,
som en bølge. Når man tilføjer en polarisations skifter til den ene rute,
ødelægges mønstret, fordi det muliggør skelnen mellem fotonerne. Men ved at
placere to polarisationsfiltre foran detektorerne gøres fotonerne atter
identiske og polarisationsforskellene slettes og interferensmønstret
gendannes.
Som opfølgning på et andet af Scully's forslag har Chiao endda foreslået
en måde, hvorpå valget, om man skal gendanne interferensmønstret eller ej,
kan forsinkes til efter fotonerne har ramt detektorerne. De enkle
polarisationsfiltre foran detektorerne udskiftes med polarisations-stråledelere,
som dirigerer fotoner med modsat polarisation til forskellige detektorer. En
computer opbevarer så data om alle fotonernes ankomsttider i en fil og alle
fotonernes polarisation i en anden fil. Betragtet på en gang uden hensyn til
polarisation, viser ankomsttiderne intet interferensmønster. Men hvis man
adskiller forskelligt polariserede fotoner og plotter dem uafhængigt,
fremkommer der to tydelige interferensmønstre.
Sådanne muligheder fremkalder opstandelse i visse
kredse. Edwin T. Jaynes fra Washington Universitet, en fremtrædende
teoretiker, hvis arbejde hjalp Scully til at tænke på kvantesletteren, har
ikke desto mindre benævnt det "middelalderligt hekseri". Scully
blev så fornøjet over Jaynes's bemærkning, at han inkluderede den i en nylig artikel
om kvantesletteren. Hekseri kan ikke leve op til ikke-lokalitet. Einstein,
Boris Podolsky og Nathan Rosen tiltrak den første opmærksomhed til denne
bizarre kvanteegenskab (som nu ofte kaldes EPR virkningen til ære for dem) i
1935 med et tankeeksperiment, som skulle bevise, at kvantemekanikken var
håbløst mangelfuld. Hvad ville der ske, spurgte Einstein og hans kolleger,
hvis en partikel, som bestod af to protoner, henfaldt og sendte de to
protoner i modsatte retninger? Ifølge kvantemekanikken ville deres egenskaber
være ubestemte, i en superposition af alle mulige tilstande, så længe begge
protoner ikke blev observeret; det betyder, at de hver bevæger sig i alle
mulige retninger.
Men på grund af deres fælles oprindelse er
protonernes egenskaber tæt korrelerede eller "viklet sammen". For
eksempel: gennem enkel bevarelse af bevægelsesmængde ved man, at hvis én
proton tager nordpå, skal den anden være taget sydpå. Når man derfor måler
den ene protons bevægelsesmængde, bestemmer man øjeblikkeligt den anden
protons bevægelsesmængde - selv hvis den har bevæget sig til den modsatte
ende af universet. Einstein sagde at "denne spøgelsesagtige virkning på
afstand" ikke passede med nogen "realistisk" model af
virkeligheden; alle egenskaber ved hver proton må være fastlagt fra det
første øjeblik, de flyver fra hinanden.
Indtil begyndelsen af 1960'erne anså de fleste
fysikere emnet for at være helt akademisk, da ingen kunne forestille sig,
hvordan man kunne løse det eksperimentelt. Så, i 1964, viste John S. Bell fra
CERN, det europæiske center for partikelfysik, at kvantemekanikken forudsagde
stærkere statistiske korrelationer mellem sammenviklede partikler end den
såkaldte realistiske teori, som Einstein foretrak. Bell's artikler igangsatte
en byge af laboratoriearbejde, der kulminerede i et "klassisk" (men
ikke klassisk) eksperiment, som blev udført for et årti siden af Alain Aspect
fra Paris Universitet.
I stedet for at analysere protoners bevægelsesmængde,
analyserede Aspect polarisationen af par af fotoner, som blev udsendt fra en
enkelt kilde mod adskilte detektorer. Målt uafhængigt fluktuerede hvert sæt
fotoners polarisation på en tilsyneladende tilfældig måde. Men når de to sæt
målinger blev sammenlignet, viste de en overensstemmelse, der var stærkere,
end der kunne gøres rede for med nogen lokal realistisk teori - nøjagtig som
Bell havde forudsagt. Einsteins spøgelsesagtige virkning på afstand var
virkelig.
Indtil fornylig havde intet eksperiment med held
vist, at EPR virkningen passede med hensyn til bevægelsesmængde, som
Einstein, Podolsky og Rosen oprindeligt havde foreslået. For to år siden
opnåede John G. Rarity og Paul R. Tapster fra Royal Signals and Radar
Establishment i England endelig denne bedrift.
Eksperimentet begyndte med en laser, der fyrede ind i
en ned-omdanner, som producerede par af korrelerede fotoner. Hver af disse
fotoner passerede så gennem et separat to-spalte apparatur og derefter til en
fotondetektor. Ved bevarelse af bevægelsesmængde kunne man bestemme hver
fotons rute, hvis man kendte dens partners rute. Men arrangementet af spejle
og stråledelere gjorde det umuligt at bestemme den faktiske rute for hver
foton.(Se FIG. 3 nedenfor).
Dernæst forlængede forskerne den ene af de fire ruter
ganske lidt, ligesom Chiao gjorde i sit kvantesletter eksperiment. Selvom
raten, som fotonerne ramte hver detektor med, ikke ændrede sig, svingede
raten af samtidige fyringer, som blev registreret af en sammenfalds tæller og
dannede et sigende interferensmønster, som det Chiao havde observeret. Et
sådant mønster ville kun forekomme hvis hver foton, den til venstre og den
til højre, passerede gennem begge spalter til deres respektive detektor med
fundamentalt ubestemt bevægelsesmængde og dog alligevel korreleret med sin
fjerne partners bevægelsesmængde.
FIG. 3: Spøgelsesagtige korrelationer mellem
adskilte fotoner blev demonstreret i et eksperiment på Royal Signals and
Radar Establishment i England. I denne forenklede afbildning, sender en
ned-omdanner par af fotoner i modsatte retninger. Hver foton passerer gennem
et adskilt to-spalte apparatur og rettes af spejle mod en detektor. Fordi
detektorerne ikke kan skelne, hvilken spalte en foton går igennem, går hver
foton begge veje og danner et interferensmønster i sammenfaldsdetektoren.
Alligevel er hver fotons retning eller bevægelsesmængde også korreleret med
dens partners. En måling, som viser at en foton går gennem den øverste
venstre spalte, ville øjeblikkeligt tvinge dens fjerne partner til at gå
gennem den nederste spalte til højre.
Endnu mere ambitiøse EPR eksperimenter er blevet foreslået, men endnu ikke
udført. Greenberger, Zeilinger og Michael Horne fra Stonehill College har
vist, at tre eller flere partikler, der stammer fra en enkelt kilde, vil
udvise meget stærkere ikke-lokale korrelationer end dem, der findes mellem
kun to partikler. Bernard Yourke og David Stoler fra AT&T Bell
Laboratories har endda foreslået en måde, hvorpå tre partikler, som udsendes
fra tre forskellige placeringer, kan fremvise EPR virkningen.
Uheldigvis giver EPR virkningen ikke en genvej i
relativitetsteorien, som forbyder kommunikationer hurtigere end lyset, fordi
hver isoleret observatør af en korreleret partikel kun ser en tilsyneladende
tilfældig fluktuation af egenskaber. Men virkningen tillader, at man på en
sikker måde kan udsende et tilfældigt tal, som så kan tjene som den numeriske
"nøgle" for et kodesystem. Sådan et system er faktisk blevet bygget
af Charles H. Bennett fra IBM's Thomas J. Watson Research Center.
En indædt realist kunne afvise de eksperimenter, der
er blevet beskrevet ovenfor, da de alle involverer kvintessensen af
ubeskrivelighed, lys. Men elektroner, neutroner, protoner og selv hele atomer
- det materiale vore egne kroppe er lavet af - udviser også sygelig opførsel.
Forskere observerede bølgelignende opførsel i elektroner med indirekte
metoder så tidligt som i 1920'erne og de begyndte at udføre to-spalte
eksperimenter med elektroner for adskillige årtier siden.
En ny omgang elektron eksperimenter kan snart blive udført, hvis Yakir
Aharonov fra Tel-Aviv Universitet får sin vilje. Idet han bemærker, at
superposition ofte udledes fra observationer af et stort antal partikler,
påstår Aharonov, at en enkelt elektron, som er bundet til et brintatom, kunne
detekteres som værende tværet ud i en relativt stor beholder - f.eks. 10
centimeter i diameter - ved meget forsigtigt at sprede fotoner fra den.
Aharonov har endnu ikke offentliggjort sin ide-
"Jeg er en hurtig tænker men en meget langsom skribent", siger han
- og nogle fysikere, han har diskuteret det med, er skeptiske. På den anden
side var mange skeptiske i 1958, da Aharonov og David Bohm fra University of
London foreslog en måde, hvorpå et magnetfelt kunne øve indflydelse på en
elektron, som strengt taget lå helt uden for feltets område. Den såkaldte Aharonov-Bohm
virkning er nu blevet bekræftet i laboratorier.
Siden midten af 1970'erne har forskellige forskere
udført interferens eksperimenter med neutroner, som er næsten 2.000 gange
tungere end elektroner. For omkring 15 år siden opdagede Sam A. Werner fra
University of Missouri i Colombia og andre f.eks., at det interferensmønster,
der blev dannet af neutroner afbøjet af et formet silicium krystal, kunne
ændres ved simpelthen at ændre interferometerets retning i forhold til
Jordens tyngdefelt. Det var den første demonstration af, at Schrödinger
ligningen gælder under indflydelse af tyngdekraften.
Først i det seneste par år er forskerne begyndt at
udføre interferometri med hele atomer. Sådanne eksperimenter er særligt
vanskelige. Atomer kan ikke gå gennem linser eller krystaller, som fotoner,
elektroner og selv neutroner kan. Da en genstands bølgelængde endvidere er
omvendt proportional med dens masse og hastighed, skal partiklen bevæge sig
langsomt for, at man kan måle dens bølgelængde. Alligevel har forskere som
David E. Pritchard fra Massachusetts Institute of Technology skabt
ækvivalenten til stråledelere, spejle og linser for atomer af metalplader med
omhyggeligt udfræsede riller og endda stående lysbølger, som dannes, når en
lysbølge reflekteres tilbage på sig selv på en sådan måde, at dens toppe og
dale passer præcist.
Pritchard siger, at fysikerne måske
en dag vil være istand til at føre biologisk betydningsfulde molekyler, som
proteiner eller nukleinsyrer, gennem et interferometer. I princippet kunne
man endda observere bølgelignende egenskaber i en hel organisme som en amøbe.
Der er dog nogle forhindringer: amøben ville være nødt til at bevæge sig
meget langsomt, faktisk så langsomt, at det ville tage omkring tre år at
komme gennem interferometeret, ifølge Pritchard. Eksperimentet skulle også
udføres i omgivelser helt fri for tyngdekraft eller andre indflydelser -
d.v.s., i det ydre rum.
Det, at få en lidt større og mere
intelligent organisme, for eksempel en filosof, til at gå to veje gennem
et to-spalte apparatur ville være endnu mere indviklet. "Det ville vare
længere end universets alder", siger Pritchard.
Medens fysikerne måske aldrig får lempet en filosof
ind i en superpositionstilstand, er de travlt beskæftiget med at prøve at
indføre bølgelignende opførsel i objekter, som faktisk er store nok til at
kunne ses. Forskningen har genskabt interessen for et berømt
tankeeksperiment, som blev fremsat af Schrödinger i 1935. I en version,
ændret af EPR teoretikeren John Bell, så det var mere spiseligt for
dyrevenner, bliver en kat anbragt i en kasse, som indeholder en klump
radioaktivt stof, der har 50% chance for at udsende en partikel i en periode
på en time. Når partiklen henfalder, udløser den en geigertæller, som
derefter får en flaske mælk til at løbe ned i en skål og dermed fodre katten.
(I Schrödingers version, smadrer en hammer en flaske giftgas, som dræber
katten).
Fornuften forlanger, at en kat ikke kan have en mave,
der er både tom og fyldt. Men kvantemekanikken forlanger, at efter en time,
hvis ingen har kigget i kassen, så eksisterer den radioaktive klump og katten
i en superposition af uskelnelige tilstande; klumpen er både henfaldet og
ikke henfaldet og katten er både sulten og mæt.
Der er blevet foreslået forskellige løsninger på
paradokset. Wojciech H. Zurek, teoretiker ved
Los Alamos National Laboratory, argumenterer for, at efterhånden som et
kvantefænomen udbreder sig, forårsager dets vekselvirkning med omgivelserne
uvægerligt, at dets overlejrede tilstande bliver skelnelige og således
kollapser til en enkelt tilstand. Mandel fra Universitetet i Rochester mener,
at dette synspunkt understøttes af hans eksperiment, hvori selve potentialet
for viden om en fotons rute ødelagde dens interferensmønster. Man kan jo,
trods alt, nemt finde ud af om katten er blevet fodret - ved, f.eks. at gøre
kassen gennemsigtig - uden i virkeligheden at forstyrre den.
Men siden de tidlige 1980'ere har Anthony J. Leggett,
teoretiker ved University of Illinois, talt for, at man skulle kunne være i
stand til at se en superledende kvanteinterferens komponent, almindeligvis
kaldet en SQUID, i en superposition af tilstande. En SQUID, som typisk er på
størrelse med hovedet på en nål og derfor enorm sammenlignet med atomer eller
andre kvantegenstande, består af en ring af superledende materiale, gennem
hvilken elektroner flyder uden modstand, afbrudt af en tynd skive isolerende
materiale, kaldet en Josephson samling(junction). I en klassisk verden ville
elektronerne blive komplet blokeret af isolatoren, men kvante ubestemtheden
af elektronernes positioner muliggør, at horder af dem ubekymrede kan
"tunnelere" gennem spalten.
Opmuntret af Leggett's beregninger har Claudia D.
Tesche fra IBM Watson Center foreslået et eksperiment, som kunne vise
superpositionen temmelig direkte. Under visse omstændigheder, bemærker
Tesche, har strømmen i en SQUID lige stor chance for at flyde i begge
retninger. Ifølge kvantemekanikken burde den så flyde i begge retninger og
skabe et interferensmønster analogt med det, der dannes i et to-spalte
eksperiment.
Tesche's konstruktion går ud på at placere to yderst
følsomme kontakter omkring SQUID'en, som hver udløses, når strømmen går den
modsatte vej. Selvfølgelig er det sådan, at når en kontakt udløses, kollapser
bølgefunktionen og interferensmønstret ødelægges. Tesche håber at kunne
udlede mønstret fra mikrosekunderne, hvor kontakterne ikke er aktiveret - at
lave målinger, faktisk uden at lave dem.
Andre teoretikere bemærker, at Tesche's eksperiment er yderst vanskeligt,
da selv små forstyrrelser fra omgivelserne kan forårsage, at SQUID'ens
bølgefunktion kollapser. Faktisk har Tesche fornyligt vendt sig mod mere
konventionelle beskæftigelser og, i det mindste midlertidigt, sat
eksperimentet til side. "Det virkede ikke særlig godt", medgiver
hun.
Alligevel har mindre ambitiøse eksperimenter af John
Clarke fra University of California at Berkeley, Richard Webb fra IBM og
andre frembragt stærke vidnesbyrd om at en SQUID faktisk kan eksistere i en
superposition af to tilstande. Eksperimenterne involverer en egenskab kendt
som flux, som er den superledende rings areal ganget med styrken af det
magnetiske felt vinkelret på ringen. I en almindelig superledende ring ville
fluxen være konstant, men målinger med magnetometre viser at SQUID'ens flux
spontant springer fra en værdi til en anden. Sådanne spring kan kun
forekomme, hvis fluxen er i en superposition af tilstande - sulten og mæt på
samme tid, som sagt.
Alle de seneste eksperimenter, udførte og foreslåede,
har næppe ført til enighed om hvad kvantemekanikken betyder. Selv om det kun
er i mangel af bedre, er det "ortodokse" syn på kvantemekanikken
stadig det, der blev ført frem i 1920'erne af Bohr. Københavnertolkningens
grundlæggende forsikring er, at hvad vi observerer er alt, hvad vi kan vide;
enhver spekulation om hvad en foton, et atom eller selv en SQUID
"virkelig er" eller hvad den gør når vi ikke kigger, er netop det -
spekulation.
Men Københavnertolkningen er skam kommet under angreb
fra teoretikere i de seneste år, mest bemærkelsesværdigt af John Bell,
forfatteren til det berømte bevis for adskillelsen
mellem "realistiske" og kvante forudsigelser for EPR eksperimenter.
I et fjernsynsinterview lige før hans pludselige død af et hjerteslag for to
år siden, udtrykte den irske fysiker sin utilfredshed med
Københavnertolkningen og bemærkede at den "siger vi skal acceptere
meningsløshed". "Gør det Dem bange? " spurgte intervieweren.
"Nej, det vækker bare min afsky", svarede Bell, smilende.
Bell's udtalelser hjalp til at genopvække interessen
for en realistisk teori som oprindelig blev foreslået i 1950'erne af Bohm.
Fra Bohm's synspunkt eksisterer en kvanteenhed som en elektron faktisk på et
bestemt sted til et bestemt tidspunkt, men dens opførsel styres af et
usædvanligt felt, eller en pilotbølge, hvis egenskaber defineres af
Schrödinger bølgefunktionen. Hypotesen tillader en kvantemærkværdighed,
ikke-lokalitet, men den eliminerer en anden, ubestemtheden af en partikels
position. Dens forudsigelser er identiske med standard kvanteteori.
Bell øgede også respekten for en
teori, der blev udviklet for seks år siden af GianCarlo Ghirardi og Tullio
Weber fra University of Trieste og Alberto Rimini fra University of Pavia og
forbedret på det sidste af Philip Pearle fra Hamilton College. Ved at tilføje
en ikke-lineær størrelse til Schrödinger ligningen, får teorien et systems
overlejrede tilstande til at smelte sammen til en enkelt tilstand,
efterhånden som systemet nærmer sig makroskopiske dimensioner og eliminerer
dermed Schrödingers katte paradoks, blandt andre pinligheder.
Ulig Bohm's pilotbølge begreb, tilbyder Ghirardi
gruppens teori forudsigelser, der divergerer fra den ortodokse kvanteteoris,
men på en flygtig måde. "Hvis man sender en neutron gennem to spalter,
får man et interferensmønster", siger Pearle. "Men hvis vores teori
er korrekt, burde interferensen forsvinde, hvis man udfører målingen
tilstrækkelig langt væk". Teorien kræver også små overtrædelser af loven
om energiens bevarelse. Zeilinger fra
University of Innsbruck blev tilstrækkeligt interesseret i teorien, til at
afprøve neutronforudsigelsen, som ikke blev opfyldt. "Denne
indfaldsvinkel er en af disse blindgyder, som skal
afprøves af nogen", sukker han. [Se også "Shrödinger's
Kat bringes til live"].
Endnu et helt andet synspunkt, som i øjeblikket også
nyder nogen opmærksomhed, dog ikke på grund af Bell's anstrengelser, er mangeverdener tolkningen, der blev opfundet i
1950'erne af Hugh Everett III fra Princeton.
Teorien forsøgte at besvare spørgsmålet om, hvorfor vi, når vi observerer et
kvantefænomen, kun ser ét resultat af de mange, der er tilladt af dets
bølgefunktion.
Everett foreslog, at nårsomhelst en måling tvinger en partikel til at gøre et
valg, f.eks. mellem at gå til venstre eller højre i et to-spalte eksperiment,
deler hele universet sig i to adskilte universer; partiklen går til venstre i
det ene univers og til højre i det andet.
Skønt teorien længe blev forkastet som mere science
fiction end science(videnskab), er den blevet genoplivet i modificeret form
af Murray Gell-Mann fra California
Institute of Technology og James B. Hartle fra
University of California at Santa Barbara. De kalder deres version mange-historier tolkningen og lægger vægt på at
historierne snarere er "muligheder"("potentialities") end
fysiske virkeligheder. Gell-Mann har efter sigende forudsagt, at dette
synspunkt vil dominere området ved århundredets slutning.
Et fascinerende alternativ, kaldet mange-sind
synspunktet, er blevet fremført af David Z. Albert,
en fysiker, der blev filosof ved Colombia University, og Barry Loewer,
filosof fra Rutgers University. Hver observatør, forklarer de, eller
"bevidst perciperende fysisk system" er associeret med et uendeligt
sæt bevidstheder, som oplever forskellige mulige resultater af enhver kvante
måling. [Se "Relativ Tilstand"
formulering af Kvantemekanik]. Rækken af muligheder, som er indbygget i
Schrödinger ligningen, svarer til den myriade af oplevelser disse
bevidstheder undergår, i stedet for en uendelighed af universer. Opfattelsen
kan lyde langt ude, men den er ikke mere radikal, argumenterer Albert, end
mange-historier teorien eller selveste Københavnertolkningen.
Andre filosoffer efterlyser en omformning af selve de måder, vi tænker på.
Efter at Einstein indførte sin relativitetsteori, bemærker Jeffrey Bub,
filosof ved University of Maryland, "forkastede vi den gamle euklidiske
forestilling om rum og tid og vi har nu en mere almindeliggjort
forestilling". Kvanteteorien kræver måske en lignende revision af vore
begreber om rationalitet og logik, siger Bub. Boole logik, som er baseret på
enten-eller antagelser, rækker til en verden, i hvilken et atom går igennem
enten den ene eller den anden spalte, men ikke begge spalter.
"Kvantemekanisk logik er ikke-Boolsk", bemærker han. "Når man
en gang forstår det, kan det være det giver mening". Bub medgiver dog,
at ingen af de såkaldte kvantemekaniske logiske systemer, der hidtil er
blevet anvist, har været særlig overbevisende.
Wheeler forestiller sig en anden slags paradigmeændring.
Den mest fremtrædende lære fra kvantemekanikken, bemærker han, er, at fysiske
fænomener på en eller anden måde defineres af de spørgsmål, vi stiller dem.
"På en vis måde er dette et deltagermæssigt univers",
siger han. Grundlaget for virkeligheden er måske ikke kvantet, som til trods
for dets flygtighed stadig er et fysisk fænomen, men bit'en, svaret på et
ja-eller-nej spørgsmål, hvilket er computerens og kommunikationens
grundlæggende møntfod. Wheeler kalder sin ide "Den
fra Bit".
Med Wheeler i spidsen prøver forskellige teoretikere
at udtrykke kvantefysik i informationsteoriens sprogbrug; den blev udviklet
for 44 år siden, for at maksimere den mængde information, der kunne sendes
over kommunikationskanaler. Disse forskere har allerede opdaget at
Heisenbergs ubestemthedsprincip, bølge-partikel dualitet og ikke-lokalitet,
kan formuleres mere magtfuldt i informationsteoriens rammer, ifølge William K. Wooters fra Williams College, en
tidligere Wheeler elev, som udforsker den-fra-bit begrebet.
I mellemtiden er teoretikere på den surrealistiske
kvanteteoris front ved at udspekulere tankeeksperimenter, som kunne afsløre
gådens løsning en gang for alle. David Deutsch
fra University of Oxford mener, det skulle være muligt, i det mindste i
princippet, at bygge en "kvante computer", som opnår superposition
af tilstande. Deutsch har vist, at hvis forskellige overlejrede tilstande af
computeren kan arbejde med adskilte dele af en opgave samtidig, kan
computeren opnå en slags kvanteparallellitet og løse visse opgaver hurtigere
end klassiske computere.
Albert har - med et af sine sind - videreført denne
ide og tænkt over en kvantecomputer, som kan udføre visse målinger på sig
selv og sine omgivelser. Sådan en "kvante automat" ville være i
stand til at vide mere om sig selv, end nogen ydre observatør nogensinde
kunne vide - og endda mere, end det normalt tillades af
ubestemthedsprincippet. Automaten kunne også tjene som en slags øjenvidne til
kvanteverdenen og løse spørgsmål, som f.eks. om bølgefunktionen virkelig
kollapser. Albert siger, at han ingen ide har om, hvordan en sådan maskine
skulle fremstilles, men hans beregninger viser, at Schrödinger ligningen
tillader sådan en mulighed.*
Hvis det ikke virker, er der altid Aharonov's
tidsmaskine. Maskinen, som ikke kun er baseret på kvanteteori men også på
almen relativitet, er en massiv kugle, som hurtigt kan udvide sig eller
trække sig sammen. Einsteins teori forudsiger, at tiden vil gå hurtigere for
et besætningsmedlem, når den udvider sig og tyngdekraften bliver
proportionalt svagere og tiden vil gå langsommere efterhånden som kuglen
trækker sig sammen. Hvis maskinen og dens besætningmedlem kan bringes ind i
en superposition af tilstande, svarende til forskellige størrelser og derfor
forskellige tidsrater, siger Aharonov, kan de "tunnelere" ind i
fremtiden. Besætningsmedlemmet kan så stige ud, bede fremtidens fysikere
forklare kvantemekanikkens mysterier og så bringe svarene - idet vi antager,
at der er nogle - tilbage til nutiden. Indtil da kan vi, ligesom Platon's formørkede hulebeboere, kun stirre på
kvanternes flimrende skygger på væggene i vor hule
og spekulere på, hvad de betyder.
*The Quantum Mechanics of Self-Measurement i Complexity, Entropy and
the Physics of Information, edited by Wojciech H. Zurek. ISBN
0-201-51506-7.
Oversat fra: Quantum Philosophy, Scientific
American, pp.72-80, Juli 1992.
Breve til redaktørerne af Scientific American:
"Kvantefilosofi" af John Horgan indeholder nogle unøjagtigheder
i sin beskrivelse af arbejdet af GianCarlo Ghirardi, Alberto Rimini, Tullio
Weber og mig selv. Vi ændrer Schrödingers ligning, så bølgefunktionen kan
beskrive den virkelighed, vi ser omkring os, i stedet for kun sandsynligheden
for den virkelighed, som standard kvanteteorien gør.
Vort forslag kan afprøves, men er endnu ikke blevet afprøvet og slet ikke
forkastet, som artiklen erklærer. Det smukke to-spalte neutron
interferensmønster, som blev opnået af Anton Zeilinger, Roland Gähler og
Anthony G. Klein, er kompatibelt med både standard kvanteteoriens og vor
stokastiske modifikations forudsigelser.
Hvad angår citater, der antyder at Zeilinger betragter vor teori som "en
blind vej", har han i privat korrespondance skrevet, at hans opfattelse
"sandelig er mere nuanceret. Jeg synes jeres indfaldsvinkel er vigtig ud
fra et grundlæggende synspunkt, fordi den mulighed skal afprøves, men
personligt tror jeg, at Københavnertolkningen vil overleve i sidste
ende". For endnu en mening kan man overveje John Bell's, som i 1990
beskrev den stokastiske modifikation af kvantemekanik som den vigtigste ny
ide om feltets grundlag, der var dukket op i løbet af hans professionelle
tilværelse.
Phillip Pearle
Department of Physics
Hamilton College
I sin artikel diskuterede John Horgan et hypotetisk
eksperiment med at føre en amøbe gennem et interferometer for at afprøve
kvantemekanikkens begreber. Så skrev han, "At få en lidt større og mere
intelligent organisme, for eksempel en filosof, til at gå to veje gennem et
to-spalte apparatur ville være endnu vanskeligere".
Man kunne tænke sig nogle vidnesbyrd om, at filosoffer overhovedet er mere
intelligente end amøber. Denne mindre klage over en ellers fortræffelig
artikel betyder intet for eksperimentets værdi. Det er værd at prøve.
Lee Harding
Coquitlam, British Columbia
Oversat fra: Letters to the Editors, Scientific
American, p. 5,
December 1992.
1. november, 2005.
Indhold
Den bevidste oplevelses gåde :Én
sti: Udforskning af vort univers og andre
Bevidsthedens gåde
I begyndelsen...
Sammenstød i Cambridge
Index
|