Nobelprisen i fysikk 2012

Nobelprisen i fysikk for 2012 ble annonsert tirsdag 9. oktober, og selv er jeg i fyr og flamme! Prisen deles av to vitenskapsfolk som jobber med eksperimenter innen kvantemekanikk: Serge Haroche (f. 1944, arbeider ved Collège de France, Paris og École Normale Supérieure, Paris) og David J. Wineland (f. 1944, arbeider ved National Institute of Standards and Technology og Colorado Universitet, Colorado).

De tildeles prisen for deres

Bilde av Serge Laroche og David J. Wineland

Serge Haroche (venstre) og David J. Wineland (høyre) er vinnere av Nobelprisen i Fysikk for 2012. (Copyright CNRS Photothèque/Christophe Lebedinsky og NIST)

… banebrytende eksperimentelle metoder som tillater måling på og manipulering av individuelle kvantesystemer.

Og det de har gjort er helt rått. Her er det Schrödingers katt-tilstander, lasere og superledere og gigantatomer, kombinert med ekstremt skarpsinn, ingeniørteft og nøyaktighet. Ved siden av å gi en dypere forståelse for kvantemekanikk, har arbeidene også viktige anvendelser: Eksperimentene er helt essensielle for utvikling av såkalte kvantedatamaskiner samt supernøyaktige klokker.

For å forstå hva Haroche og Wineland sinde arbeider må vi først vite litt om kvantemekanikk. Vi skal holde det enkelt.

Illustrasjon av atom

Et atom med en kjerne bestående av protoner og nøytroner (rødt og blått), og elektroner i «bane» rundt kjernen — omtrent som solsystemet. (Fra Wikipedia)

Kvantemekanikk er naturlovene som styrer  oppførselen til elektroner og protoner, som sammen danner atomer, som igjen danner molekyler, som igjen danner deg og meg.

Atomer består altså av en kjerne (protoner og nøytroner) med elektroner som svirrer i bane rundt denne — omtrent som solsystemet, se figur. Men atomer er ørsmå; veldig veldig små. En ert består av omtrent like mange atomer som det er stjerner i hele universet! Og universet er et stort sted.

Kvantemekanikken er «usynlig» i vår verden, det vil si på vår størrelsesskala, simpelthen fordi det er så enormt mange atomer rundt omkring. Vi ser bare «et gjennomsnitt» av atomenes bevegelse, og dette oppfatter vi som de mer «dagligdagse naturlover», for eksempel Newtons lover: kraft = masse · akselerasjon.  Hvert enkelt atom i fingeren din er som et helt solsystem med egne bevegelseslover — tenk på det!

Men atomenes bevegelse snodige greier. Det er faktisk ikke så lett å forstå, selv for garvede vitenskapsfolk. De viktigste fenomenene er (1) superposisjonsprinsippet og (2) Heisenbergs uskarphetsrelasjon.

Schrödingers katt1. Et kvanteobjekt kan være i flere tilstander på en gang. Et atom kan for eksempel være to steder på samme tid. Dette kalles «superposisjonsprinsippet» og gir opphav til  det berømte Schrödingers katt-paradokset: En katt (som er laget av atomer) kan være både levende og død samtidig. Ikke som en zombie-katt eller liknende. Nei, kvantemekanikken sier at vi ikke med sikkerhet kan si at katten eksisterer som levende eller som død. Den har potensiale til å være begge deler.

2. Ingen har noengang observert en katt som er både levende og død. Superposisjonen, dvs levende-død-katten, kan ikke observeres uten å ødelegge kvantetilstanden — om vi undersøker katten ved et eksperiment, så er den enten levende eller død. Ikke begge deler. For et atom: dersom vi prøver å finne ut om atomet er på sted A eller sted B ved å gjøre et eksperiment, vil den intrikate og skjøre kvantetilstanden forandres, tilstanden «kollapser» momentant slik at atomet er høyst ett av stedene. Altså: Ethvert eksperiment forandrer systemet som observeres. Man kan ikke gjøre observasjoner av kvantesystemer uten å endre dem på fundamentalt vis.  Dette er innholdet i Heisenbergs uskarphetsrelasjon.

Kvantemekanikkens lover beskrives matematisk (derav «uskarphetsrelasjon»), og hvor merkelig det enn høres ut som er det 100 % samsvar mellom den matematiske teorien og observasjon. Kvantemekanikken er blant de mest solide naturlovene vi har, uansett hvor snodig eller «umulig» den er.

Ok, nå er vi bevæpnet med begreper til å forstå hva arbeidet til nobelprisvinnerne David J. Wineland og Serge Haroche handler om.

Hvert enkelt atom styres altså av kvantemekanikken, og David Wineland og Serge Haroche og deres kolleger gjør kontrollerte kvanteeksperimenter på ett enkelt atom om gangen! Dette gjør de på en måte som kontrollerer Schrödingers katt-tilstander av atomer. Er ikke det imponerende så vet ikke jeg.

Faktisk bilde av berylliumatomer i en optisk felle

Dette bildet viser faktiske berylliumatomer fanget inn i en optisk felle.

La oss se på hva Wineland gjør: Ladede enkeltatomer (for eksempel beryllium) fanges inn i en såkalt optisk felle bestående av elektromagnetiske felter. Det nærmeste man kommer i analogi er vel en «tractor beam» fra Star Trek. (Denne teknikken ble faktisk tildelt Nobelprisen i 1989.) Atomene kjøles så ned ved help av en laser slik at det står stille. (Hvordan det er mulig å kjøle noe ned med en laser er en historie for seg.) Deretter fyres en annen laserstråle på atomene slik at de havner i en superposisjon av to tilstander A og B, det vil si en Schrödingers katt-tilstand! (Se illustrasjon under.) Denne tilstanden kan Wineland så manipulere med andre laserstråler. Winelands arbeid er først og fremst fokusert på hvordan man kan trikse og mikse med atomene ved hjelp av lasere: han konstruerer ulike «typer» laserstråler; korte, lange, intsense, svake, som gjør ulike ting med atomene i fellen.

Illustrasjon av Winelands eksperiment

Winelands eksperiment: en laserstråle manipulerer atomer i en optisk felle inn i en Schrödingers katt-tilstand

Som om ikke dette er sexy nok, så er denne teknologien er en viktig brikke i uviklingen av kvantedatamaskiner — fremtidens datamaskiner. Her lagres informasjon på Schrödingers katt-atomer, såkalte qubits. Om atomet er i tilstand A eller B er én bit med informasjon. Foreløpig er kvantedatamaskiner rent teoretiske, men prisvinnernes arbeid er et gigantsteg nærmere en realisering. Dersom vi får ordentlige kvantedatamaskiner vil disse kunne gjøre enkelte beregninger mye, mye raskere enn konvensjonelle datamaskiner som ikke er kvantemekaniske.

Illustrasjon av Haroche sitt eksperiment

En superledende boks med et mulig lyskvant, et foton. Dette spretter frem og tilbake. Kan vi finne ut om fotoet er der eller ikke uten å ødelegge det?

Over til franskmannen Serge Haroche, som gjør en litt annen type eksperimenter. Tenk deg at du har en sort boks der det kan være et foton eller ikke, og du ønsker å finne ut hvor vidt det er tilfelle. (Et foton er en kvantemekanisk lyspartikkel, et lyskvant.) Fotoner er veldig skjøre, og det skal nesten ingenting til for at de blir absorbert og forsvinner. Av praktiske årsaker må derfor boksen være av superledende materiale. Fotonet spretter frem og tilbake, akkurat som når du holder to speil inntil hverandre. Åpner du boksen for mye og kikker inn er alt tapt; fotonet vil garantert være over alle hauger før du får sett det. Men hva hvis man sender noe inn gjennom en liten åpnnin — for eksempel et atom? Kan dette atomet «sjekke» om det er et foton der uten at fotonet blir ødelagt?

Ja, viser det seg: Haroche preparerer et såkalt rydbergatom. Som vi vet består et atom av en kjerne (protoner og nøytroner) og elektroner som går i bane rundt denne — omtrent som sola og planetene. I et rydbergatom går elektronene i bane veldig langt fra kjernen. Dersom Jorda og Sola var et «vanlig» atom, ville Neptun og Sola være et rydbergatom. Elektronet er over 1000 ganger lenger vekk fra kjernen enn vanlig.

Ok, det som skjer med rydbergatomet når dette passerer gjennom boksen er ingenting dersom det ikke er noe foton tilstede, og et såkalt faseskift dersom et foton faktisk er tilstede. (Se illustrasjon under.) Et faseskift er omtrent som om jorda skulle hoppe frem et stykke i banen. (Sånt skjer i kvantemekanikk.) Når rydbergatomet kommer ut på andre siden, kan man måle dette faseskiftet, og voila! så har man funnet ut om det er et foton i boksen eller ikke.

Illustrasjon av Serge Haroche sitt eksperiment

Et rydbergatom går gjennom boksen der det kan være et foton som spretter frem og tilbake. Dersom fotonet er til stede, vil rydbergatomet få et faseskift når det kommer ut. Dette faseskiftet kan observeres

Haroche har faktisk også preparert to fotoner i Schrödingers katt-tilstander inne i boksen, og så målt på disse med rydbergatomer og funnet ut hvordan «katten» utvikler seg i tid inntil de blir «vanlige» fotoner. For Schrödingers katt-tilstander er svært ustabile og skjøre, så dette vil garantert skje.

Vi kan si at Haroche har studert hvordan katta ender opp som levende eller død når den startet som både levende og død!

Dette siste eksperimentet er også veldig viktig for kvantedatamaskiner. Hvorfor? Jo, qubitene i datamaskinen er veldig skjøre og konstant i Schrödingers katt-tilstander, og ødelegges dermed lett av forstyrrelser fra omverdenen. Derfor er kunnskap om hvordan denne ødeleggelsen skjer viktig å ha.

Nobelprisen i Fysikk for 2012 har blitt tildelt vitenskapsfolk som har gitt svært viktige bidrag til vår forståelse av kvantemekanikk, og også viktige steg på veien mot å bygge kvantedatamaskiner. Dersom du vil lese mer, kan den offisielle populærvitenskapelige begrunnelsen for prisen være et godt sted å starte.

2 comments

  1. Jørgen Eriksson Midtbø · oktober 11, 2012

    For en strålende pop-vit-forklaring! Hatten av for dere.

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