Å være to steder på en gang

Går det an å være to steder på en gang? Altså da mener jeg å virkelig ikke bare være her, men også der? Ja, det gjør det, dersom du er veldig, veldig liten. Fenomenet blir populært kalt «Schrödingers katt-paradokset» og er en svært viktig del av kvantemekanikk — en gren av fysikken som er helt essensiell for nær sagt all moderne teknologi. I denne bloggposten skal jeg forsøke å forklare dette fenomenet.

Så nøyaktig hva er kvantemekanikk, eller KM for korthets skyld? KM er naturlovene som styrer de aller minste tingene i naturen: atomer og molekyler er gode eksempler. KM ble oppdaget på begynnelsen av 1900-tallet, og det ble fort klart at naturvitenskapen sto framfor en enorm revolusjon! KM er merkelig, snodig, tilsynelatende absurd, kanskje uforståelig, og dette oppdaget også pionerene. Dansken Niels Bohr uttalte:

«De som ikke chokeres, når de første gang støder på kvantemekanikken, kan umuligt have forstået den.»

Niels Bohr og Albert Einstein i avslappet passiar (desember 1925)

Såpass! Og selveste Albert Einstein er også berømt for sitt sitat om at han ikke trodde Gud spilte terninger med universet, og da refererte han til sin skepsis til enkelte elementer i KM. Vi kan ikke akkurat si «du trenger ikke være noen Einstein for å forstå KM!»

Ok, kvantemekanikk er sjokkerende, uforståelig, osv, men vi kan likevel gjøre et forsøk på å bli klokere. Så la oss starte med «veldig små ting». KM gjelder ikke «for deg og meg» men for veldig veldig små ting, som atomer for eksempel. Atomer er så små, at det går omtrent 10 000 000 000, eller 10 milliarder, på en meter. Vi er rett og slett ikke skapt for å forstå hvor ufattelig lite et atom er. Vil du gjøre et forsøk, så se denne videoen (spol til ca. 6:00 om du er utålmodig):

Tilbake til dette med å være to steder på en gang. Dette viser seg nemlig å være den eneste logiske konsekvensen av et enkelt eksperiment, det såkalte dobbeltspalte-eksperimentet. Ta en kikk på denne figuren, som illustrerer oppsettet for dette:

Illustrasjon av eksperiment

Oppsett av dobbeltspalteforsøk

Vi har en anordning som kan fyre av elektroner (dette er ørsmå partikler, du så de i filmen, en av bestanddelene i et atom) mot en vegg. Denne veggen har to stripeformede hull — spalter — som elektronene kan passere gjennom. På baksiden av veggen er det en elektron-følsom skjerm, som kan registrere at enkelt-elektroner treffer. Dette vises som en prikk for hvert treff. For å bruke en dagligdags analogi som de fleste kjenner seg igjen i: la oss si du er 12 år, står på plenen utenfor huset deres, et stykke unna stuevinduet (som er todelt) og kaster råtne epler gjennom dette.  Inne i stua lager eplene fine mønstre på stueveggen når de treffer. (Eksperimentet er altså omtrent like kostbart for ukelønna som et ekte dobbeltspalte-eksperiment. Og i likhet med all kunst er det ikke alle som vet å sette pris på det. Dette er et spark til politikere. Men nå sporer jeg av.)

Som gode vitenskapsfolk starter vi med et litt enklere eksperiment før vi gjør det ordentlige eksperimentet: vi gjør et enkeltspalteforsøk. Vi lukker altså den ene spalten. (Nøyaktig hvordan er ikke så farlig, kanskje vi bruker tape!) Så fyrer vi av kanonen. Elektron på elektron farer avgårde. Du kan ikke se de for de er veldig veldig små! Men ganske snart ser vi noen prikker på skjermen, så fler, og så et tydelig mønster:

Illustrasjon av eksperiment med en spalte åpen

Bilde på detektor med kun en spalte åpen

Ok, dette forstår vi: elektronene treffer spalten med litt forskjellige retninger, og elektronene kan dermed treffe på litt forskjellige steder på skjermen. Fint, når jeg tenker etter så likner det ganske mye på veggen på stua.

Og gjør vi det ordentlige forsøket: vi fjerner tapen, så vi har to spalter, nullstiller bildet på skjermen, og fyrer av kanonen igjen. Denne gangen ser vi dette:

Dobbeltspalteillustrasjon

Bilde på detektor med begge spaltene åpne

Hmm.

Her er det noe muffens! Hvorfor skulle det faktum at det er to spalter gjøre så stor forskjell på bildet? Vil ikke elektronene bare velge den venstre eller den høyre spalten, og så tegne omtrent det samme mønsteret som med kun en spalte?

Her kommer kvantemekanikken inn i bildet! Det viser seg nemlig det, at elektronpartikkelen beveger seg som en bølge på vei fra kanonen, til veggen og til skjermen. Ikke sånn at elektronene sender ut bølger som en radiosender, eller at de lager bølger i luften eller noe, nei de er bølger. Og disse bølgene går gjennom begge spaltene samtidig. La meg understreke det: Elektronet er i begge spaltene samtidig!

Hmm, kanskje det går an å forklare det på et annet vis. Kanskje er det slik at elektronet egentlig går gjennom den høyre eller venstre, vi vet bare ikke hvilken. Men da er vi tilbake til situasjonen med kun én spalteåpning, for hvis 50% av elektronene går til venstre og resten til høyre, ja, da bør vi få enkeltspalteresultatet ganget med to! Men vi får altså noe mye mer komplisert. Dette kalles et «interferensmønster».

Her er en simulering av dobbelspalteforsøket. Det er en film jeg laget for lenge siden, og den viser ikke nøyaktig det samme mønsteret som over, siden oppsettet er litt forskjellig, men det er tydelig hvordan bølgen går gjennom begge spaltene og danner et komplisert interferensmønster. (Faktisk ser vi et interferensmønster som sprer seg bakover også, og dette tilsvarer de elektronene som bommer på spaltene og spretter tilbake igjen!) Filmen viser bare utbredelsen av selve bølgen — ikke registreringen av partiklene på en skjerm.

Den eneste logiske forklaringen er altså at hvert enkelt elektron må ha beveget seg gjennom både venstre og høyre spalte — samtidig! Så fysiske objekter kan faktisk være to steder på en gang.

Jeg har studert kvantemekanikk en stund, og jeg kan bare si, «Godt sagt professor Bohr.»

About these ads

Om Simen Kvaal

Jeg er forsker ved Centre for Theoretical and Computational Chemistry, UiO, og min forskning ligger i grenselandet mellom fysikk og matematikk, eller mellom barken og veden i noen sammenhenger. Jeg har spesialisert meg innen kvantemekanikberegninger men synes, som vitenskapsfolk burde, at omtrent alt er interessant!
Dette innlegget ble publisert i fysikk, matematikk og merket med , , , , . Bokmerk permalenken.

4 svar til Å være to steder på en gang

  1. Tilbaketråkk: Fremtidens datamaskiner – raskere enn du kan forestille deg! | Kollokvium

  2. Tilbaketråkk: Hva var før Big Bang og 10 andre ofte stilte spørsmål om ursmellet. | Kollokvium

  3. Tilbaketråkk: Nobelprisen i fysikk 2012 | Kollokvium

  4. Per Ove sier:

    Siden dette er en av de bedre artiklene jeg har funnet om dette, tar jeg sjansen på at noen svarer selv tre år etter.

    Ja, det er noe muffens med partikler som har en dualistisk natur, viser kjennetegn på bølger ved visse typer eksperimenter og kjennetegn på partikler ved andre typer eksperimenter.

    Og ja, jeg hører stadig vekk påstanden om at f.eks. elektroner kan være to steder samtidig, i to posisjoner samtidig. Dette er en artikkel som i det minste sier «Hmm, kanskje det går an å forklare det på et annet vis». For er det ikke mulig å forklare det på annet vis, f.eks. med en annen tolkning av kvantefysikken, der Københavntolkningen vel er den mest kjente.

    Bølger i vann gjennom en dobbeltspalte gir interferensmønster. Noe av vannet går gjennom den ene og noe gjennom den andre spalten. Elektroner som sendes ut som i eksperimentet over oppfører seg som bølger. Kan man ikke si at elektronene samvirker på en måte som skaper interferensmønster. Det trenger altså ikke bety at hvert elektron går gjennom begge spaltene.

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s