Kvanteverdenens virkelighed

Einstein mente, at kvantemekaniske beskrivelser af fysiske systemer er ufuldstændige. Laboratorieprøver viser, at han sikkert tog fejl; kvanteverdenens bizarre natur må accepteres

Abner Shimony*

ems.gif

Indhold:

Indledning
Bells teorem
Alain Aspects eksperiment
Det forsinkede valgs eksperiment
Makroskopisk ubestemthed

 

hrnavy.gif

 

Indledning

Vi lever i en bemærkelsesværdig æra, i hvilken eksperimentelle resultater er begyndt at belyse filosofiske spørgsmål. På intet område har resultaterne været så dramatiske, som indenfor kvantemekanik. Teorien er blevet glimrende bekræftet siden 1920'erne, da dens forudsigelser om atomare, molekylære, optiske, faststof og elementarpartikel fænomener blev vist at være nøjagtige. På trods af disse succes'er har kvantemekanikkens bizarre og uforstilbare karakter ført nogle forskere, deriblandt Einstein, til at tro, at den kvantemekaniske beskrivelse af fysiske systemer er ufuldstændig og kræver en udbygning. Nylige eksperimenter viser, at dette synspunkt sandsynligvis er forkert. De eksperimentelle resultater afslører tydeligere end nogensinde, at vi lever i en mærkelig "kvanteverden", som afviser komfortabel, fornuftig tolkning.
    Her er nogle få af de mange ny opdagelser, som vi må begynde at acceptere. For det første kan to ting, der er adskilt med mange meter og som ikke har nogen måder at kommunikere med hinanden på, ikke desto mindre være "viklet sammen": de kan fremvise slående korrelationer i deres opførsel sådan, at en måling udført på den ene ting synes øjeblikkeligt at have indflydelse på resultatet af en måling på den anden. Opdagelsen kan ikke forklares ud fra et klassisk synspunkt, men det stemmer fuldstændigt med kvantemekanikken. For det andet kan en foton, lysets grundlæggende enhed, opføre sig som enten en partikel eller en bølge og den kan befinde sig i en ubestemt tilstand indtil en måling udføres. Hvis man måler en partikellignende egenskab, opfører den sig som en partikel og hvis man måler en bølgelignende egenskab opfører fotonen sig som en bølge. Hvorvidt fotonen er partikelagtig eller bølgeagtig er ubestemt, indtil det eksperimentelle arrangement angives. Endelig er forestillingen om ubestemthed ikke længere begrænset til de atomare eller subatomare områder. Forskere har opdaget, at et makroskopisk system under nogle omstændigheder kan befinde sig i en tilstand, hvor en makroskopisk observabel har en ubestemt værdi. Hver af disse opdagelser ændrer på dramatisk måde den måde, vi opfatter verden på.
    En forståelse af disse eksperimenter og deres filosofiske betydninger kræver nogen kendskab til kvantemekanikkens grundlæggende ideer. Essentielt i enhver diskussion af teorien er begrebet om kvantetilstanden, eller bølgefunktionen. Kvantetilstanden angiver alle et fysisk systems mængder i den udstrækning, det er muligt at gøre det. Advarslen i slutningen af den foregående sætning er afgørende, for ifølge kvantemekanikken har ikke alle et systems mængder samtidigt bestemte værdier. Det velkendte Heisenberg ubestemthedsprincip, som fastslår, at en partikels position og bevægelsesmængde ikke samtidigt er bestemte, er måske det bedst kendte tilfælde af dette princip.
    Det, som et systems kvantetilstand eksakt forsyner os med, er sandsynligheden for hver af de mulige resultater af ethvert eksperiment, der kan udføres på systemet. Hvis sandsynligheden er 1, er det sikkert, at resultatet hænder; hvis sandsynligheden er 0, er det sikkert, at resultatet ikke hænder. Hvis sandsynligheden imidlertid er et tal mellem nul og 1, kan man ikke i hver enkelt individuelt tilfælde sige, hvad resultatet vil blive. Alt hvad man kan sige er, hvad det gennemsnitlige resultat af et angivet eksperiment, som udføres på ens systemer, vil være.
    Lad os forestille os, at målingerne udføres på en foton. Fotonens kvantetilstand er fastsat, hvis man kender tre mængder: fotonens retning, dens frekvens og dens lineære polarisation (retningen af det elektriske felt, der er associeret med fotonen). Et stykke polariserende film er velegnet til at måle polarisation. Filmen er indrettet sådan, at den transmitterer alt lys, der falder ind på den i en ret vinkel, hvis lyset er lineært polariseret langs en bestemt retning i filmen, som kaldes transmissionsaksen. Filmen blokerer for alt lys, der falder ind på den i en ret vinkel, hvis lyset er lineært polariseret vinkelret på transmissionsaksen.
    Forskellige eksperimenter kan udføres ved at rotere den polariserende film på forskellige måder. Hvis fotonen er lineært polariseret langs transmissionsaksen, er sandsynligheden 1 for, at den vil blive transmitteret. Hvis fotonen er lineært polariseret vinkelret på transmissionsaksen, er sandsynligheden for, at den vil blive transmitteret, 0. Udover hvad der er nævnt indtil nu, er en yderligere følge af kvantemekanikken, at hvis fotonen er lineært polariseret i en vinkel til transmissionsaksen på mellem 0 og 90 grader, er sandsynligheden for transmission et tal mellem 0 og 1 (specifikt kvadratet på cosinus til den bestemte vinkel). Hvis vi f.eks. siger, at sandsynligheden er en-halv, så vil, ud af 100 fotoner der er lineært polariseret i den tilsvarende vinkel til transmissionsaksen, 50 i gennemsnit blive transmitteret .(Se Fig.1).

Fig.1. Et kvantesystems ubestemthed illustreret for en foton. Et stykke polariserende film transmitterer alt lys, der falder ind på det i en ret vinkel, hvis lyset er polariseret langs en bestemt retning i filmen, der kaldes transmissionsaksen (skravering). Denne polarisationstilstand af fotonen er repræsenteret af den farvede bølgelinie øverst. Filmen blokerer alt lys, der falder vinkelret ind på den, hvis lyset er lineært polariseret vinkelret på transmissionsaksen (den grå bølgelinie øverst). Antag nu, at en foton er lineært polariseret med en vinkel til transmissionsaksen mellem nul og 90 grader (nederst). Så er det ubestemt om fotonen vil blive transmitteret eller ej; sandsynligheden for transmission er et tal mellem nul og 1 (kvadratet på cosinus til vinklen).

En anden af kvantemekanikkens grundlæggende ideer er superpositionsprincippet, som fastslår, at der kan dannes yderligere tilstande ud fra hvilke som helst to af et kvantesystems tilstande ved at overlejre dem. Fysisk svarer fremgangsmåden til at danne en ny tilstand, som "overlapper" hver af de tilstande, den dannes af. Ideen kan illustreres ved at tænke på en fotons to kvantetilstande, hvori fotonens polarisationsretning i den første tilstand er vinkelret på fotonens polarisationsretning i den anden. Så kan der dannes et hvilket som helst antal tilstande, i hvilke fotonens polarisation peger i en vinkel mellem de to vinkelrette retninger.
    Alene ud fra disse to grundlæggende ideer - ubestemthed og superpositionsprincippet - burde det allerede være klart, at kvantemekanikken er i skarp modsætning til almindelig sund fornuft. Hvis et systems kvantetilstand er en fuldstændig beskrivelse af systemet, så er en mængde, der har en ubestemt værdi i den kvantetilstand, objektivt ubestemt: dens værdi er ikke bare ukendt for forskeren, som søger at beskrive systemet. Da resultatet af en måling af en objektivt ubestemt mængde endvidere ikke er bestemt af kvantetilstanden og kvantetilstanden alligevel er den fuldstændige bærer af information om systemet, er resultatet udelukkende et spørgsmål om objektiv tilfældighed - ikke bare et spørgsmål om tilfældighed forstået som uforudsigelighed af forskeren. Endelig, sandsynligheden for hvert muligt resultat af målingen er en objektiv sandsynlighed. Klassisk fysik var ikke i konflikt med almindelig sund fornuft på disse grundlæggende måder.
    Hvis systemet består af to korrelerede dele, frembringer kvantemekanikken endnu mere forbavsende konsekvenser. Antag, at to fotoner flyver fra hinanden i modsatte retninger. En mulig kvantetilstand for fotonparret er tilstanden, hvor begge fotoner er lineært polariseret langs en lodret akse. En anden mulig tilstand er den, hvor de begge er lineært polariseret langs en vandret akse. Der er intet særligt mærkeligt eller overraskende ved disse to-foton kvantetilstande, udover særhederne ved de enkelt-foton tilstande, som blev nævnt ovenfor. Men hvis superpositionsprincippet indføres, kan der forekomme mærkelige virkninger.
    Ved at bruge superpositionsprincippet kan man især danne en kvantetilstand, som indeholder ens mængder af den lodret polariserede tilstand og den vandret polariserede tilstand. Denne ny tilstand vil spille en fremtrædende rolle i det følgende og derfor vil vi give den et navn (da det græske bogstav psi almindeligvis bruges til at repræsentere en kvantetilstand). 's egenskaber er i sandhed meget specielle. Antag for eksempel, at man indsætter polariserende film med lodret orienterede transmissionsakser i fotonernes baner. Fordi indeholder ens mængder af de lodret og vandret polariserede tilstande, er der en sandsynlighed på en halv for, at begge fotoner vil blive transmitteret gennem deres respektive film og en sandsynlighed på en halv for at begge vil blive blokeret. Det der ikke kan ske er, at en foton bliver transmitteret og den anden bliver blokeret. Med andre ord er resultatet af de lineære polarisationseksperimenter på de to fotoner strengt korrelerede.


Fig.2. Korrelationer mellem to fotoner sker, når fotonerne er i en speciel tilstand kaldet (efter bogstavet psi i det græske alfabet). Tilstanden kan dannes ved at overlejre den tilstand, hvori begge fotoner er lineært polariseret langs en lodret akse med den tilstand, hvori de begge er lineært polariseret langs en vandret akse. Tilstanden indeholder ens mængder af den lodret polariserede tilstand og den vandret polariserede tilstand. Antag nu, at der indsættes polariserende film med horisontale transmissionsakser i fotonernes ruter. Da indeholder ens mængder af de to tilstande, er der en 50 procents sandsynlighed for, at begge fotoner vil blive transmitteret gennem deres respektive film og en 50 procents sandsynlighed for, at begge vil blive blokeret. Det der ikke kan ske er, at en foton vil blive transmitteret og den anden blive blokeret: resultaterne af de lineære polarisations eksperimenter er strengt korrelerede. Faktisk er det ligegyldigt, hvilken retning filmene har, blot de svarer til hinanden; på en eller anden måde "ved" den anden foton i parret, om den skal passere gennem sin polariserede film for at stemme med passagen eller ikke-passagen af den første foton, selv om der er stor afstand mellem fotonerne.

Resultatet vil være det samme, hvis de polariserende film er orienteret med en vinkel på 45 grader i forhold til vandret: enten vil begge fotoner blive transmitteret eller begge vil blive blokeret. Det kan simpelthen ikke forekomme, at en foton transmitteres og den anden blokeres. I virkeligheden er filmenes retning underordnet, bare de stemmer overens; resultaterne af de lineære polarisationseksperimenter er strengt korrelerede for en uendelig mængde mulige eksperimenter. (Naturligvis kan kun et af eksperimenterne udføres i virkeligheden). På en eller anden måde "ved" den anden foton i parret, om den skal passere gennem den polariserende film for at stemme overens med den første fotons passage eller ej, selv om de to fotoner er langt adskilt og ingen af dem har en mekanisme til at informere den anden om sin opførsel. Så i denne situation udfordrer kvantemekanikken det relativistiske begreb om lokalitet, som siger, at en begivenhed ikke kan have virkninger, der udbreder sig hurtigere end lyset (og, især, øjeblikkelige virkninger på afstand).(Se Fig.2).
    Det skal understreges, at alle de særlige konsekvenser, der er blevet fremdraget indtil nu - objektiv ubestemthed, objektiv tilfældighed, objektiv sandsynlighed og ikke-lokalitet -, afgjort afhænger af den forudsætning, at en kvantetilstand er en komplet beskrivelse af systemet. Et antal teoretikere har imidlertid fastholdt, at kvantetilstanden kun beskriver en samling systemer, som er forberedt på ens måde og at det er derfor, gode forudsigelser kan gøres om det samme eksperiments statistiske resultater, når det udføres på alle systemets enheder. Samtidig, lyder argumentet, adskiller de forskellige enheder i systemet sig fra hinanden på måder, som ikke nævnes af kvantetilstanden og dette er grunden til, at resultaterne af de individuelle eksperimenter er forskellige. De individuelle systemers egenskaber, som ikke angives af kvantetilstanden, omtales som skjulte variabler.
    Hvis skjult-variabel teoretikerne har ret, findes der ingen objektiv ubestemthed. Der findes kun uvidenhed, fra forskerens side, angående værdien af de skjulte variabler, som karakteriserer et individuelt system af interesse. Endvidere findes der ingen objektiv tilfældighed og der er ingen objektive sandsynligheder. Allervigtigst er det, at kvantekorrelationerne ikke er mere overraskende end overensstemmelsen mellem to aviser, der er trykt i den samme presse og postet til to forskellige byer.

Bells teorem

I 1964 viste John S. Bell fra CERN, det europæiske laboratorium for partikelfysik, at de lokale skjulte-variabel modeller er i uoverensstemmelse med kvantemekanikkens forudsigelser. Overvejelser over nogle skjulte-variabel modeller af David Bohm fra Birkbeck College i London og Louis de Broglie førte Bell til at bevise det berømte teorem, at ingen model, som er lokal (i en omhyggeligt angivet forstand), kan stemme overens med alle kvantemekanikkens statistiske forudsigelser. Med andre ord findes der fysiske situationer, i hvilke kvantemekanikkens forudsigelser ikke stemmer overens med enhver skjult-variabel model. [Se "The Quantum Theory and Reality," by Bernard d'Espagnat; Scientific American, November, 1979], [Kvanteteorien og virkeligheden].
    
Ideen med Bells teorem kan forstås, i hvert fald delvist, ved at vende tilbage og betragte kvantetilstanden . Som bemærket ovenfor skal resultaterne af lineære polarisations-eksperimenter være strengt korrelerede, når vinklen mellem de to polariserende films transmissionsakser er 0 grader (som den er, når begge akser er rettet lodret op). Det burde derfor ikke komme som en overraskelse at opdage, at for tilstanden er der altid i det mindste en delvis korrelation mellem resultaterne, ligegyldigt hvad vinklen er mellem transmissionsakserne. (Specifikt, hvis en af fotonerne transmitteres gennem sin polariserende film, så er sandsynligheden, for at den anden foton vil blive transmitteret gennem sin film, kvadratet på cosinus til vinklen mellem de to transmissionsakser).
    Som konsekvens heraf skal en skjult-variabel teori, som stemmer overens med alle kvantemekanikkens statistiske forudsigelser, omhyggeligt tildele værdier til hver af sættets fotonpar for at garantere de strenge eller delvise korrelationer ved hver vinkel mellem akserne. Men kravet om lokalitet kræver, at de værdier, der tildeles hver foton i et par, skal være uafhængige af retningen af den polariserende film, som den anden foton rammer og uafhængige af den anden fotons passage eller ikke-passage. Det er dette krav om lokalitet, der helt umuliggør de omhyggelige justeringer, som ville være nødvendige for at reproducere alle korrelationerne, strenge og delvise, som følger af .
    Bells teorem viser, at man i princippet kan bestemme eksperimentelt, hvad der er korrekt: kvantemekanikken eller de lokale skjult-variabel modeller. Det var vigtigt at udføre en sådan prøve, for til trods for den utrolige mængde bekræftende vidnesbyrd for kvantemekanikken på det tidspunkt, hvor Bell beviste sit teorem, var selve de punkter, hvor kvantemekanikken uden tvivl ikke stemmer med almindelig sund fornuft, ikke endnu blevet undersøgt.
    I 1969 foreslog John F. Clauser, da fra Colombia University, Michael A. Horne fra Boston University, Richard A. Holt, da fra Harvard University og jeg en konstruktion til den nødvendige prøve. Fotonpar med korrelerede lineære polarisationer skulle fremstilles ved at anslå atomer til en passende starttilstand; efterfølgende ville atomerne vende tilbage til den ikke anslåede tilstand ved at udsende to fotoner. Filtre og linser ville sikre, at når fotonerne fløj bort i modsatte eller næsten modsatte retninger, ville en foton ramme en polariserende analysator og den anden ville ramme en anden polariserende analysator. Ved at skifte mellem to retninger for hver analysator og notere det antal fotonpar der blev transmitteret i hver af de fire mulige kombinationer af retninger for de to analysatorer, kunne man måle korrelationerne ved transmissionerne af et fotonpar.
    Vi foreslog, at enten calcite krystaller eller stablede glasplader kunne bruges som polarisations-analysatorer, da de begge er meget mere effektive end en polariserende film til at blokere fotoner, der er polariseret vinkelret på transmissionsaksen. Fotodetektorer anbragt bag analysatorerne ville detektere en bestemt brøkdel af de fotoner, der passerede gennem analysatorerne. Hvis to fotoner, en ved hver detektor, blev registreret indenfor 20 nanosekunder (milliarddele af et sekund) af hinanden, ville sandsynligheden for, at de blev udsendt af det samme atom, være temmelig stor. Da linserne ville samle de to fotoner indenfor en bestemt vinkel, ville kvantetilstanden ikke eksakt være den tilstand, som vi diskuterede ovenfor, men en modificeret tilstand , som også fører til korrelationer, der ikke kan reproduceres af nogen lokal skjult-variabel model.


Fig.3. Eftersøgningen af korrelationer mellem medlemmer af fotonpar blev udført i 1970'erne af et antal forskere. Fotonparrene blev udsendt i overgange mellem energitilstande i kalcium- og kviksølvatomer; hver foton ramte en polarisationsanalysator. Kvantemekanikken forudsiger, at der skal være omhyggelige korrelationer i passagen og ikke-passagen af fotonerne gennem deres analysatorer, selv om fotonerne tilsyneladende ikke har nogen måde at kommunikere med hinanden på. Eksperimenterne bekræftede hovedsagelig kvantemekanikken, men de havde et smuthul: de to analysatorers retning var fastsat før fotonerne blev udsendt. Derfor var det en mulighed, at der på en eller anden måde blev udvekslet information mellem analysatorerne.

Eksperimentet blev udført af Stuart J. Freedman og Clauser på University of California at Berkeley i 1972, af Edward S. Fry og Randall C. Thompson på Texas A.&M. University i 1975 og efterfølgende af andre grupper. De fleste af de eksperimentelle resultater stemmer med kvantemekanikkens korrelationsforudsigelser og stemmer ikke med skjult-variabel modellerne(Se Fig.3). Desuden er pålideligheden af de eksperimenter, der ikke stemmer med kvantemekanikken, tvivlsom på grund af spidsfindige svagheder i deres konstruktion.

Alain Aspects eksperiment

Men indtil fornylig havde alle eksperimenterne et smuthul, som tillod alle trofaste forsvarere af skjult-variabel modellerne at holde fast ved deres forhåbninger: polarisationsanalysatorerne blev fastholdt i deres respektive retninger i intervaller på omkring et minut, hvilket er rigelig tid til udveksling af information mellem analysatorerne gennem en eller anden hypotetisk mekanisme. Som resultat kunne forsvarerne fastholde, at den specielle relativitetsteori ikke medførte, at lokalitets-betingelsen i Bells teorem var gældende i eksperimenternes fysiske situation. Men så kunne disse eksperimenter ikke tjene som afgørende prøver mellem kvantemekanik og lokale skjult-variabel modeller.
    For at lukke dette smuthul udførte Alain Aspect, Jean Dalibard og Gérard Roger fra Institute of Optics ved University of Paris et strålende eksperiment, i hvilket valget mellem de polariserende analysatorer udføres med optiske kontakter, mens fotonerne er på vej. I deres eksperiment, som krævede otte års arbejde og først blev fuldført i 1982, er hver kontakt en lille beholder med vand, hvori stående bølger periodisk frembringes ultrasonisk. Bølgerne tjener som diffraktionsriller, der kan afbøje en indfaldende foton med stor effektivitet. Hvis de stående bølger er slået til, vil fotonen blive afbøjet til en analysator, som er rettet én vej; hvis de stående bølger er slukket, vil fotonen bevæge sig ligeud til en analysator, som er rettet en anden vej.
    Skiftet mellem retningerne tager omkring 10 nanosekunder. Generatorerne, der driver de to kontakter, virker uafhængigt, selvom driften(uheldigt for eksperimentets fuldstændige bestemthed) er periodisk i stedet for tilfældig. Afstanden mellem analysatorerne er 13 meter, således at et signal, der bevæger sig med lysets hastighed (den højeste hastighed, der tillades af den specielle relativitetsteori), bruger 40 nanosekunder for at bevæge sig mellem dem. Derfor burde valget af retning for den første polariserende analysator ikke have indflydelse på transmissionen af den anden foton gennem den anden analysator og valget af retning for den anden analysator burde ikke indvirke på transmissionen af den første foton gennem den første analysator. Det eksperimentelle arrangement forventes således at opfylde Bells lokalitetskrav. Heraf følger - ifølge Bells teorem - at der skulle være nogle overtrædelser af de kvantemekaniske forudsigelser om korrelationerne i det eksperimentelle resultat.
    Faktisk gav eksperimentet lige det modsatte resultat. Korrelationsdata stemmer indenfor eksperimentets fejlmargin med de kvantemekaniske forudsigelser, som beregnes på basis af kvantetilstanden . Desuden afviger data med mere end fem standardafvigelser fra de ekstreme grænser, der ifølge Bells teoremer tilladt af enhver af de skjulte variable modeller.


Fig. 4. Hurtigt skift mellem polarisations-analysatorernes retninger mens fotonerne fløj, var kendetegnet ved det eksperiment, der blev udført af Aspect og hans kolleger i 1982. Når en kontakt var "tændt", blev en foton afbøjet til en analysator, som var rettet én vej; når kontakten var "slukket", rejste fotonen direkte til en analysator, som var rettet en anden vej. Tiden, der krævedes for lys til at rejse mellem analysatorerne, var større end den tid, der krævedes for at skifte mellem retningerne, således at valg af retning for hver analysator ikke kunne påvirke observationen, der blev gjort ved den anden analysator. (Uheldigvis var eksperimentet ikke fuldstændig definitivt, da skiftet var periodisk i stedet for tilfældigt). Eksperimentet bekræftede kvantemekanikken; det ser ud til at teoriens mærkværdige konsekvenser må accepteres.

Selv om Aspects og hans kollegers eksperiment ikke er fuldstændigt afgørende, tror de fleste, at udsigten til at forkaste resultaterne gennem fremtidige eksperimenter er yderst ringe. Det forekommer usandsynligt, at familien af lokale skjult-variabel modeller kan reddes. Kvanteverdenens mærkelige egenskaber - objektiv ubestemthed, objektiv tilfældighed, objektiv sandsynlighed og ikke-lokalitet - forekommer at være permanent inkorporeret i fysikteori.
    En af de mærkeligste egenskaber ved kvanteverdenen er ikke-lokalitet. Kan det faktum, at en måling på en foton under visse omstændigheder tilsyneladende øjeblikkeligt påvirker resultatet af en måling på en anden foton, udmøntes til, at man kan sende et budskab hurtigere end lysets hastighed? Heldigt for den specielle relativitetsteori er svaret på spørgsmålet nej. En underliggende antagelse i den teori - at intet signal kan rejse hurtigere end lyset - er bevaret.
    Her er et kort argument, der viser hvorfor. Antag at to personer ønsker at kommunikere ved hjælp af et apparat som det, der blev brugt til at afprøve lokale skjulte-variabler modeller. Mellem observatørerne udsender en kilde par af korrelerede fotoner. Hver observatør er udstyret med en polarisationsanalysator og en fotodetektor. Det står observatørerne frit at dreje deres analysatorers transmissionsakser, hvilken vej de ønsker.
    Antag, at observatørerne enes om at rette transmissionsakserne lodret. Hver gang der udsendes et par fotoner, vil der så være en streng korrelation i resultatet: enten vil begge fotoner passere gennem analysatorerne eller begge vil blive blokeret. Men den strenge korrelation er ikke af nogen værdi for hver observatør isoleret fra den anden. Den første observatør vil bemærke, at fotonerne passerer gennem den første analysator halvdelen af gangene, i gennemsnit, og halvdelen af gangene blokeres de. Den anden observatør vil bemærke det samme for den anden analysator. Med andre ord ser hver observatør i isolation kun et tilfældigt mønster af transmissioner og blokader.
    Forestil Dig nu at den første observatør prøver at kode noget information og sende det til den anden observatør ved at ændre retningen af den første polarisationsanalysator. Afhængig af den analysators retning vil der være enten en streng eller delvis korrelation mellem begivenhedernes resultat i hver detektor. Endnu en gang vil hver observatør imidlertid bemærke, at i gennemsnit passerer fotoner igennem halvdelen af tiden og halvdelen af tiden blokeres de. Alment, uanset hvad analysatorernes retning er, ser hver observatør i isolation kun et tilfældigt (og statistisk identisk) mønster af transmissioner og blokader. Kvantekorrelationerne mellem fotonerne kan kun checkes ved at sammenligne data, som er indsamlet ved de to detektorer. Derfor kan forsøget på at udnytte kvantekorrelationerne til at sende budskaber hurtigere end lyset ikke lykkes.
    I denne forstand er der en fredelig sameksistens mellem kvantemekanik og relativitetsteori til trods for den kvantemekaniske ikke-lokalitet. Af denne grund ville det være vildledende (og forkert) at sige, at ikke-lokaliteten i den kvantemekaniske forstand er en tilbagevenden til virkning på afstand, som i Newtons før-relativistiske tyngdeteori. Det er fristende at karakterisere kvantemekanisk ikke-lokalitet som "følelse på afstand", ikke under foregivende af at give en forklaring på de mærkelige korrelationer, men kun for at understrege, at korrelationerne ikke kan benyttes til at udøve en kontrolleret indflydelse hurtigere end et lyssignal kan sendes.

Det forsinkede valgs eksperiment

En anden test, kaldet det forsinkede valgs eksperiment, som blev foreslået i 1978 af John Archibald Wheeler, som da var på Princeton University, afslører også den mærkelige kvanteverden. Eksperimentets grundlæggende apparatur er et interferometer, hvori en lysstråle kan deles og sættes sammen igen. En lysimpuls fra en laser affyres mod stråledeleren (beam splitter), som er drejet på en sådan måde, at halvdelen af lyset passerer gennem deleren og halvdelen reflekteres i rette vinkler på den indfaldende impuls. Hvis lyset fra de to baner efterfølgende rekombineres, kan man detektere et interferensmønster, hvilket demonstrerer lysets bølgeagtige kvalitet.
    Antag nu, at laserimpulsens lys dæmpes så meget, at der på et hvilket som helst tidspunkt kun er en foton i interferometeret. I denne situation kan man stille to forskellige spørgsmål om fotonen. Tager fotonen en bestemt rute, så den enten transmitteres eller reflekteres af stråledeleren og derved udviser partikelagtige egenskaber? Eller transmitteres og reflekteres fotonen i en vis forstand samtidigt således, at den interfererer med sig selv og derved udviser bølgeagtige egenskaber?
    Et svar blev fornyligt leveret af Carroll O. Alley, Oleg G. Jakubowicz og William C. Wickes fra University of Maryland at College Park og uafhængigt af T. Hellmuth, H. Walther og Arthur G. Zajonc fra University of Munich. Begge grupper fandt, at en foton opfører sig som en partikel, når man måler partikelagtige egenskaber og at den opfører sig som en bølge, når man måler bølgeagtige egenskaber. Den bemærkelsesværdige nyskabelse ved resultaterne er, at eksperimentet var arrangeret således, at beslutningen om at måle partikelagtige eller bølgeagtige egenskaber blev gjort efter, at hver foton havde vekselvirket med stråledeleren. Derfor kunne fotonen ikke være "informeret" på det afgørende øjeblik ved vekselvirkningen med stråledeleren, om den skulle opføre sig som en partikel og tage en bestemt rute eller om den skulle opføre sig som en bølge og udbrede sig ad to ruter.
    Længden af begge ruter i interferometeret var omkring 4,3 meter, som en foton kan rejse på ca. 14,5 nanosekunder. Det er indlysende, at dette ikke giver tid nok til, at et mekanisk apparat kan skifte mellem at måle partikel- og bølgelignende egenskaber. Opgaven blev muliggjort af en kontakt, kaldet en Pockets celle, som kan aktiveres på ni nanosekunder eller mindre. En Pockets celle indeholder et krystal, der bliver birefrangibelt, når en spænding påføres over det: lys polariseret langs én krystalakse udbredes med en hastighed, som er forskellig fra dén, som det lys, der er polariseret vinkelret herpå, udbredes med. Givet, at valget af spænding og opstillingens geometri er korrekt, så vil lys, der er polariseret i en retning, når det indtræder i cellen, fremkomme polariseret i den vinkelrette retning. Pockets cellen blev indsat i en af de to ruter, fotonen kunne tage efter at have vekselvirket med stråledeleren. (se Fig. 5, nedenfor).


Fig. 5. Forsinket valg eksperimentet er en anden prøve, som afslører kvanteverdenens mærkværdighed. En foton rammer en stråledeler (beam splitter). Man kan stille to spørgsmål om fotonen. Tager fotonen en bestemt rute, således at den enten transmitteres eller reflekteres af stråledeleren og dermed viser en partikelagtig opførsel? Eller bliver fotonen i en vis forstand både transmitteret og reflekteret således, at den interfererer med sig selv og viser en bølgeagtig opførsel? For at finde ud af det, placeres en kontakt i en af de to ruter fotonen kan tage efter at have vekselvirket med stråledeleren (her rute A). Hvis kontakten er tændt, afbøjes lyset ind i en fotodetektor (rute B) og svarer dermed på spørgsmålet om hvilken rute og bekræfter fotonens partikelagtige egenskaber. Hvis kontakten er slukket, har fotonen mulighed for at interferere med sig selv (ruterne A og A') og danne et interferensmønster, som viser fotonens bølgeagtige egenskaber. Resultater fra eksperimentet viser, at en foton opfører sig som en bølge, når man måler bølgeagtige egenskaber og opfører sig som en partikel, når man måler partikelagtige egenskaber. Det er bemærkelsesværdigt, at kontakten blev aktiveret efter, at fotonen havde vekselvirket med stråledeleren, så fotonen ikke kunne være blevet informeret om, hvorvidt den skulle opføre sig som en partikel og tage en bestemt rute eller om den skulle opføre sig som en bølge og udbrede sig samtidig langs to ruter.

Et stykke polariserende film var det andet væsentlige element, som var nødvendigt for at skifte mellem målinger af partikel- og bølgelignende egenskaber. Lys, der kom ud af Pockets cellen, faldt ind på filmen. Hvis cellen var "tændt", var lysets polarisation sådan, at den polariserende film reflekterede lyset ind i en fotodetektor og derved besvarede spørgsmålet om hvilken rute og bekræftede fotonens partikellignende egenskaber. Hvis cellen var "slukket" var lysets polarisation sådan, at den polariserende film transmitterede lyset, som så blev kombineret med bidraget, der kom fra den anden rute; interferensvirkninger bekræftede lysets bølgelignende natur.
    Begge grupper forskere har rapporteret resultater, som er i glimrende overensstemmelse med kvantemekanikken. Deres arbejde viser, at valget mellem de to spørgsmål kan gøres efter, at en individuel foton har vekselvirket med et interferometers stråledeler.
    Hvordan skal man tolke resultaterne fra det forsinkede valgs eksperiment? Det er værd først at afvise en ekstravagant tolkning, som sommetider er blevet fremført: at kvantemekanikken tillader en slags "rækken ind i fortiden". Kvantemekanikken forårsager ikke, at der sker noget, som ikke var sket før. Specifikt, i det forsinkede valgs eksperiment, forårsager kvantemekanikken ikke, at fotonen tager en bestemt rute ved tid 0, hvis Pockets cellen 12 nanosekunder senere tændes og den forårsager ikke, at fotonen tager begge ruter, på bølgeagtig måde, hvis kontakten er slukket.
    En mere naturlig tolkning er, at fotonens objektive tilstand i interferometeret efterlader mange egenskaber ubestemte. Hvis kvantetilstanden giver en komplet beskrivelse af fotonen, så er konklusionen ikke overraskende, da der i hver kvantetilstand er egenskaber, der er ubestemte. Men konklusionen rejser et yderligere spørgsmål: Hvordan og hvornår bliver en ubestemt egenskab bestemt? Wheelers svar er, at "intet elementært kvantefænomen er et fænomen, før det er et registreret fænomen". Med andre ord, overgangen fra ubestemthed til bestemthed er ikke fuldstændig, før en "irreversibel forstærkningshandling", som sværtningen af et korn fotografisk emulsion, finder sted. Imidlertid er forskere i kvantemekanikkens grundlag uenige om tilstrækkeligheden af Wheelers svar. Det næste eksperiment viser, hvorfor spørgsmålet stadig står åbent.

Makroskopisk ubestemthed

I 1935 foreslog Erwin Schrödinger et berømt tankeeksperiment. En foton rammer ind på et spejl, der er halvt belagt med sølv. Fotonen har en sandsynlighed på en halv for at passere gennem spejlet og en sandsynlighed på en halv for at blive reflekteret. Hvis fotonen passerer gennem spejlet, detekteres den og detektionen aktiverer en anordning, som knuser en flaske cyangas, som derefter dræber en kat i en kasse. Det kan ikke afgøres om katten er levende eller død, før kassen åbnes.
    Der ville ikke være noget paradoksalt i denne tingenes tilstand, hvis fotonens passage gennem spejlet var objektivt bestemt men bare ukendt før observationen. Fotonens passage er, imidlertid, objektivt ubestemt. Derfor er knusningen af flasken objektivt ubestemt og det samme er kattens lebendighed. Med andre ord, katten svæver mellem liv og død, indtil den bliver observeret. Konklusionen er paradoksal, men det drejer sig i det mindste kun om et tankeeksperiment.
    Det er nu mere vanskeligt at afvise konklusionens paradoksale natur, fordi noget, der ligner Schrödingers tankeeksperiment, fornylig er blevet opnået af et antal grupper af forskere, deriblandt Richard F. Voss og Richard A. Webb fra IBM Thomas J. Watson Research Center i Yorktown Heights, Lawrence D. Jackel fra AT&T Bell Laboratories, Michael H. Devoret fra Berkeley og Daniel B. Schwartz fra State University of New York at Stony Brook. Deres arbejde har i en vis udstrækning været funderet på beregninger, som blev udført af Anthony J. Leggett fra University of Illinois at Urbana-Champaign og Sudip Chakravarty på Stony Brook blandt andre forskere.
    Det eksperimentelle apparatur består af en næsten lukket superledende ring. En tynd skive isolerende materiale (kaldet en Josephson junction) afbryder ringen, men en elektrisk strøm kan cirkulere rundt i ringen p.g.a. "tunnelering" gennem isolatoren. Strømmen frembringer et magnetisk felt.
    Den mængde, der er af interesse i systemet, er den magnetiske flux gennem ringen, som (når feltet er ensartet) er lig med ringens areal ganget med komponenten af den magnetiske flux, der er vinkelret på ringens plan. Hvis ringen var ubrudt, ville fluxen være fanget indeni ringen, men isolatoren tillader fluxen at skifte fra en værdi til en anden. Med moderne magnetometre kan fluxens værdi måles med fantastisk nøjagtighed. Det faktum, at fluxen stammer fra bevægelsen af enorme antal elektroner (i størrelsesordenen 1023) i den superledende ring, retfærdiggør talen om, at fluxen er en makroskopisk mængde. Der er nu gode vidnesbyrd om, at den superledende rings tilstande kan tilberedes sådan, at fluxen ikke har en bestemt værdi - en kvantemekanisk egenskab, som tidligere kun var etableret for mikroskopiske systemers observabler.
    For at forstå hvordan denne ubestemthed demonstreres eksperimentelt, er det nødvendigt at vide, at for hver værdi af fluxen har ringen en bestemt potentiel energi. Almindeligvis ville man ikke forvente, at fluxen gennem ringen kunne skifte spontant fra en værdi til en anden, fordi en potentiel energibarriere adskiller fluxværdier, der ligger ved siden af hinanden. Klassisk fysik forbyder overgangen mellem to sådanne fluxværdier, medmindre en eller anden ydre energi, typisk termisk, tilføres for at overvinde barrieren mellem dem. I kvantemekanik kan der på den anden side tunneleres gennem barrieren uden nogen ydre energikilde. De ovennævnte grupper forskere har vist, at fluxen skifter mellem to værdier og at der ikke kan redegøres for skiftet udelukkende termisk; den observerede tunnelering må være i det mindste delvist kvantemekanisk, især ved meget lave temperaturer. Men kvantemekanisk tunnelering hviler essentielt på fluxens ubestemthed, som således ikke kan lokaliseres bestemt på eller tæt på en eller anden værdi.(Se Fig.6, nedenfor).


Fig.6. Et makroskopisk system kan under visse omstændigheder eksistere i en tilstand, hvori en makroskopisk variabel har en ubestemt værdi; ubestemthed er ikke begrænset til mikroskopiske systemer, som fotonen. Systemet vist her, er en superledende ring, som ikke bøjer helt tilbage i sig selv. En tynd skive isolerende materiale adskiller ringens to ender fra hinanden og en elektrisk strøm bringes til at cirkulere rundt i ringen ved "tunnelering" gennem isolatoren. Strømmen skaber et magnetfelt. Hvis ringen var ubrudt, ville den magnetiske flux gennem ringen (ringens areal ganget med den del af magnetfeltet, der er vinkelret på ringens plan) være af en bestemt størrelse, men isolatoren tillader fluxen at smutte fra en værdi til en anden. Overraskende nok har fluxen ikke en bestemt værdi.

Den eksperimentelle demonstration af kvante ubestemthed i en makroskopisk variabel modsiger ikke uvægerligt Wheelers erklæring citeret ovenfor, men den viser, at forstærkningen fra et mikroskopisk til et makroskopisk niveau ikke i sig selv uddriver kvantemekanisk ubestemthed. Eftertrykket i Wheelers udtalelse om en "irreversibel forstærkningshandling" skal lægges på ordet "irreversibel". Betingelserne for at en irreversibel proces er sket, er langt fra fastlagt i moderne teoretisk fysik. Nogle af dem, der studerer emnet (inklusive mig) tror, at nye fysiske principper skal opdages, før vi kan forstå den særlige slags irreversibilitet, der finder sted, når en ubestemt observabel bliver bestemt i løbet af en måling.


Fig. 7. Ubestemtheden i systemet på Fig. 6 vist skematisk. Hver værdi af fluxen gennem den superledende ring har en bestemt potentiel energi associeret. Almindeligvis ville man ikke forvente, at fluxen gennem ringen spontant ville ændre sig fra en værdi til en anden, fordi en potentiel-energi barriere adskiller de værdier af fluxen, som ligger ved siden af hinanden. Man kan forestille sig barriererne som bakker og den tilstand systemet er i, kan repræsenteres af en bold, der ligger i en dal mellem bakkerne. Ifølge klassisk fysik kræver et skift mellem to værdier, der er adskilt af en barriere, ydre energi (til at skubbe bolden over bakken). Kvantemekanisk kan barrieren imidlertid gennemtunneleres uden nogen ydre energikilde. Tunnelering er essentielt en manifestation af fluxens ubestemthed.

Kvanteverdenens mærkværdigheder er under fortsat udforskning. Andre eksperimenter er fornylig blevet udført eller er nu på vej; to klasser af disse eksperimenter bør nævnes her, selv om der ikke er plads til at diskutere dem i detaljer. I Helmut Rauch og Anton Zeilinger, fra Atomic Institute of the Austrian Universities og Samuel A. Werner fra University of Missouri at Colombia og Clifford G. Shull fra Massachusetts Institute of Technology og deres associeredes eksperimenter, deles en neutrons bølgefunktion af en skive krystal og rekombineres af en eller to andre skiver. Interferensvirkningerne, der viser sig i rekombinationen, demonstrerer et antal bemærkelsesværdige egenskaber, inkluderende ubestemtheden ved neutronens rute gennem interferometeret.
    Endelig har R.G. Chambers fra University of Bristol, G. Möllenstedt fra University of Tübingen og Akira Tonomura fra Hitachi, Ltd. gennem elektroninterferometri bekræftet den bemærkelsesværdige Aharonov-Bohm virkning, hvori en elektron "mærker" tilstedeværelsen af et magnetisk felt, som er i et område, hvor der er nul sandsynlighed for at finde elektronen. Dette er en slående demonstration af en type ikke-lokalitet, som er forskellig fra, skønt fjernt beslægtet med, den ikke-lokalitet, der udvises af korrelerede foton par. En grundig forståelse af forholdet mellem de to slags ikke-lokalitet såvel som mange andre forvirrende spørgsmål, der rejses gennem eksperimenter, som udforsker kvanteverdenens egenskaber, afventer yderligere arbejde.

hrnavy.gif


* Abner Shimony er professor i filosofi og fysik ved Boston University. Han modtog en B.A. (1947) og en Ph.D. i filosofi (1953) fra Yale University og en Ph.D. i fysik (1962) fra Princeton University. Han underviste på Massachusetts Institute of Technology indtil 1968 og har haft besøgsstillinger ved Paris University (Orsay), Mount Holyoke College og Swiss Institute of Technology i Zurich. Shimony specialiserer sig i kvantemekanikkens grundlag og er særlig interesseret i konstruktionen af eksperimenter, der afprøver filosofisk motiverede spørgsmål. Han er aktiv i fredsbevægelsen og skriver digte og skuespil, nogle af dem relevante for fysik.

Oversat fra The Reality of the Quantum World, Scientific American, January 1988, pp. 36-43.

hrnavy.gif

8. april, 2000.

Indhold
Kvantekosmologi og universets skabelse :Én sti: Den bevidste oplevelses gåde
Index