Schrödingers katt och kvantmekaniken

2013-05-29 06:16  

Kan verkligen en katt befinna sig i ett tillstånd där den är död och levande samtidigt? – Ja, i princip, sa Niels Bohr. – Nej, sa Albert Einstein. – Håll klaffen och fortsätt räkna, säger fysikern och författaren Jim al-Khalili i sin bok ”Quantum”.

Tänk er att man låser in en levande katt i en låda så att den inte längre syns. Tänk er vidare att denna låda är försedd med en apparat innehållande en – och endast en – radioaktiv atom av ett ämne med halveringstiden en timme (eller någon annan hanterbar tidsrymd). Tänk er sedan att om – men endast om – denna atom sönderfaller utlöses en manick som med en hammare slår sönder en flaska med gift vilket gör att katten dör.

Antag nu att vi låser in katten i lådan och väntar en timme (en halveringstid). Är katten nu vid liv eller inte? (Nej, aja baja, inte öppna och glutta!)

Hade katten varit en kvantpartikel hade svaret blivit ”bådadera”. Ända tills vi öppnar dörren till lådan och tittar efter. Då är katten död eller levande.

Vad är nu syftet med detta bisarra tankeexperiment signerat den österrikiska fysikern Erwin ­Schrödinger? Jo, att visa det absurda i att en kvantpartikel faktiskt kan befinna sig i två tillstånd samtidigt. Ända tills vi tittar efter. Först då bestämmer sig partikeln för vilket av tillstånden den ska anta. Detta var en av de besynnerligheter som kvantmekaniken ”den nya fysiken” – medförde

Det visar sig också att två partiklar kan vara kvantmekaniskt sammanflätade, så att om vi vet den enas tillstånd vet vi också den andras utan att titta efter, var i universum den än befinner sig. Detta öppnar möjligheter för att konstruera kvantdatorer, att kommunicera säkert med kvantkryptering och till och med att teleportera saker med ljusets hastighet.

”Det finns inget nytt att upptäcka inom fysiken”, proklamerade den brittiske fysikern lord Kelvin år 1900. ”Allt som finns kvar att göra är att knyta ihop några lösa ändar.”

Tidpunkten för uttalandet var extremt illa valt, eftersom fysiken just vid denna tid genomgick en total revolution där alla invanda begrepp ställdes på huvudet. Wilhelm Röntgen hade 1895 upptäckt röntgenstrålningen och året därpå upptäckte Henri Becquerel radioaktiviteten, något som makarna Curie sedan forskat vidare om. J J Thomson hade upptäckt elektronen 1898. Max Planck hade år 1900 upptäckt att elektromagnetisk strålning utsänds i diskreta paket, kvanta.

Albert Einstein hade med sin uppsats om den Brownska rörelsen 1905 bevisat att materien är uppbyggd av atomer, något som tills dess varit omtvistat. I sin uppsats om den fotoelektriska effekten från samma år visade han att elektromagnetisk strålning kunde uppfattas som partiklar, ljuskvanta. Detta stod i strid med vad James Clerk Maxwell funnit några decennier tidigare, att ljuset är en elektromagnetisk vågrörelse.

Lite senare skulle Ernest Rutherford visa att atomen huvudsakligen består av tomrum – en massiv kärna omgiven av ett moln av elektroner – och att radioaktiva atomer sönderfaller och transmuteras till andra grundämnen. Något som fysikerna tidigare hade ansett vara fullständigt omöjligt.

Hur förhöll det sig egentligen med ljuset? Var det en vågrörelse eller en ström partiklar, fotoner? Både och, resonerade fysikerna. Vid vissa experiment kunde man studera ljusets vågnatur, vid andra uppträdde ljuskvanta som partiklar.

Men hur var det då med elektroner och atomer? undrade den franske fysikern Louis de Broglie (uttalas Döbröj). Kanske hade de också samma dubbelnatur? Och jo, det hade de. Både elektroner och atomer kunde ses som vågor, men med mycket kort våglängd. Kortare ju mer massiva partiklarna var.

Ett sätt att visa atomernas vågnatur är dubbelspaltexperimentet. Om vi skiner ljus genom två smala spalter i en plåt och projicerar resultatet på en skärm uppstår ett interferensmönster (se figuren). Det är inget märkvärdigt med det. Men märkligt nog visar det att samma mönster bildas om vi skjuter en ström elementarpartiklar genom spalterna.

Täcker vi den ena spalten försvinner mönstret, och vi får bara en serie träffar på skärmen, precis som om vi hade skjutit en mycket liten hagelsvärm mot plåten. Men vid två spalter uppstår fenomenet. Varför det? För att partikelns vågekvation smetar ut partikeln i rummet, svarade Erwins Schrödinger. Den befinner sig på fler ställen samtidigt. Den går genom båda spalterna.

Det visade sig att mycket små partiklar beter sig fundamentalt annorlunda än partiklar i den storleksordning vi är vana vid att observera, som sand och grus och blyhagel. Nu föddes kvantfysiken, som skulle visa sig innehålla många bisarra egenheter som verkade gå på tvärs mot all logik.

Ett av de stora mysterierna gäller det radioaktiva sönderfallet. Makarna Curie hade visat att radioaktiva ämnen har en definierad halveringstid – på en viss tid sönderfaller hälften av atomerna i ett prov. För jod-131 är halveringstiden 8,2 dagar, för ­cesium-137 30 år och för uran-238 4,5 miljarder år. Men det är omöjligt att förutsäga när en viss atom ska sönderfalla. Det kan hända precis när som helst, och fullständigt utan fysisk anledning. Det går inte att snabba på förloppet genom att värma atomen. Atomen lever helt sitt eget liv.

På 1920-talet samlades partikelfysikerna för att försöka reda ut begreppen. Ledande var den danske fysikern Niels Bohr, som inte hade några problem med att naturen på kvantnivå hade övergett den Newtonska kausaliteten och styrdes av slumpen. Tillsammans med Werner Heisenberg utformade Bohr den så kallade ­Köpenhamnstolkningen, där varje kvantpartikel kan beskrivas av sin vågfunktion.

Trots att Einstein själv varit en av grundarna av den nya fysiken hade han svårt att förlika sig med dess implikationer. ”Jag tror inte Gud spelar tärning”, muttrade han.

Det spelar ingen roll, skriver Jim al-Khalili i sin bok ”Quantum”. Det är bara att acceptera att världen är som den är och jobba vidare.

Kaianders Sempler

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Dagens viktigaste nyheter

Debatt