Neste år er det hundreårsjubileum for sommeren der den tyske teoretiske fysikeren Werner Heisenberg søkte tilflukt fra høysnue på Nordsjøøya Helgoland. Der fant han ut hvordan han kunne uttrykke de forvirrende spektroskopiske observasjonene av atomer – der de absorberte og sendte ut lys ved veldefinerte, karakteristiske frekvenser – i matematisk form. Heisenbergs mentor, den danske fysikeren Niels Bohr, hadde foreslått at spektrene kunne forstås under antagelsen om at et atoms elektroner kan ha bare spesifikke energier, og bytte fra ett energinivå til et annet ved å sende ut eller absorbere et enkelt "kvantum" av lys med en energi proporsjonal med frekvensen. Den kvantehypotesen for lys ble foreslått av Albert Einstein i 1905, og Bohr hadde utviklet den til en ny teori om atomet – om enn en som ikke ga mening i klassiske termer.
Ved å uttrykke de tillatte energiene til disse "kvantehoppene" som en matrise av eksperimentelt observerte verdier, forvandlet Heisenberg ad hoc, begynnende kvanteteori til en ekte kvantemekanikk. Hans matrisealgebra antydet at det ikke var mulig å vite både posisjonen og momentumet til en partikkel samtidig med vilkårlig nøyaktighet. Dette "usikkerhetsprinsippet" antydet at kvantefysikk satte grenser for kunnskapen vi kan ha om atomverdenen.
Bohr, Heisenberg og deres samarbeidspartnere i København fortsatte med å hevde at denne begrensningen er grunnleggende. Det er ikke det at vi er dømt til å forbli uvitende om nøyaktig hvordan ting er, men snarere at det ikke er noe meningsfullt «hvordan ting er» før de er målt. Forslaget utløste en godmodig, men skarpsindig krangel mellom Bohr og Einstein som varte i store deler av deres felles levetid. "Einstein kunne ikke gi innrømmelsen. Det ville gni ut separate, individuelle objekter, essensielle trekk ved et akseptabelt verdensbilde», skriver John Heilbron og Jim Baggott i sin nye bok Kvantedrama: Fra Bohr-Einstein-debatten til Entanglements gåte. Baggott, en fysiker og vitenskapsforfatter, og Heilbron, en vitenskapshistoriker som døde i 2023, forteller historien om kvantemekanikk, fra starten til dagens banebrytende innen kvanteinformasjonsteknologi.
Einstein ble aldri lei av å lage nye innvendinger mot "Københavner"-synet. På Solvay-konferansen i 1930 i Belgia, som samlet datidens ledende fysikere, konfronterte han Bohr med et paradoksalt tankeeksperiment som involverte en tung boks hengende fra en fjær, som inneholdt et foton (som rømmer) og en fast klokke. Bohr ga et svar på puslespillet som lette mange tvil, men som ikke ser ut til å ha tilfredsstilt Bohr selv. "Han bekymret seg over det resten av livet," sier Heilbron og Baggott. "En grov skisse av apparatet var på tavlen hans dagen han døde."
Einsteins motstand avslørte kvantemekanikkens dypt kontraintuitive natur – mest kjent i et tankeeksperiment utviklet i 1935 med hans yngre kolleger Boris Podolsky og Nathan Rosen. Dette "EPR [Einstein-Podolsky-Rosen]-eksperimentet" viste at når to partikler har samhandlet, syntes kvantemekanikk å insistere på at egenskapene deres deretter forblir gjensidig avhengige, slik at en måling fremkaller umulig øyeblikkelig signalering mellom de to. Erwin Schrödinger, som delte Einsteins antipati mot københavnersynet, kalte denne effekten "sammenfiltring".
For Einstein kunne EPR-paradokset bare løses ved å anta at de sammenfiltrede partiklene hadde faste egenskaper hele tiden, om enn de som var uobserverbare og dermed preget av "skjulte variabler". Problemet var at både Bohrs og Einsteins tolkninger ga identiske eksperimentelle spådommer. Uten noen åpenbar måte å løse spørsmålet på, ble det satt til side, og mange forskere på 1940- og 1950-tallet anså slike "grunnleggende" spørsmål som meningsløse eller til og med upassende. Hvem brydde seg, når kvantemekanikk fungerte så bra i praksis? Dette var holdningen som ble kjent av den amerikanske fysikeren David Mermin som "hold kjeft og beregn", som var spesielt dominerende i det pragmatiske USA. Å interessere seg for slike spørsmål kan være ensbetydende med karriere-selvmord. "Du vil aldri få en doktorgrad hvis du lar deg distrahere av slike useriøsiteter," ble Mermin fortalt ved Harvard, ifølge boken. Han bemerker at "det var en veldig ufilosofisk tid".
Nobelprisvinner Murray Gell-Mann anklaget Bohr for å ha hjernevasket en generasjon fysikere til å tro at alle kvantemekanikkens gåter for lengst var løst.
I hennes 1999-bok Kvantedialog, vitenskapshistoriker Mara Beller anklaget Bohr og hans kolleger for å påtvinge sin københavnske ortodoksi og marginalisere eller latterliggjøre alternative tolkninger som David Bohms "pilotbølger" og Hugh Everetts "universelle bølgefunksjon", også kjent som "mange verdener"-tolkningen av kvantemekanikk. Nobelprisvinner Murray Gell-Mann anklaget Bohr for å ha hjernevasket en generasjon fysikere til å tro at alle kvantemekanikkens gåter for lengst var løst. Men Heilbron og Baggott viser at det er mer rettferdig å legge skylden på apatien til samfunnet for øvrig. Som Paul Dirac sa om teoriens metafysiske gåter: "Mange mennesker lever lange og fruktbare liv uten å bekymre seg for [dem]."
Tretti år med "mot måling"
Den holdningen begynte imidlertid å endre seg i 1964 da Den nordirske fysikeren John Bell funnet ut en måte å skille de såkalte skjulte-variable-modellene fra kvantemekanikk uten dikkedarer. Alt det trengte var en seriøs tanke - "Det var ingenting i Bells ulikhet som ikke var kjent for kvantegrunnleggerne," sier forfatterne.
Ironisk nok kom Bell med sin berømte test fordi han ønsket å finne en feil i Bohrian kvantemekanikk. Det samme gjorde den første personen som utførte testen eksperimentelt, John Clauser, i samarbeid med Stuart Freedman ved University of California i Berkeley. Likevel har dette eksperimentet, og de mange andre senere utført, ufeilbarlig støttet kvantemekanikk alene og utelukket eventuelle skjulte variabler – i det minste de som gjelder lokalt å tildele hver partikkel faste egenskaper ved en gitt posisjon før måling. (Det betyr ikke at Bohr har rett, selv om det virker nesten umulig å redde Einsteins posisjon.) Boken gir en ypperlig beretning om gjenoppblomstringen av interessen for kvantefundamenter som fulgte av arbeidet til Bell og Clauser, og spesielt involverte Clausers stipendiat 2022 Nobelprisvinnerne Anton Zeilinger og Alain Aspect. Langt fra å være tom filosofering, underbygger slike studier nå teknologier som kvantedatabehandling og kvantekryptografi.
Kvantedrama forteller en kompleks historie med et stort rollebesetning. Mens forfatterne noen ganger krever mye av sine lesere, har jeg aldri lest en bedre beretning: balansert, autoritativ og krydret med elegant vidd. Heilbron og Baggott beskriver en tur til Japan foretatt av flere av de tidlige kvantepionerene, og beskriver hvordan Heisenberg på en tur forbi en pagode "klatret den spontant og stod på toppen (bredde ∆q) på en fot i en hylende vind, gladelig opprettholdt en usikkerhet ∆p for liten til å velte ham.»
Denne boken vil ikke være alt for alle mennesker. Som med Heilbrons tidligere bok Niels Bohr: En veldig kort introduksjon, beskrivelsen av Bohr-atomet er så teknisk at den er nesten ugjennomtrengelig for alle bortsett fra spesialister, og skaper et formidabelt hinder så tidlig i boken. Og det er andre anledninger, som i beskrivelsene av Bell-tester, hvor man lengter etter en pittig oppsummering av kvalitativ mening blant detaljene. Noen ganger får leseren en rekke kommentarer fra eksperter uten mye indikasjon på hvordan de skal navigere i motsetningene deres.
Men hvis dette gjør boken tidvis utfordrende for den generelle leseren, er gevinsten for utholdenhet betydelig. Som forfatter av en populær beretning om kvantemekanikk, nøler jeg med å foreslå å la slike anstrengelser ligge til side til fordel for dette mer omfattende volumet – men jeg vil absolutt anbefale å behandle alle slike beretninger med forsiktighet til du har lest denne.
- 2024 Oxford University Press 352pp £25hb
- SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
- PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
- PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
- kilde: https://physicsworld.com/a/entangled-entities-bohr-einstein-and-the-battle-over-quantum-fundamentals/
