Søren er en af Europas bedste matematikere, og nu skal han løse gåden om et mystisk kvantefænomen: “Kaffemaskinen bliver et centralt værktøj”
De næste fem år skal top-matematiker og professor Søren Fournais bokse med en gådefuld kvantetilstand, der allerede blev forudsagt af Einstein og Bose i 1920’erne og stadig giver forskere verden over hovedbrud.
Søren Fournais interesse for de kvantemekaniske ligninger begyndte allerede i gymnasiet, hvor han opdagede, at kvantemekanikken er kilde til det, han kalder fantastiske problemer: "Der er rigtig mange ting at arbejde med - det ligger i spændingsfeltet mellem matematikken, som er spændende at nørde med og tilpas abstrakt og fysikken, som er relativ tæt på virkeligheden," siger han.
"Forestil dig et af de spektakulære åbnings-shows til OL, hvor en kæmpe menneskemængde pludselig samler sig som en enhed og laver de samme bevægelser helt synkront som en stæreflok. Det sker også i atomernes verden i nogle helt særlige og mærkværdige tilfælde."
"Her er der tale om en million atomer, der alle sammen kommer i den helt samme kvantetilstand, og altså på den måde opfører sig fuldstændig synkront,” siger matematikprofessor Søren Fournais fra Københavns Universitet.
Den danske top-matematiker og forsker forsøger at give et håndgribeligt og virkelighedsnært billede på et ekstremt kompliceret og gådefuldt kvantefænomen, som kan opstå, når det lykkes at køle bestemte atomer ned til temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt.
Her bliver atomerne til en slags kollektiv kvantebølge, eller en atomsky, der opfører sig som én sammenhængende organisme, hvor stoffet hverken er fast, flydende, gas eller plasma - men nærmere sin helt egen tilstandsform.
Fænomenet har fået navnet Bose-Einstein-Kondensater efter blandt andre den indiske fysiker og matematiker Satyendra Nath Bose, som i 1924 sendte et håbefuldt manuskript til tyske Albert Einstein, der videreudviklede på den ukendte fysiskers metode og forudsagde fænomenet i 1925.
Først 70 år senere lykkedes det så at skabe selve tilstanden i laboratoriet. Og nu har danske Søren Fournais netop modtaget 15 millioner kroner fra Det Europæiske Forskningsråd gennem de prestigefyldte ERC Advanced-bevillinger, så han kan bokse videre med den komplekse matematik, der ligger bag tilstanden.
"Det er et rigtig stort skulderklap. Det er dejligt at få et bevis på, at man er kommet i en bestemt division," siger professoren, som håber, at de næste års arbejde kan knække en del af gåden bag det besynderlige fænomen.
"Hver gang, vi forstår matematikken og ligningerne bedre, giver det os en indsigt i, hvad det reelt er, der foregår," forklarer professoren til Illustreret Videnskab.
"Det er det, vi skal forsøge: At udvikle bedre matematiske metoder til at analysere de kvantemekaniske ligninger," siger han.
"Skal være bedre end alle de andre"
Helt konkret kommer Søren Fournais til at bruge en stor del af sin tid de næste fem år foran en tavle sammen med et hold af unge, talentfulde forskere, han selv sammensætter.
Modsat, hvad mange måske tror, foregår de komplicerede matematiske udregninger nemlig langt fra elektronik og tunge, komplicerede computerprogrammer.
"En ideel dag bliver en dag, hvor man har god tid og kan stå lidt på skift i gruppen og diskutere - helst foran en tavle, eller noget, der ligner - for at se, om vi kan få nogle små gennembrud og komme en smule videre," forklarer professoren.
Sløve atomer bliver til en iskold sky
1. Laserstråler fryser bevægelser
Et magnetfelt holder en gas af atomer svævende i et vakuumkammer. Laserstråler bremser atomerne og afkøler dem til 100 milliontedele af en grad over nulpunktet. Den kolde gas overføres til en såkaldt atomchip i toppen af kammeret.
2. Radiobølger fjerner varme atomer
Radiobølger skubber de varmeste atomer ud af gassen, som når man puster på varm te. Det sænker temperaturen til få milliardtedele af en grad over nulpunktet, hvor gassen omdannes til en atomsky, et såkaldt Bose-Einstein-kondensat.
3. Vægtløs udvidelse nedkøler skyen
Chippens magnetiske greb svækkes, og atomskyen udvider sig i vægtløsheden. Det afkøler den yderligere som gas, der sprøjter ud af en spraydåse. Udvidelsen skal sætte kulderekord med 20 billiontedele af en grad over nulpunktet.
Den helt store udfordring bliver, ifølge forskeren, at tage et ekstremt kompliceret system og trække information ud til noget relativt simpelt, som vi kan forstå.
"Vi har den her million partikler, som allesammen vekselvirker med hinanden. Det er enormt kompliceret, og verden kunne i virkeligheden bare være uforståelig. Hvorfor er svaret ikke bare enormt kompliceret?" spørger matematikeren retorisk og fortsætter:
"Hvorfor kan man, når man har et meget meget kompliceret system under de rigtige forhold, i virkeligheden beskrive det meget mere simpelt, end hvis vi skulle holde styr på samtlige partikler?"
Søren Fournais håber, at svaret ligger for enden af en årelang række af brainstorms, udregninger og kreative idéer, der skal forsøge at angribe problemet fra forskellige vinkler.
Tavle, kridt og kaffe bliver nogle af de vigtigste værktøjer, når Søren Fournais og et hold af matematikere skal bokse med ligningerne bag Bose-Einstein-kondensater. Computere kan, modsat hvad mange måske tror, ikke bruges til så meget. "Computere kan give dig et tal, de kan ikke give dig forståelsen," siger han. "Og hvad skulle vi bede computeren om at regne ud?"
"Vi laver ting, som folk ikke har kunnet lave før, så man skal være bedre, end alle dem, der er kommet før," forklarer han.
Og her kommer et lavpraktisk og meget håndgribeligt instrument til at spille en større rolle, end de fleste nok forestiller sig.
"Den gode ide kommer jo ikke bare af sig selv - den kræver hårdt arbejde. Hvis vi står der og ikke rigtig kommer nogen vegne, går vi hen til kaffemaskinen og tager en kop kaffe - og så prøver vi igen," siger den danske matematiker.
"Kaffemaskinen kan ende med at være et centralt redskab på et matematisk institut." Søren Fournais, Professor - institut for matematiske fag på Københavns Universitet.
Faseovergang er den helt store drøm
Ligesom den faseovergang, der sker, når vand fryser til is, er Bose-Einstein-kondensering, hvor atomerne overgår til kvantetilstand, en faseovergang. Og det er netop den fysiske forvandling, Søren Fournais drømmer om at finde det matematiske svar på.
”Min helt store drøm er matematisk at bevise den faseovergang, som Bose-Einstein-kondensering er. Men det at vise faseovergang er notorisk ekstremt svært, fordi man går fra, at partiklerne bevæger sig tilfældigt rundt, til at de sætter sig fast," siger han.
”Jeg tror det er urealistisk at løse den opgave på fem år, men jeg håber, at vi med projektet kommer tættere på, end vi er i dag. Og så har vi en masse delmål, vi håber at nå på vejen,” siger Søren Fournais.
Lykkes det at finde løsningen, er vi ifølge forskeren et lille skridt tættere på at forstå verden en lille smule bedre. Og først der forstår vi også til fulde, hvad opdagelsen kan bruges til.
"Hvis vi får bedre redskaber til at forstå de store kvantesystemer, er jeg helt overbevist om, at det også vil være nyttigt," siger han.
"Men det er først, når vi har forstået systemet, at vi ved, hvad det kan bruges til - og sådan er grundforskning," lyder det.