Kvantmekanik

Vi är vana vid att förhålla oss till naturlagarna. De beskriver hur en fotboll kröker sig i sin bana genom luften, och hur krusningar vandrar längs ytan på en damm. Eller hur ett äpple faller från ett träd, vilket sägs vara vad som fick Isaac Newton att komma på sin teori om tyngdkraften. För att inte tala om astronomiska saker som galaxers, stjärnors och planeters rörelser. Men om man går ner till universums minsta byggstenar så är saker och ting annorlunda.

Det är nästan omöjligt att föreställa sig hur märkligt det kan vara på kvantnivå. Om dessa bisarra lagar hade gällt oss människor så hade vi kunnat bli osynliga, röra oss genom fasta föremål och vara på flera platser samtidigt – vi hade kunnat går tillbaka i tiden och ändra det förflutna! Det verkar otroligt, men under de senaste 80 åren har man använt kvantfysikens lagar för att göra beräkningar av hur atomer och partiklar beter sig. Och i experiment efter experiment har lagarna alltid stämt. Miljarder av bekräftande bevis tyder på att kvantmekaniken stämmer. Inte ett enda experiment har pekat på motsatsen.

Ljus skapar bekymmer
Kvantmekaniken upptäcktes för ungefär 100 år sedan, när man hade problem med att förklara ett par ovanliga egenskaper hos ljuset som kom från när en gas värmdes upp i ett provrör. När forskarna observerade ljuset genom ett prisma så såg de att ljuset skapade distinkta linjer av olika färger, avgränsade av mellanrum – i stället för en sammanhängande regnbåge av färger som gick in mjukt i varandra. Detta orsakade mycket huvudbry.

En atom är som ett litet solsystem, där elektronerna har sina fasta banor. Varje hopp in mot eller ut från kärnan kallas för ett kvantsprång.

Den danska fysikern Niels Bohr kom till undsättning. Han kom på att lösningen fanns på atomnivå: en atom är som ett litet solsystem, med ännu mindre partiklar – elektroner – som snurrar i en bana runt en atomkärna. På samma sätt som planeterna färdas runt solen. Men till skillnad från ett solsystem är elektronernas alltid banor bestämda från början, och bara vissa banor är tillåtna. När en atom överladdas blir elektronerna oroliga och hoppar utåt till en ny fast bana. Som om planeten Venus helt plötsligt lämnade sin bana runt solen och hoppade ut till jordens, på ett ögonblick. Varje hopp tillbaka till den ursprungliga banan ger ifrån sig energi i form av ljus, med ytterst specifika våglängder. Detta hopp från en elektronbana till en annan är vad vi kallar för ett kvantsprång.

Det blir konstigare
Men vi har inte ens skrapat på ytan av kvantmekanikens mystiska värld. Man kan nämligen aldrig veta vad en partikel befinner sig vid ett givet tillfälle. Ett experiment som kallas för dubbelspaltexperimentet illustrerar kvantmekanikens mysterier bättre än något annat.

Tänk dig en bowlingbana, fast en smula modifierad. En skiljevägg med två spaltöppningar bredvid varandra är uppsatt i mitten av banan och kloten som träffar i någon av öppningarna rullar igenom. Längst bort på banan sitter en ny vägg som har en detektor som avgör var kloten hamnar. Efter ett tag, när du har bowlat iväg många klot, bildas det två distinkta samlingar på detektorväggen. Kloten som går genom den vänstra spalten bildar ett klumpmönster på vänster sida av väggen och vice versa på den högra. Väldigt förutsägbart.

När man inte tittar beter sig elektronerna som vågor.

Dubbelspaltexperimentet går till på samma sätt, men i stället för bowlingklot används subatomiska partiklar, till exempel elektroner eller fotoner. När de skjuts iväg mot spalterna sker något helt annorlunda på andra sidan. I stället för att hamna i två klungor bakom var sin öppning, landar de över hela väggen bakom i ett mönster av lodräta band. Även när de borde ha blockerats av mittenpartiet mellan skiljeväggens två öppningar.

Tittar man genom dubbelspalten verkar det som om elektronerna har varit partiklar hela tiden.

När man öppnar ögonen är elektronerna partiklar.

De lodräta banden kallas för ett interferensmönster och kan bara betyda en sak: vågor. Men hur kan elektroner, som ju är partiklar, bilda detta vågmönster?

Utökad elektron
På 1920-talet trodde fysikern Erwin Schrödinger att han hade svaret och presenterade en beräkning som verkade beskriva det. Han trodde att vågen var en utökad elektron, som hade smetats ut av att sättas i rörelse.

Detta visade sig inte stämma när forskarna studerade hur elektronerna uppförde sig när de passerade genom de två hålen. När de observerade öppningarna uppförde sig elektronerna som partiklar och skapade samma mönster på skärmen som bowlingkloten. Men när forskarna inte observerade dem så skapade elektronerna vågmönstret.

Alltså: När vi inte tittar uppför sig en elektron sig som om den går genom båda hålen samtidigt som en våg men om vi tittar passerar den alltid genom det ena eller det andra hålet. Med andra ord påverkar observationen utfallet. Det är otroligt, och verkar omöjligt.

Påverkar det förflutna
Men det stannar inte där. På senare år har man kunnat utföra en mer högteknologisk variant av experimentet. Precis som förut skjuts elektroner mot en barriär med två hål. Men forskarna kan fördröja sitt beslut att observera elektronerna till efter de passerat genom hålen, men innan de träffar skärmen bakom. Som om man blundar med ögonen när man slänger iväg bowlingklotet genom en av spalterna och öppnar ögonen efter det har passerat, men innan det träffar väggen bakom.

En elektron kan gå genom en vägg genom att låna energi från framtiden, som den betalar tillbaka när den har nått andra sidan.

I samma ögonblick som man observerar elektronerna har de nu blivit partiklar och inte vågor. Och när man står på baksidan av skiljeväggen och tittar genom hålen så syns elektronerna som om de har varit partiklar hela tiden – ända sedan ögonblicket de sköts iväg av partikelkanonen. Snacka om kvantmysterium: observationen avgör elektronens tidigare tillstånd!

Somliga hävdar att allt som kan hända händer, fast i parallella universum.

Sannolikhet
Det visade sig så småningom att vågen som skapade interferensmönstret i själva verket var en sannolikhetsvåg. Att storleken på vågen i varje position förutspår sannolikheten för att elektronen återfinns där: Där vågen är stor är inte där merparten av elektronen är, utan snarare där elektronen med störst sannolikhet kommer att befinna sig. Man får med andra ord inte fråga: ”Var är elektronen just nu?” Utan i stället: ”Om jag letar efter elektronen i det här lilla området, hur stor är sannolikheten att jag kommer att hitta den där?” Skumma saker.

Även om man aldrig kan förutsätta exakt var en elektron kommer att landa så kan man använda Schrödingers ekvation för att hitta elektronens sannolikhetsvåg och på så sätt med stor säkerhet förutse att om tillräckligt stort antal elektroner skjuts iväg så kommer exempelvis 39 procent av dem att hamna här, 17 av dem där, 4 där borta och så vidare. Den här sortens prognoser har bekräftats gång på gång i experiment. Liknelsen inom kvantmekanik har alltså visat sig vara oerhört exakt, så länge man accepterar att allting handlar om sannolikhet.

Som ett kasino
Sannolikhet betyder däremot inte att du måste gissa, vilket alla kasinon i Las Vegas bevisar dagligen. Säg att du satsar 100 kronor på nummer 29 på rouletten. Kasinot vet inte om du vinner den här spelomgången eller nästa, eller nästa igen. Men det vet sannolikheten för hur utfallet blir. Så även om du vinner då och då så kommer kasinot i det långa loppet alltid tjäna mer pengar än de förlorar. De som äger kasinot behöver inte veta utfallet av en enda spelomgång, tärning, black jack eller roulett. De kan däremot vara helt säkra på att över tid, efter tusentals kast, givar eller snurrningar, så vinner de. Och de kan beräkna med stor exakthet hur ofta. Enligt kvantmekaniken är hela världen och hela universum ett hasardspel på samma sätt som ett kasino.

Einstein blev upprörd
All materia i universum består av atomer och subatomiska partiklar. När de styrs av sannolikhet, och inte av säkerhet, måste det betyda att naturens fundament styrs på samma sätt, vilket går emot all mänsklig intuition och är något som de flesta har problem med att acceptera.

En av dem som vägrade acceptera osäkerhetsprincipen var Albert Einstein. Mannen bakom självaste relativitetsteorin, som beskriver ljusets hastighet och dess påverkan på universum. Teorin som på sin tid kastade nytt ljus över tid och rum, och dessutom förklarade tyngdkraften på ett mycket mer exakt sätt än vad Newton hade kunnat göra ett par århundraden tidigare.

”Jag vill gärna tro att månen finns där, även när jag inte tittar på den” – Albert Einstein

Einstein trodde på säkerhet. Som han själv uttryckte saken: ”Jag vill gärna tro att månen finns där, även när jag inte tittar på den.” Och om kasinoparallellen sade han: ”Gud kastar inte tärning.” Då svarade kvantteoretikern Niels Bohr: ”Du ska inte tala om för Gud vad han ska göra.”

Einstein dog, fortfarande skeptiker, 1955.

Bekräftat i experiment
Historien har visat att Einstein hade fel och att Bohr hade rätt. Kvantmekaniken har klarat alla prövningar den utsatts för och dessutom banat väg för en hel del bisarra beräkningar, som samtliga antingen bekräftats genom experiment eller inte har kunnat testas ännu. Som den teoretiske fysikern Allan Adams vid MIT säger: ”Det finns inga avvikelser mellan kvantmekanik och varje experiment som någonsin har gjorts.”

Einstein: ”Gud kastar inte tärning.” Bohr: ”Du ska inte tala om för Gud vad han ska göra.”

Styr vår teknik
Och det ska vi vara glada för. Tack vare kvantmekaniken har forskare kunnat ta fram matematiska ekvationer som i sin tur används som grund för utvecklingen av mikroskopiska brytare som styr strömmen av små elektroner och som kontrollerar i princip alla dagens datorer, digitalkameror, smartmobiler och surfplattor. Dioder och transistorer, som utgör grunden för informationstekniken och det moderna livet, fungerar på grund av kvantmekanik. Utan kvantmekanik skulle vi förmodligen vara kvar på 1800-talet rent teknisk. Tänk, vi kunde fortfarande ha haft ångmaskiner och kommunicerat via telegrafen!

Om det inte vore för kvantmekaniken så kunde vi fortfarande ha kommunicerat med telegrafen.

Kvanttunnlar
Ett exempel är digitala minnen, antingen minneskort, SSD-diskar eller RAM-minnen i datorer. Sådana minnen kan raderas och skrivas om gång på gång tack vare något så märkligt som kvanttunnlar, där elektroner på magiskt sätt flyttas från en sektor till en annan trots att de är åtskilda av en fysisk barriär.

I den riktiga världen kan du kasta en boll mot en vägg och om du har kastat tillräckligt hårt så studsar den tillbaka. Men en elektron kan gå rakt igenom, även om den inte har tillräckligt med energi från början. Detta kallas för tunnling och fungerar genom att osäkerhetsprincipen i kvantvärlden tillåter en partikel att låna energi från framtiden (!) så att den kan bryta igenom barriären och sedan betala tillbaka energin efter den har nått andra sidan. Eller uttryckt på ett annat sätt: elektronen ÄR redan på andra sidan väggen och kan därför gå igenom och visa sig på den andra sidan.

Kvantsammanflätning
Det är uppenbarligen ingen ände på tokigheterna, för vi kan inte prata om kvantmekanik utan att gå in på sammanflätning. Det är detta som är grundprincipen för kvantdatorer, som man hoppas blir verklighet någon dag.

Om två partiklar är sammanflätade så påverkar allt som den ena råkar ut för omedelbart den andra. Om till exempel två elektroner är sammanflätade är deras rotation, position och andra egenskaper länkade genom en process som man inte kan förklara ännu. Om du sedan mäter den ena partikeln avgör det omedelbart hur både den och dess sammanflätade partikel uppför sig. Även om den andra partikeln är på månen.

Två sammanflätade partiklar kommer alltid ha motsatta positioner – även om de befinner sig på motsatta sidor av galaxen.

Föreställ dig två lyckohjul med bara röda och blå fält. Det ena hjulet står i ditt vardagsrum och det andra på månen. Båda står och snurrar i all oändlighet, tills du bestämmer dig för att titta på ditt lyckohjul. När du observerar det ser du att det har stannat på rött. Då vet du med säkerhet att det på månen har stannat på blått. De rör sig dessutom åt motsatta håll, när det ena hjulet snurrar medsols så snurrar det andra motsols.

Detta innebär att information kan skickas omedelbart över flera ljusår, alltså mycket snabbare än ljusets hastighet, från en partikel till en annan. Einstein kallade detta ”spöklik handling på distans” och trodde inte på det. Men det har visat sig stämma.

Förhoppningen är att kvantsammanflätning någon gång in framtiden ska kunna användas för att kommunicera direkt på långa avstånd. Ska man till exempel skicka astronauter till Mars så skulle det vara skönt att slippa de 15 minuters fördröjning som blir varje gång man ska skicka eller ta emot ett meddelande och som beror på att det tar så lång tid för ljus att färdas mellan Jorden och Mars.

Kvantdator
Men sammanflätning kan också förändra hur datorer arbetar. I en så kallad kvantdator representeras varje bit av en atom. På den nivån är det kvantlagarna som gäller. Bit-värdena är 1 och 0 precis som i traditionella datorer, men i stället för att behöva vara antingen 1 eller 0 kan kvantbitarna vara både 1 och 0 samtidigt. Detta kallas superposition och är principen som gör att en kvantdator kan utföra flera beräkningar samtidigt. På så sätt slipper den att försöka med väg efter väg för att hitta ut ur en labyrint, den provar alla vägar samtidigt och förkastar direkt alla som är fel. Men för att kunna fungera måste kvantbitarna synkroniseras genom sammanflätning.

Insidan av kvantdatorn D-Wave.

Google har redan byggt en kvantdator med 28 kvantbitar (qbits) som heter D-Wave. Forskarna som ligger bakom har ännu inte lyckats bevisa att datorn faktiskt är en kvantdator, men alla försök som har gjorts för att visa att den använder traditionell databehandling har motbevisats.

Kvantmekanik berättar för oss om världen
När vi vet hur osäker och märklig verkligheten är på kvantnivå blir frågan: på vilken storleksnivå försvinner denna nyckfullhet? Partiklar kan vara på två ställen samtidigt, och i ett oändligt antal tillstånd samtidigt, så varför är vi – som ju består av partiklar och atomer – alltid låsta i ett fast tillstånd? Somliga anser att det finns brister i matematiken. Att någon hittills saknad detalj kommer att förklara hur saker och ting justeras när man rör sig upp i storlek från atomer till föremål i den stora världen. Till slut är det uppenbart att alla möjligheter utom en försvinner och resultatet är ett enda, definitivt utfall.

Andra fysiker anser att de märkliga kvantegenskaperna aldrig försvinner. I stället sker varenda tänkbart utfall alltid, men i var sitt parallellt universum.

Vad som än är sanningen vet vi att kvantlagarna inte berättar för oss om små saker, de berättar för oss om verkligheten. Och vi kan dessutom vara tacksamma för att kvantmekaniken har gjort vår moderna, digitala vardag möjlig.

Geir Gråbein Nordby

(f. 1978): Journalist. Gråbein har aldrig haft något annat heltidsjobb än på Ljud & Bild. Å andra sidan har han varit här nästan halva sitt liv, ända sedan 2001 när han skickade en jobbansökan till fel adress (han ville egentligen till en inspelningsstudio med samma namn). Gråbeins expertis är främst inom hifi, hörlurar och hemmabio, men det händer att han glimtar till med andra kvaliteter också.