Kvantefysiker observerer

Fysikerne afskaffer objektiv virkelighed

Einstein gjorde tid og sted til relative størrelser, og nu går fysikerne et skridt videre: Om noget finder sted eller ej, er måske afhængigt af observatøren. Kun en bevidst kvantecomputer kan svare på, om objektiv virkelighed findes.

Einstein gjorde tid og sted til relative størrelser, og nu går fysikerne et skridt videre: Om noget finder sted eller ej, er måske afhængigt af observatøren. Kun en bevidst kvantecomputer kan svare på, om objektiv virkelighed findes.

Claus Lunau

Hvis et træ vælter i skoven, men intet menneske ser det falde, så væltede træet måske slet ikke.

Det lyder absurd, men netop det paradoks har kvantefysikerne måttet leve med i årtier. Atomare partikler forvandles nemlig først fra en diffus sæk af muligheder til en virkelig partikel i det øjeblik, vi måler på dem. Det svarer til, at træet er både væltet og ikke væltet, medmindre vi går ud i skoven og ser efter.

Nu har et banebrydende forsøg gjort kvanteverdenen endnu mere absurd.

Forsøget blev udført af fysikere fra Griffith University i Australien ved hjælp af lasere og prismer, men det simulerede et tankeeksperiment, hvor fire fysikere foretager kvantemålinger og samtidig måler på hinanden.

I eksperimentet burde de fire fysikere altid få samme resultat – men det gjorde de ikke. Det svarer til, at selvom to af fysikerne definitivt så træet falde, så væltede det måske ikke alligevel.

Nora Tiscler

Fyysikko Nora Tischler on huolestunut oman kokeensa vuoksi. Se osoittaa, että todellisuus saattaa riippua havainnoijasta, ja ilman varmoja mittaustuloksia luonnontieteiden perusta horjuu.

© Griffith University

Perspektiverne er chokerende.

Hvis kvantemekanikken ikke er konsistent, må den nemlig skrottes som teori. Det er noget af en kamel at sluge, fordi teorien forklarer alle kendte fysiske og kemiske reaktioner og er fundamentet for al moderne teknologi.

Hvis kvantemekanikken omvendt holder, er konsekvensen endnu mere rystende, for så kan virkeligheden være forskellig for to forskellige observatører, og det betyder, at der måske ikke findes nogen objektiv virkelighed.

Selvom en partikel bliver virkelig for én forsker, kan virkeligheden være en anden for en anden forsker, der måler på den første.

Dermed har fysikerne afmonteret endnu en væsentlig bid af virkeligheden, som vi intuitivt oplever den – en proces, der begyndte med Einstein for over hundrede år siden.

Relativiteten sniger sig ind

Den moderne naturvidenskab blev grundlagt af Isaac Newton i 1600-tallet, og indtil starten af 1900-tallet var fysikkens verdensbillede deterministisk:

Fysikerne mente, at tiden altid løb fra fortid mod fremtid, og at enhver proces blev udløst af en lokal årsagskæde ligesom dominobrikker. Datidens fysikere var kort sagt helt overbeviste om, at virkeligheden var absolut og fungerede, præcis som vi ser, vejer og måler den.

Men med Einsteins relativitetsteori brød det verdensbillede sammen.

Teorien viser nemlig, at tid og sted ikke er absolutte størrelser. Hvis en stjerne eksploderer et sted i Mælkevejen, og astronomer på Jorden og på en fjern planet måler, hvornår eksplosionen fandt sted, og hvor det skete, når de derfor frem til vidt forskellige resultater.

Én ting har dog været stensikkert: Stjernen eksploderede. Indtil nu. For med det nye australske forsøg har fysikerne også sat spørgsmålstegn ved det.

Katten er både død og levende

Atomer og atomare byggesten er langtfra lige så håndgribelige som de genstande, de opbygger.

I vores makroskopiske virkelighed er en billardkugle fx definitivt rund, hård og tung, og lys udbreder sig entydigt som bølger. Men i kvanteverdenen er atomer og deres enkeltdele både partikler og bølger på én gang.

Det viser et berømt eksperiment, der første gang blev udført i 1927. I forsøget bliver en elektron skudt imod en plade med to spalter. Anbringer man en detektor lige bag spalterne, passerer elektronen igennem en af spalterne som en punktformet partikel. Men når detektoren rykkes længere fra pladen, dannes der et lysmønster, som viser, at elektronen også passerede gennem begge spalter som en bølge.

En elektron, der passerer igennem to spalter, er både en partikel og en bølge. Resultatet afhænger af, hvordan vi måler.

Kvantemystikken er imidlertid flere lag dybere. Når du støder til en billardkugle, og den ruller hen over bordet, kan man til enhver tid måle både kuglens position og hastighed med absolut sikkerhed.

Sådan er det ikke i atomernes verden. Her kan man præcist fastslå en elektrons position i rummet, men så er det umuligt samtidig at bestemme elektronens fart. Og omvendt. Den af de to egenskaber, vi ikke kan måle præcist, kan kun sandsynliggøres med beregninger.

Det store mysterium er imidlertid, at det er selve målingen, som gør partiklen virkelig. Inden målingen er elektronen en diffus sky af alle sine mulige kvantetilstande – fx roterer en elektron på én gang både med uret og mod uret. Den er med fysikernes betegnelse i en superposition. Men i præcis det øjeblik, hvor en forsker måler på elektronen, vælger den en konkret tilstand – fx rotation mod uret – og bliver derved virkelig i samme nu.

Ifølge kvantemekanikken er uforstyrrede partikler i alle tilstande på én gang. Først når vi måler på dem, bliver de rigtig virkelige – men selv en måling kan ikke afsløre både en partikels position og hastighed.

Kvantefysik 3D-illustration
© Shutterstock

1. Elektronen er et væld af muligheder

Uforstyrede atomer og elementarpartikler, fx elektroner, er ikke konkrete på samme måde som billardkugler. Elektronen er i en såkaldt superposition af alle de mulige kvantetilstande og roterer fx med uret og mod uret på samme tid.

Kvantefysik 3D-illustration
© Shutterstock

2. Bevidst måling gør elektronen virkelig

Elektronen bliver først konkret virkelighed, når en forsker foretager en måling på den. I samme øjeblik ophører elektronens superposition, og partiklen begynder at rotere en bestemt vej, mens den anden mulige tilstand forsvinder.

© Shutterstock

3. Målingen kan ikke fortælle alt

Vi kan til enhver tid måle en kugles position og hastighed med absolut præcision. Men det gælder ikke for en elektron. Hvis vi bestemmer elektronens position (tv.), kan vi ikke samtidig måle hastigheden (th.) – den kan kun beregnes.

Måleproblemet plagede den østrigske fysiker Erwin Schrödinger så voldsomt, at han i 1935 opstillede et berømt tankeeksperiment, der udstiller kvantemekanikkens absurditet. Her anbringes en kat i en lukket boks sammen med et radioaktivt atom, en hammer og en flaske blåsyre. Når atomet henfalder, smadrer hammeren flasken, og blåsyren afliver katten.

Men radioaktivitet er en ubestemt kvanteproces, så man ikke kan forudsige, præcis hvornår henfaldet vil ske, og efter en tid er det derfor umuligt at afgøre udefra, om dyret lever eller ej. Katten befinder sig med andre ord i en superposition, hvor den både er død og levende, hvilket er umuligt i vores erfaringsbaserede virkelighed.

Schroedingers box

Hiukkaset ovat samanaikaisesti kaikissa kvanttitiloissa, kunnes ne mitataan. Tämä rinnastuu ­siihen, että laatikkoon pantu ­kissa on sekä elossa että kuollut siihen asti, kun laatikko avataan tarkastusta varten.

© Shutterstock

Den eneste måde at få klar besked på er at foretage en måling ved at åbne kassen og se, om den indeholder en død eller en levende kat.

Fysiker spærrer sin ven inde

I 1967 foreslog den ungarske fysiker Eugene Wigner et nyt tankeeksperiment, som stiller paradokserne omkring målinger og superposition yderligere på spidsen ved at inddrage betydningen af bevidsthed.

Wigners mål var at afprøve en tese om, at kun en bevidst måling på fx en elektron gør elektronen virkelig, dvs. at den vælger en bestemt tilstand, fx rotation mod uret. Eller med andre ord: at det dybest set er vores egen bevidsthed, som skaber virkeligheden.

I tankeeksperimentet udskiftede han Schrödingers kat med et menneske, der foretager en måling på en elektron i et forseglet laboratorium. Wigners ven træffer frie valg og måler på elektronen, når det passer ham. Imens modellerer Wigner vennens forsøg udefra med kvantemekaniske beregninger.

Spørgsmålet er så, hvornår virkeligheden bliver virkelig: så snart vennen måler på elektronen, eller først når Wigner får kendskab til måleresultatet?

Matematikken forudsiger, at så længe Wigner ikke ved, om målingen er udført, og ikke kender måleresultatet, er elektronen såvel som vennen, måleinstrumentet og laboratoriet i superposition. I givet fald afløses superpositionen først af konkret virkelighed, når vennen senere meddeler Wigner resultatet.

Eugene Wigner selv var imidlertid ikke i tvivl om, at superpositionen øjeblikkeligt erstattes af håndgribelig virkelighed ved den første måling, når vennen erkender sit måleresultat. Og han mente, at det er nonsens at tro, at bevidste mennesker kan bringes i superposition.

Eugene Wigner

Den ungarske fysiker Eugene Wigner mente, at det er vores egen bevidsthed, der skaber virkeligheden, når vi måler på en partikel.

© Ritzau Scanpix

Den mest sandsynlige kvantemekaniske forklaring på dét er simpel. Når et objekt bliver stort nok og rummer tilstrækkelig mange atomer, kollapser atomernes superpositioner af sig selv, og derfor kan hverken fysikere eller katte være i to modstridende tilstande på en gang.

Det lyder vidunderligt fornuftigt og dejligt beroligende. Men hvad nu, hvis den ungarske nobelpristager tog fejl?

Kvantemekanik styrer mennesker

Spørgsmålet trænger sig på af to grunde. For det første forudsiger fysikernes moderne teorier om alting, at kvantemekanikken ikke blot regerer i atomernes verden, men udgør den underliggende mekanisme bag tyngdekraften, tiden og rummet. Og hvis kvantemekanik styrer hele universet, er bevidste mennesker næppe en undtagelse.

For det andet er fysikerne nu begyndt at rykke voldsomt på grænsen for, hvor store systemer de kan bringe i superposition eksperimentelt.

Hvis kvantemekanikkens love styrer alt i universet, styrer de sandsynligvis også menneskers bevidsthed.

I 2021 satte kvantefysikeren Shlomi Kotler fra USA’s National Institute of Standards and Technology ny rekord med to membraner af aluminium, der blev sat i svingninger med mikrobølger på en måde, så de samtidig svingede både opad og nedad.

Membranerne er 0,01 mm lange og halvt så brede, og de rummer en billion atomer. I forhold til en elektron, som hvert enkelt aluminiumatom indeholder 13 af, er de altså gigantiske systemer.

Til sammenligning er mikroskopiske bjørnedyr blot tyve gange længere. Flere forskergrupper undersøger nu seriøst, om de kan bringe to tilstrækkelig store membraner i superposition og anbringe bjørnedyr på dem.

Bjørnedyr

Kaksi pientä kalvoa on saatu heilahtamaan ylös ja alas yhtä aikaa. Seuraavaksi yritetään asettaa 0,2 millimetrin pituisia karhukaisia kalvoille niin, että eläimet ovat superpositiossa hiukkasten tavoin.

© Shutterstock

I givet fald vil bjørnedyrene gynge både op og ned på én gang sammen med membranerne og altså være to steder samtidig. Og hvis man kan bringe bjørnedyr i superposition, hvorfor så ikke også mennesker?

Sammenfiltring åbner døren

For seks år siden foreslog kvantefysikeren Caslav Brukner fra Wiens universitet en ny udgave af Wigners tankeeksperiment. Forsøget er designet til at teste Wigners teori om, at en partikel i kvanteverdenen bliver virkelig i samme øjeblik, som Wigners ven i det forseglede laboratorium måler dens tilstand.

Nyskabelsen består i at indføre kvanteverdenens mest forunderlige fænomen – sammenfiltring – i forsøgets design. Med to sammenfiltrede lyspartikler som nøgle kan fysikerne så at sige åbne døren og se den skjulte virkelighed i det forseglede laboratorium.

Sammenfiltring opstår, når to lyspartikler (fotoner) produceres som et par. Partiklernes kvanteegenskaber sammenfiltres, det vil sige, at de bliver til et fælles system. Og det er eksperimentelt bevist, at sammenfiltringen holder, selvom de to partikler sendes så langt væk fra hinanden, at de umuligt kan kommunikere indbyrdes.

På rejsen er fotonerne i superposition og svinger altså i både lodrette og vandrette bølger på én gang, men i samme øjeblik en detektor måler, at den ene lyspartikel fx svinger lodret, vælger den anden at svinge vandret.

To forskerpar samarbejder

I Caslav Brukners udgave af Wigners tankeeksperiment spiller to fysikere kaldet Alice og Bob begge rollen som Wigner, mens to andre, Charlie og Dorthe, spiller Wigners ven. Charlie og Dorthe er placeret i hver deres forseglede laboratorium, mens Alice og Bob står udenfor.

Et par sammenfiltrede lyspartikler adskilles uden at måle på dem, og den ene sendes til Charlie, mens den anden sendes til Dorthe. Når de modtager partiklerne, er de i superposition og svinger altså fx både lodret og vandret.

Så måler Charlie på sin foton, som fx vælger at svinge i lodret plan, og på grund af sammenfiltringen viser Dorthes samtidige måling, at hendes foton svinger vandret.

Efter målingen sender Charlie sin foton videre til Alice, mens Dorthe sender sin foton videre til Bob. Alice og Bob slår nu begge plat og krone om, hvorvidt de skal måle på deres lyspartikler med det samme eller vente.

Hvis det bliver krone, måler de straks. Det svarer til at åbne dørene til deres venners laboratorier og spørge om deres resultater. Eksperimenter har nemlig vist, at en ny måling hurtigt efter den første altid giver det samme resultat.

Set fra Alices og Bobs synsvinkel er deres kolleger Charlie og Dorthe i superposition ligesom de partikler, de måler på.

Hvis det bliver plat, måler de senere. Så skjules vennernes måleresultater for dem, og indtil deres egen måling er både lyspartiklerne og Charlie og Dorthe i superposition set fra Alices og Bobs perspektiv. Efter at have gentaget forsøget flere tusind gange bruger Alice og Bob statistiske beregninger til at udlede Charlies og Dorthes måleresultater.

I Eugene Wigners eksperiment med ham selv som observatør af vennen i det forseglede laboratorium blev vennens måleresultat beskrevet matematisk som en skjult variabel, men i Caslav Brukners version bliver kvanteberegningerne forankret i virkeligheden af partiklernes sammenfiltring, og en masse ellers mulige kvantetilstande kan udelukkes.

Alice og Bob ved nemlig, at deres venner enten har målt fx 1-0 (lodret-vandret) eller 0-1, men aldrig 1-1 eller 0-0, da en sammenfiltret partikel altid vil vælge den modsatte tilstand, når man måler på dens makker.

To hold forskere måler på de samme partikler. Partiklerne er i superposition, men det er usikkert, om de bliver virkelige ved første eller anden måling. Konsekvensen er, at forsøgsresultater aldrig er ens for alle observatører.

3D-illustration
© Shutterstock

1. To forskere overvåger to andre

To fotoner sendes til forskerne Charlie og Dorthe i forseglede laboratorier, der overvåges af Alice og Bob. Fotonerne er i superposition, så de både svinger vandret og lodret, og sammenfiltrede, så en måling på den ene straks påvirker den anden.

3D-illustration
© Shutterstock

2. Charlie og Dorthe måler på partikler

Når Charlie måler på sin foton, ophører superpositionen med det samme set fra hans perspektiv. Han måler, at fotonen svinger i vandret plan, og da Charlies foton er sammenfiltret med Dorthes, måler hun, at hendes foton svinger i lodret plan.

3D-illustration
© Shutterstock

3. De to forskere er i superposition

De sender fotonerne til Alice og Bob. Set fra deres perspektiv er fotonerne såvel som Charlie og Dorthe principielt i superposition, indtil de selv måler, men spørgsmålet er, hvornår superpositionen reelt ophører, og partiklerne bliver virkelige.

3D-illustration
© Shutterstock

4. Alice og Bob slår plat og krone

For at afgøre det slår Alice og Bob plat og krone. Ved krone måler de straks – svarende til at åbne døren og spørge – så superpositionen ophører straks. Ved plat måler de senere, så superpositionen først ophører der. Forsøget gentages mange gange.

3D-illustration
© Shutterstock

5. Forskerne er uenige om resultatet

Så beregner Alice og Bob kollegernes resultater vha. statistik. Hvis superpositionen ophører, når Charlie og Dorthe måler, vil Alice og Bob altid ramme rigtigt – men det gør de ikke. Det tyder på, at begivenheder ikke altid er ens for alle.

Alice og Bob bør derfor ifølge kvantemekanikkens love kunne beregne Charlies og Dorthes målinger korrekt hver eneste gang – hvis partiklen vel at mærke bliver virkelig ved den første måling, sådan som Wigner mente.

Prismer spiller Charlie og Dorthe

Tankeeksperimentet har på det seneste fået stor international opmærksomhed, fordi kvantefysikeren Nora Tischler og hendes kolleger fra Griffith University i Australien har udført et optisk forsøg, som er en model af eksperimentet.

Og selvom de optiske instrumenter ikke er bevidste som mennesker, viser modellen, at det principielt vil være muligt at udføre tankeeksperimentet i praksis.

I forsøget er fysikerne Alice og Bob måleinstrumenter, mens deres kolleger i de forseglede laboratorier, Charlie og Dorthe, er prismer foran instrumenterne. Når en lyspartikel i superposition rammer prismen, fortsætter den gennem én kanal, når den vælger at svinge vandret, og gennem en anden, hvis den svinger lodret. Det efterligner Charlies og Dorthes målinger, som tvinger fotonen til at vælge tilstand og blive virkelig.

Måleinstrumenterne Alice og Bob er styret af en algoritme, som tilfældigt afgør, om de måler straks eller venter lidt.

En øjeblikkelig måling fastslår, om vennens foton kom gennem den vandrette eller den lodrette kanal. Den senere måling udføres, først efter at fotonen har passeret endnu en prisme, hvor den vandrette og lodrette kanal genforenes. Så er Charlies og Dorthes måleresultater skjult for Alice og Bob, når de selv måler, og de, dvs. en computer, må derfor udlede kollegernes resultater.

Forsøgsopstilling

Ajatuskoetta, jossa kaksi tutkijaparia mittaa samat hiukkaset, on testattu optisesti. Tuloksen selvittyä on kysytty, onko objektiivista todellisuutta olemassa.

© Griffith University

Da kvantemekaniske målinger er baseret på statistik, blev forløbet kørt igennem 90.000 gange. I langt de fleste tilfælde udledte Alice og Bob resultaterne af Charlies og Dorthes målinger korrekt – som forventet, hvis superpositionen bryder sammen, og virkeligheden materialiserer sig ved den første måling.

Men nogle gange var deres facit forkert, og det sender vores almindelige opfattelse af virkeligheden til tælling.

Virkeligheden begynder at vakle

Resultaterne kan tolkes på to måder. Den ene mulige konklusion er, at kvantemekanikken er inkonsistent, fordi den ikke kan beskrive sig selv. Derfor må den skrottes som en universel teori på trods af dens ubestridelige succes.

Hvis kvantemekanikken holder, er det til gengæld den objektive virkelighed, vi måske må sige farvel til, for så kan virkeligheden være forskellig for forskellige observatører. Nora Tischler finder selv denne mulighed foruroligende, fordi naturvidenskaben er baseret på resultater af målinger. Hvis måleresultater ikke er definitive, ryster selve videnskabens fundament.

Tischlers forsøg afslører intet om bevidsthedens betydning for virkeligheden, for de optiske komponenter, der blev brugt, har jo ingen bevidsthed. Men bevidsthedens rolle vil måske kunne afprøves eksperimentelt, hvis forskere udvikler tilstrækkelig små kvantecomputere med kunstig intelligens og en form for bevidsthed.

De skal være små nok til at kunne blive bragt i superposition og erstatte de to prismer i rollerne som Charlie og Dorthe i det optiske eksperiment. Så kan fysikerne teste, om bevidste kvantecomputere virkelig kan bringes i superposition.

Hvis det mislykkes, antyder det, at bevidste aktører som os selv kun eksisterer i én tilstand og aldrig samtidig kan være i flere modstridende kvantetilstande ligesom de atomer, vi består af. I givet fald er mennesker virkelige.

Men hvis det rent faktisk lykkes at bringe kvantecomputere i superposition, er bevidste væsener som mennesker måske slet ikke virkelige i den forstand, vi normalt forstår det, men præcis lige så diffuse størrelser som de elementarpartikler, vi består af.