Erkendelser: Kvantemekanikken

En streng af ioner i et stort ionkrystal: En mulig prototype på et kvanteregister til brug i en fremtidig kvante computer. Foto: QUANTOP.

Erkendelsen af at naturen på det dybeste plan beskrives ved en teori, der er meget forskellig fra den makroskopiske, klassiske beskrivelse, er kun cirka 100 år gammel.

Denne teori, som i dag er kendt som kvantemekanikken, har udviklet sig fra en teori for atomernes struktur til en generel teori for hele den mikroskopiske verden.

Elektronik til hverdag
Med minituariseringen af især den elektroniske teknologi har kvantemekanikken i dag stor betydning for de fleste af de apparater og maskiner, vi til hverdag benytter med selvfølgelighed.

Og i takt med at den teknologiske udvikling nærmer sig komponenter på den atomare skala (såkaldt nanoteknologi) bliver kvantemekanikken stadig mere betydningsfuld.

Selvom vi ganske hjemmevant udnytter den teknologi, kvantemekanikken stiller i udsigt, foruroliger de besynderlige konsekvenser af denne teori stadig de fleste, der beskæftiger sig med den.

Gennem fysikkens udvikling har de fundamentale teorier langsomt fjernet sig fra de hverdagserfaringer, vi gør os om omverdenens beskaffenhed.

ERKENDELSER

Hen over sommeren bringer vi på videnskab.dk ti bud på de største naturvidenskabelige erkendelser, som har formet vores måde at se verden på. Serien er lavet i samarbejde med Aktuel Naturvidenskab 1. Naturen kan forklares uden myter 2. Newtons love 3. Evolutionsteorien 4. Termodynamikken 5. Verden består af atomer 6. Relativitetsteorien 7. Økologien 8. Kvantemekanikken 9. Pladetektonikken 10. Dna-dobbeltspiralen

Konklusionen er, at det fysiske univers hverken i det store eller i det små er sammenligneligt med de forestillinger, vi har tilegnet os gennem vores opvækst og livslange omgang med den nære materielle verden.

Forudsætningen er matematik
Alle de store fysiske teorier indeholder matematiske abstraktioner, der ikke umiddelbart er tilgængelige for vores intuition. Derfor er forudsætningen for, at man kan arbejde professionelt med disse teorier, at man behersker det matematiske apparat.

Kvantemekanikkens fundament udgøres også af et sæt af matematiske formler og regler for, hvordan disse anvendes. Men i modsætning til den klassiske mekanik (udtrykt ved Newtons love), som giver mulighed for at forudsige fysiske systemers opførsel med - i princippet - ubegrænset præcision, er den kvantemekaniske beskrivelse af fysiske systemer som udgangspunkt statistisk.

Det svarer populært sagt til, hvis man ud fra Newtons love kun kan regne sig frem til en sandsynlighed for, at et pendul svinger i den ene eller anden retning, selvom man kendte alle startbetingelserne.

Manglende viden
Normalt ville man opfatte en sådan situation som udtryk for manglende viden. I vores klassiske dagligdag skyldes enhver statistisk usikkerhed uvidenhed om for eksempel fejlkilder.

For eksempel kan vi ikke forudsige, om et møntkast fører til plat eller krone, fordi vi ikke kan kontrollere kastet.

Hvis blot vi kendte møntens præcise starttilstand og omgivelsernes beskaffenhed, kunne vi præcist beregne dens bane og dermed forudsige, om det bliver plat eller krone.

Virkemåden af megen avanceret teknologi kun kan forstås på grundlag af kvantemekanikken. Her ses et billede fra produktionen af moderne processorer fra Intel. Foto: Intel Corporations.

Det forholder sig imidlertid anderledes med kvantemekanikken. Forfinede analyser og eksperimenter har vist, at kvantemekanikkens statistiske beskrivelse ikke dækker over uvidenhed eller uformåenhed, men simpelthen er en primær egenskab ved denne teori.

Det er gennem de sidste hundrede år utallige gange eftervist, at det ikke er muligt at opnå en så fuldstændig viden om et fysisk system, at dets fremtid kan forudsiges deterministisk - altså med ubegrænset præcision.

Årsagen kan ikke findes
Kvantemekanikken afspejler dermed en dybtliggende tilfældighed i naturen, som er i direkte modsætning til de klassiske forestillinger, hvor der altid er en årsag til en efterfølgende virkning.

I kvantefysikken er det derimod aldrig muligt at finde årsagerne til en begivenhed. Uanset hvor præcist man eksempelvis forsøger at sende en elektron ind mod en atomkerne, er det ikke muligt at forudsige med bestemthed, i hvilken retning den spredes.

Man kan kort sagt sige, at kvantemekanikken som erkendelse er utilgængelig for hverdagens intuition og formodentlig vil fortsætte med at være det.

Det er tankevækkende, at den mest fundamentale teori for stoffets opførsel ikke lader sig indfange af de normale forestillinger, vi bærer rundt på om verdens indretning.
 

Denne artikel er en forkortet udgave af artiklen Kvantemekanikken (pdf) skrevet af Benny Lautrup, Niels Bohr Instituttet, Københavns Universitet til magasinet Aktuel Naturvidenskab.